النظير

في علم الوراثة ، يُعرف الشكل المتغاير بأنه أحد أفراد مجموعة من المنتجات المتشابهة التي تنشأ من نفس الجين ؛ وقد تتكون هذه المجموعة من جزيئات mRNA أو البروتينات الناتجة عنها . تُعد الأشكال المتغايرة البروتينية ، أو " المتغيرات البروتينية "، من أكثر الأشكال المتغايرة دراسةً ، وهي ناتجة عن اختلافات في تسلسل الحمض النووي المشفر (CDS) لجزيئات mRNA الأولية. ^{[ 1 ]} في حين أن العديد منها يؤدي نفس الأدوار البيولوجية أو أدوارًا مشابهة، فإن بعض الأشكال المتغايرة البروتينية لها وظائف فريدة. قد تتشكل مجموعة من الأشكال المتغايرة البروتينية من خلال التضفير البديل ، أو استخدام مواقع بدء النسخ /المحفزات المتغيرة ، أو تعديلات ما بعد النسخ الأخرى لجين واحد؛ ولا تُؤخذ تعديلات ما بعد الترجمة في الاعتبار عمومًا. (للمزيد، انظر الأشكال البروتينية ). من خلال آليات تضفير الحمض النووي الريبوزي ( RNA )، يمتلك mRNA القدرة على اختيار أجزاء مختلفة من الإكسونات المشفرة للبروتين من الجين، أو حتى أجزاء مختلفة من الإكسونات من الحمض النووي الريبوزي لتكوين تسلسلات mRNA مختلفة. ينتج كل تسلسل فريد شكلاً محدداً من البروتين.

قد يُفسر اكتشاف الأشكال المتغايرة التباين بين العدد القليل من المناطق المشفرة للبروتينات في الجينات التي كشف عنها مشروع الجينوم البشري ، والتنوع الكبير للبروتينات الموجودة في الكائن الحي: إذ يُمكن أن تُؤدي البروتينات المختلفة المشفرة بواسطة الجين نفسه إلى زيادة تنوع البروتينات . [ ^{1 ] ويمكن} أن تتجلى الأشكال المتغايرة على مستوى البروتين في حذف نطاقات كاملة أو حلقات أقصر، وعادةً ما تقع على سطح البروتين. ^{[ 2 ]}

يمكن بسهولة تحديد الأشكال المتغايرة على مستوى الحمض النووي الريبوزي (RNA) من خلال دراسات نسخ الحمض النووي المكمل (cDNA) وتسلسل الحمض النووي الريبوزي (RNA-Seq ). تمتلك العديد من الجينات البشرية أشكالًا متغايرة مؤكدة ناتجة عن التضفير البديل . تشير التقديرات إلى إمكانية تحديد حوالي 100,000 علامة تسلسل معبرة ( ESTs ) في البشر. ^{[ 1 ]} تُعد الأشكال المتغايرة التي تحمل تغيرات في منطقة ترميز البروتين (CDS) الأكثر دراسةً وتوصيفًا، لأنها عادةً ما تُنتج بروتينات ذات خصائص وظيفية مختلفة. ^{[ 3 ]} يمكن أن تختلف الأشكال المتغايرة من الحمض النووي الريبوزي ليس فقط في منطقة ترميز البروتين (CDS) (مما يؤدي إلى الاختلافات المعروفة في البروتينات الناتجة)، ولكن أيضًا في مناطقها غير المترجمة (UTRs)، التي تنظم مستويات النسخ الأولي بطرق عديدة: استقرار النسخ، وطيه، ودورانه، بالإضافة إلى كفاءة الترجمة. غالبًا ما تكون المناطق غير المترجمة هدفًا للحمض النووي الريبوزي الميكروي (miRNA )، الذي عادةً ما يُثبط التعبير عن النسخ عن طريق تحفيز التحلل أو إيقاف الترجمة. ونتيجةً لذلك، يمكن للمنطقة غير المترجمة تحديد كمية النسخ التي تتم ترجمتها. ^{[ 4 ]}

في الاستخدام القديم، يُستخدم مصطلح "الأيزوفورمات" كمرادف غامض لمصطلح "البارالوجات "، وهي نواتج جينات مختلفة من نفس الكائن الحي، وترتبط ببعضها البعض من خلال تضاعف جيني قديم . على سبيل المثال، يُعدّ كل من PRKAA1 و PRKAA2 من البارالوجات، لكن العديد من المصادر تشير إليهما ببساطة باسم "الأيزوفورمات". ^{[ 5 ]}

يمتلك جين واحد القدرة على إنتاج أنواع متعددة من الحمض النووي الريبوزي (RNA) (وبالتالي بروتينات) تختلف في بنيتها وتركيبها؛ ^{[ 6 ] [ 7 ]} تُنظَّم هذه العملية عن طريق التضفير البديل للحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA)، مع أنه ليس من الواضح إلى أي مدى تؤثر هذه العملية على تنوع البروتينات البشرية، إذ لا يرتبط وفرة أشكال نسخ mRNA بالضرورة بوفرة أشكال البروتينات. ^{[ 8 ]} يمكن استخدام مقارنات البنية ثلاثية الأبعاد للبروتينات للمساعدة في تحديد أي من الأشكال، إن وُجدت، تُمثل منتجات بروتينية وظيفية، وقد تم التنبؤ ببنية معظم الأشكال في البروتينات البشرية بواسطة AlphaFold ونُشرت للعموم على موقع isoform.io . ^{[ 9 ]} تُستمد خصوصية الأشكال المُترجمة من بنية/وظيفة البروتين، بالإضافة إلى نوع الخلية والمرحلة التطورية التي تُنتَج خلالها. ^{[ 6 ] [ 7 ]} يصبح تحديد الخصوصية أكثر تعقيدًا عندما يكون للبروتين وحدات فرعية متعددة ولكل وحدة فرعية أشكال متماثلة متعددة.

تتمثل الآليات الأساسية التي تنتج أشكال البروتين المتغايرة في التضفير البديل واستخدام المحفز المتغير، على الرغم من أن التعديلات الناتجة عن التغيرات الجينية، مثل الطفرات والتعددات الشكلية، تعتبر أحيانًا أشكالًا متغايرة متميزة. ^{[ 10 ]}

التضفير البديل

يُعدّ التضفير البديل عملية التعديل الرئيسية بعد النسخ التي تُنتج أشكالًا متغايرة من نسخ mRNA، وهو آلية جزيئية رئيسية قد تُسهم في تنوّع البروتينات. ^{[ 7 ]} أما الجسيم التضفيري ، وهو بروتين نووي ريبوزي كبير ، فهو الآلة الجزيئية داخل النواة المسؤولة عن قطع وربط الحمض النووي الريبوزي ، وإزالة الأجزاء غير المشفرة للبروتين ( الإنترونات ). ^{[ 11 ]}

نظرًا لأن التضفير عملية تحدث بين النسخ والترجمة ، فقد دُرست آثاره الأساسية بشكل رئيسي من خلال تقنيات علم الجينوم ، فعلى سبيل المثال، استُخدمت تحليلات المصفوفات الدقيقة وتسلسل الحمض النووي الريبوزي لتحديد النسخ المتضفرة بديلًا وقياس وفرتها. ^{[ 10 ]} غالبًا ما تُستخدم وفرة النسخ كمؤشر لوفرة نظائر البروتين، على الرغم من أن تجارب البروتينات باستخدام الرحلان الكهربائي الهلامي وقياس الطيف الكتلي قد أظهرت أن الارتباط بين عدد النسخ وعدد البروتينات غالبًا ما يكون ضعيفًا، وأن أحد نظائر البروتين عادةً ما يكون سائدًا. ^{[ 12 ]} تشير إحدى الدراسات التي أُجريت عام 2015 إلى أن سبب هذا التباين يحدث على الأرجح بعد الترجمة، على الرغم من أن الآلية غير معروفة بشكل أساسي. ^{[ 13 ]} وبالتالي، على الرغم من أن التضفير البديل قد تم ربطه كحلقة وصل مهمة بين التباين والمرض، إلا أنه لا يوجد دليل قاطع على أنه يعمل بشكل أساسي عن طريق إنتاج نظائر بروتينية جديدة. ^{[ 12 ]}

يصف التضفير البديل عمومًا عمليةً مُحكمة التنظيم، حيث تُنتَج نسخٌ بديلةٌ عمدًا بواسطة آلية التضفير. مع ذلك، تُنتَج هذه النسخ أيضًا نتيجةً لأخطاء التضفير في عملية تُسمى "التضفير العشوائي"، ويُحتمل أيضًا أن تُترجم إلى أشكالٍ بروتينيةٍ مُتغايرة. على الرغم من أن حوالي 95% من الجينات متعددة الإكسونات يُعتقد أنها تخضع للتضفير البديل، فقد لاحظت إحدى الدراسات حول التضفير العشوائي أن معظم النسخ المختلفة منخفضة الوفرة هي مجرد ضوضاء، وتتوقع أن معظم النسخ البديلة والأشكال البروتينية المُتغايرة الموجودة في الخلية ليست ذات أهمية وظيفية. ^{[ 14 ]}

بشكل عام، يُطلق على أحد أشكال البروتين اسم التسلسل المتعارف عليه بناءً على معايير مثل انتشاره وتشابهه مع التسلسلات المتماثلة - أو المتناظرة وظيفيًا - في أنواع أخرى. ^{[ 18 ]} ويمكن تسمية الحمض النووي الريبوزي الرسول المقابل باسم "النسخة المتعارف عليها". ^{[ 19 ]}

يُفترض أن يكون للأشكال المتغايرة خصائص وظيفية متشابهة، إذ أن معظمها يمتلك تسلسلات متشابهة، ويشترك في بعض أو معظم الإكسونات مع التسلسل المتعارف عليه. مع ذلك، تُظهر بعض الأشكال المتغايرة تباينًا أكبر بكثير (على سبيل المثال، من خلال الربط العابر )، وقد تشترك في عدد قليل من الإكسونات أو لا تشترك في أي منها مع التسلسل المتعارف عليه. إضافةً إلى ذلك، قد يكون لها تأثيرات بيولوجية مختلفة - على سبيل المثال، في حالة متطرفة، قد تُعزز وظيفة أحد الأشكال المتغايرة بقاء الخلية، بينما يُعزز شكل آخر موت الخلية - أو قد يكون لها وظائف أساسية متشابهة ولكنها تختلف في موقعها داخل الخلية. ^{[ 20 ]} مع ذلك، قامت دراسة أُجريت عام 2016 بتوصيف جميع الأشكال المتغايرة لـ 1492 جينًا وظيفيًا، وخلصت إلى أن معظم الأشكال المتغايرة تتصرف كـ "أشكال وظيفية متباينة". توصل الباحثون إلى استنتاج مفاده أن الأشكال المتغايرة تتصرف كبروتينات متميزة بعد ملاحظة أن وظائف معظم الأشكال المتغايرة لا تتداخل. ^{[ 21 ]} نظرًا لأن الدراسة أُجريت على خلايا في المختبر ، فليس من المعروف ما إذا كانت الأشكال المتغايرة في البروتينوم البشري المُعبَّر عنه تشترك في هذه الخصائص. إضافةً إلى ذلك، ولأن وظيفة كل شكل متغاير يجب تحديدها بشكل منفصل، فإن معظم الأشكال المتغايرة المُحدَّدة والمُتوقَّعة لا تزال وظائفها غير معروفة.

يمكن تصنيف الأشكال المتغايرة بناءً على طبيعة اختلافاتها إلى أشكال متغايرة بنيوية وأشكال متغايرة تسلسلية. تنشأ الأشكال المتغايرة البنيوية من عمليات التضفير البديل التي تُنتج تركيبات إكسونية مختلفة ، بما في ذلك حذف/إضافة الإكسونات، ومواقع التضفير البديلة 5' أو 3'، والاحتفاظ بالإنترونات. تُنتج هذه الآليات نسخًا وبروتينات ذات بنى نطاقية متميزة - على سبيل المثال، إضافة أو حذف نطاقات وظيفية كاملة، أو استخدام مواقع مانحة/مستقبلة بديلة تُضيف أو تُزيل أجزاءً من تسلسلات الإكسونات. في المقابل، تنتج الأشكال المتغايرة التسلسلية عادةً عن اختلافات في النوكليوتيدات المفردة، أو إضافات، أو حذف، أو تعديلات ما بعد الترجمة التي تُغير تسلسل الأحماض الأمينية دون تغيير بنية الإكسون الكلية ^{[ 22 ]} .

يُعدّ التضفير البديل العملية الرئيسية لتعديل ما بعد النسخ التي تُنتج أشكالًا متغايرة من نسخ mRNA ، والتي بدورها قد تُؤدي إلى وظائف أو أنشطة أو أنماط تعبير مختلفة ^{[ 23 ]} . ويُعدّ هذا التمييز ذا أهمية وظيفية بالغة: إذ غالبًا ما تُظهر الأشكال المتغايرة البنيوية خصائص مختلفة بشكلٍ كبير نتيجة وجود أو غياب نطاقات بروتينية كاملة، بينما قد تُظهر الأشكال المتغايرة التسلسلية اختلافات وظيفية أكثر دقة. وتُساهم كلتا الآليتين بشكلٍ كبير في تنوّع البروتينات، مع شيوع التباين البنيوي الناتج عن التضفير البديل بشكلٍ خاص في حقيقيات النوى العليا ، حيث يُؤثر على غالبية الجينات متعددة الإكسونات.

• نظير الجين

• نظائر البروتين في مدخل MeSH
• تعريفات الأشكال المتغايرة