بیان ژن ها شامل دو مرحله می‌باشد. ابتدا از روی ژن ها، RNAها رونویسی می‌شوند و سپس به پروتئین ترجمه می‌شوند.

بیان ژن فرایندی است که در آن اطلاعات درون ژن استفاده می‌شود تا یک محصول کاربردی از آن بدست آید. محصول ژن‌ها عمدتاً آمینواسیدی هستند و از محصولات غیر آمینو اسیدی می‌توان به rRNA ،tRNA ،sRNAو mRNA اشاره کرد. فرایند بیان ژن به وسیله تمام یوکاریوت‌ها و پروکاریوت‌ها (باکتری‌ها و..) انجام مى شود. مراحل مختلفی را می‌توان برای فرایند بیان ژن در نظر گرفت که عموماً شامل رونویسی، ترجمه و تغییرات بعد از ترجمه یک پروتئین می‌باشد. تنظیم بیان ژن به سلول این امکان را می‌دهد تا بتواند ساختار و کاربرد خود را کنترل کند و این مسئله پایه‌ای است برای تفاوت‌های سلولی (تمایز)، دگرگونی (تکامل) و مهارت تطبیق ارگانیسم‌ها با شرایط جدید. از آنجا که تمام سلول‌های بدن انسان از یک سلول مشتق شده‌اند تفاوت‌ها و تمایزات بین سلول‌ها حاصل از بیان شدن یا نشدن قسمت‌هایی از ژن است. بیان ژن همچنان می‌تواند به عنوان یکی از زیر لایه‌های تکامل در نظر گرفته شود زیرا کنترل زمان بندی، مکان و مقدار ژن می‌تواند تأثیرات مهمی در عملکرد ژن‌ها درون سلول یا کل ارگانیسم پرسلولی داشته باشد. درعلم ژنتیک، بیان ژن یکی از مهم‌ترین مسائل بنیادی است که کمک می‌کند تا ژنوتیپ به صورت فنوتیپ ظاهر شود. در واقع کدهای ژنتیکی که در رشته‌های DNA ذخیره شده‌اند به وسیله بیان ژن تفسیر می‌شوند و خصوصیات و نحوه بیان ژن باعث به وجود آمدن فنوتیپ در ارگانیسم خواهد شد.

مکانیزم

رونویسی

 

فرایند رونویسی از روی DNA به وسیله RNA polymerase انجام می‌شود.

ژن‌ها توالی‌های کشیده شده‌ای از DNA است که اطلاعات ژنتیکی را در خود نگهداری می‌کند که به وسیله کدهای ژنتیکی ذخیره شده‌اند. هر مولکول DNA شامل دو رشته است که هر کدام دو سر ۳’، ۵’ دارند. مناطق کدینگ شامل اطلاعات ژنتیکی هستند و قسمت‌های که اطلاعات ژنتیکی ندارند در تولید RNAها کمک می‌کنند. تولید یک کپی RNA از روی DNA را مرحله رونویسی می نامیم، این فرایند به وسیلهٔ RNA polymerase انجام می‌شود که در هر لحظه یک نوکلئوتید RNA را به رشتهٔ RNA در حال تولید، اضافه می‌کند. رشتهٔ RNA تولید شده مکمل رشتهٔ DNA ایست که از روی آن رونویسی انجام شده تنها با این تفاوت که در آن در مقابل باز آدنین (A)، به جای تیمین (T) از یوراسیل (U) استفاده می‌شود. عمل رونویسی در پروکاریوت‌ها به وسیله یک پلی‌مراز انجام می‌شود اما در یوکاریوت‌ها این عمل به وسیله سه RNA پلی مراز مختلف صورت می‌گیرد که پلی مراز اول برای رونویسی ژن های rRNA است و پلی مراز دوم برای رونویسی ژن های mRNA و برخی RNA های کوچک استفاده می‌شود و پلیمراز سوم در رونویسی ژن های tRNA و برخی RNA های کوچک کاربرد دارد. عمل رونویسی پس از رسیدن به یک توالی مشخص(توالی پایان)خاتمه می یابد.

پردازش RNA

یک نمایش ساده از شیوه جداسازی exonهای حاوی اطلاعات

 

در پروکاریوت‌ها محصول مستقیم رونویسی از روی ژنهایی که محصول آن‌ها پروتئین است، mRNA است اما در یوکاریوت‌ها ابتدا یک pre-mRNA ساخته می‌شود که پس از انجام یکسری عملیات به mRNA تبدیل خواهد شد. در این فرایند تبدیل بخش‌هایی از pre-mRNA که حاوی اطلاعات نیستند (اینترون)حذف می‌شوند و آن نواحی دارای اطلاعات ژنتیکی هستند(اگزون) به هم متصل می‌شوند تا mRNA نهایی به دست آید.

 

خارج شدن RNA از هسته

در یوکاریوت‌ها بیشتر RNAها باید از هسته خارج شوند و به محیط سیتوپلاسم وارد شوند که تمام RNAهایی که محصول نهایی آن‌ها پروتئین است از این دسته می‌باشند. گاهی نیز برخی از RNA‌ها باید به محل‌های خاصی از سیتوپلاسم منتقل شوند مانند سیناپس‌ها.

ترجمه

 

در طی فرایند ترجمه tRNA‌ها با پروتئین مربوط به خود شارژ می‌شوند و سپس به درون ریبوزوم منتقل می‌شوند و با کودون مربوطه تطبیق پیدا می‌کنند و آمینو اسید خود را به زنجیره پروتئنی اضافه می‌کند.

برای برخی از ژن‌ها محصول نهایی همان RNA ای است که در مراحل قبل تولید شده، اما برای بسیاری مانند mRNAها این آخرین مرحله نیست. mRNAها همراه خود کد یک یا چند توالی پروتئین را حمل می‌کنند. در هر توالی mRNA اطلاعات ژنتیکی به وسیلهٔ کدهای سه تایی به نام کدون (codon) که پشت سرهم قرار دارند ذخیره شده‌است. در فضای سیتوپلاسم برای هر کدام از این کودون‌ها یک tRNA با یک سه‌تایی مکمل وجود دارد که همراه خود آمینو اسید مشخصی را حمل می‌کند. سپس این آمینواسیدها به وسیله یک رناتن و همچنین ترتیب کدون‌ها بر روی mRNA به هم متصل می‌شوند و توالی پروتئینی به دست می‌آید. از روی هر رشتهٔ mRNA می‌توان تعداد زیادی توالی پروتئین ساخت.

مکانیسم های تنظیم بیان ژن

تنظیم بیان ژن در پروکاریوت ها

• مکانیسم تضعیف:

نیاز به همزمانی ترجمه با رونویسی دارد لذا تنها در پروکاریوت ها دیده می شود. در ابتدایmRNA  یک توالی رهبر با 162 نوکلئوتید وجود دارد که به سه قطعه 1، 2، 3 و 4 تقسیم می شود. قطعه 1حاوی دو کدون تریپتوفان است و توالی های 2 با 3 و 3 با 4 می توانند جفت شده و ایجاد سنجاق کنند. در حضور  Trpترجمه قطعه 1 بدون وقفه انجام شده و در هنگام رونویسی قطعه 3ریبوزوم بر روی قطعه 2 قرار می گیرد. لذا امکان ایجاد سنجاق 2 و 3 وجود نداشته و قطعه 3 با 4 ایجاد سنجاق می کند که همانند پیام خاتمه رونویسی عمل می نماید. در غیاب  Trpریبوزوم در قطعه 1 متوقف شده و با ایجاد سنجاق 2 و 3 پیام خاتمه حاصل از جفت شدن 3 و 4 ایجاد نمی گردد. پس رونویسی ادامه یافته تا آنزیم های سنتز کننده تریپتوفان تولید گردند. مکانیسم تضعیف جهت کنترل بیان اپرون اسیدهای آمینه دیگر نظیر لوسین، هیستیدین و فنیل آلانین نیز کاربرد دارد. 

• تنظیم هماهنگ ژن ها:

سیسترون توالی از یک ژن است که یک پلی پپتید را کد می کند. تمامی mRNA های یوکاریوتی از نوع منوسیسترونی (تک ژنی) هستند، یعنی تنها حاوی اطلاعاتی برای ساخت یک زنجیر پلی پپتیدی می باشند. mRNA های پروکاریوتی اغلب از نوع چند ژنی (پلی سیسترونی) بوده که بیش از یک زنجیر پلی پپتیدی را کد می کنند. رونویسی ژن های پلی سیسترونی تحت کنترل یک پروموتر قرار دارد، ولی ترجمه هر توالی سیسترونی در مولکول mRNA مستقل می باشد. جهش قطبی (Polar Mutation) که اغلب در توالی های فرادست یک ژن ایجاد می شود، می توانند بر بیان ژن ها یا اپرون های فرودست تاثیر بگذارد. این نوع جهش ها می توانند از نوع بی معنی، تغییر چارچوب و یا اضافه شدن باشند و تنها در موجودات دارای mRNA پلی سیسترونی یافت می شوند.

تنظیم بیان ژن در یوکاریوت ها

• متیلاسیون DNA:

5-متیلاسیون ریشه های سیتوزین در توالی های CpG در DNA یوکاریوتی اغلب همراه با کاهش بیان ژن همراه است. در  برخی سرطان ها هیپرمتیلاسیون DNA  در ناحیه پروموتر ژن های سرکوب کننده توموری یافت می شود. متیلاسیونDNA  با واسطه DNA متیل ترانسفراز (DNMT) توسط 5-آزاسیتیدین و آنالوگ های نوکلئوزیدی وابسته مهار می شود.

• تغییرات هیستون ها:

هیستون هایH3  و H4 متحمل استیلاسیون برگشت پذیر وابسته به چرخه سلولی می شوند که توسط آنزیم هیستون استیلاز و هیستون داستیلاز بر روی گروه آمینو زنجیره جانبی اسید آمینه لیزین صورت می گیرد. در واکنش استیلاسیون گروه های استیل از استیل-کوآ به هیستون ها به ویژه گروه های N-ترمینال هیستونH3  و H4منتقل می شوند. استیلاسیون هیستون ها توسط هیستون استیل ترانسفرازها (HATs) نظیرp300  و CBP (پروتئین اتصالیCREB ) باعث کاهش میزان بار خالص هیستون ها شده و تعامل الکتروستاتیک هیستون ها وDNA  را ضعیف می کند. این امر منجر به سست شدن ساختار کروماتین و افزایش بیان ژن می شود.

جهش در ژنCBP  منجر به سندرم روبنشتین-تای بی می گردد که با عقب ماندگی ذهنی و سایر نقایص تکاملی همراه است. این نقایص به سبب جهش نقطه ای، حذف قطعات کوچک و نوترکیبی در ژنCBP  می باشد. داستیلاسیون هیستون ها توسط مهار کننده های هیستون داستیلاز (HDAC) به منظور تحریک مجدد بیان ژن سرکوب شده توموری استفاده شده است. یکی از این نوع مهارکننده ها ورینوستات است که توسط  FDAجهت درمان لنفومای سلول T تایید شده است.

استیلاسیون زنجیره های جانبی اسیدهای آمینه بازی (لیزین و آرژینین)، فسفریلاسیون سرین و ترئونین و متیلاسیون لیزین (یک، دو و سه متیل) می تواند در تنظیم فعالیت DNA نوکلئوزومی تاثیر داشته باشد. مثلا استیلاسیون و فسفریلاسیون می تواند بار هسته هیستونی را شدیدا تغییر داده و باعث اتصال ضعیف DNA گردد.

یوبی کوئیتیناسیون و سومولاسیون هیستون ها نیز می تواند فعالیت ژن را تحت تاثیر قرار دهد. یوبی کوئیتین در آرایش و تفکیک کروموزوم ها، ترمیم DNA، تنظیم رونویسی در پاسخ التهابی نیز دخالت دارد. پروتئین های تغییر دهنده وابسته به یوبی کوئیتین کوچک (SUMO) که دارای کنفورماسیون و اتصال با پروتئین های هدف هستند بسیار مشابه یوبی کوئیتین بوده و در تنظیم رونویسی و دیگر جنبه های دیگر رونویسی نقش دارند.

• تنظیم سنتز توبولین:

هنگامی که توبولین در سلول زیاد می شود پروتئین منومری بهmRNA  توبولین متصل شده و موجب تخریب آن می شود.

• تنظیم ترجمه به کمک پروتئین 4E:

پروتئین 4E مسئول شناسایی کلاهک mRNA است که یک مرحله محدود کننده سرعت در ترجمه می باشد. این فرآیند در دو حالت قابل تنظیم است. در یک حالت انسولین و فاکتورهای رشد میتوژنیک منجر به فسفریلاسیون پروتئین 4E  می شوند 4E فسفریله تمایل بسیار بیشتری برای اتصال به کلاهک دارد و بنابراین سرعت شروع را افزایش می دهد. در یک حالت دیگر برخی پروتئین ها به 4E اتصال یافته و آن را غیر فعال می سازند.

• تنظیم سنتز هم با سنتز گلوبین به کمک eIF-2:

در هر دور طویل سازی سنتز پروتئین فاکتورeIF-2  به شکل متصل به GDP آزاد می شود. جایگزینی GDP باGTP  به کمکeIF-2B  صورت می پذیرد. در هنگام کمبود آهن یا هم، پروتئین کینازی به نام سرکوبگر تحت کنترل همین (HCR) فعال شده و فسفریلاسیونeIF-2  را کاتالیز می کند. در شکل فسفریله eIF-2  به eIF-2B اتصال یافته و ایجاد کمپلکس پایدار می کند. نتیجه کاهش ترجمه مولکول های mRNA  است.

• تنظیم سنتز گیرنده ترانسفرین و فریتین به کمک آهن سلولی:

در هر مولکولmRNA  مربوط به فریتین و گیرنده ترانسفرین توالی غیر قابل ترجمه در انتهای 5 وجود دارد که عنصر پاسخ به آهن (IRE) نامیده می شود. این توالی ها با یک پروتئین سیتوزولی به نام پروتئین اتصالی به عنصر پاسخ به آهن تعامل دارند که به میزان آهن سلول حساس است. در مقادیر بالای آهن سلولی این تعامل سبب استفاده mRNA فریتین برای سنتز آن و تخریب mRNA گیرنده ترانسفرین برای کاهش سنتز آن می شود. با کاهش آهن، mRNA گیرنده ترانسفرین پایدار شده و mRNA فریتین ذخیره می شود. آنزیم دلتا آمینولوولینیک اسید سنتاز نیز توسط5-IRE  موجود درmRNA خود تنظیم می شود.  

• تنظیم فاکتور رونویسی NF-kB:

دو زیر واحد هتروترایمر فاکتور رونویسی NF-kB (P50 و P65) واجد ناحیه مشابهی در ناحیه N-ترمینال خود می باشند که برای دیمریزاسیون آن ها و اتصال به DNA لازم است. در زمانی که که سلول دچار استرس یا پاسخ به عفونت نمی باشد، NF-kB در سیتوزول، با اتصال مستقیم به مهارکننده ای تحت عنوان kB-I، غیر فعال می شود. در مدت چند دقیقه بعد از تحریک سلول توسط یک عامل عفونت زا مانند ویروس، سیتوکین التهابی و یا اشعه یونیزان، kB-I کیناز فعال شده و دو ریشه سرین N-ترمینال را بر روی kB-I فسفریله می کند. سپس یوبی کوئیتین لیگاز E3 به این فسفوسرین ها متصل شده و kB-I را پلی یوبی کوئیتینه نموده و موجب تجزیه آن در پروتئازوم می شود. در سلول های بیان کننده شکل جهش یافته kB-I که این دو سرین به آلانین تغییر کرده اند و لذا نمی توانند فسفریله شوند، NF-kB دائما غیر فعال است.