معلومة

9.1: تنظيم التعبير الجيني في البكتيريا - علم الأحياء

9.1: تنظيم التعبير الجيني في البكتيريا - علم الأحياء


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

الاوبرون

داخل خليتها الدقيقة ، البكتيريا بكتريا قولونية يحتوي على جميع المعلومات الجينية التي يحتاجها للاستقلاب والنمو والتكاثر. يمكنه تصنيع كل جزيء عضوي يحتاجه من الجلوكوز وعدد من الأيونات غير العضوية. العديد من الجينات في بكتريا قولونية يتم التعبير عنها بشكل تأسيسي ؛ أي يتم تشغيلها دائمًا. ومع ذلك ، لا ينشط الآخرون إلا عندما تحتاج الخلية إلى منتجاتهم ، لذلك يجب تنظيم تعبيرهم.

مثالان:

  • إذا كان الحمض الأميني التربتوفان (TRP) إلى المزرعة ، سرعان ما تتوقف البكتيريا عن إنتاج الإنزيمات الخمسة اللازمة مسبقًا لتخليق Trp من المركبات الوسيطة التي يتم إنتاجها أثناء تنفس الجلوكوز. في هذه الحالة ، وجود نواتج عمل إنزيم يقمع تخليق الانزيم.
  • على العكس من ذلك ، قد يؤدي إضافة ركيزة جديدة إلى وسط الثقافة إستنتج تشكيل إنزيمات جديدة قادرة على التمثيل الغذائي لتلك الركيزة. إذا أخذنا ثقافة بكتريا قولونية التي تتغذى على الجلوكوز وتنقل بعض الخلايا إلى وسط يحتوي على اللاكتوز بدلاً من ذلك ، تحدث سلسلة من الأحداث الكاشفة.
    • في البداية تكون الخلايا هادئة: فهي لا تستقلب اللاكتوز ، وتنخفض أنشطتها الأيضية الأخرى ، ويتوقف انقسام الخلايا.
    • ومع ذلك ، سرعان ما بدأت الثقافة في النمو بسرعة مرة أخرى مع استهلاك اللاكتوز بسرعة. ماذا حدث؟ خلال فترة الهدوء ، بدأت الخلايا في الإنتاج ثلاثة إنزيمات.

الانزيمات الثلاثة

  • أ تصريح الذي ينقل اللاكتوز عبر غشاء البلازما من وسط المزرعة إلى داخل الخلية
  • بيتا جالاكتوزيداز الذي يحول اللاكتوز إلى ألولاكتوز وسيط ثم يتحلل إلى جلوكوز وجالاكتوز. بمجرد وجود اللاكتوز ، ترتفع كمية بيتا جالاكتوزيداز في الخلايا من كمية ضئيلة إلى ما يقرب من 2 ٪ من وزن الخلية.
  • أ ترانس أسيتيلاز الذي لا تزال وظيفته غير مؤكدة.

ال لاك أوبرون

كانت القدرة على الاستجابة لوجود اللاكتوز موجودة دائمًا. جينات الإنزيمات الثلاثة المستحثة هي جزء من جينوم الخلية. ولكن حتى تمت إضافة اللاكتوز إلى وسط الاستزراع ، لم يتم التعبير عن هذه الجينات (تم التعبير عن β-galactosidase بشكل ضعيف - يكفي فقط لتحويل اللاكتوز إلى allolactose). الطريقة الأكثر مباشرة للتحكم في تعبير الجين هي تنظيم معدل النسخ؛ أي المعدل الذي ينسخ به بوليميراز الحمض النووي الريبي الجين إلى جزيئات من الرنا المرسال (مرنا).

يبدأ النسخ الجيني عند نيوكليوتيد معين موضح في الشكل على أنه "+1يرتبط RNA polymerase فعليًا بموقع "أعلى" (أي على الجانب 5 ') من هذا الموقع ويفتح اللولب المزدوج بحيث يمكن أن يبدأ نسخ خيط واحد. يُطلق على موقع الربط لـ RNA polymerase اسم المحفز. في البكتيريا ، يبدو أن سمتين للمُحفز مهمتان:

  • سلسلة من TATAAT (أو شيء مشابه) تتمحور حول 10 نيوكليوتيدات أعلى المنبع من +1 موقع و
  • تمركز تسلسل آخر (TTGACA أو شيء قريب جدًا منه) على 35 نيوكليوتيد في المنبع.

لا يبدو أن تسلسل الحمض النووي الدقيق بين المنطقتين مهم. يتم ترميز كل من الإنزيمات الثلاثة التي يتم تصنيعها استجابة للاكتوز بواسطة جين منفصل. يتم ترتيب الجينات الثلاثة جنبًا إلى جنب على الكروموسوم البكتيري.

في حالة عدم وجود اللاكتوز ، فإن البروتين المثبط المشفر بواسطة الجين الأول يرتبط بـ لاك عامل التشغيل ويمنع النسخ. يؤدي ربط اللاكتوز بالعاقم إلى ترك المشغل. هذا يمكّن RNA polymerase من نسخ الجينات الثلاثة للأوبون. ثم يُترجم جزيء mRNA الوحيد الناتج إلى البروتينات الثلاثة.

ال لاك كاظمة يرتبط بسلسلة محددة من عشرين نيوكليوتيدات تسمى المشغل أو العامل. معظم المشغل هو المصب من المروج. عندما يكون القامع مرتبطًا بالمشغل ، فإن بوليميريز الحمض النووي الريبي غير قادر على المضي قدمًا في مهمته المتمثلة في نسخ الجينات. لا يمثل مثبط lac سوى جزء صغير من البروتينات الموجودة في بكتريا قولونية زنزانة.

العامل هو مزيج من المشغل وجينات ترميز البروتين الثلاثة المرتبطة به.

الجين الذي يقوم بترميز ملف لاك القامع يسمى أنا الجين. يحدث أن يكون موجودا في المنبع فقط من لاك المروجين. ومع ذلك ، ربما لا يكون موقعه الدقيق مهمًا لأنه يحقق تأثيره عن طريق منتج البروتين ، وهو منتج حر في الانتشار في جميع أنحاء الخلية. وفي الواقع ، لا توجد جينات بعض المكابس بالقرب من العوامل التي تتحكم فيها.

على الرغم من أن المكثفات حرة في الانتشار عبر الخلية ، فكيف - على سبيل المثال - يجد مثبط lac الامتداد الفردي لـ 24 زوجًا أساسيًا من المشغل من أصل 4.6 مليون زوج أساسي من الحمض النووي في بكتريا قولونية الجينوم؟ اتضح أن القامع حر في الارتباط في أى مكان على الحمض النووي باستخدام كليهما

  • روابط الهيدروجين و
  • التفاعلات الأيونية (الكهروستاتيكية) بين الأحماض الأمينية موجبة الشحنة (Lys ، Arg) والشحنات السالبة على العمود الفقري ل deoxyribose-phosphate للحمض النووي DNA.

بمجرد تجاوز الحمض النووي ، يمكن للمانع أن يتحرك على طوله حتى يصادف تسلسل المشغل. الآن ، يسمح التغيير الخيفي في البنية الثلاثية للبروتين لنفس الأحماض الأمينية بإنشاء روابط - معظمها روابط هيدروجينية وتفاعلات كارهة للماء - مع قواعد معينة في تسلسل المشغل.

ال لاك المكبّر مكوّن من أربعة عديدات ببتيدات متطابقة (وبالتالي "homotetramer"). يحتوي جزء من الجزيء على موقع (أو مواقع) تمكنه من التعرف على 24 زوجًا أساسيًا لمشغل lac والربط بها. يحتوي جزء آخر من القامع على مواقع ترتبط بالأولاكتوز. عندما يتحد اللاكتوز مع القامع ، فإنه يتسبب في تغيير شكل الجزيء ، بحيث لا يمكن أن يظل مرتبطًا بتسلسل الحمض النووي للمشغل. وبالتالي ، عندما يضاف اللاكتوز إلى وسط الاستزراع ، فإنه يتسبب في إطلاق القامع من المشغل ويمكن الآن لبوليميراز الحمض النووي الريبي أن يبدأ في نسخ جينات الأوبرون الثلاثة إلى غير مرتبطة جزيء رسول RNA.

بالكاد يبدأ النسخ ، قبل أن تلتصق الريبوسومات بجزيء الرنا المرسال المتنامي وتتحرك إليه ترجمة الرسالة في البروتينات الثلاثة. يمكنك معرفة سبب الحاجة إلى أكواد الترقيم - UAA أو UAG أو UGA - لإنهاء الترجمة بين أجزاء ترميز mRNA لكل من الإنزيمات الثلاثة. هذه الآلية هي خاصية مميزة للبكتيريا ، ولكنها تختلف في نواحٍ عديدة عن تلك الموجودة في حقيقيات النوى:

  • لا ترتبط الجينات في حقيقيات النوى في المشغلات (باستثناء الديدان الخيطية مثل C. ايليجانس و tunicates مثل Ciona intestinalis).
  • تحتوي النصوص الأولية في حقيقيات النوى على نسخة من جين واحد فقط (مع الاستثناءات المذكورة أعلاه).
  • النسخ والترجمة غير مرتبطين ماديًا في حقيقيات النوى كما هو الحال في البكتيريا ؛ يحدث النسخ في النواة بينما تحدث الترجمة في العصارة الخلوية (مع استثناءات قليلة).

C. ايليجانس

تختلف C. elegans عن معظم حقيقيات النوى في وجود جزء كبير (15-20٪) من جيناتها مجمعة في أوبرا تحتوي على 2 إلى 8 جينات لكل منها. مثل البكتيريا ، يتم نسخ جميع الجينات الموجودة في الأوبرون من مروج واحد ينتج نسخة أولية واحدة (pre-mRNA). يبدو أن بعض الجينات في هذه الأوبراونات - كما هو الحال في البكتيريا - تشارك في نفس الوظيفة الكيميائية الحيوية ، ولكن قد لا يكون هذا هو الحال بالنسبة لمعظم الناس. C. ايليجانس تختلف الأوبونات أيضًا عن تلك الموجودة في البكتيريا في أن كل ما قبل الرنا المرسال تتم معالجته في مرنا منفصل لكل جين بدلاً من ترجمته كوحدة.

Corepressors

كما ذكر أعلاه ، يتطلب تخليق التربتوفان من السلائف المتوفرة في الخلية 5 إنزيمات. يتم تجميع الجينات التي ترميز هذه معًا في مشغل واحد مع المروج والمشغل الخاصين به. في هذه الحالة ، ومع ذلك ، فإن حضور من التربتوفان في الخلية يطفىء الاوبرون. عندما يكون Trp موجودًا ، فإنه يرتبط بموقع في Trp repressor و تمكن القامع Trp لربط المشغل. عندما لا يكون Trp موجودًا ، يترك المكبِّر عامله ، ويبدأ نسخ جينات ترميز الإنزيم الخمسة.

تُظهر الصورة أعلاه منظرًا مجسمًا لقمع التربتوفان (الجانب الأيمن من كل لوحة) مرتبطًا بحمض النووي المشغل الخاص به (الجانب الأيسر). الضاغط هو جهاز homodimer لاثنين من عديد الببتيدات متطابقة (على جانبي الخط الأحمر الأفقي). يحدث الارتباط بالحمض النووي فقط عندما يرتبط جزيء التربتوفان (الحلقات الحمراء) بكل مونومر من المكبِط. إن فائدة خلية آلية التحكم هذه واضحة. إن وجود مستقلب أساسي في خلية ، في هذه الحالة التربتوفان ، يوقف تصنيعه وبالتالي يوقف تخليق البروتين غير الضروري. كما يوحي اسمها ، فإن القائمين سيطرة سلبية آليات اغلاق المشغلات

  • في حالة عدم وجود ركيزة (اللاكتوز في مثالنا) أو
  • وجود مستقلب أساسي (التربتوفان هو مثالنا).

ومع ذلك ، فإن بعض النسخ الجيني في بكتريا قولونية تحت السيطرة الإيجابية.

التحكم الإيجابي في النسخ: CAP

يعد عدم وجود مثبط lac ضروريًا ولكنه غير كافٍ للنسخ الفعال لأوبيرون lac. يعتمد نشاط بوليميراز الحمض النووي الريبي أيضًا على وجود بروتين آخر مرتبط بالحمض النووي يسمى بروتين منشط الكاتابوليت (CAP). مثل مثبط lac ، يحتوي CAP على نوعين من مواقع الربط: أحدهما يربط nucleotide cyclic AMP والآخر يربط سلسلة من 16 زوجًا أساسيًا في الجزء العلوي من المروج

ومع ذلك ، يمكن لـ CAP الارتباط بالحمض النووي فقط عندما يكون cAMP مرتبطًا بـ CAP. لذلك عندما تكون مستويات cAMP في الخلية منخفضة ، يفشل CAP في ربط الحمض النووي وبالتالي لا يمكن لـ RNA polymerase أن يبدأ عمله ، حتى في حالة عدم وجود القامع. لذلك لاك أوبرون تحت كليهما نفي (ال كاظمة) و إيجابي (قبعة) مراقبة. لماذا ا؟

اتضح أنها ليست مجرد مسألة حزام وحمالات. يتيح هذا النظام المزدوج للخلية جعل الخيارات. ما الذي يجب أن تفعله الخلية ، على سبيل المثال ، عند إطعام كل من الجلوكوز واللاكتوز؟ قدم مع مثل هذا الاختيار ، بكتريا قولونية (لأسباب يمكننا التكهن بها فقط) يختار الجلوكوز. يقوم باختياره باستخدام التفاعل بين جهازي التحكم.

على الرغم من أن وجود اللاكتوز يزيل القامع ، فإن وجود الجلوكوز يقلل من مستوى cAMP في الخلية وبالتالي يزيل CAP. بدون CAP ، يتم منع ارتباط RNA polymerase على الرغم من عدم وجود مانع للتدخل فيه إذا كان يمكن أن يرتبط. يظهر الأساس الجزيئي لاختياراته في الشكل أعلاه.

يتكون CAP من اثنين من عديد الببتيدات متطابقة (ومن ثم فهو homodimer). باتجاه الطرف C ، لكل منها منطقتان من حلزون ألفا مع انحناء حاد بينهما. أطول من هذه تسمى التعرف على الحلزون لأنها مسؤولة عن التعرف على سلسلة معينة من القواعد في الحمض النووي وربطها بها.

يوضح الشكل أعلاه نموذجًا لـ CAP. المونومرات متطابقة. يتعرف كل مونومر على سلسلة من النيوكليوتيدات في الحمض النووي عن طريق منطقة حلزون ألفا المسمى F. لاحظ أن حلزوني التعرف متباعدان بمقدار 34 درجة ، وهي المسافة التي يستغرقها جزيء الحمض النووي (على اليسار) لعمل دورة كاملة على وجه التحديد.

إن حلزونات التعرف على كل عديد ببتيد من CAP متطابقة بالطبع. لكن اتجاههم في الثنائيات هو أن تسلسل القواعد التي يتعرفون عليها يجب أن يسير في الاتجاه المعاكس حتى يرتبط كل حلزون التعرف بشكل صحيح. يسمى هذا الترتيب من تسلسلين متطابقين من أزواج القاعدة التي تعمل في اتجاهين متعاكسين بـ an كرر مقلوب.
لقد تبين أن الاستراتيجية الموضحة في CAP وموقع الربط الخاص به تستخدم على نطاق واسع. مع اكتشاف المزيد والمزيد من البروتينات المنظمة للحمض النووي ، يتشارك العديد منها في الصفات التي نجدها في CAP:

  • عادة ما تحتوي على وحدتين فرعيتين. لذلك هم ثنائيات.
  • يتعرفون على تسلسل الحمض النووي ويرتبطون به يكرر مقلوب.
  • في البكتيريا ، يتم التعرف على تسلسل معين من الحمض النووي والربط به عن طريق قطعة من الحلزون ألفا. ومن ثم غالبا ما توصف هذه البروتينات على أنها الحلزون بدوره الحلزون البروتينات. القامع Trp الموضح أعلاه هو عضو في هذه المجموعة.

مفاتيح الريبوس

بروتين لا تُعد المثبطات والمثبطات هي الطريقة الوحيدة التي تتحكم بها البكتيريا في نسخ الجينات. اتضح أن تنظيم مستوى بعض المستقلبات يمكن أيضًا التحكم فيه بواسطة المحولات الريبية. المحول الريبي هو قسم من المنطقة غير المترجمة 5'(5'-UTR) في جزيء من الرنا المرسال (mRNA) الذي له موقع ارتباط محدد للمستقلب (أو قريب قريب). تتضمن بعض المستقلبات التي ترتبط بالمحولات الريبية ما يلي:

  • البيورينات الأدينين والجوانين
  • الأحماض الأمينية الجلايسين والليسين
  • أحادي نيوكليوتيد الفلافين (المجموعة الاصطناعية من نازعة هيدروجين NADH)
  • S-adenosyl methionine الذي يتبرع بمجموعات الميثيل للعديد من الجزيئات ، بما في ذلك الحمض النووي والغطاء الموجود في الطرف الخامس من الرنا المرسال
  • الحمض الريبي النووي النقال. عندما ترتبط هذه الأحماض الأمينية (aminoacyl-tRNA) ، فإنها ترتبط بالمحول الريبي في mRNA الذي يشفر الإنزيم (مركب aminoacyl-tRNA) المسؤول عن تحميل الحمض الأميني على الحمض الريبي النووي النقال. يؤدي هذا إلى إنهاء نسخ الرنا المرسال قبل الأوان. ترتبط جزيئات الحمض النووي الريبي (tRNA) التي لا تحتوي على حمض أميني مرتبط أيضًا بالمحول الريبي ولكن بطريقة تستمر عملية نسخ الحمض النووي الريبوزي. ترجمته (في البكتيريا ، تبدأ الترجمة بينما لا يزال النسخ جاريًا) ينتج تركيبة aminoacyl-tRNA المستخدمة لتحميل الحمض الأميني على الحمض الريبي النووي النقال. وبالتالي فإن هذه المحولات الريبية تنظم مستوى aminoacyl-tRNAs التي تنتج المزيد عند الحاجة ، وأقل عندما لا يكون (نوع من تثبيط التغذية المرتدة).

في كل حالة ، ينظم المحول الريبي النسخ من الجينات المشاركة في عملية التمثيل الغذائي لهذا الجزيء. يرتبط المستقلب بنمو الرنا المرسال ويحدث تغيرًا خيفيًا يؤدي بالنسبة لبعض الجينات إلى إنهاء تخليق إضافي للرنا المرسال قبل تكوين منتج وظيفي وللجينات الأخرى ، مما يعزز اكتمال تخليق الرنا المرسال. في كلتا الحالتين ، تتمثل إحدى النتائج في التحكم في مستوى هذا المستقلب.

تتحكم بعض المفاتيح الريبية في الرنا المرسال ترجمة بدلا من نسخها. وقد اقترح أن هذه الآليات التنظيمية التي لا تحتوي على أي بروتين، هي قطعة أثرية من "عالم RNA".


شاهد الفيديو: الأوبيرون وتنظيم الجينات في البكتيريا. الأحياء. تنظيم الجينات (شهر فبراير 2023).