معلومة

2.5: الجين والأوبرون - علم الأحياء

2.5: الجين والأوبرون - علم الأحياء


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

الجينات

تسلسل الحمض النووي الكامل الضروري لتخليق بولي ببتيد وظيفي أو جزيء RNA. وهكذا ، يحتوي الجين على معلومات تسلسل إضافية تتجاوز تلك التي ترمز للأحماض الأمينية في البروتين أو النيوكليوتيدات في جزيء الحمض النووي الريبي. يحتوي الجين أيضًا على الحمض النووي الضروري للحصول على نسخة معينة.

يمكن أن تكون مناطق التحكم في النسخ بعيدة عن منطقة الترميز (بترتيب كيلوبايت أو 10 كيلوبايت).

تفتقر معظم الجينات بدائية النواة الإنترونات (تدخل تسلسل الحمض النووي). في بدائيات النوى ، تتشكل الجينات التي تشفر البروتينات ذات العلاقات في مسار التمثيل الغذائي عوامل التشغيل - التي تنتج مرنا متعدد الكواكب.

التعاريف: المشغل والمروج

  • يوجد أوبرون في الحمض النووي البكتيري ، وهو مجموعة من الجينات المتجاورة المنسوخة من محفز واحد تؤدي إلى ظهور مرنا متعدد الكتل.
  • المروج هو تسلسل الحمض النووي الذي يرتبط به بوليميريز الحمض النووي الريبي قبل بدء النسخ - عادة ما يتم العثور عليه في بداية موقع بدء النسخ للجين

على سبيل المثال TRP Operon - يشارك في التخليق الحيوي للحمض الأميني التربتوفان:

الشكل 2.5.1: المسار الكيميائي لأوبيرون trp

الشكل 2.5.2: أوبرا TRP في DNA / RNA

هذا هو نتيجة ترتيب جينات البكتيريا في الأوبرونات مستوى mRNA لكل من الجينات في الأوبرون هو نفسه تمامًا.

تنسخ الريبوسومات من بداية كل جين ، وليس فقط من الجين الأول.

النتيجة الأخرى لترتيب جينات البكتيريا في أوبرا هي أن الطفرة الأولية (أي ربما تمنع النسخ) يمكن أن تمنع نسخ الجينات "النهائية" والتعبير عنها. تنتج معظم وحدات النسخ حقيقية النواة أحادي mRNA's ، (أي أنها تشفر بروتينًا واحدًا فقط). هناك اختلاف جوهري في عمليات ترجمة بدائيات النوى وحقيقيات النوى:

  1. في بدائيات النوى ، يمكن للريبوسومات أن تتحد في تسلسلات التعرف المحددة في أي مكان داخل mRNA (تسمى مواقع ربط الريبوسوم ، أو مواقع "Shine-Dalgarno").
  2. في حقيقيات النوى ، ترتبط الريبوسومات عن طريق التفاعل معها تم تعديل منطقة 5 'بشكل خاص (ما يسمى موقع 5 'غطاء) من جزيئات الرنا المرسال.
  3. لذلك فإن معظم جزيئات الرنا المرسال حقيقية النواة أحادي.
  • الطفرات في وحدات النسخ حقيقية النواة البسيطة تؤثر فقط بروتين واحد.

وحدات النسخ المعقدة حقيقية النواة

يمكن أن تكون نسخة RNA الأولية المشفرة بواسطة وحدات النسخ المعقدة تقسمبأكثر من طريقة واحدة. نظرًا لإمكانيات المعالجة المختلفة ، فإن ملف exons (مناطق الترميز) في وحدة نسخ معقدة واحدة يمكن ربطها بطرق بديلة للإنتاج مختلف mRNAs و بروتينات مختلفة.

الشكل 2.5.3: وحدات النسخ المعقدة

تنظيم النسخ

يتطلب البقاء الناجح القدرة على التكيف والاقتصاد:

  1. القدرة على التحول من استقلاب ركيزة إلى أخرى مع تغير الموارد البيئية
  2. سيكون من النفايات النشطة لإنتاج الإنزيمات لمسار التمثيل الغذائي الذي لا حاجة إليه.

الحث مقابل قمع تخليق الانزيم

في بكتريا قولونية يتم إنتاج بعض الإنزيمات فقط عندما تنمو الخلايا على ركائز معينة. هذا التأثير يسمى الانزيم الحث. على سبيل المثال ، عندما تنمو الخلايا في حالة عدم وجود نوع من السكر يعرف باسم أ ب غالاكتوزيد (على سبيل المثال اللاكتوز) تحتوي الخلايا على عدد قليل جدًا من جزيئات الإنزيم (حوالي 5 لكل خلية) ب-جالاكتوزيداز (الذي يشق اللاكتوز إلى جلوكوز وجلاكتوز).

  • ليست هناك حاجة لهذا الانزيم في حالة عدم وجود اللاكتوز.
  • إذا تم إضافة اللاكتوز إلى بكتريا قولونية، في فترة زمنية قصيرة جدًا يوجد تقريبًا 5000 جزيء من b-galactosidase لكل خلية (حوالي 1000 ضعف من الاستقراء).
  • إذا تمت إزالة اللاكتوز من الوسائط نتيجة الجمع بين الطريحة والنقيضة من ب-جالاكتوزيداز توقف.

مماثل لكن الوضع المعاكس يحدث فيما يتعلق بتوليف التربتوفان (توجد إنزيمات التخليق الحيوي في trp أوبرون). في هذه الحالة ، يتم إنتاج إنزيمات التخليق الحيوي للتربتوفان بسرعة اغلق إذا كان التربتوفان هدية، في عملية تسمى قمع. القمع هو آلية تنظيمية نسخية للمنتجات الجينية المطلوبة بشكل شائع. الحث عبارة عن آلية تنظيمية نسخية للمنتجات الجينية التي قد تكون مطلوبة في حالات غير عادية أو نادرة.


ال اسطوانة تكشف الجينات عن الأصول الحيوية والتطورية للمجموعة ب العقدية دهن انحلال الدم ، غرنادين

المجموعة ب العقدية (GBS) هي بكتيريا انحلال الدم إيجابية الجرام تستعمر عادةً الجهاز التناسلي السفلي للإناث وترتبط بإصابة الجنين والولادة المبكرة والإجهاض التلقائي والتهابات حديثي الولادة. العامل الرئيسي الذي يعزز ضراوة GBS هو β-hemolysin / cytolysin ، وهو سام للخلايا للعديد من الخلايا المضيفة. لقد أظهرنا مؤخرًا أن صبغة الأورنيثين rhamnolipid ، Granadaene ، التي تنتجها المنتجات الجينية لـ اسطوانة أوبرون انحلال الدم. هنا ، نظهر هذا التعبير غير المتجانسة عن GBS اسطوانة يمنح الأوبرون انحلال الدم والتصبغ والسمية الخلوية لـ المكورات اللبنية، وهي بكتيريا نموذجية غير انحلالية إيجابية الجرام. وبالمثل ، تنقى الصباغ من L. اللاكتيس هو حالة انحلالي ، وانحلالي ، ومماثل في هيكله للغرانادا المستخرج من GBS ، مما يشير إلى اسطوانة أوبيرون كافٍ لإنتاج غرناطة في مضيف غير متجانس. باستخدام مسح منهجي لأنماط phyletic والجمعيات السياقية لـ اسطوانة الجينات ، نحدد متماثلات اسطوانة عامل في البكتيريا موجبة الجرام متنوعة فسيولوجيًا ويقترح وظائف غير موصوفة لـ اسطوانة منتجات الجينات. توفر هذه النتائج معًا فهماً أكبر للتخليق الحيوي والأسس التطورية لعامل ضراوة GBS الرئيسي وتقترح أن هذه الدهون السامة قد يتم ترميزها بواسطة بكتيريا أخرى.

الكلمات الدالة: البكتيريا موجبة الجرام المجموعة B Streptococcus البكتيرية التكسين الجرثومي عامل الضراوة.

حقوق النشر © 2020 Armistead و Whidbey و Iyer و Herrero-Foncubierta و Quach و Haidour و Aravind و Cuerva و Jaspan و Rajagopal.

الأرقام

تكملة L. اللاكتيس مع…

تكملة L. اللاكتيس مع pcylX-K ، ولكن ليس ناقل بلازميد فارغ ، p فارغ ، ممنوح ...

يتم استخلاص الصبغة وتنقيتها من ...

يتم استخلاص الصباغ وتنقيته من L. اللاكتيس ص سيلكس- ك مطابق لغرناطة ...

يقترح تحليل Phyletic أن سيل ...

يقترح تحليل Phyletic أن اسطوانة تطور الأوبرون قبل تنويع موجب الجرام ...


ينشط العنصر التنظيمي nkx-2.5 المعتمد على GATA التعبير الجيني المبكر لجينات القلب في الفئران المعدلة وراثيًا

يعد nkx-2.5 أحد الجينات الأولى التي يتم التعبير عنها في القلب النامي لأجنة الفقاريات في المرحلة المبكرة. يتم الحفاظ على التعبير القلبي لـ nkx-2.5 طوال التطور ويتم التعبير أيضًا عن nkx-2.5 في تطور أقواس البلعوم والطحال والغدة الدرقية واللسان. تم تحليل التسلسلات الجينية المحيطة بجين الماوس nkx-2.5 للنشاط التنظيمي التطوري المبكر في الفئران المعدلة وراثيًا. ما يقرب من 3 كيلو بايت من تسلسل المرافقة 5 'كافٍ لتنشيط التعبير الجيني في الهلال القلبي في وقت مبكر مثل E7.25 وفي مناطق محدودة من القلب النامي في مراحل لاحقة. تم اكتشاف التعبير أيضًا في طحال النامي قبل 24 ساعة على الأقل من أول علامة طحال تم الإبلاغ عنها وفي أكياس البلعوم ومشتقاتها بما في ذلك الغدة الدرقية. يمثل نمط التعبير المرصود من بنية -3 كيلو بايت مجموعة فرعية من نمط التعبير الداخلي nkx-2.5 والذي يعد دليلًا على الوحدات التنظيمية الخاصة بالمقصورة nkx-2.5. تم تحديد عنصر تنظيمي بمقدار 505 نقطة أساس يحتوي على عدة مواقع ربط إجماع GATA و NKE و bHLH و HMG و HOX. هذا العنصر كافٍ لتنشيط الجينات في الهلال القلبي وفي مجرى تدفق القلب والبلعوم والطحال عند ربطه مباشرة بـ lacZ أو عند وضعه بجوار محفز hsp68. يؤدي تحور مواقع GATA المقترنة داخل هذا العنصر إلى القضاء على تنشيط الجينات في القلب والبلعوم والطحال البدائية للأجنة المعدلة وراثيًا. الاعتماد على هذا nkx-2. 5 عنصر تنظيمي في مواقع GATA للنشاط الجيني هو دليل على وجود آلية تنظيمية تعتمد على GATA تتحكم في التعبير الجيني nkx-2.5. يشير وجود مواقع ربط إجماع لعوامل تنظيمية أخرى مهمة من الناحية التنموية داخل العنصر البعيد 505 bp إلى أن التفاعلات التوافقية بين العوامل التنظيمية المتعددة هي المسؤولة عن التنشيط الأولي لـ nkx-2.5 في بدائية القلب والغدة الدرقية والطحال.


2.5: الجين والأوبرون - علم الأحياء

الملاحظة أن ن- يمكن استبدال 23 بقايا نهائية من β-galactosidase بأحماض أمينية أخرى دون التأثير على النشاط الأنزيمي الذي مكّن من إنتاج الاندماجات بين لاسي و لاكز الجينات ، التي أنتجت بروتينًا هجينًا مع كل من أنشطة Lac repressor و β-galactosidase. هذا فتح الطريق لبناء مجموعة متنوعة من لاك يؤدي الاندماج إلى تكوين جينات هجينة تحدد البروتينات الهجينة. في الوقت الحاضر ، هناك عدد من النواقل المتاحة تجاريًا للبناء لاكز الاندماج في المختبر يوجد. إن الاكتشاف الحساس لنشاط بيتا-جالاكتوزيداز مع ركيزة عديمة اللون وقابلة للذوبان ، 5-برومو-4-كلورو -3-إندوليل-بيتا- د-جالاكتوزيد (X-Gal) ، والذي يشكل صبغة زرقاء غير قابلة للذوبان عند التحلل المائي ، قد جعل لاكز الجين الأكثر استخدامًا في الجسم الحي الجينات المراسل. يوفر طريقة حساسة للكشف عن الجينات التي تخضع لإشارات تنظيمية محددة ، ودراسة توطين البروتين في حجرة خلوية معينة وتحليل الجينات المنظمة من الناحية التنموية ، والتعبير الجيني ، والتعبير الخاص بالأنسجة والجوانب الأخرى المشاركة في التطور الجنيني أو التنموي مادة الاحياء. تم الكشف عن تنظيم وتحديد وتوطين العديد من البروتينات من أصول مختلفة باستخدام نشاط β-galactosidase لبروتينات الاندماج كعلامة.

خلال العقود القليلة الماضية ، تحمل الفئران المعدلة وراثيا لاكز تم استخدام الجين المراسل على نطاق واسع لتحليل أنماط التعبير الجيني من خلال المراحل التنموية لدورة الحياة في الأنسجة المختلفة. للحصول على الفئران المعدلة وراثيا ، فإن لاكز يندمج الجين في محفز الجين المستهدف ، ثم يتم تحضير الحمض النووي وحقنه في بيض الفئران المخصب. يمكن بسهولة تصور التعبير عن نشاط الجالاكتوزيداز المحمل للجينات فى الموقع في أقسام الأنسجة باستخدام الركيزة الكروموجينية X-Gal ، أو الركائز الفلورية المختلفة التي تم إدخالها مؤخرًا والتي تسمح بالتوطين الدقيق والدقيق.

كشف انفجار بيانات تسلسل الجينوم أن جزءًا كبيرًا من إطارات القراءة المفتوحة المشفرة بواسطة هذه الجينومات ليس له وظيفة بيولوجية معروفة. يبقى التحدي الرئيسي في إيجاد تقنيات جديدة فعالة للتحقيق في وظيفة هذه الجينات ، وهو نهج يعرف باسم "الجينوميات الوظيفية" ، والتي تشمل تحليل تفاعلات البروتين والبروتين ، والتي تعتبر أساسية لمعظم العمليات البيولوجية. في الوقت الحاضر ، تعتمد أقوى طريقة مستخدمة لتحديد تفاعلات البروتين والبروتين أو فحصها على طريقتين هجينتين. تم تطويره في الأصل بواسطة Fields and Song في عام 1989 ، في الوقت الحالي تم وصف العديد من أنظمة الخميرة أو البكتيرية ثنائية الهجين بشكل عام ، يتم دمج شريكي البروتين المفترضين في عديد ببتيد متفاعلين ، مثل عوامل النسخ أو المجالات التكميلية لبروتين معين. في معظم الأنظمة ، تقترن قراءات ارتباط البروتين الهجين بأنماط ظاهرية قابلة للكسر أو قابلة للتحديد ، واحدة من أكثرها حساسية هي تعبير LacZ. انظر أيضًا الهندسة الوراثية: جينات المراسل ، ودمج مجال البروتين

Α- التكملة

ربما تكون أكثر خصائص β-galactosidase المستغلة على نطاق واسع هي الظاهرة المسماة تكامل α. يتضمن هذا التكميل إعادة الربط غير التساهمي للشظايا التكميلية من سلسلة-galactosidase الفرعية متعددة الببتيد ، والتي يتم إعادة تجميعها بعد ذلك في هيكل رباعي النشط إنزيميًا. في حالة تكملة α ، تحدث استعادة نشاط الإنزيم عندما يكون ن- تتفاعل 60 من مخلفات β-galactosidase الطرفية في الجسم الحي أو في المختبر مع غير نشط لاكز متحولة (α-Acceptor) تفتقر إلى الكودونات 11-41. تم استخدام هذه الظاهرة لتطوير نواقل استنساخ جديدة لتحديد المستعمرات البكتيرية التي تحتوي على الحمض النووي المؤتلف في عام 1977 لاك المنطقة التنظيمية وأكواد 60 الأولى من لاكز تم إدخال الجين في الحمض النووي للعاثية M13. تنتج البكتيريا ، التي تنتج بروتين مستقبل ألفا ، عند الإصابة بالعاثية النشط β-galactosidase عن طريق التكميل وتشكيل لويحات زرقاء في وجود X-Gal. يتداخل إدخال الحمض النووي الغريب في منطقة α من M13 مع تكملة α ، مما يؤدي إلى ظهور المواد المؤتلفة التي تشكل لويحات عديمة اللون. لقد جعل هذا الاختبار البسيط الاستنساخ في M13 إجراءً روتينيًا.

مكمل Intracistronic لل لاكز تم تكييف الجين مؤخرًا للاستخدام في الخلايا حقيقية النواة. تكملة ذات الصلة لاكز لقد ثبت أن الطفرات في خلايا الثدييات تسمح بتحليل اندماج الخلايا واكتشاف البروتينات المتفاعلة الموضعية داخل الخلايا السليمة المفردة. كما تم استخدام التكميل داخل الإنترونيك لـ β-galactosidase للتقييم المباشر لتفاعلات معينة لتفاعلات تقويض البروتين في سياق ذي صلة بيولوجيًا. انظر أيضًا استخدام الخلايا الحيوانية وطرق العرض لإنتاج الأجسام المضادة وحيدة النسيلة البشرية

لاك القامع كأداة

لقد تم استخدام قدرة مثبط لاك على الارتباط الفعال بالمشغل وتحريره منه بواسطة المحرض في كثير من الأحيان لتعديل التعبير الجيني ، أو لتحديد طفرات سالبة متماثلة اللواقح في الخلايا حقيقية النواة. يسمح الهيكل المعياري لضاغط لاك بإنشاء بروتينات الاندماج ، بما في ذلك مجالات التوطين النووي حقيقية النواة ومجالات التنشيط النسخي لكل من ن- و ج- مدة القامع دون حدوث خلل كبير في ارتباط الحمض النووي المحدد. تم استخدام خاصية مانع لاك هذه لفحص مكتبات الببتيد المعقدة للتفاعل المباشر مع مستقبل معين. تنصهر الببتيدات إلى ج- لا يزال بإمكان أداة ضاغط لاك الارتباط بالمشغل بكفاءة عالية. يسمح هذا الارتباط بإثراء روابط ببتيدية معينة في مجموعة عشوائية من الببتيدات عن طريق تنقية الألفة لمجمعات الببتيد - القامع - المشغل مع مستقبلات مجمدة.

يوفر نظام اكتشاف طفرات الماوس المعدلة وراثيًا Big Blue المتوفر تجاريًا نهجًا قويًا للتحليل المباشر للطفرات التلقائية والمستحثة كيميائيًا في الجسم الحي . الفأر الأزرق الكبير معدّل وراثيًا لثلاثة عناصر وراثية لأوبرا اللاكتوز: لاسي الجين والمشغل و لاكز الجين. ال لاسي الجين هو هدف الطفرات. الخلايا ذات الامتداد لاسي ينتج الجين لقمع Lac معيب ، لذلك يتم تصنيع β-galactosidase ويمكن اكتشافه بسهولة. الخلايا غير المطفأة لاسي ينتج الجين مثبطًا نشطًا ولا يتم إنتاج β-galactosidase. تم استخدام هذا النظام على نطاق واسع لدراسة آثار المواد الكيميائية المسرطنة على ترددات الطفرات. انظر أيضًا الكائنات التجريبية المستخدمة في علم الوراثة والبروتينات: علامات التقارب

بالنظر إلى مجموعة واسعة من التطبيقات التي يمكن لـ لاك تم ربط operon ، يمكن للمرء أن يتوقع أن المزيد من التطورات ستساهم في فهمنا للعديد من ميزات التنظيم والتنظيم الخلوي.


محتويات

تم اقتراح مصطلح "operon" لأول مرة في ورقة قصيرة في وقائع الأكاديمية الفرنسية للعلوم في عام 1960. [9] من هذه الورقة ، تم تطوير ما يسمى بالنظرية العامة للأوبرون. اقترحت هذه النظرية أنه في جميع الحالات ، يتم التحكم في الجينات داخل المشغل بشكل سلبي بواسطة مثبط يعمل في عامل واحد موجود قبل الجين الأول. في وقت لاحق ، تم اكتشاف أن الجينات يمكن تنظيمها بشكل إيجابي وتنظيمها أيضًا في خطوات تتبع بدء النسخ. لذلك ، لا يمكن الحديث عن آلية تنظيمية عامة ، لأن المشغلين المختلفين لديهم آليات مختلفة. اليوم ، يتم تعريف الأوبون ببساطة على أنه مجموعة من الجينات المنسوخة إلى جزيء واحد من الرنا المرسال. ومع ذلك ، يعتبر تطوير المفهوم حدثًا بارزًا في تاريخ البيولوجيا الجزيئية. أول أوبرون يتم وصفه هو أوبرون لاك في بكتريا قولونية. [9] مُنحت جائزة نوبل عام 1965 في علم وظائف الأعضاء والطب لفرانسوا جاكوب وأندريه ميشيل لووف وجاك مونود لاكتشافاتهم المتعلقة بالأوبرا وتخليق الفيروس.

تحدث العوامل بشكل أساسي في بدائيات النوى ولكن أيضًا في بعض حقيقيات النوى ، بما في ذلك الديدان الخيطية مثل C. ايليجانس وذبابة الفاكهة ، ذبابة الفاكهة سوداء البطن. غالبًا ما توجد جينات الرنا الريباسي في الأوبرونات التي تم العثور عليها في مجموعة من حقيقيات النوى بما في ذلك الحبليات. يتكون الأوبون من عدة جينات هيكلية مرتبة تحت مروج مشترك وينظمها عامل مشترك. يتم تعريفه على أنه مجموعة من الجينات الهيكلية المجاورة ، بالإضافة إلى الإشارات التنظيمية المجاورة التي تؤثر على نسخ الجينات الهيكلية. 5 [11] لا يتم بالضرورة ترميز المنظمين في مشغل معين ، بما في ذلك المكثفات ، والمثبطات ، والمنشطات ، بواسطة هذا المشغل. يمكن أن يحدد موقع وحالة المنظمين والمروجين والمشغلين وتسلسل الحمض النووي الهيكلي تأثيرات الطفرات الشائعة.

ترتبط المشغلات بالـ Regulons والمنبهات والوحدات النمطية بينما تحتوي المشغلات على مجموعة من الجينات التي ينظمها نفس المشغل ، وتحتوي Regulons على مجموعة من الجينات الخاضعة للتنظيم بواسطة بروتين تنظيمي واحد ، وتحتوي المنبهات على مجموعة من الجينات الخاضعة للتنظيم بواسطة محفز خلية واحدة . ووفقًا لمؤلفيها ، فإن مصطلح "operon" مشتق من فعل "التشغيل". [12]

يحتوي الأوبون على واحد أو أكثر من الجينات الهيكلية التي يتم نسخها عمومًا إلى مرنا متعدد الكريات (جزيء مرنا واحد يرمز لأكثر من بروتين واحد). ومع ذلك ، فإن تعريف الأوبرا لا يتطلب أن يكون الرنا المرسال متعدد الموجات ، على الرغم من أنه في الممارسة العملية يكون كذلك. [5] المنبع من الجينات الهيكلية يكمن تسلسل المحفز الذي يوفر موقعًا لبوليميراز الحمض النووي الريبي لربط وبدء النسخ. بالقرب من المحفز يقع قسم من الحمض النووي يسمى المشغل أو العامل.

يتم تشغيل أو إيقاف تشغيل جميع الجينات الهيكلية للأوبون معًا ، نظرًا لوجود مروج ومشغل واحد لهم ، ولكن في بعض الأحيان هناك حاجة إلى مزيد من التحكم في التعبير الجيني. لتحقيق هذا الجانب ، توجد بعض الجينات البكتيرية بالقرب من بعضها البعض ، ولكن هناك محفز محدد لكل منها يسمى هذا التجمع الجيني. عادةً ما تقوم هذه الجينات بتشفير البروتينات التي ستعمل معًا في نفس المسار ، مثل المسار الأيضي. يساعد التجميع الجيني الخلية بدائية النواة على إنتاج الإنزيمات الأيضية بالترتيب الصحيح. [13]

يتكون الأوبرون من 3 مكونات أساسية للحمض النووي:

    - تسلسل نيوكليوتيدات يمكّن من نسخ الجين. يتم التعرف على المروج بواسطة بوليميراز RNA ، والذي يبدأ بعد ذلك في النسخ. في تخليق الحمض النووي الريبي ، تشير المحفزات إلى الجينات التي يجب استخدامها لإنشاء الحمض النووي الريبي المرسال - وبالتالي ، تتحكم في البروتينات التي تنتجها الخلية.
  • المشغل أو العامل - جزء من الحمض النووي يرتبط به القامع. يتم تعريفه بشكل كلاسيكي في lac operon على أنه جزء بين المروج وجينات الأوبون. [14] العامل الرئيسي (O1) في لاك يقع المشغل قليلاً في اتجاه مجرى النهر للمروج ، حيث يوجد مشغلان إضافيان ، O2 و O3 في -82 و +412 ، على التوالي. في حالة القامع ، يعيق البروتين المثبط ماديًا بوليميريز الحمض النووي الريبي من نسخ الجينات. - الجينات التي يتم تنظيمها بشكل مشترك من قبل الأوبرا.

لا يتم تضمينه دائمًا في الأوبرون ، ولكن المهم في وظيفته هو الجين التنظيمي ، وهو جين يتم التعبير عنه باستمرار والذي يرمز لبروتينات المثبط. لا يلزم أن يكون الجين التنظيمي في أو مجاورًا أو حتى بالقرب من المشغل للتحكم فيه. [15]

يمكن للمحفز (جزيء صغير) أن يزيح المكبح (البروتين) من موقع المشغل (DNA) ، مما يؤدي إلى أوبرا غير مقيد.

بدلاً من ذلك ، يمكن لضاغط الهواء أن يرتبط بالضاغط للسماح بربطه بموقع المشغل. يظهر مثال جيد على هذا النوع من التنظيم لأوبرون trp.

التحكم في الأوبون هو نوع من التنظيم الجيني الذي يمكّن الكائنات الحية من تنظيم التعبير عن الجينات المختلفة اعتمادًا على الظروف البيئية. يمكن أن يكون تنظيم الأوبرا سلبيا أو إيجابيا عن طريق الاستقراء أو القمع. [14]

يتضمن التحكم السلبي ربط القامع بالمشغل لمنع النسخ.

  • في العوامل السلبية المحرضة، عادةً ما يرتبط بروتين منظم منظم بالمشغل ، مما يمنع نسخ الجينات على المشغل. في حالة وجود جزيء محفز ، فإنه يرتبط بالمانع ويغير شكله بحيث لا يتمكن من الارتباط بالمشغل. هذا يسمح للتعبير عن الاوبرون. ال لاك أوبرون هو أوبرون محفز يتم التحكم فيه بشكل سلبي ، حيث يكون جزيء المحفز هو الأولاكتوز.
  • في العوامل السلبية القابلة للقمع، يتم نسخ الأوبرا عادة. يتم إنتاج البروتينات المثبطة بواسطة جين منظم ، لكنها غير قادرة على الارتباط بالمشغل في شكلها الطبيعي. ومع ذلك ، فإن جزيئات معينة تسمى corepressors مرتبطة ببروتين المكبِط ، مما يتسبب في حدوث تغيير في تكوين الموقع النشط. يرتبط بروتين المثبط المنشط بالمشغل ويمنع النسخ. ال trp أوبرون ، الذي يشارك في تخليق التربتوفان (الذي يعمل في حد ذاته بمثابة عامل ضغط) ، هو عامل قابل للقمع يتم التحكم فيه بشكل سلبي.

يمكن أيضًا التحكم في المشغلين بشكل إيجابي. مع التحكم الإيجابي ، يحفز البروتين المنشط النسخ عن طريق الارتباط بالحمض النووي (عادةً في موقع آخر غير المشغل).

  • في العوامل الإيجابية المحفزة، عادةً ما تكون البروتينات المنشّطة غير قادرة على الارتباط بالحمض النووي ذي الصلة. عندما يكون المحرض مرتبطًا بالبروتين المنشط ، فإنه يخضع لتغيير في التشكل بحيث يمكنه الارتباط بالحمض النووي وتفعيل النسخ.
  • في العوامل الإيجابية للقمع، فإن البروتينات المنشط عادة ما تكون مرتبطة بجزء الحمض النووي ذي الصلة. ومع ذلك ، عندما يكون المثبط مرتبطًا بالمنشط ، فإنه يُمنع من ربط الحمض النووي. هذا يوقف تفعيل ونسخ النظام.

ال لاك أوبرون البكتيريا النموذجية الإشريكية القولونية كان أول مشغل يتم اكتشافه ويقدم مثالًا نموذجيًا لوظيفة الأوبرا. وهو يتألف من ثلاثة جينات هيكلية متجاورة ، ومُحفِّز ، ومُنهي ، وعامل. ال لاك يتم تنظيم الأوبرون من خلال عدة عوامل بما في ذلك توافر الجلوكوز واللاكتوز. يمكن تنشيطه بواسطة الأولاكتوز. يرتبط اللاكتوز بالبروتين الكابح ويمنعه من كبح النسخ الجيني. هذا مثال على نموذج قابل للضغط (من أعلاه: محرض سلبي). لذلك فهو أوبرون سلبي محفز ناتج عن وجود اللاكتوز أو اللاكتوز.

اكتشف جاك مونود وزملاؤه عام 1953 ، أوبرون trp في بكتريا قولونية كان أول مشغل قابل للقمع يتم اكتشافه. بينما يمكن تنشيط أوبرون اللاكتوز بواسطة مادة كيميائية (ألولاكتوز) ، يتم تثبيط أوبر التربتوفان (Trp) بواسطة مادة كيميائية (التربتوفان). يحتوي هذا الأوبون على خمسة جينات هيكلية: trp E و trp D و trp C و trp B و trp A ، والتي تشفر تركيبة التربتوفان. كما أنه يحتوي على محفز يرتبط ببوليميراز الحمض النووي الريبي وعامل يمنع النسخ عندما يرتبط بالبروتين المركب بواسطة جين القامع (trp R) الذي يرتبط بالمشغل. في أوبرون اللاكتوز ، يرتبط اللاكتوز بالبروتين الكابح ويمنعه من كبح النسخ الجيني ، بينما في أوبرون trp ، يرتبط التربتوفان بالبروتين الكابح ويمكّنه من قمع النسخ الجيني. أيضًا على عكس lac operon ، يحتوي مشغل trp على الببتيد القائد وتسلسل المخفف الذي يسمح بالتنظيم المتدرج. [16] هذا مثال على النموذج القابل للضغط.

تمت دراسة عدد الأوبرا وتنظيمها بشكل نقدي في بكتريا قولونية. نتيجة لذلك ، يمكن إجراء التنبؤات بناءً على التسلسل الجيني للكائن الحي.

تستخدم إحدى طرق التنبؤ المسافة بين الجينات بين إطارات القراءة كمؤشر أولي لعدد العوامل في الجينوم. الفصل يغير الإطار فقط ويضمن أن القراءة من خلال فعالة. توجد امتدادات أطول حيث تبدأ الأوبرا وتتوقف ، غالبًا ما يصل إلى 40-50 قاعدة. [17]

تعتمد طريقة بديلة للتنبؤ بالأوبونات على إيجاد مجموعات الجينات حيث يتم حفظ ترتيب الجينات وتوجيهها في جينومين أو أكثر. [18]

يكون التنبؤ بالأوبرا أكثر دقة إذا تم أخذ الفئة الوظيفية للجزيئات في الاعتبار. جمعت البكتيريا إطارات القراءة الخاصة بها في وحدات ، تم عزلها من خلال المشاركة المشتركة في مجمعات البروتين ، أو المسارات المشتركة ، أو الركائز والناقلات المشتركة. وبالتالي ، فإن التنبؤ الدقيق سيشمل كل هذه البيانات ، وهي مهمة صعبة بالفعل.

كان مختبر باسكال كوسارت أول من حدد تجريبيًا جميع عوامل الكائنات الحية الدقيقة ، الليسترية المستوحدة. تم إدراج 517 أوبراً متعدد الخلايا في دراسة عام 2009 تصف التغيرات العالمية في النسخ التي تحدث في L. monocytogenes تحت ظروف مختلفة. [19]


2.5: الجين والأوبرون - علم الأحياء

البكتيريا مثل بكتريا قولونية تحتاج الأحماض الأمينية للبقاء على قيد الحياة. التربتوفان هو أحد هذه الأحماض الأمينية بكتريا قولونية يمكن أن تبتلع من البيئة. بكتريا قولونية يمكنه أيضًا تصنيع التربتوفان باستخدام إنزيمات مشفرة بخمس جينات. هذه الجينات الخمسة بجوار بعضها البعض فيما يسمى التربتوفان (trp) مشغل (شكل 1). إذا كان التربتوفان موجودًا في البيئة ، إذن بكتريا قولونية لا يحتاج إلى توليفها والمفتاح الذي يتحكم في تنشيط الجينات في trp تم إيقاف تشغيل operon. ومع ذلك ، عندما يكون توافر التربتوفان منخفضًا ، يتم تشغيل المفتاح الذي يتحكم في الأوبون ، ويبدأ النسخ ، ويتم التعبير عن الجينات ، ويتم تصنيع التربتوفان.

الشكل 1. الجينات الخمسة اللازمة لتوليف التربتوفان في بكتريا قولونية تقع بجوار بعضها البعض في trp أوبرون. عندما يكون التربتوفان وفيرًا ، يربط جزيئين من التربتوفان بروتين المثبط في تسلسل المشغل. هذا يمنع فعليًا بوليميريز الحمض النووي الريبي من نسخ جينات التربتوفان. عندما يكون التربتوفان غائبًا ، لا يرتبط البروتين المثبط بالمشغل ويتم نسخ الجينات.

ال trp يشمل operon ثلاث مناطق مهمة: منطقة التشفير ، و trp المشغل و trp المروجين. تشمل منطقة الترميز الجينات الخاصة بأنزيمات التخليق الحيوي للتربتوفان الخمسة. فقط قبل منطقة الترميز هي موقع بدء النسخ . يكون تسلسل المحفز ، الذي يرتبط به بوليميراز الحمض النووي الريبي لبدء النسخ ، قبل أو "المنبع" لموقع بدء النسخ. بين المروج وموقع بدء النسخ توجد منطقة المشغل.

ال trp المشغل أو العامل يحتوي على كود DNA الذي trp يمكن أن يرتبط البروتين المثبط. ومع ذلك ، فإن القامع وحده لا يمكنه الارتباط بالمشغل. عندما يكون التربتوفان موجودًا في الخلية ، يرتبط جزيئين من التربتوفان بـ trp repressor ، الذي يغير شكل البروتين المكبِر إلى شكل يمكن أن يرتبط بـ trp المشغل أو العامل. إن ارتباط معقد التربتوفان - المكبّر عند المشغل يمنع فيزيائيًا بوليميريز الحمض النووي الريبي من الارتباط بالمحفز ونسخ جينات المصب.

عندما لا يكون التربتوفان موجودًا في الخلية ، فإن المثبط بحد ذاته لا يرتبط بالمشغل ، يمكن للبوليميراز نسخ جينات الإنزيم ، ويتم تصنيع التربتوفان. نظرًا لأن البروتين المثبط يرتبط بشكل فعال بالمشغل للحفاظ على إيقاف الجينات ، فإن trp يقال أن أوبرون يكون سلبي التنظيم والبروتينات التي ترتبط بالمشغل لإسكات الصوت trp التعبير المنظمين السلبيين .


الاستنساخ والتحليل الهيكلي للتوكسين الخلوي كامل الطول (cdt) الجيني من كامبيلوباكتر لاري

تم تحديد أمبليكونات تفاعل البوليميراز المتسلسل (حوالي 2.5 كيلو بايت) لترميز مشغل الجين cdt واثنين من إطارات القراءة المفتوحة الجزئية والمفترضة (ORFs) في ستة عزلات لاري لاريز سلبية اليورياز (UN) باستخدام زوج تمهيدي PCR جديد مبني في السيليكو . تم العثور على ثلاثة ORFs متقاربة ومفترضة لـ cdtA و cdtB و cdtC ، واثنان من المروجين المفترضين ونهائي نسخ مستقل افتراضيًا جوهريًا في المشغل. بدأ كل ORF بكودون بدء ATG وانتهى برمز إيقاف TGA لـ cdtA و cdtB و TAA لـ cdtC. ومن المثير للاهتمام ، أنه تم اكتشاف تداخل لأربعة نيوكليوتيدات بين cdtA و cdtB والمنطقة غير المشفرة المكونة من ستة أزواج أساسية تحدث بين cdtB و cdtC. سبقت أكواد البداية لجينات cdt الثلاثة تسلسلات Shine-Dalgarno. على الرغم من تحديد الاختلافات في تسلسل النوكليوتيدات في سبعة مواضع في جين cdtA ، وستة في cdtB واثنان في cdtC بين العزلات السبع (بما في ذلك C. مواقع الربط بين العزلات السبع. تم حفظ جميع بقايا الأحماض الأمينية التسعة الخاصة بكل من Escherichia coli cdtB والثديية DNase I تمامًا في موضع جين cdtB في عزلات C. lari 26 ، وكذلك في C. jejuni و C. coli. لم يتم إنشاء أي أمبليكون PCR باستخدام عوامل العطيفة الحرارية الإيجابية لليورياز (UPTC n = 10) باستخدام زوج التمهيدي.


محتويات الزرنيخ وتحوله الحيوي في البيئة البحرية

كيران كاليا ، ديفانج ب. كامبهولجا ، في كتيب علم السموم بالزرنيخ ، 2015

28.6.2 البكتيريا البحرية

لعب استقلاب الزرنيخ بواسطة الميكروبات دورًا رئيسيًا في بيئة الزرنيخ ، مما يؤثر على معايير التنقل والتوافر البيولوجي ، وكذلك السمية في البيئة البحرية. تقوم البكتيريا المتورطة في عمليات التحول الأحيائي باستقلاب الزرنيخ بسهولة والمشاركة في وظائف التمثيل الغذائي المختلفة بما في ذلك إزالة السموم ، والتنفس اللاهوائي ، والمثيلة ، والاستيعاب. تمتلك البكتيريا البحرية القدرة على تحويل أنواع الزرنيخ غير العضوي إلى أشكال عضوية مُمَثَّلة و / أو معقدة من الزرنيخ [47] ، ولديها أيضًا القدرة على تحلل المواد السينيكالية العضوية المعقدة إلى زرنيخ غير عضوي [75]. للبقاء على قيد الحياة مع مركبات الزرنيخ في بيئتها ، طورت الميكروبات العديد من المسارات الأيضية بوساطة تركيبتها الجينية ومنتجاتها [88]. الجينات المشاركة في التحول الأحيائي للزرنيخ هي aox / aos الجينات (أكسدة الزرنيخ ، التي سميت مؤخرًا aio الجينات) ، arr الجينات (التنفس اللاهوائي الزرنيخ) ، و آرس الجينات (الاختزال والميثيل). تم تلخيص النموذج التخطيطي للتحول الحيوي للزرنيخ في الخلايا البكتيرية في الشكل 28-3 [3]. نظرًا لأن الزرنيخ والزرنيخ قد يعملان كنظائر للفوسفات والجلسرين ، على التوالي ، فإنهما يدخلان الخلايا الميكروبية عبر ناقلات الفوسفات (Pst / Pit) وبروتينات غشاء الجلسروبورين (Glp) ، على التوالي [88]. كما لوحظ امتصاص الخلوي للزرنيخ عن طريق ناقلات الهكسوز [90] أو نفاذ الجلوكوز GLUT1 [91]. يعمل الزرنيخ داخل الخلايا كمحفز لربط البروتين التنظيمي ArsR (المشفر بواسطة arsR الجين) مما يؤدي إلى تغييراته التوافقية وإزالة البروتين التنظيمي المرتبط مسبقًا إلى موقع المشغل لـ آرس أوبرون (الشكل 28-3). تؤدي إزالة البروتين التنظيمي ArsR إلى نسخ آرس الجينات. تتضمن أفضل آلية مميزة لإزالة سموم الزرنيخ في البكتيريا تقليل الزرنيخ إلى الزرنيخ ، بوساطة اختزال الزرنيخ المشفر بواسطة arsC الجين. يتم بثق الزرنيخ بشكل إضافي بواسطة مضخة تدفق مرتبطة بالغشاء مشفرة بواسطة arsB الجين أو عزله في المقصورات داخل الخلايا. الجينات الأخرى مثل arsD و arsA (المشفرة لـ ATPase) تم العثور عليها جنبًا إلى جنب مع arsC و arsB في غالبية بدائيات النوى [92]. يتم منح آلية تحمل الزرنيخ من قبل آرس أوبرون ، والذي يقع إما على البلازميد أو الكروموسوم في أنواع بكتيرية مختلفة. البكتيريا من الأجناس هالوموناس و Acinetobacter معزولة عن شبكات مياه مصبات الأنهار في Mandovi و Zuari في منطقة Goan ، الهند ، وقد ثبت أنها تؤوي arsA, arsB، و arsC الجينات على بلازميدهم [93]. يتشكل الزرنيخ عن طريق اختزال الزرنيخ ، إما بإفرازه من الخلية أو ميثيلته لتشكيل العديد من الزرنيخات الميثيلية بوساطة ArsM (S-adenosylmethyltransferase) المشفر بواسطة arsM الجين ، والذي يتم ضخه خارج الخلية بواسطة ناقل غير معروف.

الشكل 28-3. Arsenic biotransformation in prokaryotic cells. (A) Respiratory arsenate reductase (Arr) is involved in the reduction of As(V). (B) Arsenite oxidase (Aso/Aox) is responsible for oxidation of As(III). (C) S-adenosylmethyltransferase (ArsM) is responsible for methylation of As(III) to produce methylated arsenicals as the end product. (D) Genes (arsRDABC) and proteins involved in the uptake of As(III) and As(V) (GlpF and Pst/Pit transporter), reduction of As(V) (ArsC), extrusion of As(III) (ArsAB), regulation (ArsRD) by arsenic-resistant organisms.

Thioarsenicals, structural analogues of oxyarsenicals in which sulfur replaces oxygen, are formed by exposure of oxyarsenicals to hydrogen sulfide [94] . Arsenic species reported to form thio species include MMA, DMA, arsenosugars, dimethylarsinoyl ethanol, and dimethylarsinoyl acetate. These species are thought to be formed in the presence of hydrogen sulfide during anaerobic degradation of seaweed [65] . Studies have shown that anaerobic microflora from human feces or mouse cecum and gastrointestinal tracts of marine organisms may convert DMA(V) into thiolated arsenic compounds such as dimethylthioarsenate and trimethylarsine sulfide [95–97] . Marine sediments and hydrothermal waters are rich in sulfur, where the reducing conditions and relatively high pH may favor the formation of thiomethylated arsenicals by anaerobic sedimentary bacteria. So far none of the bacterial species in the marine environment have been identified for their ability to synthesize thiomethylated arsenicals, either from inorganic arsenic or from methylated forms.

Oxidation of arsenite to arsenate mediated by arsenite oxidase, encoded by aox/aos/aoi genes, was observed in bacteria and archaeans as the detoxification mechanism. The toxicity of arsenic depends on its oxidation state, while arsenite is 100 times more toxic than arsenate in most biological systems [98] . Acinetobacter junii SeaH-As6s and Marinobacter ص. SeaH-As6w, isolated from coastal sediment and sea water, respectively, from Gwangyang Bay, Republic of Korea, were found to oxidize arsenite to arsenate.

Apart from the operon-mediated detoxification mechanism, عصية ص. strain XZM002 has shown an additional arsenic tolerance mechanism by changing its shape to reduce its surface area to survive in the presence of high arsenic concentrations in its environment. The initial rod shape was altered to oval and then to circular form with gradual increase in extracellular arsenic concentration. The circular form will have the least surface area for arsenic uptake and thus will exhibit less toxicity [99] .

Marine bacteria have the main role in the biogeochemical arsenic cycle of decomposing complex organoarsenicals into their simple organic forms or even into inorganic arsenic forms [75,100] . Two bacterial strains of the group Vibrio/Aeromonas were isolated from coastal sediments, and efficiently decomposed arsenobetaine in aerobic conditions to dimethylarsinic acid. The addition of sediment itself in the media, as the source of arsenobetaine-decomposing microorganisms, has shown the decomposition pattern of arsenobetaine to trimethylarsine to inorganic arsenic [75] . The oxidation and demethylation of methylated arsenicals by bacteria has been studied in marine waters [101] .

Arsenic mobility in the environment was significantly enhanced by bacterial cell-mediated arsenate reduction. Two different pathways for arsenate reduction were observed in microorganisms encoded by ars و arr الأنظمة. The arsenate reductase encoded by ars genes encodes cytoplasmic arsenate reductase associated with a detoxification mechanism, whereas membrane/periplasmic arsenate reductase encoded by arr genes were associated with cellular respiration [102–104] .


Operon

سيراجع محررونا ما قدمته ويحددون ما إذا كان ينبغي مراجعة المقالة أم لا.

Operon, genetic regulatory system found in bacteria and their viruses in which genes coding for functionally related proteins are clustered along the DNA. This feature allows protein synthesis to be controlled coordinately in response to the needs of the cell. By providing the means to produce proteins only when and where they are required, the operon allows the cell to conserve energy (which is an important part of an organism’s life strategy).

A typical operon consists of a group of structural genes that code for enzymes involved in a metabolic pathway, such as the biosynthesis of an amino acid. These genes are located contiguously on a stretch of DNA and are under the control of one promoter (a short segment of DNA to which the RNA polymerase binds to initiate transcription). A single unit of messenger RNA (mRNA) is transcribed from the operon and is subsequently translated into separate proteins.

The promoter is controlled by various regulatory elements that respond to environmental cues. One common method of regulation is carried out by a regulator protein that binds to the operator region, which is another short segment of DNA found between the promoter and the structural genes. The regulator protein can either block transcription, in which case it is referred to as a repressor protein or as an activator protein it can stimulate transcription. Further regulation occurs in some operons: a molecule called an inducer can bind to the repressor, inactivating it or a repressor may not be able to bind to the operator unless it is bound to another molecule, the corepressor. Some operons are under attenuator control, in which transcription is initiated but is halted before the mRNA is transcribed. This introductory region of the mRNA is called the leader sequence it includes the attenuator region, which can fold back on itself, forming a stem-and-loop structure that blocks the RNA polymerase from advancing along the DNA.

The operon theory was first proposed by the French microbiologists François Jacob and Jacques Monod in the early 1960s. In their classic paper they described the regulatory mechanism of the لاك operon of الإشريكية القولونية، a system that allows the bacterium to repress the production of enzymes involved in lactose metabolism when lactose is not available.


شاهد الفيديو: التنظيم الجيني لدى بدائيات النواة - lac operon (يونيو 2022).