تنظیم بیان ژن — به زبان ساده

به گزارش هیرونی؛ برای عملکرد صحیح سلول، پروتئین‌های لازم باید در زمان مناسب سنتز شوند. همه سلول‌ها سنتز پروتئین‌ها را از اطلاعات رمزگذاری شده در DNA آنها کنترل یا تنظیم می‌کنند. به فرایند روشن شدن یک ژن برای تولید RNA و پروتئین، بیان ژن (Gene Expression) گفته می‌شود. خواه در یک ارگانیسم ساده تک سلولی و خواه در یک ارگانیسم پیچیده چند سلولی، هر سلول، زمان و نحوه بیان ژن‌های خود را کنترل می‌کند. برای این اتفاق، باید ساز و کار دقیقی وجود داشته باشد که تعیین کند هر ژن، چه زمانی باید بیان شود و به ساخت RNA و پروتئین بپردازد، میزان تولید پروتئین چقدر باشد و چه زمانی دیگر به آن نیازی نیست و تولید آن باید به پایان برسد. در این نوشتار، به طور خلاصه، به چگونگی تنظیم بیان ژن در سلول‌ها می‌پردازیم و تفاوت‌های آن را در سیستم‌های پروکاریوتی و یوکاریوتی،‌ بررسی می‌کنیم.

تنظیم بیان ژن، باعث صرفه‌جویی در مصرف انرژی و فضا می‌شود. روشن بودن همه ژن‌ها به طور همزمان، در همه عمر سلول، برای موجود زنده، به میزان قابل توجهی انرژی نیاز دارد، بنابراین به جای این کار، سلول، فقط در صورتی ژن‌ها را روشن می‌کند که به محصول آن‌ها نیاز داشته باشد. این از نظر انرژی، بسیار به‌صرفه‌تر است.

علاوه بر این، بیان یک یا چند زیرمجموعه از ژن‌ها در هر سلول، باعث صرفه‌جویی در فضای سلولی می‌شود. زیرا برای رونویسی و ترجمه، DNA باید از ساختار محکم پیچ خورده خود (یعنی کروموزوم)، خارج شود. اگر قرار باشد تمام پروتئین‌ها، همیشه و به طور همزمان، در تمام سلول‌ها بیان شوند، سلول‌ها باید بسیار غول‌آسا باشند.

کنترل بیان ژن، فرایندی بسیار پیچیده است. هرگونه اختلال عملکرد در این فرایند، برای سلول مضر است و حتی ممکن است منجر به ایجاد و پیشرفت بسیاری از بیماری‌ها از جمله سرطان شود.

بیان ژن ها

برای عملکرد صحیح سلول، پروتئین‌های لازم باید در زمان مناسب سنتز شوند. همه سلول‌ها سنتز پروتئین‌ها را از طریق اطلاعات رمزگذاری شده در DNA آنها کنترل یا تنظیم می‌کنند. همانطور که گفتیم،‌ به فرایند روشن شدن یک ژن برای تولید RNA و پروتئین، بیان ژن گفته می‌شود. چه در یک ارگانیسم ساده تک سلولی و چه در یک ارگانیسم پیچیده چند سلولی، هر سلول زمان و نحوه بیان ژن‌های خود را کنترل می‌کند. برای این اتفاق باید مکانیسمی برای کنترل زمان بیان ژن برای ساخت RNA و پروتئین، میزان تولید پروتئین و زمان آن باشد که دیگر تولید پروتئین انجام نشده باشد زیرا دیگر نیازی به آن نیست.

تنظیم بیان ژن و تمایز سلولی

تنظیم بیان ژن، به این معنی است که چگونه سلول کنترل می‌کند کدام ژن‌ها، از بین ژن‌های موجود در ژنوم، «روشن» (Turned On) شوند (بیان شوند). به لطف تنظیم بیان ژن، هر نوع سلول در بدن موجودات زنده، دارای مجموعه‌ای متفاوت از ژن‌های فعال است، در حالی که تقریباً تمام سلول‌های بدن یک موجود زنده، DNA دقیقاً مشابه دارند. این الگوهای مختلف بیان ژن، باعث می‌شود که انواع مختلف سلول‌های یک فرد، دارای پروتئین‌های مختلفی باشد، بنابراین هر نوع سلول به طور خاص، برای انجام وظیفه خود تخصص می‌یابد.

به عنوان مثال، یکی از کارهای کبد، حذف مواد سمی مانند الکل از جریان خون است. برای انجام این کار، سلولهای کبدی، ژن‌هایی را بیان می‌کنند که مسئول ساخت زیرواحدها یا قطعات آنزیمی به نام «الکل دهیدروژناز» هستند. این آنزیم، الکل را به یک مولکول غیر سمی تجزیه می‌کند. سلول‌های عصبی در مغز فرد، سموم را از بدن خارج نمی‌کند، بنابراین این ژن‌ها را بدون بیان یا «خاموش» (Turned Off) نگه می‌دارد. به همین ترتیب، سلول‌های کبد، قرار نیست با استفاده از انتقال دهنده‌های عصبی، سیگنالی را مخابره کنند، بنابراین ژن‌های انتقال دهنده عصبی را خاموش نگه می‌دارند.

بسیاری از ژن‌های دیگر نیز وجود دارند که به طور متفاوتی بین سلول‌های کبدی و نورون‌ها یا هر دو نوع سلول دیگر در یک موجود چند سلولی مانند انسان، بیان می‌شوند.

عوامل موثر بر بیان ژن ها

اکنون یک سوال پیچیده وجود دارد. عوامل بسیاری وجود دارند که می‌توانند بر بیان ژن‌های سلول، تأثیر بگذارند. همانطور که در بالا مشاهده کردید، انواع مختلف سلول‌ها، به دلیل عملکردهای متفاوت، مجموعه‌های مختلفی از ژن‌ها را بیان می‌کنند. به این ترتیب، اتظار داریم،‌ همه سلول‌های هم‌نوع در یک فرد، الگوی بیان یکسانی از ژن‌ها داشته باشند. اما در عمل، اینطور نیست. بلکه دو سلول مجزا از یک نوع سلولی خاص نیز، ممکن است بسته به محیط و وضعیت داخلی خود، الگوی بیان ژن متفاوتی را به نمایش بگذارند.

به طور کلی، می‌توان گفت که الگوی بیان ژن در سلول، توسط اطلاعات داخل و خارج سلول تعیین می‌شود.

نمونه‌هایی از اطلاعاتی که از داخل سلول، بر بیان ژن‌ها تاثیر می‌گذارند، عبارتند از:

• پروتئین‌هایی که از سلول مادری به ارث رسیده‌اند.
• اینکه آیا DNA سلول،‌ آسیب دیده یا سالم است.
• چه مقدار ATP داخل سلول، وجود دارد.

مثال‌هایی از اطلاعاتی که از خارج سلول، ‌بر بیان ژن‌ها تاثیر می‌گذارند،‌ عبارتند از:

• سیگنال‌های شیمیایی سلول‌های دیگر
• سیگنال‌های مکانیکی ماتریکس خارج سلول
• سطح مواد مغذی

چگونه این نشانه‌ها به سلول کمک می‌کند تا «تصمیم بگیرد» که چه ژنی را بیان کند؟

سلول‌ها به معنای رایج در جامعه انسانی، تصمیم نمی‌گیرند. در عوض، آنها مسیرهای مولکولی دارند که اطلاعات را از نوعی به نوع دیگر، تبدیل می‌کند. به عنوان مثال، اتصال یک سیگنال شیمیایی به گیرنده آن، به تغییر در بیان ژن تبدیل می‌شود.

به عنوان یک مثال ساده، نحوه واکنش سلول‌ها به عوامل رشد را در نظر بگیرید. فاکتور رشد، سیگنالی شیمیایی از سلول همسایه است که به سلول هدف، دستور رشد و تقسیم را می‌دهد. می‌توانیم بگوییم که سلول، فاکتور رشد را «ملاحظه می‌کند» و «تصمیم می‌گیرد» که تقسیم شود، در ادامه به چگونگی رخ دادن فرایند‌ها می‌پردازیم.

• سلول از طریق اتصال فیزیکی فاکتور رشد، به پروتئین گیرنده خود در سطح سلول، آن را تشخیص می‌دهد.
• اتصال فاکتور رشد، باعث تغییر شکل گیرنده می‌شود و یک سری حوادث شیمیایی در سلول را در پی دارد که پروتئین‌هایی را به نام «عوامل رونویسی» (Transcription Factors) فعال می‌کنند.
• عوامل رونویسی به توالی‌های خاصی از DNA در هسته متصل می‌شوند و باعث رونویسی ژن‌های مربوط به تقسیم سلولی می‌شوند.
• محصولات این ژن‌ها انواع مختلفی از پروتئین‌ها هستند که سلول را تقسیم می‌کنند (رشد سلول را هدایت می‌کنند و / یا سلول را در چرخه سلولی به جلو سوق می‌دهند).

انتقال پیام فاکتور رشد، پیچیده است و شامل فعال شدن مولکول‌های هدف مختلفی است که از جمله آن‌ها می‌توان به دو گروه پروتئین‌های عضو فاکتورهای رونویسی و غیر رونویسی اشاره کرد.

تنظیم بیان ژن در پروکاریوتها و یوکاریوتها

برای درک نحوه تنظیم بیان ژن، ابتدا باید بفهمیم که چگونه یک ژن، یک پروتئین عملکردی در یک سلول را کد می‌کند. این روند در سلول‌های پروکاریوتی و یوکاریوتی، به شیوه‌ای کم و بیش متفاوت، رخ می‌دهد.

تنظیم بیان ژن در پروکاریوتها

ارگانیسم‌های پروکاریوتی، موجوداتی تک سلولی هستند که هسته سلولی ندارند و بنابراین DNA آنها آزادانه در سیتوپلاسم سلول، شناور می‌شود. در این شرایط، برای سنتز یک پروتئین، فرایندهای رونویسی و ترجمه، تقریباً همزمان اتفاق می‌افتد. وقتی دیگر نیازی به پروتئین حاصل نباشد، رونویسی متوقف می‌شود. در نتیجه، روش اصلی برای کنترل اینکه چه نوع پروتئین و چه مقدار از هر پروتئین، در سلول پروکاریوتی بیان می‌شود، تنظیم رونویسی DNA است. تمام مراحل بعدی، به طور خودکار انجام می‌شود. وقتی پروتئین بیشتری لازم باشد، رونویسی بیشتر اتفاق می‌افتد. بنابراین،

در سلولهای پروکاریوتی، کنترل بیان ژن، بیشتر در سطح رونویسی است.

تنظیم بیان ژن در یوکاریوتها

در مقابل، سلول‌های یوکاریوتی، دارای اندامک‌های داخل سلولی هستند که بر پیچیدگی آنها می‌افزایند. در این سلول‌ها، DNA درون هسته سلول قرار دارد و در آنجا به RNA رونویسی می‌شود. RNA تازه سنتز شده، سپس از هسته به داخل سیتوپلاسم منتقل می‌شود، جایی که ریبوزوم‌ها RNA را به پروتئین تبدیل می‌کنند. فرایندهای رونویسی و ترجمه به طور فیزیکی، توسط غشای هسته‌ جدا می‌شوند.

تنظیم بیان ژن در مراحل غیر رونویسی

در یوکاریوت‌ها رونویسی از ژنوم، فقط در داخل هسته اتفاق می‌افتد و ترجمه فقط در خارج از هسته، در سیتوپلاسم رخ می‌دهد. تنظیم بیان ژن می‌تواند در مراحل مختلفی انجام شود. وجود این ایستگاه‌های تنظیمی، به سلول قدرت بیشتری می‌دهد تا از رخ دادن جهش‌های تصادفی، جلوگیری کند.

سطوح مختلف تنظیم بیان ژن در سیستم یوکاریوتی عبارتند از:

• هنگامی که DNA از ساختار پیچیده و فشرده کروموزومی خارج می‌شود و ساختارهای نوکلئوزومی باز می‌شوند تا فاکتورهای رونویسی به نواحی  تنظیمی ژن‌ها متصل شوند (سطح اپی ژنتیک).
• هنگامی که RNA رونویسی می‌شود (سطح رونویسی).
• هنگامی که RNA پردازش می‌شود و پس از رونویسی به سیتوپلاسم صادر می‌شود (سطح پس از رونویسی).
• هنگامی که RNA به پروتئین، ترجمه می‌شود (سطح ترجمه).
• هنگامی که پس از ساخته شدن پروتئین، بر روی آن پردازش و تغییراتی صورت می‌گیرد (سطح پس از ترجمه).

تفاوت در تنظیم بیان ژن بین پروکاریوت‌ها و یوکاریوت‌ها در جدول زیر خلاصه شده است.