رونویسی، ترجمه و بیان ژن (زیست ۳)

گفتار ۱: رونویسی

DNA در هسته حبس است و بیرون نمی‌رود، اما ریبوزوم‌ها که پروتئین می‌سازند در سیتوپلاسم‌اند. یاخته این مشکل را با یک نسخهٔ واسطه حل می‌کند: RNA. ساخته شدنِ RNA از روی یک رشتهٔ DNA رونویسی نام دارد.

رمز ژنتیکی. DNA چهار نوع نوکلئوتید دارد ولی پروتئین‌ها از ۲۰ نوع آمینواسید ساخته می‌شوند. راه‌حل این است که هر سه نوکلئوتیدِ متوالی یک آمینواسید را مشخص کند؛ اینجا $4^3 = 64$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی حالت به دست می‌آید که برای ۲۰ آمینواسید بیش از کافی است. سه اصطلاحِ همیشه‌قاطی: رمز در DNA، کدون در mRNA و آنتی‌کدون در tRNA؛ هر سه سه‌نوکلئوتیدی‌اند ولی در سه مولکولِ جدا.

رونویسی در برابر همانندسازی. هر دو از روی الگوی DNA، بر پایهٔ مکملیِ بازها و با کمکِ آنزیم انجام می‌شوند، اما:

چون RNA‌بسپاراز توانِ ویرایش ندارد خطای رونویسی شایع‌تر است، ولی آسیبش کمتر: فقط چند نسخهٔ محدود از یک پروتئین را خراب می‌کند و در نسل‌های بعدیِ یاخته نمی‌ماند. ضمناً میتوکندری و پلاست هم DNA حلقوی دارند، پس رونویسی درونشان هم رخ می‌دهد.

آنزیم. RNA‌بسپاراز پیوندِ فسفودی‌استر بینِ نوکلئوتیدهای RNA را برقرار می‌کند. در پروکاریوت‌ها یک نوع همهٔ RNAها را می‌سازد، ولی یوکاریوت‌ها سه نوعِ تخصصی دارند: I برای rRNA، II برای mRNA و III برای tRNA.

سه مرحلهٔ رونویسی:
۱. آغاز: RNA‌بسپاراز به توالیِ ویژه‌ای به نامِ راه‌انداز می‌چسبد؛ راه‌انداز نقطهٔ دقیقِ شروع را تعیین می‌کند و با آنکه جزءِ ژن نیست، بدونش بیانِ ژن ممکن نیست.
۲. طویل شدن: آنزیم روی رشتهٔ الگو پیش می‌رود؛ جلویش دو رشته باز و پشتِ سرش بسته می‌شود و RNA از DNA جدا می‌گردد.
۳. پایان: آنزیم به توالی پایان می‌رسد، از DNA جدا می‌شود و RNA آزاد می‌شود.

الگو یا رمزگذار؟ رشته‌ای که RNA از رویش ساخته می‌شود رشتهٔ الگو و مکملِ RNA است؛ رشتهٔ روبه‌رو رشتهٔ رمزگذار است و توالی‌اش شبیهِ RNA، فقط با T به‌جای U. RNA‌بسپاراز روی الگو از ′۳ به ′۵ می‌رود و نوکلئوتید را به انتهای ′۳ رشتهٔ در حالِ ساخت می‌افزاید. این دو برچسب ثابت نیستند: دو ژنِ مجاور می‌توانند راه‌اندازهایی رو به دو جهتِ مخالف داشته باشند و هرکدام رشتهٔ دیگری را الگو بگیرد.

پیرایش (ویژهٔ یوکاریوت‌ها). ژنِ یوکاریوتی دو نوع توالی دارد: بیانه (اگزون) که در RNA بالغ می‌ماند و میانه (اینترون) که حذف می‌شود. اول از کلِ ژن رونویسی می‌شود، بعد میانه‌ها بریده و بیانه‌ها به هم وصل می‌شوند. میانه‌ها بی‌فایده نیستند: در تنظیمِ رونویسی نقش دارند، جهش در آن‌ها معمولاً بی‌اثر است، و با پیرایشِ متفاوت می‌توان از یک ژن چند پروتئین ساخت — یکی از دلایلِ بیشتر بودنِ شمارِ پروتئین‌ها از ژن‌ها.

یک ژن در هر چرخه بارها رونویسی می‌شود و چند RNA‌بسپاراز هم‌زمان روی آن کار می‌کنند؛ برای همین زیرِ میکروسکوپِ الکترونی RNAهایی با طول‌های متفاوت دیده می‌شود.

گفتار ۲: ترجمه

از ۶۴ کدونِ mRNA، ۶۱ تا آمینواسید را رمز می‌کنند، سه‌تا (UAA، UAG، UGA) کدونِ پایان‌اند و هیچ آمینواسیدی را رمز نمی‌کنند، و AUG هم‌زمان کدونِ آغاز و رمزِ متیونین است. رمزِ ژنتیکی تقریباً در همهٔ جانداران یکسان است و همین شاهدی بر منشأ مشترک است؛ «تقریباً»، چون در DNA میتوکندریِ بعضی جانداران و در هستهٔ پارامسی معنای چند رمز فرق می‌کند.

tRNA تک‌رشته‌ای است ولی روی خودش تا می‌خورد و ساختارِ سه‌بعدی می‌گیرد. دو بخشِ کلیدی دارد: جایگاهِ اتصالِ آمینواسید در انتهای ′۳ و آنتی‌کدون که مکملِ کدون است. آنزیمی ویژه با شناساییِ آنتی‌کدون، آمینواسیدِ درست را با صرفِ انرژی به آن وصل می‌کند. چون برای کدون‌های پایان tRNAیی وجود ندارد، انواعِ آنتی‌کدون از تعدادِ کدون‌ها کمتر است.

ریبوزوم از دو زیرواحدِ کوچک و بزرگ ساخته شده که هرکدام rRNA و پروتئین دارند و سه جایگاه روی آن مهم است: A محلِ ورودِ tRNA تازه، P محلِ tRNAیی که زنجیرهٔ در حالِ ساخت را نگه داشته و E درِ خروجِ tRNA خالی.

مراحل ترجمه: در آغاز، زیرواحدِ کوچک به mRNA می‌چسبد و تا AUG می‌رود، tRNA حاملِ متیونین (آنتی‌کدونِ UAC) در جایگاهِ P می‌نشیند و زیرواحدِ بزرگ اضافه می‌شود؛ A خالی است. در طویل شدن، tRNA بعدی وارد A می‌شود، پیوندِ پپتیدی برقرار و زنجیره به tRNA جایگاهِ A منتقل می‌شود و ریبوزوم یک کدون جلو می‌رود: tRNA خالی از P به E و بیرون، حاملِ زنجیره از A به P، و A دوباره خالی. در پایان، کدونِ پایان وارد A می‌شود؛ چون tRNA مکملی ندارد، عوامل آزادکننده جایش را می‌گیرند و زنجیره آزاد می‌شود.

وقتی چند ریبوزوم هم‌زمان یک mRNA را ترجمه کنند، مجموعه پلی‌ریبوزوم است و در زمانِ کمتر پروتئینِ بیشتری ساخته می‌شود. در پروکاریوت‌ها چون هسته نیست، ترجمه می‌تواند پیش از پایانِ رونویسی آغاز شود.

سرنوشت پروتئین. هر پروتئین با یک توالیِ هدایت به مقصدش می‌رود: سیتوپلاسم، شبکهٔ آندوپلاسمی و گلژی برای ترشح (آنتی‌بادی و هورمون‌های پروتئینی، با برون‌رانی)، کافنده و واکوئول، هسته یا راکیزه و پلاست. بعضی پروتئین‌ها تغییرِ پس از ترجمه هم می‌بینند؛ مثلاً در کلاژن بخشی از پرولین‌ها هیدروکسیل‌دار می‌شود.

گفتار ۳: تنظیم بیان ژن

همهٔ یاخته‌های بدن از یک یاختهٔ تخم آمده‌اند و ژن‌های یکسانی دارند، ولی یاختهٔ کبد و یاختهٔ عصبی هیچ شباهتِ کاری ندارند؛ چون در هر یاخته فقط بخشی از ژن‌ها روشن (بیان‌شده) و بقیه خاموش‌اند. تنظیم در هر مرحله‌ای از رونویسی تا ترجمه ممکن است، ولی رایج‌ترین نقطهٔ کنترل خودِ رونویسی است.

در پروکاریوت‌ها ژن‌هایی که محصولشان در یک مسیرِ مشترک کار می‌کند کنارِ هم و زیرِ یک بخشِ تنظیمیِ واحدند؛ نامِ این مجموعه اُپران است.

• تنظیم منفی (اپران لاکتوز): پروتئینی به نامِ مهارکننده به توالیِ اپراتور می‌چسبد و راهِ RNA‌بسپاراز را می‌بندد. لاکتوز به مهارکننده متصل می‌شود، شکلش را تغییر می‌دهد و آن را از اپراتور جدا می‌کند تا رونویسی راه بیفتد. این حالت «منفیِ القایی» است؛ در نوعِ مهاری (تریپتوفان) برعکس، ماده ژن را خاموش می‌کند. نکته: جدا شدنِ مهارکننده تنها یکی از دو شرط است؛ رونویسیِ پرشدت وقتی رخ می‌دهد که هم لاکتوز باشد و هم گلوکز کم.
• تنظیم مثبت (اپران مالتوز): پروتئینِ فعال‌کننده با مالتوز فعال می‌شود، سرِ جایگاهِ خودش می‌نشیند و به RNA‌بسپاراز کمک می‌کند بهتر به راه‌انداز بچسبد.

در یوکاریوت‌ها کنترل چندلایه است. پیش از رونویسی، فشردگیِ کروماتین تعیین می‌کند ژن در دسترس هست یا نه. در خودِ رونویسی، عوامل رونویسی ضروری‌اند چون RNA‌بسپاراز به‌تنهایی راه‌انداز را نمی‌شناسد، و توالی‌های افزاینده حتی از دور با خم کردنِ DNA این عوامل را کنارِ آنزیم می‌آورند و رونویسی را تندتر می‌کنند. پس از رونویسی سه اهرم کار می‌کند: پیرایشِ متفاوت، اتصالِ RNAهای کوچکِ مکمل به رونوشت (در هسته یا سیتوپلاسم) که ترجمه را متوقف و mRNA را تجزیه می‌کند، و طول عمرِ mRNA که در یوکاریوت‌ها بیشتر است.

این توانایی مخصوصِ جاندارانِ پیچیده نیست: اوگلنا بیانِ برخی ژن‌هایش را با نور تنظیم می‌کند، سیانوباکتری‌های تثبیت‌کنندهٔ نیتروژن این ژن‌ها را زمانی از فتوسنتز جدا نگه می‌دارند، و ریزوبیوم و گل‌جالیز با تشخیصِ موادِ ترشح‌شدهٔ ریشهٔ میزبان ژن‌های لازمشان را روشن می‌کنند.