Gene regulation in Eukaryotes

تنظیم بیان ژن در

یوکاریوت ها

.داردوجودژنبیاناختصاصیهایبافتوجودعلتبههایوکاریوتدر•

تندوهساختصاصیهابافتدارایهاپروکاریوتخالفبریوکاریوتیموجودات•

لسلودرعکسبروشوندبیانریشهچوبیهاآونددرممکنهاژنازقسمتی

ژنیبیانپروفیلممکنحتیکهشودمیفعالدیگریهایژنآپوپالستیهای

.باشندمتضاد

درتفاوتمفیزیولوژیکوآناتومیتغییراتبهمنجرتواندمیمتفاوتبیاناین•

.شودهایوکاریوت

چرا در موجودات یوکاریوتی باید ژن تنظیم شوند

آنمتعاقبوRNAبهDNAترجمهشاملژنبیانهاپروکاریوتهمانند،•

اینبرعالوهیوکاریوتیموجوداتدراما.استپپتیدپلیبهRNAترجمه

`5انتهایپردازش،طی.گیردمیصورتRNAرویبرنیزپردازشمراحل

RNAپلینیز`3انتهایفرآینداینطیهمچنین.شودمیگذاریکالهک

همچنین.گیردمیقرارآنرویبرآدلینهپلیدماصطالحبهوشدهآدنیله

.یردگمیصورتمرحلهایندرهااینترونحذفیعنیپردازشفرآیندمهمترین

.ایتنرون ها توالی های بی معنی هستند•

ابعاد بیان ژن در یوکاریوت ها

هایلولسهستهزیرا.هاستپروکاریوتازترپیچیدههایوکاریوتدرژنبیان•این.اندشدهجداسیتوپالسممحیطازغشاییسیستمیکوسیلهبهیوکاریوتی

سلوللداخدرجداییارگانیسمیکمانندهستهکهشودمیمنجرغشاییسیستم.باشدداشتهوجود

قسمتبهارژنبیانهایفعالیتفیزیکیشکلبههایوکاریوتدرسلولتقسیم•.کندمیتقسیممتفاوتهای

هستهدرعملاین.استRNAبهDNAترجمهژن،بیانازمرحلهاولین•پلیدمگذاری،کالهکحاویمرحلهبراینعالوهRNAترجمه.افتدمیاتفاق.شودمینیزهااینترونحذفوآدنیله

•mRNAسیتوپالسمدر.شودمیسیتوپالسمواردآمدهپدیدmRNAکمکبهمیآندوپالسشبکهوهستهدیوارهبهمتصلآنهاازبسیاریکههاییریبوزوم

.یابندمیترجمههاپپتیدپلیبههستند

ابعاد بیان ژن در یوکاریوت ها

Signal

هستهکروماتین

DNA

Gene

ژن برای رونویسی آماده است

RNA Exon

رونوشت اولیه

رونویسی

Intron

RNAویرایش

کالهک

دم پلی آدلینه

mRNA داخل هسته ای

به سیتوپالسم mRNAانتقال

سیتوپالسم

mRNAدر سیتوپالسمی

متالشی شدنترجمهmRNA

پلی پپتید

پروتئین فعالتجزیه پروتئین

انتفال به مقصد در سلول

انجام عملکرد در سلول

:تغییر کروماتینیDNAباز شدن

شامل استیالسیون هیستون ها DNAو دمتیله شدن

پردازش پروتئین مانند تغییرات شیمیایی و شکاف خوردن ها

انواع ژنها در موجودات یوکاریوت

•: Housekeeping geneنگهداریبرایآنهاعملکردکههستندژنهاییشاملکه

.شوندمیبیانهموارهدارخانهژنهای.استنیازسلول

•Luxury gene:تنطیمسلولهادرراخاصایپدیدههموارهژنهایاین

وبودهزیادبسیارهاسلولدرآنهامعمولارونویسیمقداروکنندمی

یرتاثتحتهاژنازگونهاینبیان.شوندمیبیانهاسلولازبرخیدر

:نظیرعواملی

(دمانور،)محیطیعوامل•

هاهورمون•

.شوندمیدیدهسلولیتمایزطولدرخصوصبه•

RNAبه DNAتنظیم بیان ژن در سطح ترجمه

.می شودمحدودRNAبهDNAترجمهسطحدرژنبیانکنترلها،پروکاریوتدر•

.نمی شودنیزبیانسادگیبهنمی شودترجمهکهژنی

نیزآنعمدهدلیل.استهاپروکاریوتازترپیچیدههایوکاریوتدرژنبیانکنترل•

رویرببتواندمحیطیهایسیگنالاینکهازقبل.استهستهدرژنفیزیکیجدایی

دروکردهعبورسیتوپالسمسلول،پوششطریقازبایدباشدگذارتاثیرژنترجمه

انتقالایبرراسیستمجالبیشکلبهیوکاریوتیهایسلول.برسدزوموموکربهنهایت

یپیچیدگفاکتور هایازدیگریکی.دارندDNAترجمهخاتمهیاشروعکنترلیهایپیام

سلولزابایدمحیطیسیگنال های.استآنهابودنسلولیچندهایوکاریوتازبسیاریدر

فتبایکازخاصیسلولبعضاکههدفسلولدربتواندتاکندعبورمتفاوتهای

.سازدخاموشراژنییاکندالقاراژنیبیاناستخاص

RNAبه DNAتنظیم بیان ژن در سطح ترجمه

.هاستوتیوکاریدررونویسیتنظیماصولمهمترینازیکیسلولیبینارتباط•

متقابلاثراتاساسبرنیزهایوکاریوتدرژنبیانتنظیمهاپروکاریوتهمانند

.باشدمیDNAوپروتئین

وشدهجفتDNAازایویژههایقسمتبامنفیومثبتتنظیمیهایپروتئین•

.دهندمیخاتمهیاالقارارونویسی

بسیارتعداد.گویندمیتنظیمیفاکتورهایهاپروتئینازنوعاینبهمجموعدر•

ازوعناینازبسیاری.شودمییافتسلولدرهاپروتئینازنوعایناززیادی

.دهدمیراDNAباواکنشامکانآنهابهکههستندخواصیدارایهافاکتور

RNAبه DNAتنظیم بیان ژن در سطح ترجمه

نمینبیامعموالاندگرفتهقرارهتروکروماتینینواحیدرکههاییژنهمچنین•

.شوند

برتواندمیکروماتینDNAوهاهیستوندرشیمیاییتغییراتاینبرعالوه•

.باشدگذارتاثیرهاژنبیانوهاکروماتینساختارروی

تغییر در هیستون ها

.شوندیممتصلهاهیستوندنبالهدرالیزینبهاستیلگروهها،هسیتوناستیالسیوندر•

.ستارونویسیبرایقدماولینوشدههاکروماتینساختارشدنشلبهمنجرعملاین•

فسفریالسیونباکه.شودمیDNAفشردگیبهمنجرمتیلگروهاینبرعالوه•

.کاستفشردگیاینازتوانمیهاآمینواسید

آنها،قوعوترتیبوخاصتغییراتترکیبتکهکندمیپیشنهادهیستونیکدفرضیه•

.باشدذارگتاثیررونویسیرویبرهمچنینوکندکمککروماتینشناساییبهمیتواند

آمینو اسید های حاضر برای تغییر شیمیایی

دنباله هیستون ها

DNAدو رشته ای

نوکلئوزوم

هیستون های استیله نشده هیستون ها ی استیله شده

دنباله هیستون ها از هم جدا شده و به سمت بیرون تمایل پیدا می کنند( الف

استیالسیون هیستون ها اجازه کاهش فشردگی کروماتین ها را فراهم می سازد ( بکه این عمل به نوبه خود اولین قدم برای رونویسی ژن ها است

DNAمتیالسیون

DNAمتیالسون،DNAازخاصیبازهایبهمتیلهایگروهشدناضافهبه•

.شودمیرونویسیکاهشبهمنجرهاگونهازبعضیدرکهگویندمی

کهمیشودDNAمدتبلندسازیفعالغیربهمنجرتواندمیDNAمتیالسیون•

.داردنقشسلولیتمایزفرآینددر

Genomic”پدیدهدر• Imprintig“متیالسیونDNAپدریهایسلولدر

.کندمیتظیمراهاژنازتعدادیبیانرشدابتدایدرمادرییا

تنظیم شروع رونویسی

.کنندکنترلژنبیانشروعتوانندمیکروماتیندهندهتغییرهایآنزیم•

ویسیرونماشینبابتواندبیشتریاکمترکهDNAازایناحیهتعیینباعملاین•

.شودمیانجامشودجفت

سازماندهی ژن های معمولی در یوکاریوت ها

سمتق.هستندزیادیکنندهکنترلعناصرداراییوکاریوتیهایژنبیشتر•ظیمیتنهایپروتئینباکههستنددارانیزرازیادییکنندهکدغیرهای.کنندکمکرونویسیتنظیمبهتوانندمیوشدهجفت

بیانظیمتندرحیاتیهایقسمتازیکیرونویسیفاکتورهایوتنظیمیعناصر•

.باشدمیهایوکاریوتمختلفهایسلولدرژن

Enhancer(distal control

elements)

DNA

UpstreamPromoter

Proximalcontrol

elementsTranscription

start site

Exon Intron Exon ExonIntron

Poly-Asignal

sequence

Transcriptiontermination

region

DownstreamPoly-Asignal

Exon Intron Exon ExonIntron

Transcription

Cleaved3 end ofprimarytranscript

5Primary RNAtranscript(pre-mRNA)

Intron RNA

RNA processing

mRNA

Coding segment

5 Cap 5 UTRStartcodon

Stopcodon 3 UTR

3

Poly-Atail

PPPG AAA AAA

نقش عوامل رونویسی

•RNAعواملکمکبهنیازهایوکایوتدررونویسیشروعبرایمرازپلی.دارندرونویسی

نیازهانپروتئیکنندهکدهایژنتمامرونویسیبرایعمومیرونویسیفاکتور•.هستند

نشواکبهوابستههاژنازتعدادیدررونویسیباالیسطوحها،یوکاریوتدر•.هستندایویژهرونویسیهایفاکتورباتنظیمیعناصر

یتقویت کننده ها و فاکتور های رونویسی اختصاص

.عناصر کنترل کننده در نزدیکی پرومتور قرار گرفته اند•

عالوه بر این عناصر، گروه دیگری از عوامل موثر بر رونویسی وجود دارد که در •

ر فاصله زیادی از ژن قرار گرفته اند و حتی ممکن است در بر روی اینترون ها قرا

.نامیده می شوند( enhancers)گرفته باشند که به نام تقویت کننده ها

را تحریک می فعال کننده پروتئینهایی هستند که به تقویت کننده متصل شده و رونویسی•

. کند

فعالیت بعضی از فاکتور های رونویسی به عنوان سرکوب کننده عمل می کنند، سرکوب•

.ژنی را با شیوه های مختلفی انجام می دهند

ر در ساختار بعضی از متوقف کننده های یا فعال کننده ها به صورت غیر مستقیم با تغیی•

.کروماتین موجب بیان یا خاموشی ژن می شوند

Activators

DNA

EnhancerDistal controlelement

PromoterGene

TATA box

Generaltranscriptionfactors

DNA-bendingprotein

Group of mediator proteins

RNApolymerase II

RNApolymerase II

RNA synthesisTranscriptioninitiation complex

یانبترکیبیکنترلهاژن

ترکیب ویژه ای از •عناصر کنترلی می توانند موجب فعال

شدن رونویسی .رونویسی شوند

Controlelements

Enhancer Promoter

Albumin gene

Crystallingene

LIVER CELLNUCLEUS

Availableactivators

Albumin geneexpressed

Crystallin genenot expressed

(a) Liver cell

LENS CELLNUCLEUS

Availableactivators

Albumin genenot expressed

Crystallin geneexpressed

(b) Lens cell

کنترل همزمان ژن ها در یوکاریوت ها

بر خالف مدل اپرون در پروکایوت ها، هر کدام از ژن هایی که باید در ساخت •

یمی یک پروتئین همکاری دارند دارای یک پروموتور و یکسری از عناصر تنظ

.هستند

ارای این ژنها می توانند بر روی کروموزوم های متفاوت قرار داشته باشند ولی د•

. ترکیبی از عناصر تنظیمی یکسان هستند

همزمان کپی های فعال کننده ها این عناصر تنظیمی یکسان را شناسایی کرده و•

.بیان این دسته های ژنی را القا می کنند

یتنظیم بیان ژن به کمک تغییرات پس از رونویس

رونویسی یک ژن به تنهایی عامل تضمین کننده بیان ژن نیست•

یان ژن مکانیسم های تنظیمی می توانند در مراحل مختلفی پس از رونویسی نیز ب•

.را کنترل کنند

ا در این مکانیسم ها به سلول امکان می دهد که به خوبی و به سرعت بیان ژن ر•

.پاسخ به تغییرات محیط تنطیم کند

RNAپردازش جایگزینی

کدغیرهایقسمتاینترون،زیادیتعدادشاملیوکاریوتیهایژنازبسیاری•

یناازکدامهر.شودمیهاپپتیدپلیها،آمینواسیدشاملکههستندایکننده

بیانصحیحیطوربهژنبتواندRNAرونوشتتاشوندحذفبایدهااینترون

امانجهااسپیلوزومنامبهایهستهکوچکهایارگانلکمکبهعملاین.یابد

.شودمی

ترونایناین.استپردازشماشینبرایبزرگمشکالتازیکیهااینتروناین•

.شوندهگرفتکاربهدیگریکباترکیبدریاجداگانهصورتبهتوانندمیها

RNAپردازش جایگزینی

یمحذفنیزدوآنمیاناگزونشوند،حذفهمدیگربامتوالیاینتروندواگر•

حذفباراRNAرونوشتتوالیتغییرتواناییپردازشماشینبنابراین.شود

اطالعاتدرجوییصرفهموجبپدیدهاین.دارداختیاردررااگزونچند

Exonیااگزونیتالطممسئلهوشودمیژنتیکی shufflingدهدمیرخ.

ژنیککهداردوجودامکاناینهایوکاریوتدرمکانیسماینازاستفادهبا•

یایگزینیجاپردازشپدیدهاینبهکهکندکدرامتفاوتیهایپپتیدپلیبتواند

Alternate splicingگویند.

RNAپردازش جایگزینی

درپروتئیناین.افتدمیاتفاقTتروپینژنبیانطیجایگزینیپردازشهایمثالازیکی•

متغیراسیدآمینو250تا150میانپروتئینایناندازه.شودمیدیدهدارانمهرهمختطعضالت

مختلفاگزون18شاملواستکیلوباز16ازبزرگترTتروپینژنخرما،موشدر.است

ایآرایهوشدهپردازشمختلفیصورت هایبهتواندمیپردازشطیدرژناینرونوشت.است

.آوردپدیدراهاmRNAازبزرگ

.می شوندتولیدTتروپینمختلفپپتید هایپلیشوندترجمهمتفاوتهایmRNAاینزمانی•

.دارندرا18و9-1،15-3اگزونهاپپتیدپلیاینتمامهاپپتیدپلیاینتمام•

تولیدبهکهباشندشدهحذفیاباشندداشتهحضورتوانندمیپردازشالگویاساسبر4-8اگزون•

کنندهدکناحیهحذفیاحضوراثربردهدمیرخکهدیگریتنوع.انجامدمیمتفاوتیترکیبات

.17اگزونیاداردوجود16اگزونیاکهشکلاینبه.دهدمیرخ17و16اگزون

.دارندهاماهیچهدرراهایعملکرداحتماالTتروپینمتفاوتهایفرماین•

RNAپردازش جایگزینی

RNA های غیر کد کننده می توانند نقش های

.متعددی در کنترل بیان ژن داشته باشند

پروتئین کد می کنند و مقدار بسیار کمی ازژنهای DNAفقط بخش کمی از •

RNA های غیر کد کننده، ژنهای برای تولیدrRNA وtRNAهستند

ها را کد می (ncRNA)های غیر کد کننده RNAمقدار بسیار زیادی از ژنوم •

.کنند

•ncRNAسی رونوی: ها می توانند از دو راه بر روی بیان ژن تاثیرگذار باشند

mRNAو وضعیت کروماتین

ها بر روی siRNAها و microRNAتاثیرات

mRNA

•microRNA ها(miRNA ) یکRNA کوچک تک رشته است که می

.جفت شودmRNAتواند با

می تواند از مقدار بسیار کم تا جلوگیریmRNAدر این نوع از تنظیم بیان ژن •

.کامل از رونویسی پیش رود

. گویندRNA(RNAi)را تداخل RNAپدیده جلوگیری از بیان ژن به واسطه

•RNAi به وسیلهRNA های تداخلی کوچک(siRNA )رخ می دهند.

•siRNA ها وmiRNA ها در عمکلرد یکسان هستند ولی ازRNA ها مختلف

.منشا گرفته اند

(a) Primary miRNA transcript

Hairpin

miRNA

miRNA

Hydrogenbond

Dicer

miRNA-proteincomplex

mRNA degradedTranslation blocked

(b) Generation and function of miRNAs

5 3

ها بر تغییر کروماتین و رونویسیncRNAتاثیر

نقشی را در تشکیل هتروکروماتین ها دارد و siRNAدر بعضی از مخمر ها•

.شودDNAمی تواند موجب بلوکه شدن قسمتی از

•ncRNA کوچک کهpiwi-associatedRNA یا به اختصارpiRNA نام

وزونی را دارند می توانند هتروکروماتینی شذن را القا کنند و بیان عناصر تراسپ

.بلوکه کنند

.دمی توانند بیان یک ژن را نیز بلوکه کننRNAهمچنین مکانیسم های مبتنی بر •

کنترل سیتوپالسمی

:mRNAپایداری •

تربيشآنترجمهدفعاتباشدداشتهحضورسلولدررابيشتريزمانmRNAچههر•

نتيجهدروشودميكمترترجمهميزانباشدكوتاهmRNAعمرطولاگروشودمي

بهداردكوتاهيعمرپروكاريوتيmRNAمعمولا)شودميتوليدكمتريپروتئين

يلدلاينبه.شودميتجزيهديگرسمتازوشوندميترجمهسمتيكازكهصورتي

حيطمباراخودپروكاريوتبايدوتغييراستحالدردائمطوربهپروكاريوتمحيطكه

نيازموردكمتركهmRNA.داردمتفاوتيعمرطولانسانيmRNA.(كندمنطبقجديد

تقسيمهايفرآيندبرايكهmRNAماننداستنيازآنبهخاصمواقعدريااست

هموگلوبينكنندهتوليدmRNAكهصورتيدرداردكوتاهخيليعمراستلازمسلولي

بيشتريمدتدرهاپروتئيناينبهچونداردساعت24حدودعمرقرمزهايگلبولدر

میزاندرAپلیدمطولکهاینستداردوجودstabilityمورددرکهاینکته.استنياز

حدیتاmRNA.کندمیکوتاهرادمایننوکلئازهایآنزیم.استموثرmRNAپایداری

زیربهوشودترکوتاهمقدارییکازآپلیدماگرولینیستحساسشدنکوتاهاینبه

.گیردمیقراراگزونوکلئازهاحملهموردکهشودمیمستعدmRNAاینبرسدعددسی

القای رونویسی

• Temperature

• Synthesize heat shock proteins (HSPs)

• Transcriptional regulation – stress of high heat signals

HSPs to be transcribed

• Light

• RBC (ribulose 1,5 bisphosphate carboxylase)

• RBC produced when plants are exposed to light

• Hormones

• Secreted, circulate through body, make contact with

target cell and regulate transcription

• Called signal molecules

تاثیر محیط بر روی بیان ژنها

بررسی ها نشان داده ها است که بر خالف پروکاریوت ها القای ژن ها توسط •

محیط و مواد غدایی در یوکاریوتها کمتر تاثیر گذار است

تاثیر دما بر روی بیان ژنها

ه زمانی که یک سلول تحت استرس های محیطی قرار می گیرد با ساخت گرو•

ن ای. ویژه ای از پروتئین ها سعی در پایدار سازی محیط داخلی سلول می کند

می نامند که در پروکاریوت ها و هم heat-shock proteinsپروتئینها را

حفاطت توالی این دسته از پروتئینها یکی از.. در یو کاریوت ها یافت می شوند

.شده ترین تولی های شناخته شده است

تاثیر دما بر روی بیان ژنها

نایرونویسیالقایتولیدموجبگرماییتنش.استرونویسیسطحدرهاHSPژنبیانتنطیم•

خانوادهکهباشدمیHSP70هاHSPازیکیمثالطوربهدرزوفیالدر.شودمیهاپروتئین

تاپنج.دارندقراراتوزومهایکروموزومرویبروهمنزدیکیدرخوشهیکدرآنژنیهای

ازدماکهزمانی.اندگرفتهقرارکالستردودرHSP70سازندههایتوالیکپیازنسخهشش

ویرایشازپسوشوندمیرونویسیRNAبهژن هااینازکدامهر.کندمیتجاوزدرجه33

واسطحدپپتیدیپلیتوسطژن هااینرونویسیالقای.شوندمیترجمهHSP70پپتید هایپلیبه

مگسسلول هایهسته یدرکهشودمیانجام(HSTF)گرماییتنشرونویسیعاملنامبه

سفریلهفپروتئین هااینگیردمیقراردماییتنشتحتسرکهمگسکهزمانی.داردوجودسرکه

عملاینکه.شودمیمتصلHSP70توالیباالدستدرخودمخصوصتوالیبهوشده

بهنسبتواکنشعناصرراهایتوایاین.آوردمیفراهمIIمرازپلیRNAاتصالامکان

.نامندمی(HSEs)گرماییتنش

HRE`s (Hormone response element)

•HRE`s:کنندمیکنترلهاهومونتوسطراژنهابیانالقایکههستندواسطیحدعناصر.

قرارپروموتورداخلدرکههستندDNAازکوتاهیهایتوالیهورمونیدهندهپاسخعناصر•

.کنندتنطیمراژنبیانوشدهجفتخاصهورمونیهایپذیرندهباتوانندمیودارند

جداهمازنوکلئوتید3باکهاندشدهتشکیلمعکوستکراریتوالیجفتیکازهاتوالیایناکثر•

زیادیتعداداستممکنژنیک.دهندمیدایمرتشکیلهورمونیهایپذیرندهباکهاندشده

.دهدمیموجوداتاینبهراایپیچیدهکنترلامکانکهباشدداشتهدهندهپاسخعناصر

هورمونیهایپذیرنده•

جفتایویژههایهورمونباتوانندمیکههتستندویژه ایمولکول هایهورمونیهایپذیرنده•

ذیرندهپکهحالیدراندگرفتهقرارسلولغشایرویبرپپتیدیهورمونیهایپذیرنده.شوند

ایناهپذیرندهاینبههورموناتصالبا.دارندقرارسیتوپالسمداخلدراستروئیدیهورمون های

.دهدتغییرراسلولرفتارتواندمیکهشوندمیمتفاوتیهایمسیرواردکمپلکس

انواع هورمون ها

نند از هورمون های استروئیدی که مولکول های لیپیدی کوچکی هستند و به راحتی می توا•

..دیواره غشایی عبور کنند

• Estrogen

• Progesterone

• Testosterone

• Glucocorticoids

:هورمون های پپتیدی که مولکول های خطی از آمینو اسید ها هستند که شامل•

• Insulin

• Growth hormone

• prolactin

انواع پذیرنده های هورمونی

پذیرنده های هورمون های پپتیدی•

روتئین ها به این پ. هورمون های پپتیدی اغلب با پروتئین های پذیرنده غشایی جفت می شوند•

G ت گفته پروتئین های جفت شونده با پذیرنده، پذیرنده های حسی، یا پذیرنده های یون دوس

مل این پذیرنده ها اغلب با پاسخ های ثانویه داخل سلولی درگیر هستند که شا. می شود

cAMP،inositol 1,4,5-trisphosphate (IP3)، یون کلسیم(Ca2+ )

.هستند

پذیرنده های هورمون های استروئیدی•

دی این دست از پذیرنده ها اغلب بر روی پروموتور قرار داشته و با هورمون های استروئی•

. عامل اتصال نیز پروتئینی حاوی روی است. به طور مستقیم جفت می شوند

References

• Snustad D. P. and Simmons J. M. (2012). Principals of Genetics 6th edition. John Wiley & Sons, Inc

• Reece, J. B. (2011). Campbell biology 9th edition . Benjamin Cummings/Pearson.

. Passage, E. (2007). Color atlas of genetics. Thieme- stuttgart-New york.