تنظیم بیان ژن

دارای کاربرد در پاسخ به تغییرات به منظور کاهش مصرف انرژی – ایجاد یاخته های مختلف از یک یاخته (تمایز) در سال گذشته آموختید که همه یاخته های پیکری بدن از تقسیم رشتمان(میتوز) یاخته تخم منشا می گیرند. یاخته های حاصل، از نظر فام تنی و ژن ها یکسان اند.

با این حال در ادامه تقسیمات و رشد جنین، یاخته های متفاوتی ایجاد می شوند که اعمال مختلفی انجام می دهند؛ مثال یاخته های عصبی و ماهیچه ای بدن یک فرد، ژن های یکسانی دارند ولی دارای عملکرد و شکل متفاوتی هستند.

حال این سؤال مطرح می شود که چگونه ممکن است یاخته هایی با ژن های یکسان تا این حد متفاوت باشند؟ پاسخ این است که در هر یاخته تنها تعدادی از ژن ها فعال و سایر ژن ها غیر فعال هستند. هرگاه اطالعات ژنی در یک یاخته مورد استفاده قرار بگیرد، می گوییم آن ژن بیان شده و به اصطالح روشن است و ژنی که مورد استفاده قرار نمی گیرد خاموش است و به اصطالح بیان نشده است.

مقدار، بازه و زمان استفاده از ژن در یاخته های مختلف یک جاندار ممکن است فرق داشته باشد و حتی در یک یاخته هم بسته به نیاز متفاوت باشد. به فرایند هایی که تعیین می کنند در چه هنگام، به چه مقدار و کدام ژن ها بیان شوند و یا بیان نشوند، فرایندهای تنظیم بیان ژن می گویند.

تنظیم بیان ژن فرایندی بسیار دقیق و پیچیده است و عوامل متعددی ممکن است بر آن اثر بگذارند. تنظیم بیان ژن موجب می شود تا جاندار به تغییرات پاسخ دهد؛ مثال در گیاه، نور می تواند باعث فعال شدن
ژن سازنده آنزیمی شود که در فتوسنتز مورد استفاده قرار می گیرد. در نبود نور این ژن بیان نمی شود.

همچنین تنظیم بیان ژن می تواند موجب ایجاد یاخته های مختلفی از یک یاخته شود. یاخته های متفاوتی که از یاخته های بنیادی مغز استخوان ایجاد می شوند، مثالی مناسب در این مورد هستند. در مورد این یاخته ها در کتاب دهم مطالبی را فرا گرفته اید.

تنظیم بیان ژن در پروکاریوت ها
محصول ژن، رنا و پروتئین است. بنابراین، تغییر در فعالیت ژن ها، بر ساخت این محصوالت نیز اثر می گذارد. تنظیم بیان ژن در پروکاریوت ها می تواند در هر یک از مراحل ساخت رنا و پروتئین تأثیر بگذارد. ولی به طور معمول تنظیم بیان ژن در مرحله رونویسی انجام می شود. در مواردی هم ممکن است یاخته با تغییر در پایداری (طول عمر) رنا یا پروتئین، فعالیت آن را تنظیم کند.

تنظیم رونویسی در پروکاریوت ها
در این نوع تنظیم عواملی به پیوستن رنابسپاراز به توالی راه انداز کمک و یا مانع حرکت رنابسپاراز می شوند. در نتیجه، رونویسی ژن تسهیل یا ممانعت می شود؛ مثال با اتصال پروتئین های خاصی به بخشی از دنا که سر راه رنابسپاراز است، از انجام رونویسی جلوگیری می شود.

نمونه این نوع تنظیم، در نوعی باکتری به نام اشرشیا کالی شناخته شده است. قند مصرفی ترجیحی این باکتری گلوگز است. مراحل تجزیه قند گلوکز در یاخته را در فصول بعد خواهیم آموخت. اگر گلوکز در محیط باکتری وجود نداشته باشد ولی قند دیگری به نام الکتوز در اختیار باکتری قرار بگیرد، باکتری می تواند از این قند استفاده کند.

این قند متفاوت از گلوکز بوده است و آنزیم های الزم برای مصرف آن نیز متفاوت است. بنابراین وقتی الکتوز در محیط وجود دارد باکتری باید آنزیم های تجزیه کننده آن را بسازد و در نبود یا کاهش الکتوز نیز ساخت آنزیم های تجزیه کننده آن متوقف یا کاهش پیدا کند.

حال این پرسش پیش می آید که باکتری چگونه می تواند حضور الکتوز در محیط را تشخیص دهد و آنزیم های تجزیه کننده آن را بسازد؟ ژن هایی که این آنزیم ها را می سازند چگونه روشن و یا خاموش می شوند؟
در پروکاریوت ها بیان ژن به دو صورت منفی و مثبت تنظیم می شود.

تنظیم منفی رونویسی:
آموختید که رونویسی با چسبیدن رنابسپاراز به راه انداز مربوط به ژن شروع می شود. حال اگر مانعی بر سر راه رنابسپاراز وجود داشته باشد، رونویسی انجام نمی شود. به این نوع تنظیم، تنظیم منفی رونویسی گفته می شود. مانع پیش روی رنابسپاراز نوعی پروتئین به نام مهارکننده است.

این پروتئین به توالی خاصی از دنا به نام اپراتور متصل می شود و جلوی حرکت رنابسپاراز را می گیرد. الکتوز موجود در محیط به باکتری وارد می شود و با اتصال به مهارکننده، شکل آن را تغییر می دهد. تغییر شکل مهارکننده، آن را از اپراتور جدا می کند و نیز مانع از اتصال آن به اپراتور می شود. با برداشته شدن مانع سر راه، رنابسپاراز می تواند رونویسی ژن ها (سه ژن) را انجام دهد. محصوالت این ژن ها (سه ژن) تجزیه الکتوز را ممکن می کند.

تنظیم مثبت رونویسی:
در این نوع تنظیم، پروتئین های خاصی به رناسپاراز کمک می کنند تا بتواند به راه انداز متصل شود و رونویسی را شروع کند. مثال این نوع تنظیم نیز در باکتری اشرشیاکالی وجود دارد. مشخص شده که اگر در محیط باکتری، قند مالتوز وجود داشته باشد، درون باکتری آنزیم هایی (سه آنزیم) ساخته می شوند که در تجزیه آن دخالت دارند.

در عدم حضور مالتوز این آنزیم ها ساخته نمی شوند چون باکتری نیازی به آنها ندارد. تنظیم رونویسی در مورد این ژن ها (سه ژن) به صورت مثبت انجام می شود. در حضور قند مالتوز، انواعی از پروتئین به نام فعال کننده وجود دارند که به توالی های خاصی از دنا متصل می شوند. به این توالی ها جایگاه اتصال فعال کننده گفته می شود.

در حضور مالتوز در محیط، پروتئین فعال کننده به جایگاه خود متصل می شود و پس از اتصال به رنابسپاراز کمک می کند تا به راه انداز متصل شود و رونویسی را شروع کند. اتصال مالتوز به فعال کننده باعث پیوستن آن به جایگاه اتصال شده و رونویسی شروع می شود.

تنظیم بیان ژن در یوکاریوت ها
تنظیم بیان ژن در یوکاریوت ها پیچیده تر از پروکاریوت هاست و می تواند در مراحل بیشتری انجام شود. یاخته های یوکاریوتی به وسیله غشاها به بخش های مختلفی تقسیم شده اند. بنابراین، برای آنکه یاخته نسبت به یک ماده واکنش نشان دهد، آن ماده باید به طریقی از غشاها عبور کند و ژن ها را تحت تاثیر قرار دهد.

در یاخته های یوکاریوتی، بیشتر ژن ها در هسته و برخی در راکیزه ها و دیسه ها قرار دارند. در هر یک از این محل ها، یاخته می تواند بر بیان ژن نظارت داشته باشد. بنابراین تنظیم بیان ژن می تواند در مراحل متعددی انجام شود.

تنظیم بیان ژن در مرحله رونویسی
در یوکاریوت ها نیز مانند پروکاریوت ها، رونویسی با پیوستن رنابسپاراز به راه انداز آغاز می شود. در یوکاریوت ها رنابسپاراز نمی تواند به تنهایی راه انداز را شناسایی کند و برای پیوستن به آن نیازمند پروتئین هایی به نام عوامل رونویسی هستند. گروهی از این پروتئین ها با اتصال به نواحی خاصی از راه انداز، رنابسپاراز را به محل راه انداز هدایت می کند، چون تمایل پیوستن این پروتئین ها به راه انداز در اثر عواملی تغییر می کنند، مقدار رونویسی ژن آن هم تغییر می کند.

در یوکاریوت ها ممکن است عوامل رونویسی دیگری به بخش های خاصی از دنا به نام توالی افزاینده متصل شوند. با پیوستن این پروتئین ها به توالی افزاینده و ایجاد خمیدگی در دنا، عوامل رونویسی در کنار هم قرار می گیرند. کنار هم قرارگیری این عوامل، سرعت رونویسی را افزایش می دهند. توالی های افزاینده متفاوت از راه انداز هستند و ممکن است در فاصله دوری از ژن قرار داشته باشند. اتصال این پروتئین ها بر سرعت و مقدار رونویسی ژن موثر است

تنظیم بیان ژن در مراحل غیر رونویسی
در یوکاریوت ها تنظیم بیان ژن می تواند پیش از رونویسی یا پس از آن هم انجام شود. اتصال بعضی از رناهای کوچک مکمل به رنای پیک مثالی از تنظیم بیان ژن پس از رونویسی است. با اتصال این رناها، از کار رناتن جلوگیری می شود. در نتیجه، عمل ترجمه متوقف و رنای ساخته شده پس از مدتی تجزیه می شود.

روش تنظیم دیگر در سطح فام تنی است. به طور معمول بخش های فشرده فام تن کمتر در دسترس رنابسپاراز ها قرار می گیرند بنابراین یاخته می تواند با تغییر در میزان فشردگی فام تن در بخش های خاصی، دسترسی رنابسپاراز را به ژن مورد نیاز تنظیم کند. به نظر شما این تنظیم بیان ژن پیش از رونویسی است یا پس از آن؟

از روش های دیگر تنظیم بیان ژن طول عمر رنای پیک است. افزایش طول عمر رنای پیک موجب افزایش محصول می شود. این فرایند ها در میزان پروتئین سازی موثر خواهند بود. شیوه های دیگری نیز در تنظیم بیان ژن مؤثرند که نحوه عمل بسیاری از آنها ناشناخته است

نکات کنکوری

تنظیم بیان ژن

📌 همه یاخته های پیکری بدن از تقسیم رشتمان (میتوز)یاخته تخم منشا می گیرد. یاخته های حاصل، از نظر فام تنی و ژنها یکسان اند.

📌 در ادامة تقسیمات و رشد جنین، یاخته های متفاوتی ایجاد میشوند که اعمال مختلفی انجام میدهند. (این یاخته ها مقدار ژن برابری با سایر یاخته ها دارند)
 
📌 یاخته های عصبی ، ماهیچه ای ، کناری ، اصلی ، پوششی و … بدن یک فرد، ژنهای یکسانی دارند ولی دارای عملکرد و شکل متفاوتی هستند

📌 در هر یاخته تنها تعدادی از ژنها فعال و سایر ژنها غیرفعال هستند.( مثال در یاخته کناری همه ژن های انسانی وجود دارد اما ژن های دخیل در ساخت عامل داخلی معده فعال بوده و ژن های دخیل در ساخت پپسینوژن غیر فعال هستند)

📌 هرگاه اطلاعات ژنی در یک یاخته مورد استفاده قرار بگیرد، میگوییم آن ژن بیان شده و به اصطلاح روشن است و ژنی که مورد استفاده قرار نمی گیرد خاموش است و به اصطلاح بیان نشده است.

📌 مقدار، بازه و زمان استفاده از ژن در یاخته های مختلف یک جاندار ممکن است فرق داشته باشد و حتی در یک یاخته هم بسته به نیاز متفاوت باشد.

📌 در تنظیم بیان ژن ، اطلاعات گروهی از ژن ها مورد استفاده قرار میگیرد (ژن روشن) و گروهی دیگر از ژن ها خاموش بوده و اطلاعات آن مورد استفاده یاخته قرار نمی گیرد.

📌 به فرایندهایی که تعیین میکنند در چه هنگام، به چه مقدار و کدام ژن ها بیان شوند و یا بیان نشوند، فرایندهای تنظیم بیان ژن میگویند. تنظیم بیان ژن فرایندی بسیار دقیق و پیچیده است و عوامل متعددی ممکن است بر آن اثر بگذارند.

📌 تنظیم بیان ژن موجب میشود تا جاندار به تغییرات پاسخ دهد.

📌 تنظیم بیان ژن میتواند موجب ایجاد یاخته های مختلفی از یک یاخته شود. یاخته های متفاوتی که از یاخته های بنیادی مغز استخوان ایجاد میشوند، مثالی مناسب در این مورد هستند. از تقسیم یاخته های بنیادی میلوئیدی تعدادی یاخته ایجاد میشود. با توجه به نوع تنظیم بیان ژن در آنها ، در آینده انواعی از یاخته (گلبول قرمز ، نوتروفیل ، ائوزینوفیل ، بازوفیل ، مونوسیت و مگاکاریوسیت) ایجاد میشود. یاخته بنیادی لنفوئیدی به همین طریق و وقوع تنظیم بیان ژن ، لنفوسیت B و T ایجاد میکند.

تنظیم بیان ژن در پروکاریوت ها


📌 تنظیم بیان ژن در پروکاریوت ها (باکتری ها) میتواند در هر یک از مراحل ساخت رنا و پروتئین تأثیر بگذارد ولی به طور معمول تنظیم بیان ژن در مرحلة رونویسی انجام میشود. در مواردی هم ممکن است یاخته با تغییر در پایداری (طول عمر) رنا یا پروتئین، فعالیت آن را تنظیم کند.

تنظیم رونویسی در پروکاریوت ها

📌 در ساختار پروتئین مهارکننده ، پروتئین های فعال کننده و RNAپلیمراز ، آمینواسید ، پیوند پپتیدی ، پیوند هیدروژنی ، پیوند یونی و … وجود دارد.

📌 در تنظیم منفی رونویسی (تجزیه لاکتوز) ، لاکتوز با اتصال به پروتئین مهارکننده ، سبب تغییر شکل آن می شود. در تنظیم مثبت رونویسی (تجزیه مالتوز) مالتوز به پروتئین های فعال کننده متصل میشود ولی سبب تغییر شکل آن نمی شود.

📌 در صورت رونویسی از هر سه ژن متوالی ، در نهایت یک رنای پیک ایجاد می شود. این رنای پیک به طور همزمان حامل اطلاعات سه ژن است

📌 در بخش سه ژنی در اکلای (جذب و هضم الکتوز و مالتوز) ، هیچ کدام از ژن ها همزمان جایگاه آغاز و پایان رونویسی را ندارند.


📌 در تنظیم منفی رونویسی : (راه انداز – اپراتور – ژن 1 – ژن 2 – ژن 3) اپراتور بین راه انداز و ژن است ، اپراتور جایگاه اتصال پروتئین مهارکننده (نوعی پروتئین نه انواعی)است.

📌 از روی هر سه ژن (هم زمان ، به یک اندازه) رونویسی رخ داده و یک رنایی که محتوای رونوشت هر سه ژن است ، ساخته می شود. در تنظیم مثبت.

📌 رنای پیک حاصل از رونویسی بخش سه ژنی در اکلای (جذب و هضم لاکتوز و مالتوز) دارای سه کدون آغاز و سه کدون پایان است.

📌 در بخش سه ژنی در اکلای (جذب و هضم الکتوز و مالتوز)

 * ژن 2 ، رونویسی می شود اما جایگاه آغاز و پایان رونویسی ندارد

*ژن 1 ، جایگاه آغاز رونویسی دارد اما جایگاه پایان رونویسی ندارد

*ژن 3 ، جایگاه پایان رونویسی دارد اما جایگاه آغاز رونویسی ندارد.

📌 جایگاه آغاز رونویسی + جایگاه پایان رونویسی + بین جایگاه آغاز و پایان رونویسی ، رونویسی میشود.

📌 راه انداز ، اپراتور و جایگاه اتصال فعال کننده ، رونویسی نمی شوند.

📌 در حضور گلوکز و غیاب لاکتوز ، پروتئین مهارکننده بر روی اپراتور قرار داشته و از حرکت RNAپلیمراز بر روی ژن ها جلوگیری می کند.

📌 ژن پروتئین مهارکننده همیشه (به مقدار نیاز جاندار) در حال رونویسی است و از روی آن رنای پیک و پروتئین مهارکننده ساخته می شود.

📌 در تنظیم منفی رونویسی ( تجزیه لاکتوز) ، RNAپلیمراز به تنهایی راه انداز را شناسایی کرده است. در تنظیم مثبت رونویسی (تجزیه مالتوز)، RNAپلیمراز به کمک پروتئین های فعال کننده راه انداز را شناسایی می کند.

📌 ترتیب وقایع در تنظیم  مثبت : ابتدا اتصال مالتوز به پروتئینهای فعال کننده ، سپس اتصال پروتئین فعال کننده به جایگاه خود در دنا و بعد اتصال RNAپلیمراز به راه انداز رخ می دهد.

📌 عوامل رونویسی فقط در یاخته جانداران یوکاریوتی فعالیت می کند در باکتری وجود ندارد.

📌 پروتئین فعال کننده سبب تسهیل اتصال RNAپلیمراز به راه انداز می شود.

📌 در دنای اصلی باکتری اکلای ، تعداد ژن ها از تعداد راه انداز و تعداد راه انداز از تعداد اپراتور (یا جایگاه اتصال فعال کننده) بیشتر است.

📌 پروتئین مهارکننده به لاکتوز (نوعی قند دی ساکاریدی) بیشتر از اپراتور (توالی خاصی از دنا) تمایل دارد.

📌 پروتئین مهارکننده پس از اتصال به قند لاکتوز از اپراتور (دارای قند دئوکسی ریبوز + پیوند هیدروژنی + فسفات + باز آلی) جدا می شود.

📌 مالتوز و لاکتوز ، کربن ، هیدروژن و اکسیژن دارند اما نیتروژن ندارند. پروتئین ، کربن ، هیدروژن ، اکسیژن ، نیتروژن و … دارد.

تنظیم بیان ژن در یوکاریوت ها

📌 تنظیم بیان ژن در یوکاریوت ها پیچیده تر از پروکاریوت هاست و میتواند در مراحل بیشتری انجام شود.

📌 در یاخته های یوکاریوتی، بیشتر ژنها در هسته (ساختار دو غشایی) و برخی در راکیزه (اندامک دو غشایی) و دیسه ها (اندامک دو غشایی) قرار دارند.

📌 در هر یک از محل های حضور دنا (هسته + میتوکندری + کلروپلاست) ، یاخته میتواند بر بیان ژن نظارت داشته باشد. بنابراین تنظیم بیان ژن میتواند در مراحل متعددی انجام شود.

تنظیم بیان ژن در مرحله رونویسی

 📌 در یوکاریوت ها رنابسپاراز نمی تواند به تنهایی راه انداز را شناسایی کند و برای پیوستن به آن نیازمند پروتئین هایی به نام عوامل رونویسی هستند. گروهی از این پروتئین ها با اتصال به نواحی خاصی از راه انداز ، رنابسپاراز را به محل راه انداز هدایت میکند.

📌 در یوکاریوت ها ، نیز مانند پروکاریوت ها ، رونویسی با پیوستن رنابسپاراز به راه انداز آغاز میشود.

📌 دریوکاریوت ها ممکن است (نه همواره) عوامل رونویسی دیگری (متفاوت از عوامل رونویسی اتصال یافته به راه انداز) به بخشهای (  نه بخشی) خاصی از دنا به نام توالی افزاینده متصل شوند. با پیوستن این پروتئین ها به توالی افزاینده و با ایجاد خمیدگی در دنا، عوامل رونویسی در کنار هم قرار میگیرند. کنار هم قرارگیری این عوامل، سرعت رونویسی را افزایش میدهند.

📌 توالی های افزاینده متفاوت از راه انداز هستند و ممکن است در فاصلة دوری از ژن قرار داشته باشند. اتصال این پروتئین ها بر سرعت و مقدار رونویسی ژن مؤثر است.

📌 دریوکاریوت ها تنظیم بیان ژن میتواند پیش از رونویسی یا پس از آن هم (مرحله رونویسی) انجام شود.


📌 در یوکاریوت ها با اتصال بعضی از رناهای کوچک به رنای پیک ، از کار رِناتَن جلوگیری میشود. در نتیجه، عمل ترجمه متوقف و رنای ساخته شده پس از مدتی تجزیه میشود.

📌 در یوکاریوت روش تنظیم دیگر در سطح فام تنی است. به طور معمول بخش های فشرده فام تن کمتر در دسترس رنابسپارازها قرار میگیرند. بنابراین یاخته میتواند با تغییر در میزان فشردگی فام تن در بخشهای خاصی، دسترسی رنابسپاراز را به ژن مورد نظر تنظیم کند. (تنظیم بیان ژن پیش از رونویسی)

📌 ایجاد خمیدگی بین راه انداز و توالی افزاینده بیانگر تنظیم رونویسی در مرحله رونویسی در یوکاریوت ها است.

📌 رنای کوچک سبب تجزیه رنای پیک نمی شود.

📌 اتصال بعضیی رناهای کوچک مکمل به رنای پیک نوعی تنظیم بیان ژن پس از رونویسـی است که با اتصال این رناها، از کار رِناتَن جلوگیری می شیود. در نتیجه، عمل ترجمه متوقف و رنای ساخته شده پس از مدتی تجزیه میشود.( تنظیم بیان ژن در خارج از هسته)

📌 تمام انواع رناها در یوکاریوت ها به دنبال فعالیت عوامل رونویسی که موجب شناسایی راه انداز توسط رنابسپاراز میشود، درون هسته تولید میگردند.