عنصر P

الموسوعة الحرة

عناصر P هي عناصر قابلة للانتقال، اكتُشفت في ذبابة الفاكهة (دروسوفيلا) باعتبارها عوامل مسببة لصفات وراثية تُعرف باسم خلل التكوين الهجين . يُعدّ الترانسبوزون مسؤولاً عن صفة P لعنصر P ، وهو موجود فقط في الذباب البري. كما توجد هذه العناصر في العديد من حقيقيات النوى الأخرى. [ 1 ]

اقترحت عالمة الأحياء التطورية مارغريت كيدويل هذا الاسم لأول مرة ، حيث أجرت، بالتعاون مع جيمس كيدويل وجون سفيد، أبحاثًا حول خلل التكوين الهجين في ذبابة الفاكهة . وقد أشاروا إلى السلالات بـ P للدلالة على الأصل الأبوي و M للدلالة على الأصل الأمومي إذا ساهمت في خلل التكوين الهجين في هذا الدور التناسلي. [ 2 ]

يشفر العنصر P إنزيمًا يُعرف باسم ناقل P. وعلى عكس الإناث المُستزرعة مخبريًا، يُعتقد أن الإناث البرية تُنتج أيضًا مُثبطًا لوظيفة ناقل P ، ينتجه العنصر نفسه. يُقلل هذا المُثبط من اضطراب الجينوم الناتج عن حركة عناصر P ، مما يسمح بإنجاب ذرية خصبة. ويأتي الدليل على ذلك من تهجين إناث المختبر (التي تفتقر إلى مُثبط ناقل P ) مع ذكور برية (التي تحتوي على عناصر P ). في غياب المُثبط، يمكن لعناصر P أن تتكاثر في جميع أنحاء الجينوم، مُعطلةً العديد من الجينات، وغالبًا ما تكون قاتلة للذرية أو عقيمة.

تُستخدم عناصر P بشكل شائع كعوامل مُطفرة في التجارب الجينية على ذبابة الفاكهة (دروسوفيلا) . إحدى مزايا هذا النهج هي سهولة تحديد الطفرات. في حالة خلل التكوين الهجين، يتزاوج نوعان من ذبابة الفاكهة ، مما ينتج عنه نسل هجين ويُسبب تلفًا كروموسوميًا معروفًا بتأثيره المُخلّ بالتكوين. يتطلب خلل التكوين الهجين مساهمة من كلا الأبوين. على سبيل المثال، في نظام PM ، حيث يُساهم النوع P أبويًا والنوع M أموميًا، يُمكن أن يحدث خلل التكوين. أما التزاوج العكسي، مع أب ذي نمط خلوي M وأم ذات نمط خلوي P ، فيُنتج نسلًا طبيعيًا، لأنه يتزاوج بطريقة P × P أو M × M. يُمكن أن تُسبب كروموسومات الذكر P خلل التكوين عند تزاوجها مع أنثى ذات نمط خلوي M.

صفات

العنصر P هو ترانسبوزون من الفئة الثانية ، ويتحرك بآلية "قص ولصق" تعتمد على الحمض النووي. يتألف تسلسل التعرف من أربعة إكسونات تفصل بينها ثلاثة إنترونات . [ 3 ] ينتج عن التضفير الكامل للإنترونات إنزيم الترانسبوزاز، بينما ينتج عن التضفير الجزئي البديل للإنترونين 1 و2، والذي يترك الإنترون 3 فقط في نسخة mRNA، مثبط العنصر P. يشفر العنصر P الكامل والمستقل إنزيم الترانسبوزاز، الذي يتعرف على التكرارات المقلوبة الطرفية بطول 31 زوجًا قاعديًا في طرفي العنصر P ، ويحفز استئصال العنصر P وإعادة إدخاله. يبلغ طول العنصر الكامل 2907 زوجًا قاعديًا؛ تحتوي العناصر P غير المستقلة على حذف داخلي متفاوت الطول يلغي إنتاج الترانسبوزاز، ولكن لا يزال من الممكن تحريك هذه العناصر إذا تم ترميز ترانسبوزاز وظيفي في مكان آخر من الجينوم. يؤدي إدخال عنصر P والاستئصال اللاحق بالضرورة إلى ترك تكرارات مباشرة مكونة من 8 أزواج قاعدية في موقع الاستئصال؛ وبالتالي فإن وجود هذه التكرارات يدل على نشاط عنصر P السابق.

جميع عناصر P لها بنية نموذجية تتضمن تكرارات معكوسة طرفية بطول 31 زوجًا قاعديًا وتكرارات معكوسة داخلية بطول 11 زوجًا قاعديًا تقع في نطاق THAP الخاص بالترانسبوزاز. أقصر وأطول عناصر P هي عناصر غير ذاتية. تشفر أطول عناصر P الترانسبوزاز اللازم لعملية النقل. التسلسل نفسه الذي يشفر الترانسبوزاز يشفر أيضًا مثبطًا للنقل، يتراكم في السيتوبلازم أثناء نمو الخلايا. بالتالي، في تزاوج ذكر P أو M مع أنثى P ، يحتوي سيتوبلازم الأنثى على المثبط، الذي يرتبط بأي عنصر P ويمنع نقله.

خلل التكوين الهجين

يشير مصطلح خلل التكوين الهجين إلى ارتفاع معدل الطفرات في الخلايا الجنسية لسلالات ذبابة الفاكهة، والناتج عن تزاوج ذكور تحمل عناصر P مستقلة ( سلالة P /نمط خلوي P ) مع إناث تفتقر إلى عناصر P ( سلالة M / نمط خلوي M ). وتتميز متلازمة خلل التكوين الهجين بالعقم المرتبط بدرجة الحرارة، وارتفاع معدلات الطفرات، وزيادة إعادة ترتيب الكروموسومات وإعادة تركيبها.

يتأثر النمط الظاهري للخلل الجيني الهجين بانتقال عناصر P داخل الخلايا الجنسية لنسل ذكور سلالة P مع إناث سلالة M. ويحدث الانتقال فقط في الخلايا الجنسية، لأن عملية التضفير اللازمة لإنتاج mRNA الترانسبيوزاز لا تحدث في الخلايا الجسدية.

يظهر خلل التكوين الهجين عند تهجين ذكور السلالة P مع إناث السلالة M ، وليس عند تهجين إناث السلالة P (التي تحمل عناصر P مستقلة) مع ذكور السلالة M. تحتوي بيوض إناث السلالة P على كميات كبيرة من بروتين كابح يمنع نسخ جين الترانسبيوزاز. أما بيوض أمهات السلالة M ، التي لا تحتوي على البروتين الكابح، فتسمح بانتقال عناصر P من الحيوانات المنوية للآباء. في إناث السلالة P ، توجد البروتينات الكابحة في السيتوبلازم. لذا، عندما يُخصب ذكور السلالة P إناث السلالة M (التي لا يحتوي سيتوبلازمها على البروتين الكابح)، يُساهم الذكر بجينومه الذي يحمل عنصر P ، وليس بسيتوبلازمه، مما يؤدي إلى ذرية من السلالة P. [ 3 ]

يساهم هذا التأثير في توريث piRNAs فقط في السلالة الأمومية، مما يوفر آلية دفاع ضد عناصر P. [ 4 ]

الاستخدام في البيولوجيا الجزيئية

يُستخدم عنصر P على نطاق واسع في أبحاث ذبابة الفاكهة (دروسوفيلا) كمُطفر. يعتمد نظام الطفرات عادةً على عنصر مستقل غير متحرك، وعنصر آخر متحرك غير مستقل. بعد ذلك، يمكن فحص ذباب الأجيال اللاحقة عن طريق النمط الظاهري أو تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR) . تحتوي عناصر P الموجودة طبيعيًا على تسلسل ترميز لإنزيم الترانسبيوزاز وتسلسلات تعرف لعمله. ينظم الترانسبيوزاز ويحفز استئصال عنصر P من الحمض النووي للمضيف، حيث يقطع عند موقعي التعرف، ثم يعيد إدخاله عشوائيًا. هذا الإدخال العشوائي، الذي قد يتداخل مع الجينات الموجودة أو يحمل جينًا إضافيًا، هو ما يمكن استخدامه في الأبحاث الجينية.

لاستخدام هذا كأداة جينية مفيدة وقابلة للتحكم، يجب فصل جزئي عنصر P لمنع الانتقال غير المنضبط. تتكون الأدوات الجينية التقليدية من حمض نووي ريبوزومي (DNA) يُشفّر إنزيم الترانسبيوزاز، دون وجود تسلسلات تعرف عليه، وبالتالي لا يمكنه الاندماج، بالإضافة إلى " بلازميد P ". يحتوي بلازميد P دائمًا على جين مُخبِر من ذبابة الفاكهة ، وغالبًا ما يكون علامة للعين الحمراء (ناتج جين اللون الأبيض )، وتسلسلات تعرف على إنزيم الترانسبيوزاز. قد يحتوي أيضًا على جين مُستهدف، وجين علامة انتقائية من الإشريكية القولونية ، وغالبًا ما يكون نوعًا من مقاومة المضادات الحيوية ، ومنشأ تضاعف ، أو تسلسلات أخرى مُرتبطة بوظائف البلازميد الأساسية.

طرق الاستخدام

هناك طريقتان رئيسيتان لاستخدام هذه الأدوات:

تحول الذبابة

  1. استنسخ عنصر P في بلازميد وقم بتحويله وتنميته في البكتيريا.
  2. قم بإزالة ناقل P واستبدله بالجين الذي ترغب فيه.
  3. يتم حقن الطرف الخلفي لجنين في مرحلة مبكرة (قبل تكوين الخلايا) بالحمض النووي الذي يرمز إلى الترانسبيوزاز وبلازميد يحتوي على جين المراسل وجين الاهتمام وتسلسلات التعرف على الترانسبيوزاز.
  4. يحدث انتقال عشوائي، مما يؤدي إلى إدخال الجين محل الاهتمام وجين الإبلاغ.
  5. بمجرد إدخال الجين المطلوب، يصبح غير متحرك لأنه لا يستطيع إنتاج ناقل P الخاص به.
  6. قم بتربية الذباب وتهجينه لإزالة التباين الجيني بين خلايا الكائن الحي. (ستتحول بعض خلايا الكائن الحي فقط. ومن المأمول أن ينتهي المطاف ببعض هذه الخلايا المتحولة في الخلايا الجنسية. وستؤدي الخلية الجنسية المتحولة إلى كائن حي خالٍ من أي تباين بين خلاياه).
  7. ابحث عن ذباب يعبر عن الجين المُبلغ. يحمل هذا الذباب الجين المُدخل محل الاهتمام، لذا يمكن فحصه لتحديد النمط الظاهري الناتج عن الجين محل الاهتمام.

قد يكون الجين المُدخل قد أضر بوظيفة أحد جينات العائل. لذا، يلزم استخدام عدة سلالات من الذباب لإجراء مقارنة والتأكد من عدم تعطيل أي جينات إضافية.

الطفرات الإدخالية

  1. يتم حقن الجنين مجهريًا بالحمض النووي الذي يرمز إلى الترانسبيوزاز وبلازميد يحتوي على جين المراسل وتسلسلات التعرف على الترانسبيوزاز (وأحيانًا جين المراسل E. coli وأصل التضاعف، وما إلى ذلك).
  2. يحدث انتقال عشوائي، حيث يتم إدخال جين المؤشر بشكل عشوائي. يميل هذا الإدخال إلى الحدوث بالقرب من الجينات النشطة النسخ، لأن بنية الكروماتين تكون في هذه المناطق أكثر مرونة، مما يجعل الحمض النووي أكثر سهولة في الوصول إليه.
  3. قم بتربية الذباب وتهجينه لإزالة التباين الجيني بين خلايا الكائن الحي (انظر أعلاه).
  4. ابحث عن ذباب يحمل جينًا مُخبِرًا. لقد خضعت هذه الذباب لعملية نقل ناجحة، لذا يمكن فحصها لتحديد النمط الظاهري الناتج عن طفرة في الجينات الموجودة.

الطفرات المحتملة:

  1. يؤدي الإدخال في منطقة مترجمة إلى بروتين هجين/بروتين مبتور. وعادةً ما يتسبب في فقدان وظيفة البروتين، على الرغم من ملاحظة تأثيرات أكثر تعقيدًا.
  2. يؤدي الإدخال في الإنترون إلى تغيير نمط التضفير /فشل التضفير. وعادةً ما ينتج عنه بتر البروتين أو إنتاج منتجات غير فعالة ذات تضفير خاطئ، على الرغم من شيوع تأثيرات أكثر تعقيدًا.
  3. يؤدي إدخال جين في المنطقة غير المترجمة 5' (التي ستصبح المنطقة غير المترجمة 5' من الحمض النووي الريبوزي الرسول) إلى اقتطاع النسخة. وعادةً ما ينتج عن ذلك عدم احتواء الحمض النووي الريبوزي الرسول على غطاء 5' ، مما يؤدي إلى ترجمة أقل كفاءة.
  4. يؤدي الإدخال في المحفز إلى انخفاض أو فقدان كامل للتعبير الجيني، مما ينتج عنه دائمًا انخفاض كبير في مستويات إنتاج البروتين. يُعد هذا النوع من الإدخال الأكثر فائدة للتحليل نظرًا لبساطة الحالة.
  5. الإدخال بين المحفز والمعززات العلوية => فقدان وظيفة المعزز / اختطاف وظيفة المعزز لجين المراسل.† يقلل بشكل عام من مستوى خصوصية البروتين لنوع الخلية، على الرغم من أنه غالبًا ما تُلاحظ تأثيرات معقدة.
فخ المحسن

يُتيح استغلال مُحسِّن من جين آخر تحليل وظيفة ذلك المُحسِّن. وهذا، خاصةً إذا كان الجين المُبلِّغ خاصًا ببروتين فلوري، يُمكن استخدامه للمساعدة في رسم خريطة تعبير الجين المُتحوِّر في الكائن الحي، وهو أداة بالغة الفعالية. كما أنه أداة مفيدة لدراسة أنماط التعبير الجيني (زمنيًا ومكانيًا).

استخدامات أخرى

تُعرف هذه الأساليب باسم علم الوراثة العكسي. علم الوراثة العكسي هو نهج لاكتشاف وظيفة الجين من خلال تحليل التأثيرات الظاهرية لتسلسلات جينية محددة يتم الحصول عليها عن طريق تسلسل الحمض النووي.

تحليل نواتج الطفرات

بمجرد تحديد وظيفة البروتين المتحور، يصبح من الممكن تحديد تسلسل/تنقية/استنساخ المناطق المحيطة بالإدخال بالطرق التالية:

تفاعل البوليميراز المتسلسل العكسي

عملية تحليل الحمض النووي المحيط بإدخال معروف بواسطة تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR)
  1. عزل جينوم الذبابة.
  2. تخضع لعملية هضم خفيفة (باستخدام إنزيم [الإنزيم 1] المعروف بعدم قطعه في جين المراسل)، مما ينتج عنه أجزاء من بضعة كيلوبايتات، بعضها يحتوي على الإدخال والحمض النووي المحيط به.
  3. ربط الهضم ذاتيًا (تركيز منخفض من الحمض النووي لضمان الربط الذاتي) مما يعطي مجموعة مختارة من شظايا الحمض النووي الدائرية، بعضها يحتوي على الإدخال والحمض النووي المحيط به.
  4. قم بقطع البلازميدات في مرحلة ما في جين المراسل (باستخدام إنزيم [الإنزيم 2] المعروف بأنه نادرًا ما يقطع في الحمض النووي الجينومي، ولكنه معروف بأنه يقطع في جين المراسل).
  5. باستخدام البادئات الخاصة بأجزاء الجين المُبلغ، يمكن تضخيم الحمض النووي لتسلسله .

تتيح عملية القطع والربط الذاتي وإعادة القطع تضخيم المناطق المجاورة للحمض النووي دون معرفة التسلسل. ويمكن تحديد نقطة الربط من خلال تحديد موقع القطع بواسطة الإنزيم 1.

إنقاذ البلازميد

عملية تحليل الحمض النووي المحيط بإدخال معروف عن طريق استعادة البلازميد
  1. عزل جينوم الذبابة.
  2. تخضع لعملية هضم خفيفة (باستخدام إنزيم [الإنزيم 1] المعروف بقدرته على القطع في الحدود بين جين المراسل وجين المراسل E. coli وتسلسلات البلازميد)، مما ينتج عنه أجزاء من بضعة كيلوبايت، بعضها يحتوي على جين المراسل E. coli وتسلسلات البلازميد والحمض النووي المحيط به.
  3. ربط الهضم ذاتيًا (تركيز منخفض من الحمض النووي لضمان الربط الذاتي) مما ينتج عنه مجموعة مختارة من شظايا الحمض النووي الدائرية، بعضها يحتوي على مراسل E. coli ، وتسلسلات البلازميد والحمض النووي المحيط به.
  4. أدخل البلازميدات في خلايا الإشريكية القولونية (على سبيل المثال عن طريق التثقيب الكهربائي).
  5. اختر البلازميدات لجين العلامة الانتقائية لبكتيريا الإشريكية القولونية . لن يتم التعبير عن هذا الجين إلا عند إدخال البلازميدات بنجاح مع تسلسلات "الصيانة الخلوية" للبلازميد.
  6. يمكن استنساخ الجين لإجراء المزيد من التحليلات.

الأدب

  • ليلاند هارتويل وآخرون، 2004. علم الوراثة - من الجينات إلى الجينومات، الطبعة الثانية. ماكجرو هيل
  • إنجلز، دبليو آر بي، العناصر في ذبابة الفاكهة

مراجع

  1. ↑ ماجومدار، س؛ ريو، دي سي (أبريل 2015). " عناصر P القابلة للنقل في ذبابة الفاكهة والكائنات حقيقية النواة الأخرى" . ميكروبيولوجي سبيكتروم . 3 (2): MDNA3–0004–2014. doi : 10.1128/microbiolspec.MDNA3-0004-2014 . PMC 4399808. PMID 26104714 .  
  2. ↑ كيدويل، مارغريت ج؛ كيدويل، جيمس ف؛ سفيد، جون أ (1977-08-01). "خلل التكوين الهجين في ذبابة الفاكهة : متلازمة من الصفات الشاذة تشمل الطفرة والعقم وإعادة التركيب الذكري" . علم الوراثة . 86 (4): 813-833 . doi : 10.1093/genetics/86.4.813 . ISSN 1943-2631 . PMC 1213713. PMID 17248751 .   
  3. 1 2 غريفيث، أ. ج. (2005). مقدمة في التحليل الجيني . ماكميلان.
  4. ↑ برينيك، ج.؛ وآخرون (2008). "دور فوق جيني لـ piRNAs الموروثة من الأم في إسكات العناصر المتحركة" . مجلة ساينس . 322 (5906): 1387-1392 . Bibcode : 2008Sci...322.1387B . doi : 10.1126/science.1165171 . PMC 2805124. PMID 19039138 .