جدول المحتويات:

الآلات الجزيئية التي تتحكم في الجينات
الآلات الجزيئية التي تتحكم في الجينات

فيديو: الآلات الجزيئية التي تتحكم في الجينات

Отличия серверных жестких дисков от десктопных
فيديو: ORIGIN Arabic 2023, كانون الثاني
Anonim

ما قاله رئيس معهد هوارد هيوز الطبي الجديد روبرت تيجان عن أنشطة جيناتنا في عام 1995: يتم تنظيمها بإحكام من خلال مجمعات معقدة من البروتينات التي تتجمع على الحمض النووي. يمكن أن تؤدي الاضطرابات في التشغيل الطبيعي لهذه التجمعات إلى المرض.

ملحوظة المحرر: نُشر هذا المقال في الأصل في عدد فبراير 1995 من Scientific American. نحن نعيد نشره هذا الأسبوع لأنه تم تعيين روبرت تيجان رئيسًا لمعهد هوارد هيوز الطبي.

يبدو أن الربو والسرطان وأمراض القلب والاضطرابات المناعية والالتهابات الفيروسية هي حالات متباينة. ومع ذلك ، فقد ظهروا لمشاركة ميزة مفاجئة. كل ذلك ينشأ إلى حد كبير من الإفراط في إنتاج أو نقص إنتاج واحد أو أكثر من البروتينات ، وهي الجزيئات التي تنفذ معظم التفاعلات في الجسم. أدى هذا الإدراك مؤخرًا إلى إضفاء مزيد من الإلحاح على البحث الذي يهدف إلى فهم الآلية البيوكيميائية الرائعة ، والتلاعب بها في نهاية المطاف ، والتي تنظم خطوة أساسية في تخليق البروتين: نسخ الجينات. من أجل إنتاج بروتين ، يجب نسخ الجين الذي يحدد تركيبته أو نسخه من الحمض النووي إلى خيوط من الحمض النووي الريبي المرسال ، والتي تعمل لاحقًا كقوالب يتم تصنيع البروتين منها.

حتى قبل أن يصبح العلاج هدفًا ، كان النسخ قد أسر العلماء لفترة طويلة لسبب آخر: معرفة كيفية تنظيم هذه العملية يعد بتوضيح بعض الألغاز المركزية في الحياة. تحتوي كل خلية في الجسم على نفس الجينوم ، وهو مكمل لنحو 150 ألف جين تشكل مخططًا للإنسان. كيف يمكن للخلية الأصلية للكائن الحي - البويضة المخصبة - أن تولد عددًا لا يحصى من أنواع الخلايا ، كل منها يستخدم مجموعات فرعية مختلفة نوعًا ما من تلك الجينات لإنتاج مزيج مختلف من البروتينات؟ وكيف تحافظ خلايا الجسم المكتمل على نفسها ، وتزيد وتقلل من كميات البروتينات التي تصنعها استجابة لاحتياجاتها واحتياجات الكائن الحي الأكبر ؟.

للإجابة على هذه الأسئلة وتصميم أدوية قادرة على تعديل النسخ ، يحتاج الباحثون إلى معرفة شيء ما عن تركيبة الجهاز الذي يتحكم في قراءة الشفرة الجينية في الخلايا البشرية. بعد حوالي 25 عامًا من الاستكشاف ، أصبح الهيكل العام لهذا الجهاز واضحًا. أظهر عملي في مختبري بجامعة كاليفورنيا في بيركلي وفي مؤسسات أخرى أن جزءًا واحدًا من الجهاز - المحرك الذي يقود نسخ معظم ، إن لم يكن كل ، الجينات البشرية - يتكون من حوالي 50 بروتينًا متميزًا. يجب أن تتجمع هذه البروتينات في مجمع ضيق على الحمض النووي قبل أن يبدأ إنزيم خاص ، RNA polymerase ، في نسخ الحمض النووي إلى RNA المرسال. تم الآن دمج المكونات المفترضة في أنبوب الاختبار لإنتاج محرك نسخ يعمل بكامل طاقته. لا تزال البروتينات الأخرى تتصل بشكل أساسي بالمآخذ الاستقبالية في المحرك ، وبذلك تقوم ببرمجتها ، لتخبرها بالجينات التي يجب نسخها ومدى السرعة. كما تظهر التفاصيل الحاسمة لهذه التفاعلات.

أدلة من البكتيريا

عندما بدأت أنا وزملائي في بيركلي التركيز على الجينات البشرية في أواخر السبعينيات ، لم يكن معروفًا سوى القليل عن آلية النسخ في خلايانا. لكن الدراسات التي بدأت في وقت مبكر من ذلك العقد قدمت صورة واضحة إلى حد ما عن النسخ في بدائيات النوى والبكتيريا وغيرها من الكائنات الحية وحيدة الخلية البدائية التي تفتقر إلى نواة محددة. قدم هذا العمل في النهاية نظرة ثاقبة للخلايا البشرية وغيرها من الخلايا حقيقية النواة (النواة) وساعد في تحديد ميزات النسخ التي تنطبق على جميع الكائنات الحية تقريبًا. أظهر البحث البكتيري أن الجينات تنقسم أساسًا إلى منطقتين مختلفتين وظيفيًا. تحدد منطقة الترميز تسلسل الأحماض الأمينية التي يجب ربطها معًا لصنع بروتين معين. يتم توضيح هذا التسلسل بواسطة النيوكليوتيدات (اللبنات الأساسية للحمض النووي) في خيط واحد من الحلزون المزدوج للحمض النووي ؛ تتميز النيوكليوتيدات عن بعضها البعض بالقاعدة الغنية بالنيتروجين التي تحملها - أدينين (A) ، ثايمين (T) ، سيتوزين (C) أو جوانين (G). المنطقة الأخرى من الجين لها واجبات تنظيمية. يتحكم في المعدل الذي ينسخ به بوليميراز الحمض النووي الريبي منطقة ترميز الجين إلى الرنا المرسال.

في البكتيريا ، كما هو الحال في معظم بدائيات النوى ، توجد المنطقة التنظيمية ، المسماة المحفز ، ضمن امتداد من النيوكليوتيدات يقع على مسافة قصيرة - غالبًا ما يصل إلى 10 نيوكليوتيدات - أمام (المنبع من) بداية منطقة الترميز. لكي تتم عملية النسخ بدقة وكفاءة ، يجب أن تعلق بوليميريز الحمض النووي الريبي بالمحفز. بمجرد أن يتم وضعه في هذا المكان ، فإنه ينزلق إلى بداية منطقة الترميز وينتقل على طول الحمض النووي ، مثل قطار على مسار ، مكونًا نسخة طبق الأصل من الحمض النووي الريبي من تسلسل الترميز. باستثناء الجينات الطويلة جدًا ، يعتمد عدد جزيئات الحمض النووي الريبي التي يتم تصنيعها في أي لحظة بشكل أساسي على المعدل الذي ترتبط به جزيئات بوليميراز الحمض النووي الريبي بالمحفز وتبدأ النسخ.

ومن المثير للاهتمام أن RNA polymerase عبارة عن جزيء مختلط إلى حد ما ، غير قادر على التمييز بين المروج وتسلسلات الحمض النووي الأخرى. لتوجيه الإنزيم إلى محفزات جينات معينة ، تنتج البكتيريا مجموعة متنوعة من البروتينات ، المعروفة باسم عوامل سيجما ، التي ترتبط ببوليميراز الحمض النووي الريبي. تكون المجمعات الناتجة قادرة على التعرف على متواليات النوكليوتيدات المختارة والتعلق بها في المحفزات. بهذه الطريقة ، تقوم عوامل سيجما ببرمجة بوليميريز الحمض النووي الريبي لتجاوز جميع المتواليات غير المحفزة والبقاء فقط عند المروجين المعينين.

بالنظر إلى أهمية عوامل سيجما في التنشيط التفاضلي للجينات في البكتيريا ، بدأت أنا وزملائي بحثنا في جهاز النسخ البشري من خلال البحث عن جزيئات شبيهة بالسيجمال في الخلايا البشرية. لكننا قللنا من أهمية تعقيد الآلية التي تطورت لاسترداد المعلومات الجينية من جينومنا المفصل. سرعان ما أصبح واضحًا أن عوامل سيجما البشرية قد لا تكون موجودة أو قد لا تأخذ نفس الشكل كما هو الحال في البكتيريا.

تعقيد مذهل

إذا لم تكن هناك عوامل سيجما بسيطة في حقيقيات النوى ، فكيف تضمن هذه الخلايا أن بوليميراز الحمض النووي الريبي نسخ الجينات الصحيحة في الوقت المناسب وبالمعدل الصحيح؟ بدأنا في رؤية وميض إجابة بمجرد تحديد التصميم غير المعتاد للجينات حقيقية النواة.

بحلول عام 1983 ، توصل الباحثون إلى أن ثلاثة أنواع من العناصر الجينية ، تتكون من متواليات منفصلة من النيوكليوتيدات ، تتحكم في قدرة بوليميريز الحمض النووي الريبي لبدء النسخ في جميع حقيقيات النوى - من الخميرة أحادية الخلية إلى الكائنات المعقدة متعددة الخلايا. تم العثور على أحد هذه العناصر ، الموجود بشكل عام بالقرب من منطقة الترميز ، للعمل مثل المروج البكتيري. يسمى المحفز الأساسي ، وهو الموقع الذي يبدأ منه البوليميراز رحلته على طول منطقة التشفير. العديد من الجينات في الخلية لها محفزات أساسية مماثلة.

قام والتر شافنر من جامعة زيورخ وستيفن لانير ماكنايت من معهد كارنيجي بواشنطن ، من بين آخرين ، بتحديد مجموعة غير عادية من العناصر التنظيمية تسمى المعززات ، والتي تسهل النسخ. يمكن أن توجد هذه التسلسلات على آلاف النيوكليوتيدات في المنبع أو في اتجاه مجرى التيار من المحفز الأساسي - أي بعيدًا عنه بشكل لا يصدق. وكشفت دراسات لاحقة عن وجود كاتمات للصوت ، والتي تساعد على منع النسخ ، ومرة ​​أخرى ، يمكن أن تقع على مسافة طويلة من المحفز الأساسي.

في تشبيه غير كامل إلى حد ما ، إذا كان المروج الأساسي هو مفتاح الإشعال لمحرك السيارة ، فستعمل المعززات كمسرّع ، وستعمل كاتمات الصوت كمكابح. يمكن أن تشتمل جينات حقيقيات النوى على العديد من المعززات وكواتم الصوت ، وقد يحتوي جينان على بعض العناصر المتماثلة المعززة أو كاتم الصوت ، ولكن لا يوجد جينان متماثلان تمامًا في مجموعة المعززات وكواتم الصوت التي يحملانها. يتيح هذا الترتيب للخلايا التحكم في نسخ كل جين على حدة.

أدى اكتشاف هذه العناصر إلى استنتاجين مرتبطين ، وفي ذلك الوقت ، مثيران للدهشة للغاية. كان من الواضح أن المعززات وكاتمات الصوت لا تستطيع التحكم في نشاط بوليميريز الحمض النووي الريبي من تلقاء نفسها. من المفترض أنها كانت بمثابة مواقع لرسو السفن لعائلة كبيرة من البروتينات. كانت البروتينات المرتبطة بالمُعزِّزات وكاتمات الصوت - التي تسمى الآن المنشطات والمثبطات - تنقل رسائل تحفيزية أو قمعية بشكل مباشر أو غير مباشر إلى بوليميراز الحمض النووي الريبي (أي يتم الضغط على المسرع أو المكابح). يبدو أيضًا أن معدل نسخ الجين سيحدده النشاط المشترك لجميع البروتينات - أو عوامل النسخ المرتبطة بعناصرها التنظيمية المختلفة.

تم اكتشاف عامل بشري

ومع ذلك ، فقد تعرضنا لضغوط شديدة لشرح كيف يمكن للبروتينات المرتبطة بتسلسل الحمض النووي بعيدًا عن المحفز الأساسي للجين أن تؤثر على نسخ هذا الجين. كما هو الحال في المختبرات الأخرى ، بدأنا في مهاجمة هذا اللغز من خلال محاولة عزل عوامل النسخ البشرية ، والتي لم يتم العثور على أي منها حتى الآن (باستثناء بوليميريز RNA نفسه). افترضنا أنه بمجرد حصولنا على نسخ نقية من العوامل ، سنكون قادرين على اكتساب المزيد من الأفكار حول كيفية عملها بالضبط.

نظرًا لأن العديد من البروتينات التي ترتبط بالحمض النووي لا تلعب دورًا في قراءة الجينات ، لم نتمكن من العثور على عوامل النسخ بكفاءة عن طريق فحص البروتينات النووية فقط وفقًا لقدرتها على الارتباط بالحمض النووي. لذلك ، تبنت مجموعتي استراتيجية أكثر تمييزًا ، بحثًا عن البروتينات التي يتم دمجها في تفاعل أنبوب الاختبار مع الحمض النووي والنسخ المحفز.

في عام 1982 ، قرر William S. Dynan ، زميل ما بعد الدكتوراه في مختبري ، أن بعض البروتين في خليط من البروتينات النووية يلائم جميع متطلبات عامل النسخ. يرتبط بعنصر تنظيمي مشترك لمجموعة مختارة من الجينات - تسلسل مُحسِّن يُعرف باسم صندوق GC (بسبب وفرته من نيوكليوتيدات G و C). والأهم من ذلك ، عند إضافتها إلى مستحضر البروتينات النووية التي تضمنت بوليميريز الحمض النووي الريبي ، زادت المادة بشكل ملحوظ من نسخ الجينات التي تحمل صندوق GC فقط. وبالتالي ، فقد حددنا أول عامل نسخ بشري قادر على التعرف على تسلسل تنظيمي محدد. أطلقنا عليه اسم بروتين النوعية 1 (Sp1).

شرعنا على الفور في تنقية الجزيء. كان أحد الجوانب المخيفة لهذا العمل هو حقيقة أن عوامل النسخ تميل إلى الظهور فقط بكميات ضئيلة في الخلايا. عادةً ما يتكون أقل من جزء من الألف بالمائة من محتوى البروتين الكلي للخلية البشرية من أي عامل معين. في عام 1985 ، وجد James T.Kadonaga في مختبري طريقة للتغلب على هذا الحاجز التقني الكبير - وفي هذه العملية قدم أداة جديدة قوية تم استخدامها منذ ذلك الحين لتنقية عدد لا يحصى من عوامل النسخ والبروتينات النادرة المرتبطة بالحمض النووي.

نظرًا لأن Sp1 تعرف بشكل انتقائي على صندوق GC ، قام Kadonaga بتركيب جزيئات DNA المكونة بالكامل من هذا الصندوق وربطها كيميائيًا بحبات صلبة. ثم قام بتمرير مزيج معقد من البروتينات النووية البشرية فوق الحمض النووي ، وتوقع أن يلتصق به البروتين Sp1 فقط. وفقًا للتخطيط ، عندما فصل البروتينات المرتبطة عن الحمض النووي الاصطناعي ، كان لديه Sp1 نقي.

من الدراسات التي أجراها مارك بتاشني وزملاؤه في جامعة هارفارد ، علمنا أن منظمات النسخ البكتيري عبارة عن بروتينات معيارية ، تؤدي فيها مناطق منفصلة مهامًا متميزة. بمجرد أن تعلمنا تسلسل الأحماض الأمينية في Sp1 ، بحثنا عن دليل على وحدات مميزة ولاحظنا على الأقل وحدتين مثيرتين للاهتمام.

يحتوي أحد طرفي الجزيء على منطقة من الواضح أنها مطوية إلى ثلاثة "أصابع زنك". من المعروف الآن أن هياكل أصابع الزنك ، التي تطوى فيها أجزاء من البروتين حول ذرة الزنك ، تعمل باسم "الخطافات" التي تربط العديد من البروتينات المنشطة بالحمض النووي. ولكن في ذلك الوقت ، كان البروتين Sp1 هو ثاني بروتين يستخدمها. اكتشف آرون كلوغ وزملاؤه في مجلس البحوث الطبية في إنجلترا أصابع الزنك ، في عامل نسخ الضفدع ، قبل وقت قصير فقط [انظر: أصابع الزنك ، بقلم دانييلا رودس وآرون كلوغ ؛ أمريكا العلمية ، فبراير 1993].

احتوى الطرف الآخر من Sp1 على مجال يتكون من جزأين منفصلين مملوءين بغالبية من الجلوتامين من الأحماض الأمينية. كنا نشك بشدة في أن هذه المنطقة لعبت دورًا مهمًا أثناء النسخ بسبب اكتشاف مذهل. في تجارب أنابيب الاختبار ، يمكن لجزيئات Sp1 الطافرة التي تفتقر إلى المجال أن ترتبط بالحمض النووي جيدًا ، لكنها فشلت في تحفيز النسخ الجيني. أشارت هذه النتيجة إلى أن Sp1 لم يؤثر على النسخ فقط من خلال الدمج مع الحمض النووي ؛ لقد عملت باستخدام الجزء الغني بالجلوتامين - المعروف الآن باسم مجال التنشيط - للتفاعل مع جزء آخر من آلية النسخ. كان السؤال أي جزء ؟.

في عام 1988 عندما بدأنا البحث عن هدف Sp1 ، كانت لدينا فكرة عن مكانه. استند تخميننا إلى فهم ناشئ لما يسمى بمركب النسخ القاعدية ، والذي بدا أن أحد أجزاءه هدف محتمل.

الإغلاق على الهدف

في منتصف الثمانينيات من القرن الماضي ، أظهر روبرت ج. رويدر وزملاؤه في جامعة روكفلر أن بوليميراز الحمض النووي الريبي لا يمكنه نسخ جينات حقيقية النواة ما لم تجمع عدة عوامل نسخ أخرى - تسمى الآن العوامل القاعدية - على المروج الأساسي. وعلى مدار الثمانينيات ، حدد مختبر رويدر وآخرون ستة من تلك العوامل الأساسية على الأقل ، تسمى A و B و D و E و F و H.

في أنبوب الاختبار ، مكّن هذا التجميع من العوامل بوليميريز الحمض النووي الريبي من نسخ جين مرتبط عند معدل منخفض وثابت ، لكنه لا يستطيع تعديل هذا المعدل بمفرده. كان الأمر كما لو أن شخصًا ما قد صنع محرك سيارة وشغّله لكنه فقد استخدام عجلة القيادة والمُسرّع والمكابح. على سبيل المثال ، عندما قامت مجموعتي بخلط مكونات المركب (بما في ذلك RNA polymerase) بجين يحتوي على صندوق GC ، حصلنا على مستوى نسخ منخفض وغير متغير. لقد رأينا زيادة ملحوظة في النسخ فقط عندما قمنا بدمج Sp1 في الخليط.

بحلول أواخر الثمانينيات من القرن الماضي ، كان من الواضح أن الخلايا البشرية تؤوي فئتين منفصلتين على الأقل من عوامل النسخ. العوامل القاعدية مطلوبة لبدء النسخ في جميع الجينات ؛ البروتينات الأخرى - المنشطات والمثبطات - تملي المعدل الذي يبدأ به المركب القاعدي النسخ. يتم التحكم في الجينات المختلفة من خلال مجموعات متميزة من المنشطات والمثبطات. نشك الآن في أن المركب القاعدي في الجسم ينشأ تلقائيًا نادرًا فقط ؛ في معظم الأحيان ، تعتمد الخلايا على المنشطات لبدء بنائها.

اقترحت هذه الاكتشافات المختلفة أن المجال الغني بالجلوتامين لـ Sp1 عزز النسخ عن طريق الاتصال بعامل قاعدي. وبشكل أكثر تحديدًا ، اشتبهنا في أن Sp1 تمسك بالعامل D ، وسهّل ارتباطه بالمُروّج. ركزنا على هذه الوحدة الفرعية لأن Phillip A. Sharp و Stephen Buratowski من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أظهروا أنه يمكن أن يهبط على المروج الأساسي قبل جميع العوامل الأساسية الأخرى ويمكنه تسهيل تجميع المحرك الأساسي الكامل. في الواقع ، العامل D هو المكون الأساسي الوحيد القادر على التعرف على الحمض النووي. يرتبط بشكل انتقائي بتسلسل يسمى صندوق TATA ، الموجود في المحفزات الأساسية للعديد من الجينات حقيقية النواة.

لمتابعة فرضيتنا ، احتجنا إلى معرفة المزيد عن تكوين العامل D ، الذي افترضنا أنه بروتين انفرادي. أراد المحققون الآخرون أيضًا معرفة تركيبته ، ولذا كان السباق مستمرًا للحصول على نسخ نقية. أثبتت العزلة عن الخلايا البشرية أنها أكثر صعوبة مما توقعه أي شخص. ونتيجة لذلك ، جربت العديد من المجموعات حظها مع خلايا الخميرة. أخيرًا ، في عام 1989 ، نجحت العديد من المختبرات بشكل مستقل في عزل بروتين الخميرة الذي أظهر الخصائص المتوقعة للعامل D. البروتين ، المسمى TBP (لبروتين ربط TATA) ، تم التعرف عليه وربطه بشكل انتقائي بصندوق TATA وأدى إلى انخفاض مستوى البروتين. النسخ عندما تم ضمه في المروج الأساسي بواسطة بوليميراز الحمض النووي الريبي والمكونات الأخرى للآلة القاعدية.

اعتقادًا منا أن بروتين TBP كان العامل D نفسه ، تعهدنا باختبار هذه الفكرة في دراسات إضافية. بمجرد قيامنا بذلك ، كنا نعتزم تحديد مناطق TBP التي تم الاتصال بها من قبل Sp1 والمنظمين الآخرين. لم نكن نعلم أننا على وشك أن نُحبط تمامًا - وأن نقوم باكتشاف حاسم.

مشكلة غير متوقعة

عندما استبدل B. Franklin Pugh في مختبرنا المستحضرات غير النقية للعامل D المستخدم سابقًا في تفاعلات أنبوب الاختبار مع الجزيئات النقية من TBP ، لم يكن لديه مشكلة في تكرار الاكتشاف السابق بأن مثل هذا الاستبدال لم يعطل بأي حال النسخ القاعدية. ولدهشتنا وفزعنا ، وجد أن Sp1 لم يعد قادرًا على التأثير على الآلية الأساسية. كان علينا أن نستنتج أن العامل D و TBP ليسا ، في الواقع ، متكافئين وأن هذا العامل D يتكون بالفعل من TBP بالإضافة إلى الوحدات الفرعية الأخرى. (من المعروف الآن أن العديد من عوامل النسخ تتكون من أكثر من بروتين واحد). على ما يبدو ، لم تكن تلك الوحدات الفرعية ضرورية لتشغيل الآلية الأساسية ، لكنها كانت ضرورية لتنظيم تلك الآلية بواسطة المنشطات.

بعبارة أخرى ، لم تكن هذه المكونات الإضافية هي نفسها منشطة ، لأنها لم ترتبط بتسلسلات معينة في الحمض النووي. كما أنها لم تكن عوامل أساسية ، لأنه يمكن تحقيق مستويات منخفضة وغير منظمة من النسخ بدونها. يبدو أنها تشكل فئة ثالثة من عامل النسخ ، والتي نسميها المحفزات. اقترحنا كذلك أن المنشطات ، وليس TBP ، كانت أهدافًا لمجالات ربط البروتين للمنشطات. لقد تصورنا أن المنشطات سوف ترتبط بالمنشطات المختارة لتسريع المعدل الذي يقوم به المركب القاعدي بتثبيت جزيئات بوليميريز الحمض النووي الريبي في الحركة.

لقد انجذبنا إلى هذا السيناريو لأننا واجهنا صعوبة في تخيل كيف سيكون لبروتين واحد ، TBP ، مواقع ربط كافية لاستيعاب جميع المنشطات التي تصنعها الخلايا البشرية. ولكن إذا كانت المنشطات التي تم ربطها ارتباطًا وثيقًا بـ TBP تحمل نطاقات ربط متعددة ، فيمكن أن توفر المنشطات بشكل جماعي مواقع الإرساء اللازمة لترحيل الرسائل من مئات أو آلاف المنشطات إلى محرك النسخ.

كان بوغ هو الذي اقترح في الأصل أن المنشطات قد تعمل مثل جزيئات المحول. سرعان ما أقنعتني بياناته أنه ربما كان على صواب ، لكن لم يوافق الجميع في مختبرنا. في الواقع ، غالبًا ما كانت اجتماعاتنا الأسبوعية في أوائل عام 1990 تتخللها مناقشات ساخنة. ليس من المستغرب ، عندما تم تقديم مفهوم المنشط إلى عمال آخرين في هذا المجال ، فقد أعربوا أيضًا عن شكوك كبيرة. ربما كان رد الفعل هذا على نتيجة غير متوقعة ومعقدة مبررًا في تلك المرحلة ، لأن بياناتنا كانت موحية فقط وليست قاطعة. لم نقم بعد بعزل مُنشِط واحد.

المحفزات: الروابط المفقودة

لإرضاء أنفسنا والمجتمع العلمي بأننا كنا على صواب ، كان علينا أن نبتكر إجراءً تجريبيًا من شأنه أن يحدد بشكل لا لبس فيه ما إذا كانت المُنشطات موجودة وتعمل كمرحلات كما تصورناها. لما يقرب من عامين بعد صياغة Pugh فرضية المنشط ، كافحنا لتنقية مركب سليم ووظيفي يحتوي على TBP وجميع المكونات الأخرى المرتبطة بالعامل D. على خطأ ما في دراستنا.

جاء الاختراق أخيرًا في عام 1991 ، عندما قام بريان د.اكتشف طلاب Dynlacht و Timothy Hoey و Naoko Tanese و Robert Weinzierl من طلاب الدراسات العليا وزملاء ما بعد الدكتوراه في مختبرنا طريقة بارعة لعزل النسخ النقية من العامل D.. نظرًا لأنه لم يكن لدينا دليل حتى الآن على أن هذه البروتينات يمكن أن تعمل كمنشطات ، فقد أشرنا إليها بشكل عام على أنها عوامل مرتبطة بـ TBP ، أو TAFs.

أصبحنا مقتنعين بأن TAFs تنقل بالفعل إشارات جزيئية من المنشطات إلى جهاز النسخ القاعدي بعد أن فصلنا البروتينات المرتبطة عن TBP وأكملنا العديد من التجارب الأخرى. على سبيل المثال ، تمكنا من إظهار أن خلط المنشط Sp1 مع العوامل القاعدية و RNA polymerase عزز إنتاج RNA من الجين الذي يحتوي على صندوق GC فقط عندما تمت إضافة TAFs أيضًا. في وقت لاحق ، قام جين لونغ تشن ، طالب دراسات عليا ، بدمج TBP المنقى وثمانية TAFs المعزولة في أنبوب اختبار جنبًا إلى جنب مع جين بشري وبقية آلية النسخ القاعدية. تجمعت البروتينات المختلفة على الجين وأثبتت قدرتها على الاستجابة لأنواع مختلفة من البروتينات المنشطة. هذه المنشطات ، كما أوضحنا لاحقًا ، أنتجت آثارها عن طريق الاقتران مباشرة مع TAFs المحددة. تشكل العوامل المُنشِّطة معًا في العامل D نوعًا من وحدة المعالجة المركزية التي تدمج الإشارات التنظيمية الصادرة عن المنشطات المرتبطة بالحمض النووي.

موضوع عالمي

تبدو المجمعات المكونة من المنشطات والمحفزات والآلية القاعدية وكأنها معادلات بشرية لعوامل سيجما ؛ هم أيضًا يرسمون بوليميراز الحمض النووي الريبي إلى جينات معينة بمعدلات محددة. بطريقة ما ، يمكن اعتبار المجمعات عوامل سيجما التي تم تطويرها في العديد من الوحدات الفرعية. مما يثلج الصدر ، تشير الأدلة الحديثة من مجموعتنا وغيرها إلى أننا اكتشفنا نمطًا عالميًا لتنظيم الجينات في حقيقيات النوى. تؤكد هذه الدراسات أن المنشطات موجودة أيضًا في الخميرة وأن العامل D يتكون من وحدات فرعية متعددة في الفطريات وكذلك في البشر.

على الرغم من أن هذه النتائج مرضية ، إلا أنها لا تشرح بشكل كامل كيف يؤثر ارتباط المنشطات بالمُعزِّزات والمُنشِّطات على معدل نسخ بوليميراز الحمض النووي الريبي الجينات في الخلايا الحية. قد يكون ارتباط المنشطات بالمُعزِّزات يتسبب في انحناء الحمض النووي بطريقة تجعل المُعزِّزات أقرب إلى بعضها البعض ومن المحفز الأساسي. قد يساعد هذا الترتيب المنشطون (بمفردهم أو بالتنسيق مع بعضهم البعض) على الالتحام بالمنشطات ووضع العامل D على المروج. هذه الخطوة ، بدورها ، ستسهل تجميع المجمع الأساسي الكامل. قد يؤدي تكوين هذا المركب إلى تشويه الحمض النووي الأساسي بطريقة تمكن RNA polymerase من بدء رحلته على طول منطقة التشفير.

لا يعرف الباحثون سوى القليل عن عمل المكابس. ومع ذلك ، يعتقد الكثير منا أن القائمين قد يرتبطون أيضًا بالمنشطات في بعض الأحيان. يمكن أن يمنع هذا الارتباط النسخ عن طريق منع المنشطات من الارتباط بمواقعها المعتادة على المنشطات. في أوقات أخرى ، قد تتجاوز المكثفات الآلية الأساسية ، وتمنع النسخ عن طريق منع المنشطات من الاتصال بالمُحسِّنات.

على الرغم من وجود فجوات في معرفتنا ، يمكننا الآن البدء في رسم تفسير لسبب قيام الخلايا المختلفة بعمل خلائط مختلفة من البروتينات أثناء التطور الجنيني وفي الكائنات الحية الناضجة. سيتم نسخ الجين بمعدل قابل للقياس فقط إذا كانت المنشطات المختلفة التي يحتاجها موجودة ويمكن أن تتغلب بنجاح على التأثيرات المثبطة للمثبطات. تختلف الخلايا في البروتينات التي تصنعها لأنها تحتوي على بطاريات مميزة من المنشطات والمثبطات. بالطبع ، يطرح هذا السيناريو سؤالًا حول كيفية تحديد الخلايا لعوامل النسخ التي يجب إنتاجها في المقام الأول ، ولكن يتم إحراز تقدم على هذه الجبهة أيضًا.

علاجات الغد كيف يمكن للباحثين استخدام معرفتنا المكتسبة حديثًا عن تنظيم الجينات لتطوير عقاقير لمكافحة الأمراض التي تهدد الحياة والتي تنطوي على النسخ المفرط أو غير الكافي للجين؟ من الناحية النظرية ، يجب أن يؤدي منع المنشطات المختارة من الارتباط بالمُعزِّزات أو المُنشِّطات إلى خفض النسخ غير المرغوب فيه ، ويجب أن يبطل تثبيت آلية النسخ على الجين النسخ الضعيف غير المرغوب فيه.

يمكن تحقيق الحصار من خلال تركيب "قابس" جزيئي في المنشط ، وبالتالي منع تفاعله مع المنشط ، أو عن طريق حث المنشط على الارتباط بفخ يشبه المنشط. يمكن تحقيق استقرار المركب عن طريق نشر الجزيئات التي من شأنها أن تعزز التفاعل بين المنشطات والحمض النووي أو بين المنشطات والمنشطات. هذه الأساليب بعيدة اليوم ، ولكن من المثير التفكير في أخذ عينات من التطبيقات التي قد تكون ممكنة في النهاية.

خذ على سبيل المثال فيروس نقص المناعة البشرية (HIV) الذي يسبب مرض الإيدز. لإعادة إنتاج نفسه في الخلايا البشرية ، يحتاج فيروس نقص المناعة البشرية إلى عامل النسخ الفيروسي TAT لتعزيز نسخ جينات فيروس نقص المناعة البشرية. إذا كان من الممكن منع TAT بواسطة عامل تعرف TAT لكنه تجاهل عوامل النسخ البشرية ، فقد يتوقف تكرار الفيروس دون التأثير على إنتاج البروتينات التي يحتاجها المريض.

على العكس من ذلك ، فإن علاج بعض الاضطرابات - على سبيل المثال ، فرط كوليسترول الدم - قد ينطوي على تعزيز نسخ الجينات المختارة. يزيد فرط كوليسترول الدم من خطر إصابة الشخص بأمراض القلب. يتراكم الكوليسترول إلى مستويات مدمرة في الدم عندما لا تتم إزالة البروتين الدهني منخفض الكثافة (LDL) ، والمعروف أيضًا باسم الكوليسترول السيئ ، بكفاءة. من الناحية النظرية ، يمكن تصحيح المرض عن طريق تحويل الجين لمستقبل LDL في خلايا الكبد. يساعد هذا المستقبل على إزالة البروتين الدهني منخفض الكثافة من الدم. قد تكون هذه الفكرة قابلة للاختبار قريبًا ، لأن الدراسات التي أجراها مايكل إس. براون وجوزيف إل. غولدشتاين من مركز العلوم الصحية بجامعة تكساس في دالاس تفصل بين المكونات الجزيئية المحددة للجهاز الذي ينظم نسخ جين المستقبل.

حتى وقت قريب ، لم يبذل أحد الكثير من الجهد لفحص الجزيئات الصغيرة أو المنتجات الطبيعية أو غيرها من المركبات لقدرتها على تعديل النسخ. ومع ذلك ، تم العثور على عدد من الأدوية الموجودة بالفعل في السوق عن طريق الصدفة للعمل عن طريق تغيير نشاط عوامل النسخ. واحد من هذه ، RU 486 (حبوب "الإجهاض" الفرنسية) ، يقمع وظيفة مستقبلات الستيرويد الخاصة ، فئة من المنشطات التي توجه التطور الجنيني. وبالمثل ، فإن مثبطات المناعة السيكلوسبورين و FK506 يقمعان نسخ الجين الذي يحتاج منتج البروتين من قبل خلايا معينة في الجهاز المناعي. ومع ذلك ، فإن هذه الأدوية تعمل بشكل غير مباشر. ينشطون إنزيمًا يعيق عمل عامل نسخ الجين.

مع مرور الوقت ، من المؤكد أنه سيتم التعرف على التركيبة الدقيقة لعوامل النسخ التي تنظم الجينات الفردية. ومن المحتمل أن يستخدم مطورو الأدوية هذه المعلومات لابتكار مركبات معقدة لمكافحة السرطان وأمراض القلب والاضطرابات المناعية والالتهابات الفيروسية ومرض الزهايمر وربما حتى عملية الشيخوخة. إن مدى نجاح هذه العوامل هو تخمين أي شخص ، ولكن من المحتمل أن تستفيد علاجات المستقبل بطريقة أو بأخرى من البحث الأساسي في أبحاث النسخ التي لم تبدأ من الرغبة في تصميم الأدوية ولكن بالأحرى رغبة بسيطة للوصول إلى قلب الآلية الجزيئية التي تتحكم في نشاط جيناتنا.

شعبية حسب الموضوع