علم التخلق: التعريف ، كيف يعمل ، أمثلة

يتم ترميز المعلومات الجينية للكائن الحي في الحمض النووي لكروموسومات الكائن الحي ، ولكن هناك تأثيرات أخرى في العمل. ال تسلسل الحمض النووي قد لا يكون تكوين الجين نشطًا ، أو قد يتم حظره. يتم تحديد خصائص الكائن الحي من خلال جيناته ، ولكن يتم استدعاء ما إذا كانت الجينات تخلق بالفعل الخاصية المشفرة التعبير الجيني.

يمكن أن تؤثر العديد من العوامل على التعبير الجيني ، مما يحدد ما إذا كان الجين ينتج خصائصه على الإطلاق أو في بعض الأحيان بشكل ضعيف فقط. عندما يتأثر التعبير الجيني بالهرمونات أو الإنزيمات ، تسمى العملية تنظيم الجينات.

علم التخلق يدرس البيولوجيا الجزيئية لتنظيم الجينات وغيرها التأثيرات اللاجينية على التعبير الجيني. في الأساس ، أي تأثير يعدل تأثير تسلسل الحمض النووي دون تغيير رمز الحمض النووي هو موضوع علم التخلق.

علم التخلق هي العملية التي يتم من خلالها التعليمات الوراثية الواردة في الحمض النووي من الكائنات الحية تتأثر عوامل غير وراثية. الطريقة الأساسية لعمليات الوراثة اللاجينية هي التحكم في التعبير الجيني. بعض آليات التحكم مؤقتة ولكن البعض الآخر أكثر ديمومة ويمكن توريثها الوراثة اللاجينية.

يعبر الجين عن نفسه عن طريق عمل نسخة منه وإرسال النسخة إلى الخلية لإنتاج البروتين المشفر في تسلسل الحمض النووي الخاص به. ينتج البروتين ، سواء بمفرده أو بالاشتراك مع بروتينات أخرى ، خاصية معينة للكائن الحي. إذا تم منع الجين من إنتاج البروتين ، فلن تظهر خاصية الكائن الحي.

يبحث علم التخلق في كيفية منع الجين من إنتاج بروتينه ، وكيف يمكن إعادة تشغيله إذا تم حظره. من بين العديد آليات الوراثة اللاجينية التي يمكن أن تؤثر على التعبير الجيني هي كما يلي:

• التعطيل الجين.
• وقف الجين من عمل نسخة.
• إيقاف الجين المنسوخ من إنتاج البروتين.
• حظر وظيفة البروتين.
• انفصال البروتين قبل أن يعمل.

يدرس علم التخلق كيفية التعبير عن الجينات ، وما الذي يؤثر على تعبيرها والآليات التي تتحكم في الجينات. ينظر إلى طبقة التأثير فوق الطبقة الجينية وكيف تحدد هذه الطبقة التغيرات اللاجينية كيف يبدو الكائن الحي وكيف يتصرف.

على الرغم من أن جميع الخلايا في الكائن الحي لها نفس الجينوم ، إلا أن الخلايا تقوم بوظائف مختلفة بناءً على كيفية تنظيم جيناتها. على مستوى الكائن الحي ، قد يكون للكائنات نفس الشفرة الجينية ولكنها تبدو وتتصرف بشكل مختلف. في حالة البشر على سبيل المثال ، تمتلك التوائم المتطابقة نفس الجينوم البشري ولكن ستبدو وتتصرف بشكل مختلف قليلاً ، اعتمادًا على تعديلات فوق جينية.

يمكن أن تختلف هذه التأثيرات اللاجينية اعتمادًا على العديد من العوامل الداخلية والخارجية ، بما في ذلك ما يلي:

• الهرمونات
• عوامل النمو
• الناقلات العصبية
• عوامل النسخ
• المحفزات الكيميائية
• المحفزات البيئية
  

يمكن أن تكون كل من هذه العوامل فوق الجينية التي تعزز أو تعطل التعبير الجيني في الخلايا. مثل السيطرة اللاجينية هي طريقة أخرى لتنظيم التعبير الجيني دون تغيير الشفرة الجينية الأساسية.

في كل حالة ، يتم تغيير التعبير الجيني العام. العوامل الداخلية والخارجية إما مطلوبة للتعبير الجيني ، أو قد تعيق إحدى المراحل. في حالة عدم وجود عامل مطلوب مثل الإنزيم اللازم لإنتاج البروتين ، لا يمكن إنتاج البروتين.

في حالة وجود عامل مانع ، لا يمكن لمرحلة التعبير الجيني المقابلة أن تعمل ، ويتم حظر التعبير عن الجين ذي الصلة. الوراثة اللاجينية تعني أن السمة المشفرة في تسلسل الحمض النووي للجين قد لا تظهر في الكائن الحي.

يتم ترميز الجينوم في جزيئات رفيعة وطويلة من تسلسلات الحمض النووي التي يجب أن يتم لفها بإحكام في بنية كروماتين معقدة لتلائم نواة الخلية الدقيقة.

للتعبير عن الجين ، يتم نسخ الحمض النووي عبر أ آلية النسخ. الجزء من الحلزون المزدوج للحمض النووي الذي يحتوي على الجين المراد التعبير عنه يتم فكه قليلاً ويقوم جزيء RNA بعمل نسخة من تسلسل الحمض النووي الذي يتكون من الجين.

تلتف جزيئات الحمض النووي حول بروتينات خاصة تسمى الهستونات. يمكن تغيير الهستونات بحيث يتم جرح الحمض النووي بإحكام أكثر أو أقل.

مثل تعديلات هيستون يمكن أن يؤدي إلى جرح جزيئات الحمض النووي بشدة بحيث لا يمكن لآلية النسخ ، المكونة من إنزيمات خاصة وأحماض أمينية ، الوصول إلى الجين المراد نسخه. يؤدي تقييد الوصول إلى الجين من خلال تعديل هيستون إلى التحكم في الجينات اللاجينية.

بالإضافة إلى تقييد الوصول إلى الجينات ، يمكن تغيير بروتينات هيستون لربط أكثر أو أقل إحكامًا بجزيئات الحمض النووي الملتفة حولها في الكروماتينية بنية. تؤثر تعديلات الهيستون هذه على آلية النسخ التي تتمثل وظيفتها في عمل نسخة من الحمض النووي الريبي من الجينات المراد التعبير عنها.

تشمل تعديلات هيستون التي تؤثر على التعبير الجيني بهذه الطريقة ما يلي:

• مثيلة - يضيف مجموعة الميثيل إلى الهيستونات ، مما يزيد من الارتباط بالحمض النووي ويقلل من التعبير الجيني.
• الفسفرة - يضيف مجموعات الفوسفات إلى الهيستونات. يعتمد التأثير على التعبير الجيني على التفاعل مع المثيلة والأستلة.
• الأسيتيلات - تقلل أستلة هيستون الارتباط وتنظم التعبير الجيني. تتم إضافة مجموعات الأسيتيل مع هيستون أسيتيل ترانسفيراز (HATs).
• إزالة الأستلة - يزيل مجموعات الأسيتيل ، ويزيد من الارتباط ويقلل من التعبير الجيني باستخدام هيستون ديسيتيلاز.

عندما يتم تغيير الهستونات لزيادة الارتباط ، لا يمكن نسخ الشفرة الجينية لجين معين ، ولا يتم التعبير عن الجين. عندما يتم تقليل الارتباط ، يمكن عمل المزيد من النسخ الجينية ، أو يمكن إجراؤها بسهولة أكبر. ثم يتم التعبير عن الجين المحدد يتم إنتاج المزيد والمزيد من البروتين المشفر.

بعد نسخ تسلسل الحمض النووي للجين إلى ملف تسلسل الحمض النووي الريبي، ال جزيء RNA يترك النواة. يمكن إنتاج البروتين المشفر في التسلسل الجيني بواسطة مصانع خلايا صغيرة تسمى الريبوسومات.

سلسلة العمليات على النحو التالي:

1. نسخ الحمض النووي إلى الحمض النووي الريبي
2. جزيء الحمض النووي الريبي يترك النواة
3. يجد RNA الريبوسومات في الخلية
4. ترجمة تسلسل الحمض النووي الريبي إلى سلاسل البروتين
5. إنتاج البروتين

الوظيفتان الرئيسيتان لجزيء الرنا هما النسخ والترجمة. بالإضافة إلى الحمض النووي الريبي المستخدم لنسخ ونقل تسلسل الحمض النووي ، يمكن للخلايا أن تنتج تدخل الحمض النووي الريبي أو إرنا. هذه هي خيوط قصيرة من تسلسل الحمض النووي الريبي تسمى الحمض النووي الريبي غير المشفر لأنهم لا يمتلكون أي تسلسلات تُشفِّر الجينات.

وظيفتها هي التدخل في النسخ والترجمة ، وتقليل التعبير الجيني. وبهذه الطريقة ، يكون لـ iRNA تأثير فوق جيني.

أثناء مثيلة الحمض النووي ، تسمى الإنزيمات ميثيل ترانسفيرازات الحمض النووي إرفاق مجموعات الميثيل بجزيئات الحمض النووي. لتنشيط الجين وبدء عملية النسخ ، يجب أن يلتصق البروتين بجزيء الحمض النووي بالقرب من البداية. يتم وضع مجموعات الميثيل في المواقع التي يرتبط بها بروتين النسخ عادةً ، مما يعيق وظيفة النسخ.

عندما تنقسم الخلايا ، يتم نسخ تسلسل الحمض النووي لجينوم الخلية في عملية تسمى تكرار الحمض النووي. يتم استخدام نفس العملية لإنشاء الحيوانات المنوية وخلايا البيض في الكائنات الحية الأعلى.

يتم فقدان العديد من العوامل التي تنظم التعبير الجيني عند نسخ الحمض النووي ، ولكن يتم تكرار الكثير من أنماط مثيلة الحمض النووي في جزيئات الحمض النووي المنسوخة. وهذا يعني أن تنظيم التعبير الجيني يسببه يمكن وراثة مثيلة الحمض النووي على الرغم من بقاء تسلسل الحمض النووي الأساسي دون تغيير.

لأن مثيلة الحمض النووي تستجيب للعوامل اللاجينية مثل البيئة والنظام الغذائي والمواد الكيميائية والإجهاد والتلوث ، خيارات نمط الحياة والإشعاع ، يمكن أن يتم توريث ردود الفعل اللاجينية الناتجة عن التعرض لمثل هذه العوامل من خلال الحمض النووي مثيلة. هذا يعني أنه بالإضافة إلى تأثيرات الأنساب ، يتشكل الفرد من خلال سلوك الوالدين والعوامل البيئية التي تعرضوا لها.

الخلايا لها جينات تعزز انقسام الخلية وكذلك الجينات التي تثبط نمو الخلايا السريع غير المنضبط مثل الأورام. تسمى الجينات التي تسبب نمو الأورام المسرطنة وتلك التي تمنع الأورام تسمى الجينات الزائدة للورم.

يمكن أن تحدث السرطانات البشرية بسبب زيادة التعبير عن الجينات المسرطنة المقترنة بالتعبير المحظور عن الجينات الكابتة للورم. إذا كان نمط مثيلة الحمض النووي المتوافق مع هذا التعبير الجيني موروثًا ، فقد يكون لدى النسل قابلية متزايدة للإصابة بالسرطان.

في حالة ما اذا سرطان قولوني مستقيمي، قد ينتقل نمط مثيلة الحمض النووي الخاطئ من الآباء إلى الأبناء. وفقًا لدراسة عام 1983 والورقة التي أعدها أ. فاينبرج وب. Vogelstein ، أظهر نمط مثيلة الحمض النووي لمرضى سرطان القولون والمستقيم زيادة في المثيلة ومنع الجينات الكابتة للورم مع انخفاض مثيلة الجينات المسرطنة.

يمكن أيضًا استخدام علم التخلق للمساعدة علاج الأمراض الوراثية. في متلازمة X الهش ، يكون جين X-chromosome الذي ينتج بروتينًا تنظيميًا رئيسيًا مفقودًا. يعني عدم وجود البروتين أن بروتين BRD4 ، الذي يثبط التطور الفكري ، يتم إنتاجه بشكل زائد عن الحد. يمكن استخدام الأدوية التي تثبط التعبير عن BRD4 لعلاج المرض.

الوراثة اللاجينية لها تأثير كبير على المرض ، لكنها يمكن أن تؤثر أيضًا على سمات الكائن الحي الأخرى مثل السلوك.

في دراسة أجريت عام 1988 في جامعة ماكجيل ، لاحظ مايكل ميني أن الفئران التي اعتنت بها أمهاتها عن طريق لعقها والاهتمام بها تطورت إلى بالغة الهدوء. أصبحت الفئران التي تجاهلتها أمهاتها بالغين قلقين. أظهر تحليل أنسجة المخ أن سلوك الأمهات تسبب في حدوث تغييرات في مثيلة خلايا الدماغ في صغار الفئران. كانت الاختلافات في نسل الفئران نتيجة للتأثيرات اللاجينية.

نظرت دراسات أخرى في تأثير المجاعة. عندما تعرضت الأمهات للمجاعة أثناء الحمل ، كما كان الحال في هولندا في عامي 1944 و 1945 ، فإنهن الأطفال لديهم نسبة أعلى من السمنة ومرض الشريان التاجي مقارنة بالأمهات غير المعرضات مجاعة. تم إرجاع المخاطر الأعلى إلى انخفاض مثيلة الحمض النووي لجين ينتج عامل نمو يشبه الأنسولين. مثل التأثيرات اللاجينية يمكن أن تكون موروثة عبر عدة أجيال.

يمكن أن تشمل التأثيرات من السلوك الذي قد ينتقل من الآباء إلى الأبناء وما بعده ما يلي:

• يمكن أن يؤثر النظام الغذائي للوالدين على صحة الأبناء العقلية.
• يمكن أن يؤثر التعرض البيئي للتلوث لدى الوالدين على الربو عند الأطفال.
• يمكن أن يؤثر تاريخ تغذية الأم على حجم ولادة الرضيع.
• استهلاك الكحول الزائد من قبل الوالد الذكر قد يسبب العدوان في النسل.
• قد يؤثر تعرض الوالدين للكوكايين على الذاكرة.

هذه التأثيرات هي نتائج التغييرات في مثيلة الحمض النووي التي تنتقل إلى النسل ، ولكن إذا كانت هذه العوامل ممكنة تغيير مثيلة الحمض النووي في الوالدين ، العوامل التي يختبرها الأطفال يمكن أن تغير الحمض النووي الخاص بهم مثيلة. على عكس الشفرة الجينية ، يمكن تغيير مثيلة الحمض النووي عند الأطفال من خلال السلوك والتعرض البيئي في وقت لاحق من الحياة.

عندما تتأثر مثيلة الحمض النووي بالسلوك ، فإن علامات الميثيل الموجودة على الحمض النووي حيث قد ترتبط مجموعات الميثيل يمكن أن تتغير وتؤثر على التعبير الجيني بهذه الطريقة. على الرغم من أن العديد من الدراسات التي تتناول التعبير الجيني تعود إلى ما قبل سنوات عديدة ، إلا أنه لم يتم ربط النتائج إلا مؤخرًا تزايد حجم البحث الوراثي اللاجيني. يوضح هذا البحث أن دور علم التخلق قد يكون له تأثير قوي على الكائنات الحية مثل الكود الجيني الأساسي.