نظام تعديل القيود

يوجد نظام تعديل التقييد ( نظام RM ) في البكتيريا والعتائق ، ويوفر دفاعًا ضد الحمض النووي الغريب ، مثل ذلك الذي تحمله العاثيات .

تمتلك البكتيريا إنزيمات تقييد ، تُسمى أيضًا نوكليازات التقييد الداخلية ، التي تقطع الحمض النووي المزدوج عند نقاط محددة إلى أجزاء، ثم تُحلل هذه الأجزاء بواسطة نوكليازات داخلية أخرى . يمنع هذا العدوى عن طريق تدمير الحمض النووي الغريب الذي يُدخله عامل مُعدٍ (مثل العاثية ). يمتلك ما يقرب من ربع البكتيريا المعروفة أنظمة تقييد وتعديل، ومن بين هذه البكتيريا، يمتلك حوالي نصفها أكثر من نوع واحد من هذه الأنظمة.

بما أن التسلسلات التي تتعرف عليها إنزيمات التقييد قصيرة جدًا، فمن شبه المؤكد أن البكتيريا نفسها ستحتوي على بعضها ضمن جينومها. ولمنع تدمير الحمض النووي الخاص بها بواسطة إنزيمات التقييد، تُضاف مجموعات الميثيل . يجب ألا تتداخل هذه التعديلات مع اقتران قواعد الحمض النووي، ولذلك، عادةً ما يتم تعديل عدد قليل فقط من القواعد المحددة على كل شريط.

تقوم الإنزيمات الداخلية بقطع روابط الفوسفودايستر الداخلية/غير الطرفية. ولا تفعل ذلك إلا بعد التعرف على تسلسلات محددة في الحمض النووي، والتي عادة ما يتراوح طولها بين 4 و6 أزواج قاعدية، وغالبًا ما تكون متناظرة .

اكتُشف نظام التقييد والتعديل (RM) لأول مرة على يد سالفاتور لوريا وماري هيومان في عامي 1952 و1953. ^{[ 1 ] [ 2 ]} وجدا أن العاثية البكتيرية النامية داخل بكتيريا مصابة يمكن تعديلها، بحيث عند إطلاقها وإعادة إصابة بكتيريا أخرى ذات صلة، يتم تقييد نمو العاثية (تثبيطه؛ وقد وصف لوريا ذلك أيضًا في سيرته الذاتية في الصفحتين 45 و99 عام 1984). ^{[ 3 ]} في عام 1953، أبلغ جان ويجل وجوزيبي بيرتاني عن أمثلة مماثلة للتعديل الذي يتحكم فيه المضيف باستخدام نظام عاثيات بكتيرية مختلف. ^{[ 4 ]} أدت أعمال لاحقة قامت بها ديزي رولاند-دوسوا وفيرنر أربر في عام 1962 ^{[ 5 ]} والعديد من الباحثين اللاحقين إلى فهم أن التقييد ناتج عن مهاجمة وتفكيك الحمض النووي للعاثية البكتيرية المعدلة بواسطة إنزيمات محددة من البكتيريا المستقبلة. أسفرت أعمال هاميلتون أو. سميث اللاحقة عن عزل إنزيم Hin DII ، وهو أول إنزيم من فئة الإنزيمات المعروفة الآن باسم إنزيمات التقييد ، بينما أثبت دانيال ناثانز إمكانية استخدامه في رسم خرائط التقييد . ^{[ 6 ]} عند عزل هذه الإنزيمات في المختبر، أمكن استخدامها للتلاعب المُتحكم به بالحمض النووي، مما أرسى الأساس لتطوير الهندسة الوراثية . مُنح كل من فيرنر آربر، ودانيال ناثانز، وهاميلتون سميث جائزة نوبل في الطب أو علم وظائف الأعضاء عام 1978 لإسهاماتهم في مجال التقييد والتعديل.

توجد أربع فئات من أنظمة التعديل التقييدي: النوع الأول، والنوع الثاني، والنوع الثالث، والنوع الرابع. ^{[ 7 ]} جميعها تمتلك نشاط إنزيم التقييد ونشاط الميثيلاز (باستثناء النوع الرابع الذي لا يمتلك نشاط الميثيلاز). وقد سُميت هذه الأنظمة حسب ترتيب اكتشافها، مع العلم أن نظام النوع الثاني هو الأكثر شيوعًا. ^{[ 7 ]}

تُعدّ أنظمة النوع الأول الأكثر تعقيدًا، إذ تتكون من ثلاثة عديدات ببتيد: R (لتقييد)، وM (للتعديل)، وS (للتحديد). يستطيع المركب الناتج قطع الحمض النووي DNA ومثيلته. يتطلب كلا التفاعلين ATP، وغالبًا ما يحدث القطع على مسافة كبيرة من موقع التعرف. تحدد الوحدة الفرعية S تحديد كل من التقييد والمثيلة. يحدث القطع على مسافات متفاوتة من تسلسل التعرف، لذا يصعب رؤية الحزم المنفصلة بوضوح باستخدام الرحلان الكهربائي الهلامي .

تُعدّ أنظمة النوع الثاني أبسط الأنظمة وأكثرها شيوعًا. ^{[ 8 ]} فبدلًا من العمل كمركب، يُشفّر كلٌّ من إنزيم ميثيل ترانسفيراز وإنزيم إندونوكلياز كبروتينين منفصلين، ويعملان بشكل مستقل (لا يوجد بروتين مُحدِّد). يتعرّف كلا البروتينين على نفس موقع التعرّف، وبالتالي يتنافسان على النشاط. يعمل إنزيم ميثيل ترانسفيراز كوحدة أحادية ، حيث يقوم بمثيلة كل شريط من الشريطين المزدوجين على حدة. أما إنزيم إندونوكلياز فيعمل كوحدة ثنائية متجانسة، مما يُسهّل عملية قطع كلا الشريطين. يحدث القطع في موضع مُحدَّد قريب من تسلسل التعرّف أو داخله، مما يُنتج شظايا منفصلة أثناء الفصل الكهربائي الهلامي. لهذا السبب، تُستخدم أنظمة النوع الثاني في المختبرات لتحليل الحمض النووي واستنساخ الجينات .

تحتوي أنظمة النوع الثالث على بروتينات R (مقاومة) وM (تعديل) تُشكل مُركبًا للتعديل والقطع. مع ذلك، يستطيع بروتين M المثيلة بمفرده. كما أن المثيلة تحدث فقط على أحد خيوط الحمض النووي، على عكس معظم الآليات الأخرى المعروفة. يتنافس ثنائي الوحدات غير المتجانس المُكوّن من بروتيني R وM مع نفسه من خلال تعديل وتقييد التفاعل نفسه، مما ينتج عنه هضم غير كامل. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

لا تُعدّ أنظمة النوع الرابع أنظمة تقييد حقيقية لأنها تحتوي فقط على إنزيم تقييد وليس على إنزيم ميثيلاز. على عكس الأنواع الأخرى، فإن إنزيمات التقييد من النوع الرابع تتعرف على الحمض النووي المُعدَّل فقط وتقطعه. ^{[ 11 ]}

تمتلك بكتيريا النيسرية السحائية أنظمة متعددة من إنزيمات القطع من النوع الثاني، تُستخدم في التحول الجيني الطبيعي . التحول الجيني الطبيعي هو عملية تستطيع من خلالها خلية بكتيرية مستقبلة امتصاص الحمض النووي من خلية بكتيرية مانحة مجاورة، ودمج هذا الحمض النووي في جينومها عن طريق إعادة التركيب. مع أن الدراسات المبكرة حول أنظمة التعديل بالقطع ركزت على فائدة حماية البكتيريا لنفسها من الحمض النووي للفيروسات البكتيرية الغازية أو غيرها من الأحماض النووية الغريبة، فقد بات من المعروف الآن أن هذه الأنظمة يمكن استخدامها أيضًا لتقييد الحمض النووي المُدخل عن طريق التحول الطبيعي من أفراد آخرين من نفس النوع أو من أنواع ذات صلة.

في بكتيريا النيسرية السحائية الممرضة (المكورات السحائية)، تُعدّ القدرة على التحوّل عمليةً بالغة التطور والتعقيد، حيث تتفاعل بروتينات متعددة على سطح البكتيريا، وفي أغشيتها، وفي سيتوبلازمها مع الحمض النووي المُحوِّل الداخل. وتنتشر أنظمة التقييد والتعديل بكثرة في جنس النيسرية . تمتلك النيسرية السحائية أنظمة متعددة من إنزيمات التقييد من النوع الثاني. ^{[ 12 ]} وتختلف أنظمة التقييد والتعديل في النيسرية السحائية في خصوصيتها بين السلالات المختلفة. ^{[ 12 ] [ 13 ]} وتُوفّر هذه الخصوصية حاجزًا فعالًا ضد تبادل الحمض النووي بين السلالات. ^{[ 12 ]} وقد أشار لوريا، في الصفحة 99 من سيرته الذاتية، ^{[ 3 ]} إلى هذا السلوك التقييدي بأنه "مثال متطرف على عدم الود". ويبدو أن التقييد والتعديل عامل رئيسي في العزلة الجنسية والتنوع النوعي في المكورات السحائية. ^{[ 14 ]} اقترح كوجانت ومايدن ^{[ 15 ]} أن أنظمة التقييد والتعديل في المكورات السحائية قد تعمل على السماح بالتبادل الجيني بين الأقارب المقربين جدًا مع تقليل (ولكن ليس منع تمامًا) التبادل الجيني بين المكورات السحائية التي تنتمي إلى مجموعات استنساخية مختلفة وأنواع ذات صلة.

يمكن لأنظمة RM أيضًا أن تعمل كعناصر وراثية أنانية ، حيث تفرض الحفاظ عليها على الخلية من خلال قتل الخلايا بعد الانفصال. ^{[ 16 ]}

طورت بعض الفيروسات طرقًا للتحايل على نظام التعديل التقييدي، وذلك عادةً عن طريق تعديل حمضها النووي بإضافة مجموعات ميثيل أو جليكوزيل إليه، مما يعيق عمل إنزيمات التقييد. بينما تقوم فيروسات أخرى، مثل العاثيات T3 وT7، بترميز بروتينات تثبط إنزيمات التقييد.

لمواجهة هذه الفيروسات، طورت بعض البكتيريا أنظمة تقييد لا تتعرف إلا على الحمض النووي المعدل وتقطعه، دون أن تؤثر على الحمض النووي غير المعدل للخلية المضيفة. وقد طورت بعض بدائيات النوى أنواعًا متعددة من أنظمة التقييد والتعديل.

تكثر أنظمة التقييد والتعديل في الأنواع متعددة التزاوج، حيث تُنشئ مسارات تفضيلية للتبادل الجيني داخل وبين السلالات التي تمتلك أنظمة تقييد وتعديل مماثلة. ^{[ 17 ]} ونظرًا لأن نطاق و/أو خصوصية أنظمة التقييد والتعديل في السلالات البكتيرية يتغير بسرعة، فمن المتوقع أن تتغير التدفقات التفضيلية للنقل الجيني داخل الأنواع باستمرار، مما يُنتج شبكات نقل جيني تعتمد على الزمن.

تُعدّ أنظمة التعديل والتقييد (RM) عناصر أساسية في التفاعل التطوري المشترك بين العناصر الجينية المتنقلة (MGEs) ومضيفيها. ^{[ 26 ]} وقد أُبلغ عن انتقال الجينات المشفرة لأنظمة التعديل والتقييد بين جينومات بدائيات النوى داخل العناصر الجينية المتنقلة، مثل البلازميدات، والبروفاجات، وتسلسلات الإدخال/الترانسبوزونات، وعناصر الاقتران التكاملية (ICEs)، والإنترونات. ومع ذلك، فقد وُجد مؤخرًا أن عدد أنظمة التعديل والتقييد في البلازميدات قليل نسبيًا، وبعضها في البروفاجات، ويكاد ينعدم في العاثيات. من ناحية أخرى، تشفر جميع هذه العناصر الجينية المتنقلة عددًا كبيرًا من جينات التعديل والتقييد المنفردة، ولا سيما إنزيمات نقل الميثيل (MTases). ^{[ 26 ]} في ضوء ذلك، يُرجّح أن تكون حركة أنظمة التعديل والتقييد أقل اعتمادًا على العناصر الجينية المتنقلة، وأكثر اعتمادًا، على سبيل المثال، على وجود بؤر تكامل جينومية صغيرة. من الممكن أيضًا أن تستغل أنظمة تعديل الجينات بشكل متكرر آليات أخرى مثل التحول الطبيعي، والحويصلات، والأنابيب النانوية، وعوامل نقل الجينات أو النقل المعمم من أجل الانتقال بين الجينومات.

• المثيلة
• إنزيم التقييد