معلومة

تنظيم تركيز سلائف تخليق DNA و RNA

تنظيم تركيز سلائف تخليق DNA و RNA



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.

ما هي العملية الخلوية المحددة لتنظيم كمية قواعد الحمض النووي الأربعة (الأدينين والثايمين والسيتوزين والجوانين) الموجودة في سيتوبلازم الخلية؟

في الأساس ، كيف "تعرف" العمليات الميكانيكية للخلية أن هناك ما يكفي من هذه العناصر الموجودة في السيتوبلازم حتى تعمل عمليات DNA / RNA بشكل فعال؟

مما أفهمه ، فإن إنتاج تسلسل الحمض النووي الريبي / الحمض النووي الريبي ينطوي ببساطة على انتزاع هذه العناصر من السيتوبلازم أثناء مرورها بشكل عشوائي بالقرب من بروتين التجميع المتسلسل.

كموضوع جانبي ، ولكنه مهم أيضًا هنا ، يبدو أن السيتوبلازم مجرد سائل عشوائي يحتوي على جميع أنواع الجزيئات التي تتدفق وتنتشر في اتجاهات عشوائية عبر الحركة البراونية. لا أعرف ما إذا كان هناك اتجاه محدد يتدفق السيتوبلازم حول داخل الخلية ، وإذا كان الأمر كذلك ، فكيف ستتمكن الخلية من تنسيق ذلك أيضًا.

لا يبدو أن هناك طريقة لعمليات الخلية "لقراءة" المحتويات الجزيئية المتناسبة من السيتوبلازم لمعرفة ما إذا كان هناك أعداد كافية من هذه العناصر الموجودة لوظيفة الخلية المناسبة.

إذا كان هناك نقص في أي من هذه الجزيئات الأساسية الأربعة ، فإن عمليات DNA / RNA سوف تبطئ أو تتوقف عن العمل ، مما يؤدي إلى فشل نظامي وربما موت الخلايا.

إذا كان هناك عدد كبير جدًا من أي منها ، يمكن أن تصبح الخلية مكتظة بحيث لا يمكن لأي شيء أن يتحرك ويضعف وظيفة الخلية. من المحتمل أن يتمزق جدار الخلية إذا كان هناك الكثير.


توليف الحمض النووي الريبي

يتم تصنيع الحمض النووي الريبي بواسطة إنزيمات تسمى بوليميراز RNA. في الكائنات الحية الأعلى ، توجد ثلاثة أنواع رئيسية من بوليمرات الحمض النووي الريبي ، المعينة الأول والثاني والثالث (أو أحيانًا A و B و C). كل منها عبارة عن بروتين معقد يتكون من العديد من الوحدات الفرعية. يقوم بوليميراز RNA بتجميع ثلاثة من أربعة أنواع من الرنا الريباسي (تسمى 18S و 28S و 5.8S RNA) وبالتالي فهي نشطة في النواة ، حيث توجد الجينات التي تشفر جزيئات الرنا الريباسي. RNA polymerase II يصنع mRNA ، على الرغم من أن منتجاته الأولية ليست ناضجة من RNA ولكن سلائف أكبر ، تسمى RNA النووي غير المتجانسة ، والتي يتم الانتهاء منها لاحقًا (انظر أدناه معالجة مرنا). تشتمل منتجات RNA polymerase III على tRNA والمكون الرابع من RNA للريبوسوم ، المسمى 5S RNA.

تبدأ جميع البوليميرات الثلاثة في تخليق الحمض النووي الريبي في مواقع محددة على الحمض النووي والمضي قدمًا على طول الجزيء ، وربط النيوكليوتيدات المختارة بالتتابع حتى تصل إلى نهاية الجين وتنهي السلسلة المتنامية من الحمض النووي الريبي. تأتي الطاقة اللازمة لتخليق الحمض النووي الريبي من روابط الفوسفات عالية الطاقة الموجودة في سلائف النيوكليوتيدات في الحمض النووي الريبي. كل وحدة من منتج RNA النهائي عبارة عن سكر وقاعدة وفوسفات واحد ، لكن مادة البناء تتكون من سكر وقاعدة وثلاثة فوسفات. أثناء التوليف يتم شق اثنين من الفوسفات والتخلص من كل نوكليوتيد مدمج في الحمض النووي الريبي. تُستخدم الطاقة المنبعثة من روابط الفوسفات لربط النيوكليوتيدات. الميزة الحاسمة لتخليق الحمض النووي الريبي هي أن تسلسل النيوكليوتيدات المرتبطة بسلسلة الحمض النووي الريبي المتنامية يتم تحديده من خلال تسلسل النيوكليوتيدات في قالب الحمض النووي: كل أدينين في الحمض النووي يحدد اليوراسيل في الحمض النووي الريبي ، كل سيتوزين يحدد الجوانين ، كل جوانين يحدد السيتوزين ، و كل ثايمين في الحمض النووي يحدد الأدينين. وبهذه الطريقة يتم نسخ المعلومات المشفرة في كل جين إلى الحمض النووي الريبي لترجمتها بواسطة آلية تصنيع البروتين في السيتوبلازم.

بالإضافة إلى تحديد تسلسل الأحماض الأمينية المراد بلمرتها إلى بروتينات ، يحتوي تسلسل النيوكليوتيدات للحمض النووي على معلومات تكميلية. على سبيل المثال ، تحدد التسلسلات القصيرة للنيوكليوتيدات موقع البدء لكل بوليميريز RNA ، مع تحديد مكان وتوقيت توليف الحمض النووي الريبي. في حالة بوليميرا RNA الأول والثاني ، فإن التسلسلات التي تحدد مواقع البدء تسبق الجينات مباشرة. في المقابل ، تكمن المعلومات المكافئة لـ RNA polymerase III داخل الجين - أي داخل منطقة DNA المراد نسخها إلى RNA. يُطلق على موقع البدء على جزء من الحمض النووي اسم المروج. تشترك محفزات الجينات المختلفة في بعض متواليات النوكليوتيدات ، لكنها تختلف في متواليات أخرى. يتم التعرف على الاختلافات في التسلسل من خلال بروتينات معينة تسمى عوامل النسخ ، والتي تعد ضرورية للتعبير عن أنواع معينة من الجينات. تساهم خصوصية عوامل النسخ في الاختلافات في التعبير الجيني لأنواع مختلفة من الخلايا.


أصل الحياة على الأرض

أصل الحياة هو لغز ، لغز الدجاجة والبيضة المطلق (خدمة R ، 2015). عندما ناقشت أنت وزملاؤك الطلاب معًا السمات المميزة للحياة ، فمن المحتمل أنك قمت بتضمين معلومات التكاثر والوراثة ، وتحول الطاقة ، والنمو والاستجابة للبيئة. ربما قلت أيضًا ، على الأقل على الأرض ، تتكون كل أشكال الحياة من خلايا ، بأغشية تشكل حدودًا بين الخلية وبيئتها ، وأن الخلايا تتكون من جزيئات عضوية (تتكون من الكربون والهيدروجين والنيتروجين والأكسجين ، الفوسفات والكبريت & # 8211 CHNOPS). اللغز هو أنه على الأرض اليوم ، تأتي كل أشكال الحياة من حياة موجودة مسبقًا. أثبتت تجارب Pasteur & # 8217s التوليد التلقائي للحياة الميكروبية من مرق المغذيات المغلي. لم يتمكن أي عالم حتى الآن من تكوين خلية حية من الجزيئات العضوية. فكيف نشأت الحياة على الأرض منذ حوالي 3.8 مليار سنة؟ (ضع في اعتبارك حجم الوقت الذي نتحدث عنه هنا & # 8211 يبلغ عمر الأرض 4.6 مليار سنة ، لذلك استغرق الأمر ما يقرب من مليار سنة حتى ينتج عن التطور الكيميائي حياة بيولوجية.) كيف يمكن معالجة هذا السؤال باستخدام عملية البحث العلمي؟

أصل دراسات الحياة

على الرغم من أن العلماء لا يستطيعون معالجة كيفية نشأة الحياة على الأرض بشكل مباشر ، إلا أنهم يستطيعون صياغة واختبار فرضيات حول العمليات الطبيعية التي يمكن أن تفسر خطوات وسيطة مختلفة ، بما يتوافق مع الأدلة الجيولوجية. في عشرينيات القرن الماضي ، اقترح ألكسندر أوبارين وجي بي إس هالدين بشكل مستقل فرضيات متطابقة تقريبًا لكيفية نشأة الحياة على الأرض. تسمى فرضيتهم الآن فرضية Oparin-Haldane ، والخطوات الرئيسية هي:

  1. تكوين الجزيئات العضوية ، اللبنات الأساسية للخلايا (على سبيل المثال ، الأحماض الأمينية والنيوكليوتيدات والسكريات البسيطة)
  2. تشكيل البوليمرات (سلاسل أطول) من الجزيئات العضوية ، والتي يمكن أن تعمل كأنزيمات للقيام بالتفاعلات الأيضية ، وترميز المعلومات الوراثية ، وربما التكرار (على سبيل المثال ، البروتينات ، خيوط الحمض النووي الريبي) ،
  3. تكوين تراكيز الخلايا الأولية للجزيئات العضوية والبوليمرات التي تنفذ تفاعلات أيضية داخل نظام مغلق ، مفصولة عن البيئة بواسطة غشاء شبه منفذ ، مثل غشاء ثنائي الطبقة من الدهون

تم اختبار فرضية Oparin-Haldane ومراجعتها باستمرار ، وأي فرضية حول كيفية بدء الحياة يجب أن تأخذ في الاعتبار المتطلبات العالمية الأساسية الثلاثة للحياة: القدرة على إعادة إنتاج وتكرار المعلومات الوراثية الغلاف في الأغشية لتكوين الخلايا باستخدام الطاقة لـ تحقيق النمو والتكاثر.

1. كيف تشكلت الجزيئات العضوية على الأرض ما قبل الحيوية؟

تجربة ميلر أوري
اختبر ستانلي ميلر وهارولد أوري الخطوة الأولى لفرضية أوبارين هالدين من خلال التحقيق في تكوين الجزيئات العضوية من المركبات غير العضوية. أنتجت تجربتهم في الخمسينيات عددًا من الجزيئات العضوية ، بما في ذلك الأحماض الأمينية ، التي تصنعها الخلايا الحية وتستخدمها للنمو والتكاثر.

تجربة Miller-Urey ، رسم توضيحي لـ Wikimedia Commons بواسطة Adrian Hunter

استخدم ميلر وأوري إعدادًا تجريبيًا لإعادة إنشاء الظروف البيئية التي كان يُعتقد أنها كانت على الأرض في وقت مبكر. تحاكي غرفة غازية الغلاف الجوي بمركبات مختزلة (مانحة للإلكترون) مثل الميثان والأمونيا والهيدروجين. تحاكي الشرارات الكهربائية البرق لتوفير الطاقة. في غضون أسبوع واحد فقط ، تسبب هذا الجهاز البسيط في تفاعلات كيميائية أنتجت مجموعة متنوعة من الجزيئات العضوية ، وبعضها اللبنات الأساسية للحياة ، مثل الأحماض الأمينية. على الرغم من أن العلماء لم يعودوا يعتقدون أن الأرض ما قبل الحيوية لديها مثل هذا الغلاف الجوي المختزل ، يمكن العثور على مثل هذه البيئات المختزلة في الفتحات الحرارية المائية في أعماق البحار ، والتي لها أيضًا مصدر للطاقة في شكل حرارة من الفتحات. بالإضافة إلى ذلك ، فإن التجارب الأكثر حداثة & # 8211 التي استخدمت ظروفًا يُعتقد أنها تعكس ظروف الأرض المبكرة بشكل أفضل & # 8211 أنتجت أيضًا مجموعة متنوعة من الجزيئات العضوية بما في ذلك الأحماض الأمينية والنيوكليوتيدات (اللبنات الأساسية للحمض النووي الريبي والحمض النووي) (ماكولوم ، 2013).

يقدم الفيديو أدناه نظرة عامة لطيفة على الأساس المنطقي والإعداد والنتائج من تجربة Miller-Urey (على الرغم من أنه يبالغ بشكل غير صحيح في أن داروين أظهر أن المخلوقات البسيطة نسبيًا يمكن أن تؤدي تدريجياً إلى ظهور كائنات أكثر تعقيدًا).

الجزيئات العضوية من الشهب

كل يوم يتم قصف الأرض بالنيازك والغبار من المذنبات. كشفت تحليلات الغبار والنيازك الفضائية التي هبطت على الأرض أنها تحتوي على العديد من الجزيئات العضوية. كان سقوط غبار المذنبات والنيازك أكبر بكثير عندما كانت الأرض صغيرة (قبل 4 مليارات سنة). يعتقد العديد من العلماء أن مثل هذه المواد العضوية الموجودة خارج الأرض ساهمت بشكل كبير في الجزيئات العضوية المتاحة في الوقت الذي بدأت فيه الحياة على الأرض. يوضح الشكل أدناه من برنشتاين 2006 المصادر الرئيسية الثلاثة للجزيئات العضوية على الأرض قبل الحياة: تخليق الغلاف الجوي بواسطة كيمياء ميلر أوري ، والتوليف في الفتحات الحرارية المائية في أعماق البحار ، وسقوط الجزيئات العضوية المركبة في الفضاء الخارجي.

2. تشكيل البوليمرات العضوية

بالنظر إلى التركيز العالي الكافي لهذه الجزيئات العضوية الأساسية ، في ظل ظروف معينة ، سترتبط هذه الجزيئات معًا لتشكيل بوليمرات (سلاسل من الجزيئات مرتبطة تساهميًا معًا). على سبيل المثال ، الأحماض الأمينية مرتبطة ببعضها البعض لتشكيل سلاسل متعددة الببتيد ، تنثني لتصبح جزيئات بروتينية. الريبوز ، سكر من 5 كربون ، يمكن أن يرتبط بقاعدة نيتروجينية والفوسفات بالنيوكليوتيدات. ترتبط النيوكليوتيدات معًا لتكوين الأحماض النووية ، مثل DNA و RNA. بينما يتم تحقيق ذلك الآن عن طريق الإنزيمات الموجودة في الخلايا الحية ، يمكن أيضًا تحفيز بلمرة الجزيئات العضوية بواسطة أنواع معينة من الطين أو أنواع أخرى من الأسطح المعدنية. أنتجت التجارب التي اختبرت هذا النموذج جزيئات RNA يصل طولها إلى 50 وحدة ، في فترة زمنية تتراوح من أسبوع إلى أسبوعين فقط (Ferris ، 2006).

النشاط الأنزيمي والمعلومات الوراثية في بوليمر واحد: فرضية RNA World

أدى اكتشاف توماس تشيك أن بعض جزيئات الحمض النووي الريبي يمكنها تحفيز الانقسام الخاص بالموقع إلى الحصول على جائزة نوبل (لتشيك وألتمان) ، المصطلح & # 8220الريبوزيمات& # 8221 للدلالة على جزيئات الحمض النووي الريبي التحفيزية ، وإحياء فرضية أن جزيئات الحمض النووي الريبي هي الجزيئات الوراثية الأصلية ، التي يرجع تاريخها إلى ما قبل الحمض النووي. بالنسبة للباحثين في أصل الحياة ، كان هناك احتمال أن جزيئات الحمض النووي الريبي يمكن أن تشفر المعلومات الوراثية وتحفز تكاثرها. تسبب الحمض النووي كأول جزيء وراثي في ​​مشاكل حقيقية للباحثين في أصل الحياة لأن تكرار الحمض النووي يتطلب إنزيمات بروتينية (بوليميراز DNA) وبادئات RNA (انظر الصفحة الخاصة بتكرار الحمض النووي) ، لذلك من الصعب تصور كيفية مثل هذا النظام الوراثي المعقد يمكن أن يتطور من الصفر. باستخدام جزيئات الحمض النووي الريبي التحفيزية ، يمكن لجزيء واحد أو عائلة من الجزيئات المماثلة تخزين المعلومات الجينية وتكرار نفسها ، دون الحاجة إلى بروتينات في البداية.

سوف يخضع سكان جزيئات الحمض النووي الريبي التحفيزية لتطور جزيئي مطابق من الناحية المفاهيمية للتطور البيولوجي عن طريق الانتقاء الطبيعي. تقوم جزيئات الحمض النووي الريبي بعمل نسخ من بعضها البعض ، مما يؤدي إلى ارتكاب الأخطاء وتوليد المتغيرات. إن المتغيرات الأكثر نجاحًا في تكرار نفسها (التعرف على جزيئات الحمض النووي الريبي المتطابقة أو المتشابهة جدًا وتكرارها بكفاءة أكبر) ستزيد في التردد في مجموعة جزيئات الحمض النووي الريبي التحفيزية. تتصور فرضية عالم الحمض النووي الريبي (RNA) مرحلة في أصل الحياة حيث أدت جزيئات الحمض النووي الريبي ذاتية التكرار في النهاية إلى تطور نظام وراثي في ​​الخلايا الأولى أو الخلايا الأولية. إن نظام جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA) الذي يشفر الكودونات لتحديد الأحماض الأمينية ، والجزيئات الشبيهة بالـ tRNA التي تنقل الأحماض الأمينية المطابقة ، والـ RNA المحفز التي تكوِّن روابط الببتيد ، من شأنها أن تشكل نظامًا وراثيًا يشبه إلى حد كبير خلايا اليوم & # 8217s ، بدون الحمض النووي.

في مرحلة ما من السلالة المؤدية إلى آخر سلف مشترك عالمي ، أصبح الحمض النووي جزيء التخزين طويل الأمد المفضل للمعلومات الجينية. جزيئات الحمض النووي أكثر استقرارًا كيميائيًا من الحمض النووي الريبي (ديوكسيريبوز أكثر خاملة كيميائيًا من الريبوز). إن وجود خيطين متكاملين يعني أن كل خيط من الحمض النووي يمكن أن يعمل كقالب لتكرار خصلة شريكه ، مما يوفر بعض التكرار الفطري. أعطت هذه السمات وربما سمات أخرى للخلايا ذات النظام الوراثي للحمض النووي ميزة انتقائية بحيث تستخدم كل الحياة الخلوية على الأرض الحمض النووي لتخزين المعلومات الجينية ونقلها.

ومع ذلك ، حتى اليوم ، تلعب الريبوزيمات أدوارًا عالمية ومركزية في معالجة المعلومات الخلوية. الريبوسوم عبارة عن مجموعة كبيرة من RNAs والبروتينات التي تقرأ المعلومات الجينية في خيط من RNA لتخليق البروتينات. يتم تحفيز النشاط التحفيزي الرئيسي ، وهو تكوين روابط الببتيد لربط اثنين من الأحماض الأمينية معًا ، بواسطة جزيء RNA الريبوسومي. الريبوسوم هو ريبوزيم عملاق. نظرًا لأن الريبوسومات عالمية لجميع الخلايا ، يجب أن تكون هذه الحمض النووي الريبي التحفيزي موجودة في آخر سلف مشترك عالمي لكل الحياة الحالية على الأرض.

قم بزيارة صفحة http://exploringorigins.org/ribozymes.html لعرض أول ريبوزيم من رباعي الغشاء ، اكتشفه توم تشيك ، وهيكل الحمض النووي الريبوزي.

تحتوي صفحة http://exploringorigins.org/nucleicacids.html على مقاطع فيديو لبلمرة الحمض النووي الريبي من النيوكليوتيدات ، وتوليف الحمض النووي الريبي الموجه بالقالب ، ونموذج للتكرار الذاتي للحمض النووي الريبي.

يشرح الفيديو أدناه الأساس المنطقي وراء فرضية عالم الحمض النووي الريبي ويصف بإيجاز بعض النتائج من التجارب العالمية المختلفة للحمض النووي الريبي.

3. الخلايا الأولية: إنزيمات ذاتية التكاثر والاستقلاب في كيس

تتكون كل أشكال الحياة على الأرض من خلايا. تحتوي الخلايا على أغشية دهنية تفصل محتوياتها الداخلية ، السيتوبلازم ، عن البيئة. تسمح الأغشية الدهنية للخلايا بالحفاظ على تركيزات عالية من الجزيئات مثل النيوكليوتيدات اللازمة لتكاثر الحمض النووي الريبي ذاتيًا لتعمل بكفاءة أكبر. تحافظ الخلايا أيضًا على اختلافات كبيرة في التركيز (تدرجات التركيز) للأيونات عبر الغشاء لدفع عمليات النقل واستقلاب الطاقة الخلوية.

تعتبر الدهون كارهة للماء ، وسوف تتجمع تلقائيًا في الماء لتكوين إما مذيلات أو حويصلات ثنائية الطبقة الدهنية. تسمى الحويصلات التي تحتوي على الحمض النووي الريبي المتكاثر ذاتيًا والإنزيمات الأخرى ، وتأخذ المواد المتفاعلة عبر الغشاء ، وتصدر المنتجات ، وتنمو عن طريق تراكم المذيلات الدهنية ، وتنقسم عن طريق انشطار الحويصلة ، بالخلايا الأولية أو البروتوبيونات ، وقد تكون سلائف الحياة الخلوية.

يستكشف الفيديو أدناه الاختلافات بين التطور الكيميائي والبيولوجي ، ويسلط الضوء على الخلايا الأولية كمثال على التطور الكيميائي.

في أي نقطة ستبدأ العمليات التطورية ، مثل الانتقاء الطبيعي ، في دفع أصل الخلايا الأولى؟

يقتصر التطور البيولوجي على الكائنات الحية. لذلك بمجرد تكوين الخلايا الأولى ، المكتملة بنظام وراثي ، ستخضع لعمليات تطورية ، وسيؤدي الانتقاء الطبيعي إلى التكيف مع بيئاتها المحلية ، وسيخضع السكان في بيئات مختلفة لأنواع حيث يصبح تدفق الجينات مقيدًا بين مجموعات سكانية معزولة .

ومع ذلك ، تتصور فرضية RNA World عمليات تطورية تدفع مجموعات من جزيئات RNA ذاتية التكرار أو الخلايا الأولية التي تحتوي على جزيئات RNA هذه. يمكن لجزيئات الرنا التي تتكاثر بشكل غير كامل إنتاج جزيئات ابنة بتسلسلات مختلفة قليلاً. تلك التي تتكاثر بشكل أفضل ، أو تحسن تكاثر نمو خلاياها الأولية المضيفة ، سيكون لها ذرية أكثر. بالتالي، جزيئي إن تطور جزيئات الحمض النووي الريبي ذاتية التكرار أو مجموعات الخلايا الأولية التي تحتوي على جزيئات الحمض النووي الريبي ذاتية التكرار من شأنه أن يفضي إلى التكوين النهائي للخلايا الأولى.

المراجع والموارد

Bernstein M 2006. مواد البريبايوتيك من داخل وخارج الأرض المبكرة. فيلوس ترانس
R Soc Lond B Biol Sci. 361: 1689-700 مناقشة 1700-2. PubMed
PMID: 17008210 PubMed Central PMCID: PMC1664678.


آليات الميتوكوندريا لاستيراد البروتين وتجميعه

نيلز ويدمان ونيكولاس بفانر
المجلد. 86 ، 2017

الملخص

الميتوكوندريا هي عضيات أساسية لها وظائف عديدة في التمثيل الغذائي الخلوي والتوازن. يتم تصنيع معظم بروتينات الميتوكوندريا المختلفة و GT1000 كسلائف في العصارة الخلوية ويتم استيرادها إلى الميتوكوندريا بخمس عمليات نقل. اقرأ أكثر

الشكل 1: نظرة عامة على المسارات الخمسة الرئيسية لاستيراد البروتين في الميتوكوندريا. يتم استيراد البروتينات المسبقة الحاملة للوجود المسبق عن طريق ترانسلوكاز من الغشاء الخارجي للميتوكوندريا (TOM) و presequin.

الشكل 2: مسار التواجد في الغشاء الداخلي للميتوكوندريا (IM) والمصفوفة. يتكون غلاف الغشاء الخارجي (TOM) من ثلاثة بروتينات مستقبلية ، البروتين المكون للقناة To.

الشكل 3: دور إنزيم ترانسلوكاز تجميع أوكسيديز (OXA) في فرز البروتين. يتم تصدير البروتينات التي يتم تصنيعها بواسطة ريبوسومات الميتوكوندريا إلى الغشاء الداخلي (IM) بواسطة OXA translocase الريبوس.

الشكل 4: مسار الناقل في الغشاء الداخلي. يتم تصنيع سلائف حوامل المستقلب الكارهة للماء بدون وجود مسبق قابل للانقسام. السلائف مرتبطة بمرافقة عصاري خلوي.

الشكل 5: آلات استيراد وتجميع الميتوكوندريا في الفضاء بين الأغشية (MIA). تحتوي العديد من بروتينات الفضاء بين الغشاء (IMS) على أشكال مميزة للسيستين. يتم الاحتفاظ بالسلائف في صورة مخفضة.

الشكل 6: التولد الحيوي لبروتينات البرميل من غشاء الميتوكوندريا الخارجي. يتم استيراد سلائف بروتينات البرميل في البداية عن طريق ترانسيلوكاز الغشاء الخارجي (TOM) ، وترتبط بصغر حجمها.

الشكل 7: الدور المزدوج لتوزيع الميتوكوندريا وبروتين التشكل 10 (Mdm10) في مواقع تجميع البروتين وتلامس العضيات. يرتبط Mdm10 بآلات الفرز والتجميع (SAM).

الشكل 8: مسارات استيراد متعددة لبروتينات α- حلزونية متكاملة للغشاء الخارجي للميتوكوندريا. يتم عادةً إدخال سلائف البروتينات ذات تسلسل مرساة إشارة N-terminal في.

الشكل 9: يتفاعل موقع اتصال الميتوكوندريا ونظام تنظيم cristae (MICOS) مع ترانسيلوكاسيس البروتين. يتكون MICOS من وحدتين فرعيتين أساسيتين ، Mic10 و Mic60. يشكل Mic10 أوليغومرات كبيرة عشر.


نظرة عامة على النسخ

النسخ هو المرحلة الأولى من تعبير الجينات إلى بروتينات. في النسخ ، يتم نسخ وسيط mRNA (messenger RNA) من أحد خيوط جزيء الحمض النووي. يطلق على RNA اسم messenger RNA لأنه يحمل "الرسالة" ، أو المعلومات الجينية ، من الحمض النووي إلى الريبوسومات ، حيث تُستخدم المعلومات لصنع البروتينات. يستخدم RNA و DNA ترميزًا تكميليًا حيث تتطابق أزواج القواعد ، على غرار كيفية ارتباط خيوط الحمض النووي لتشكيل حلزون مزدوج.

يتمثل أحد الاختلافات بين الحمض النووي والحمض النووي الريبي في أن الحمض النووي الريبي يستخدم اليوراسيل بدلاً من الثايمين المستخدم في الحمض النووي. يتوسط RNA polymerase في تصنيع خيط RNA يكمل خيط DNA. يتم تصنيع الحمض النووي الريبي في اتجاه 5 '- & gt 3' (كما يتضح من نسخة RNA المتزايدة). هناك بعض آليات التدقيق اللغوي للنسخ ، ولكن ليس بنفس عدد آليات تكرار الحمض النووي. في بعض الأحيان تحدث أخطاء في الترميز.


مقدمة للطبعة الثانية

الوحدة 1. المبادئ الكيميائية والبيولوجية الأساسية

الفصل 1. الخلايا والكائنات الحية

2 الكائنات الحية مصنوعة من الخلايا

3 البكتيريا والعتائق مميزة وراثيا

4 خلايا حقيقية النواة مقسمة إلى مقصورات

5 تنوع حقيقيات النوى

6 Haploidy ، و Diploidy ، ودورة خلية حقيقيات النوى

7 كائنات مصنفة

8 تعمل بعض الكائنات الحية المدروسة على نطاق واسع كنماذج

9 الخصائص الأساسية للكائن النموذجي

10 تنقية الحمض النووي من الكائنات الحية النموذجية

11 الفيروسات ليست خلايا حية

12 فيروسات بكتيرية تصيب البكتيريا

13 الأمراض الفيروسية البشرية شائعة

14 توجد مجموعة متنوعة من الكيانات الجينية دون الخلوية

1 جريجور مندل ، أبو علم الوراثة الكلاسيكي

تحدد جيناتان كل خطوة في مسارات الكيمياء الحيوية

3 طفرات ناتجة عن تغيرات في الجينات

4 طرز ظاهرية وأنماط وراثية

5 كروموسومات هي جزيئات طويلة ورقيقة تحمل الجينات

6 الأليلات السائدة والمتنحية

يتم خلط 7 جينات من كلا الوالدين عن طريق التكاثر الجنسي

8 الجينات المجاورة مرتبطة أثناء الوراثة ما لم يتم إعادة اتحاد الحمض النووي

9 تحديد الجينات التي تسبب أمراض الإنسان

الفصل 3. DNA و RNA والبروتين

1 تاريخ الحمض النووي كمادة وراثية

2 جزيئات الحمض النووي تحمل معلومات وراثية

3 التركيب الكيميائي للأحماض النووية

4 DNA مزدوج تقطعت بهم السبل يشكل الحلزون المزدوج

5 مكونات الكروموسومات

6 العقيدة المركزية توضح تدفق المعلومات الجينية

7 ريبوسومات اقرأ الكود الجيني

8 فئات مختلفة من RNA لها وظائف مختلفة

9 بروتينات تقوم بالعديد من وظائف الخلية

الفصل 4. الجينوم والحمض النووي

2 التسلسل المتكرر سمة من سمات الحمض النووي حقيقية النواة

3 Palindromes ، التكرارات المقلوبة ، الهياكل الجذعية والحلقة

4 مسارات متعددة تسبب انحناء الحمض النووي

5.التلف الفائق ضروري لتعبئة الحمض النووي البكتيري

6 فصل شظايا الحمض النووي عن طريق الرحلان الكهربائي

تحدث 7 هياكل حلزونية بديلة للحمض النووي

8 تغليف الحمض النووي في نوى حقيقية النواة

الفصل 5. التلاعب في الأحماض النووية

2 التركيب الكيميائي للحمض النووي

3 قياس تركيز الحمض النووي والحمض النووي الريبي بالأشعة فوق البنفسجية

4 وضع العلامات المشعة للأحماض النووية

5 الإسفار في الكشف عن الحمض النووي والحمض النووي الريبي

6 المجهر الإلكتروني

7 تهجين DNA و RNA

الفصل 6. تفاعل البلمرة المتسلسل

1 أساسيات تفاعل البلمرة المتسلسل

3 DNA متعدد الأشكال مضخم عشوائياً (RAPD)

4 النسخ العكسي PCR

5 العرض التفاضلي PCR

6 التضخيم السريع لنهايات (كدنا) (RACE)

7 PCR في الهندسة الوراثية

9 عمليات الحذف والإدراج الهندسية بواسطة PCR

10 PCR فلورسنت في الوقت الحقيقي

11 منارات جزيئية وبادئات العقرب

12 استخدام تفاعل البوليميراز المتسلسل في التشخيص الطبي

13 التحليل البيئي بواسطة PCR

14 إنقاذ الحمض النووي من أشكال الحياة المنقرضة بواسطة تفاعل البوليميراز المتسلسل

الفصل 7. جينات الاستنساخ للتحليل

1 خصائص نواقل الاستنساخ

2 كشف الإدخالات في النواقل

3 الجينات المتحركة بين الكائنات الحية: نواقل المكوك

4 نواقل الجراثيم لامدا

6 صبغيات خميرة اصطناعية

7 الكروموسومات البكتيرية والاصطناعية P1

8 إعادة التركيب تزيد من سرعة استنساخ الجينات

9 مكتبة الحمض النووي هي مجموعة من الجينات من مصدر واحد

10 استنساخ الحمض النووي التكميلي يتجنب الإنترونات

12 الاستنساخ عن طريق التهجين الطرحي

1 تسلسل الحمض النووي - المبادئ العامة لتسلسل إنهاء السلسلة

2 التمهيدي المشي على طول حبلا من الحمض النووي

5 ظهور تقنية رقاقة الحمض النووي

7 تسلسل الجيل الثاني

8 تسلسل الجيل الثالث

9 كاشفات نانوبور للحمض النووي

الفصل 9. علم الجينوم وبيولوجيا الأنظمة

1 تعيين واسع النطاق باستخدام علامات التسلسل

2 تجميع الجينوم الصغير بواسطة تسلسل البندقية

3 سباق الجينوم البشري

4 مسح الجينوم البشري

5 علم الصيدلة الجينى - علاج دوائي فردي وراثيًا

6 علم الجينوم الشخصي وعلم الجينوم المقارن

7 المعلوماتية الحيوية وتحليل الكمبيوتر

9 Metagenomics وأخذ عينات المجتمع

10 علم التخلق وعلم التخلق

الوحدة 3. العقيدة المركزية للبيولوجيا الجزيئية

الفصل 10. تقسيم الخلية وتكاثر الحمض النووي

1 تقسيم الخلية والتكاثر ليسا متطابقين دائمًا

2 يحدث تكرار الحمض النووي في شوكة النسخ المتماثل

3 خصائص بوليميريز الحمض النووي

4 النيوكليوتيدات هي السلائف لتخليق الحمض النووي

5 بوليميراز الحمض النووي يطيل خيوط الحمض النووي

6 شوكة النسخ المتماثل الكاملة معقدة

7 التوليف غير المستمر للحبل المتخلف

يبدأ النسخ المتماثل للكروموسوم 8 في oriC

9 ينتهي النسخ المتماثل للكروموسوم عند terC

10 انقسام الخلايا في البكتيريا يحدث بعد تكرار الكروموسومات

11 مفهوم Replicon

12 تكرار الحمض النووي الخطي في حقيقيات النوى

13 انقسام الخلايا في الكائنات العليا

الفصل 11. نسخ الجينات

1 يتم التعبير عن الجينات عن طريق صنع الحمض النووي الريبي

2 كيف يتم التعرف على بداية الجين؟

3 تصنيع الرسالة

4 بوليميريز الحمض النووي الريبي يعرف أين يتوقف

5 كيف تعرف الخلية أي الجينات يجب تشغيلها؟

6 النسخ في حقيقيات النوى أكثر تعقيدًا

الفصل 12. تجهيز RNA

1 يتم معالجة الحمض النووي الريبي بعدة طرق

2 الحمض النووي الريبي الترميز وغير الترميز

3 تجهيز الريبوسوم ونقل الحمض النووي الريبي

4 يحتوي الحمض النووي الريبي رسول حقيقيات النوى على غطاء وذيل

يتم إزالة 5 إنترونات من الحمض النووي الريبي عن طريق الربط

6 التظفير البديل ينتج أشكالًا متعددة من الحمض النووي الريبي

7 Inteins و Protein Splicing

8 يتطلب تعديل قاعدة الرنا الريباسي دليل الحمض النووي الريبي

9 تحرير RNA يغير تسلسل القاعدة

10 نقل الحمض النووي الريبي خارج النواة

الفصل 13. تخليق البروتين

1 نظرة عامة على تخليق البروتين

2 البروتينات هي سلاسل من الأحماض الأمينية

3 فك شفرة المعلومات الجينية

4 الريبوسوم: آلة فك الخلية

5 توجد ثلاثة أطر قراءة ممكنة

6 تحتل الحمض النووي الريبي (tRNA) ثلاثة مواقع أثناء استطالة البولي ببتيد

7 يمكن أن يرمز mRNA البكتيري للعديد من البروتينات

8 تتعطل بعض الريبوسومات ويتم إنقاذها

9 الاختلافات بين تخليق البروتينات حقيقية النواة وبدائية النواة

10 توقف تخليق البروتين عندما تكون الموارد شحيحة

11 تسلسل إشارة يشير إلى تصدير البروتين من الخلية

12 يحدث تخليق البروتين في الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء

13 عادة ما ينتج عن الترجمة الخاطئة أخطاء في تخليق البروتين

14 العديد من المضادات الحيوية تعمل عن طريق تثبيط تخليق البروتين

15 تعديلات ما بعد الترجمة للبروتينات

16 سيلينوسيستين وبيروليزين: أحماض أمينية نادرة

17- تدهور البروتينات

الفصل 14. هيكل البروتين ووظيفته

1 يعكس هيكل البروتينات أربعة مستويات من التنظيم

2 تحديد تراكيب البروتين

3 البروتينات النووية والبروتينات الدهنية والبروتينات السكرية هي بروتينات مترافقة

4 بروتينات تخدم وظائف خلوية عديدة

6 إنزيمات تحفز التفاعلات الأيضية

7 يحدث ارتباط البروتينات بالحمض النووي بعدة طرق مختلفة

8 تمسخ البروتينات

2 الأجسام المضادة هي أدوات البروتينات الأساسية

3 النشاف الغربي للبروتينات

4 عزل البروتينات بالكروماتوجرافيا

5 مطياف الكتلة لتحديد البروتين

7 التحديد عن طريق عرض Phage

8 تفاعلات بروتينية: نظام الخميرة ثنائي الهجين

9 تفاعل البروتين عن طريق الترسيب المناعي المشترك

وحدة 4. تنظيم التعبير الجيني

الفصل 16. تنظيم النسخ في بدائيات النوى

1 التنظيم الجيني يضمن الاستجابة الفسيولوجية

2 التنظيم على مستوى النسخ يتضمن عدة خطوات

3 عوامل سيجما البديلة في بدائيات النوى تتعرف على مجموعات مختلفة من الجينات

4 المنشطون والقمعون يشاركون في التنظيم الإيجابي والسلبي

5 أنظمة تنظيمية مكونة من عنصرين

6 التحكم المحدد مقابل التحكم العالمي

7 عوامل ملحقة وبروتينات ملزمة للنيوكليويد

8 مكافحة الإنهاء كآلية تحكم

الفصل 17. تنظيم النسخ في حقيقيات النوى

1 تنظيم النسخ في حقيقيات النوى أكثر تعقيدًا مما هو عليه في بدائيات النوى

2 عوامل النسخ المحددة تنظم جينات تشفير البروتين

3 التنظيم السلبي للنسخ يحدث في حقيقيات النوى

4 الهيتروكروماتين يمنع الوصول إلى الحمض النووي في حقيقيات النوى

5 مثيلة الحمض النووي حقيقية النواة تتحكم في التعبير الجيني

يحدث 6 تعطيل للكروموسوم X في أنثى XX من الحيوانات

الفصل 18. التنظيم على مستوى الجيش الملكي النيبالي

1 التنظيم على مستوى mRNA

2 المبادئ الأساسية لتدخل الحمض النووي الريبي (RNAi)

3 RNA التنظيمي الطويل غير المشفر

4 كريسبر: دفاع مضاد للفيروسات في البكتيريا

5 يتسبب الإنهاء المبكر في إضعاف نسخ الحمض النووي الريبي

6 Riboswitches - RNA يعمل بشكل مباشر كآلية تحكم

الفصل 19. تحليل التعبير الجيني

1 مراقبة التعبير الجيني

2 جينات المراسل لمراقبة التعبير الجيني

3 تحليل حذف منطقة المنبع

يمكن عزل 4 مجمعات بروتينية DNA عن طريق الترسيب المناعي للكروماتين

5 موقع بداية النسخ عن طريق التمديد التمهيدي

7 مصفوفات الحمض النووي الدقيقة للتعبير الجيني

8 TaqMan الكمي PCR لفحص التعبير الجيني

9 التحليل التسلسلي للتعبير الجيني (SAGE)

وحدة 5. أشكال الحياة شبه الخلوية

2 الخصائص العامة للبلازميدات

3 نسخ DNA البلازميد بطريقتين بديلتين

4 العديد من البلازميدات تساعد خلاياها المضيفة

5 بلازميدات قد تقدم شخصيات عدوانية

يتم نقل 6 تي بلازميدات من البكتيريا إلى النباتات

7.بلازميد الخميرة 2μ

8 جزيئات DNA معينة قد تتصرف كفيروسات أو بلازميدات

1 الفيروسات عبارة عن حزم معدية من المعلومات الجينية

2 التنوع الكبير للفيروسات

3 فيروسات ذات جينومات RNA لها جينات قليلة جدًا

4 الفيروسات القهقرية تستخدم كلا من الحمض النووي الريبي والحمض النووي

5 عوامل معدية تحت الفيروس

1 العناصر الجينية شبه الخلوية كمخلوقات جينية

2 يتكون معظم الحمض النووي المتنقل من عناصر قابلة للتبديل

3 العناصر الرجعية تصنع نسخة RNA

4 تعدد العناصر القابلة للتبديل

5 الحمض النووي غير المرغوب فيه والحمض النووي الأناني

وحدة 6. تغيير مخطط DNA

الفصل 23. الطفرات والإصلاح

1 الطفرات تغير تسلسل الحمض النووي

2 الأنواع الرئيسية للطفرة

3 المطفرات الكيميائية تضر الحمض النووي

5 تحدث الطفرات بشكل متكرر في النقاط الساخنة

6 الانتكاسات هي تعديلات جينية تغير النمط الظاهري إلى النوع البري

7 الطفرات الموجهة بالموقع

1 نظرة عامة على إعادة التركيب

2 الأساس الجزيئي للتأشب المتماثل

3 إعادة التركيب الخاصة بالموقع

4 إعادة التركيب في الكائنات العليا

الفصل 25. علم الوراثة البكتيرية

1 التكاثر مقابل نقل الجينات

2 مصير الحمض النووي الوارد بعد الامتصاص

3 التحول هو نقل الجينات عن طريق الحمض النووي العاري

4 نقل الجينات بالفيروسات - التحويل

5 ـ نقل البلازميدات بين البكتيريا

6 نقل الجينات بين البكتيريا موجبة الجرام

الفصل 26. التطور الجزيئي

1 الشروع في العمل - تشكيل الأرض

2 نظرية أوبارين لأصل الحياة

3 أصل الجزيئات المعلوماتية

4 نظرية التغذية الذاتية لأصل الأيض

5 تطور تسلسل الحمض النووي والحمض النووي الريبي والبروتين

6 بروتينات مختلفة تتطور بمعدلات مختلفة جدًا

7 أصل تكافلي للخلايا حقيقية النواة

8 تسلسل الحمض النووي والتصنيف البيولوجي

9 تطور جانبي: نقل الجينات الأفقي


أخطاء في التفاضل

ثلاث فئات من التمايز غير الطبيعي للخلايا هي خلل التنسج ، الحؤول ، والكشم. يشير خلل التنسج إلى ترتيب غير طبيعي للخلايا ، ينشأ عادةً عن اضطراب في سلوك نموها الطبيعي. بعض خلل التنسج هي آفات تمهيدية للسرطان ، في حين أن البعض الآخر غير ضار ويتراجع تلقائيًا. على سبيل المثال ، قد يتطور خلل التنسج في عنق الرحم ، المسمى أورام عنق الرحم داخل الظهارة (CIN) ، إلى سرطان عنق الرحم. يمكن اكتشافه عن طريق اختبارات فحص خلايا عنق الرحم (مسحات عنق الرحم).

الحؤول هو تحويل نوع خلية إلى أخرى. في الواقع ، ليست الخلايا المتمايزة هي التي تتغير عادة ، بل هي التي يتم اشتقاقها منها مجموعة الخلايا الجذعية. يحدث الحؤول عادة عندما يتبع تلف الأنسجة المزمن تجديد واسع النطاق. على سبيل المثال ، يحدث الحؤول الحرشفية في القصبات الهوائية عندما تتطور الخلايا الظهارية التنفسية الهدبية للأشخاص الذين يدخنون إلى خلايا حرشفية أو مسطحة. في حؤول الأمعاء ، تظهر بقع تشبه أنسجة الأمعاء في الغشاء المخاطي في المعدة ، وغالبًا ما تترافق مع قرحة المعدة. قد يتطور كلا النوعين من الحؤول إلى سرطان.

Anaplasia هو فقدان التمايز المرئي الذي يمكن أن يحدث في السرطان المتقدم. بشكل عام ، تشبه السرطانات المبكرة نسيجها الأصلي ويتم وصفها وتصنيفها حسب نمط تمايزها. ومع ذلك ، مع تطورها ، فإنها تنتج أشكالًا أكثر شذوذًا وزيادة الورم الخبيث. أخيرًا ، يمكن أن يحدث نمو شديد التكوُّن ، حيث لا تحمل الخلايا السرطانية أي علاقة مرئية بالأنسجة الأم.


تنظيم الجينوم بواسطة RNAs طويلة غير مشفرة

تتمثل العقيدة المركزية للتعبير الجيني في أن الحمض النووي يُنسخ إلى مرسال RNAs ، والذي يعمل بدوره كقالب لتخليق البروتين. يوفر اكتشاف النسخ المكثف لنصوص الحمض النووي الريبي الكبيرة التي لا ترمز للبروتينات ، والتي يطلق عليها RNAs الطويلة غير المشفرة (lncRNAs) ، منظورًا جديدًا مهمًا حول مركزية الحمض النووي الريبي في تنظيم الجينات. هنا ، نناقش استراتيجيات مقياس الجينوم لاكتشاف وتمييز lncRNAs. يتمثل أحد الموضوعات الناشئة من أنظمة النماذج المتعددة في أن lncRNAs تشكل شبكات واسعة من مجمعات البروتينوكليوبروتين (RNP) مع العديد من منظمات الكروماتين ثم تستهدف هذه الأنشطة الأنزيمية في المواقع المناسبة في الجينوم. تمشيا مع هذه الفكرة ، يمكن أن تعمل lncRNAs كسقالات معيارية لتحديد تنظيم أعلى مرتبة في مجمعات RNP وفي حالات الكروماتين. تم التأكيد على أهمية هذه الأنماط من التنظيم من خلال الأدوار المعترف بها حديثًا للـ RNAs الطويلة للتحكم الجيني المناسب في جميع ممالك الحياة.


مزايا miRNAs الاصطناعية

يمكن تحقيق التنظيم الأعلى للـ miRNAs في الخلايا عن طريق عدوى الخلايا إما باستخدام miRNAs الاصطناعية [9] أو البلازميدات التي تعبر عن miRNAs [10]. استخدام الجزيئات المجهرية الاصطناعية لها العديد من المزايا:

  • يمكن أن تقترب كفاءة تعداء الجزيئات المجهرية الاصطناعية من 100٪ للخلايا الخالدة. هذه الكفاءات العالية تعد مفيدة بشكل خاص للتطبيقات عالية الإنتاجية مثل الفحص الوظيفي لـ miRNA.
  • يمكن تحويل الجزيئات المجهرية الاصطناعية بسهولة إلى الخلايا الأولية دون التسبب في موت الخلايا بشكل كبير.
  • يمكن أن تُعدَى الجزيئات المجهرية الاصطناعية بتركيزات مختلفة ، مما يسهل دراسات الاستجابة للجرعة.
  • قواعد نضوج وتفعيل ميرنا من pri-miRNA وسلائف pre-miRNA ليست مفهومة تمامًا ، مما يجعل من الصعب ضمان امتصاص وتنشيط جزيء miRNA المقصود من أنظمة التعبير القائمة على البلازميد. في المقابل ، فإن تسلسل الجزيئات المجهرية الاصطناعية التي تغير الترجمة معروفة.

الجزء 2: التنظيم الجيني: لماذا هذا التعقيد؟

00: 00: 01.03 اسمي بوب تجيان ،
00: 00: 02.19 أنا أستاذ في جامعة كاليفورنيا في بيركلي ،
00: 00: 06.19 حيث درست سنوات عديدة في البيولوجيا الجزيئية والكيمياء الحيوية ،
00: 00: 11.02 مؤخرًا ، توليت أيضًا منصب رئيس معهد هوارد هيوز الطبي.
00: 00: 16.26 ويسعدني اليوم أن أكمل محاضرتي الثانية في هذه السلسلة ،
00: 00: 22.29 لأشرح لك بعض الأفكار المثيرة حول كيفية عمل تنظيم الجينات ،
00: 00: 30.25 خاصة في الكائنات الحية الأكثر تعقيدًا.
00: 00: 34.21 الآن ، في مجموعة محاضراتي الأخيرة ، تركت لكم وجهة النظر هذه لنوع التعقيد الذي يجب أن يتطور
00: 00: 48.26 للسماح بنوع أنماط التعبير الجيني التي نراها في العديد والعديد من الكائنات الحية التي نعرف أنها موجودة على هذا الكوكب.
00: 01: 00.29 وهكذا ، هناك بعض الأسئلة المثيرة حقًا التي سأتناولها في هذه المحاضرة الثانية.
00: 01: 09.15 والشيء الوحيد الذي تركته لكم هو صورة تفاعل العديد من الجزيئات التي يجب أن تتجمع ،
00: 01: 18.26 والهبوط على موقع معين من جزيء الحمض النووي وهو جزء من كروموسوم الكائن الحي
00: 01: 24.25 أو داخل خلية كائن حي ، وكيف يمكن أن تعمل هذه العملية.
00: 01: 31.04 لكن أعتقد أن السؤال الذي ابتلينا به لعقود ،
00: 01: 35.20 الآن بعد أن أصبح لدينا فكرة أفضل عن شكل هذه الآلية الجزيئية التي تشارك في فك تشفير معلومات الحمض النووي إلى التعبير الجيني ،
00: 01: 49.07 تساءلنا لماذا هي معقدة للغاية؟
00: 01: 53.20 وللبدء نوعًا ما في معالجة هذه المشكلة ، دعني فقط أعود بك إلى مفهوم بسيط.
00: 02: 01.10 وتتذكر أن الكائنات الحية المختلفة لها أحجام مختلفة من جينوماتها ،
00: 02: 08.00 أي كمية الحمض النووي المطلوبة لتشفير الكائن الحي المعين.
00: 02: 14.23 وإليك بعض الأمثلة لكل من البكتيريا ، كائنات بدائية النواة بسيطة وحيدة الخلية ،
00: 02: 22.18 بالإضافة إلى الكائنات حقيقية النواة أحادية الخلية مثل خميرة الخباز ، ثم هناك دودة التربة الصغيرة المستديرة C. elegans ،
00: 02: 30.25 وبعد ذلك يمكنك الصعود إلى الثدييات والفقاريات.
00: 02: 33.29 وستلاحظ أولاً وقبل كل شيء أن كمية الحمض النووي يمكن أن تختلف كثيرًا من بضعة ملايين من الأزواج الأساسية
00: 02: 40.17 حتى 3 مليارات زوج أساسي أو أكثر.
00: 02: 45.00 لتتماشى مع هذا النوع من التوسع في مستوى الحمض النووي وطول الكروموسوم ، لديك أيضًا مستويات مختلفة من الجينات.
00: 02: 54.13 الآن ، ستلاحظ أن نطاق الجينات أقل بكثير من نطاق طول الحمض النووي ،
00: 03: 00.20 لذلك يخبرنا هذا جزئيًا عن سبب حاجتنا إلى التعقيد الذي اكتشفناه في النهاية متضمنًا
00: 03: 10.26 في تكوين هذه الآلية الجزيئية المسؤولة عن قراءة المعلومات الجينية.
00: 03: 17.22 إذن هذا مجرد جدول صغير لإعادة التأكيد على أن هذه الجينومات الأكثر تعقيدًا ، والتي تعني أيضًا كائنات أكثر تعقيدًا ،
00: 03: 28.15 وهو ما يعني حقًا الكثير من أنواع الخلايا المختلفة ، والعديد من السلوكيات المختلفة ، والتفاعلات المعقدة مع بيئتهم وما إلى ذلك ،
00: 03: 38.24 كيف يتم بالفعل فك كل هذه المعلومات من جينوماتنا؟
00: 03: 43.03 وعلى جانب واحد هنا ، ترى آلية تنظيم الجينات الأساسية بدائية النواة ،
00: 03: 50.07 أو آلية النسخ الأساسية ، وفي جميع البكتيريا تقريبًا ،
00: 03: 54.20 إنها مجرد ببتيدات قليلة. 5 ، 6 ، 7 عديد ببتيدات.
00: 04: 00.00 ثم ، في هذا الجانب ، سترى أن ما يسمى بالكائنات حقيقية النواة ،
00: 04: 05.00 وعلى وجه الخصوص عندما تتحدث عن كائنات ميتازوان متعددة الخلايا ، ترى الآن تنوعًا كبيرًا وعددًا كبيرًا من البروتينات أو ،
00: 04: 15.17 كما نسميها ، عوامل النسخ الضرورية للتجميع في مجموعات كبيرة جدًا متعددة الوحدات الفرعية
00: 04: 25.18 المطلوب نسخ 10000 إلى 30000 جين التي تحدد هذه الكائنات الأكثر تعقيدًا.
00: 04: 33.21 لذا ، على الفور يمكنك أن ترى أن هناك هذا الانتشار للوحدات الفرعية والآلية والتعقيد.
00: 04: 43.00 لذا ، في هذه المحاضرة ، سأعطيكم فكرة بسيطة عن ربما سبب ذلك ،
00: 04: 49.11 وما الذي يميز الكائن الحي متعدد الخلايا الأكثر تعقيدًا ،
00: 04: 55.11 ولماذا قد تكون هذه الآلية أكثر تطورًا من خلال التطور ، مقارنة بالكائنات البسيطة.
00: 05: 05.07 الآن ، من أول الأشياء التي تدركها عندما تنظر إلى الخلية ،
00: 05: 10.03 أو بشكل خاص نواة كائن أعلى ، دعنا نقول خلايانا ، مقابل البكتيريا ،
00: 05: 17.10 هو أن الحمض النووي ، الجزيء الذي يتكون من المعلومات الجينية ، يتم تغليفه بطريقة مختلفة تمامًا.
00: 05: 25.11 لذلك ، في كل حقيقيات النوى ، الحمض النووي مزدوج الشريطة لا يجلس هناك بالشكل الذي نسميه
00: 05: 33.29 الحمض النووي "العاري" ، والذي يظهر في الأعلى هنا. لكن بالأحرى،
00: 05: 38.17 هذا الحمض النووي ملفوف بمجموعة من البروتينات ، بروتينات أساسية جدًا ، تسمى "النيوكليوسومات" ،
00: 05: 46.00 ويتم تعبئتها بدورها بشكل مكثف للغاية
00: 05: 52.09 التي تشكل في النهاية الكروموسومات التي ستتمكن من رؤيتها تحت المجهر.
00: 05: 57.26 والأرقام الزرقاء هنا والأشكال الخضراء تعطيك فقط منظرًا لـ
00: 06: 02.29 بنية عالية الدقة لجسيم نووي مع دنا ملفوف حوله.
00: 06: 09.00 إذن ، ما هي نتيجة امتلاك حمضنا النووي بالكامل ،
00: 06: 14.04 كل كروموسوماتنا مكثفة وملفوفة بهذه الطريقة؟
00: 06: 18.09 يمكنك التفكير في الأمر وكأنه معبأ بعيدًا.
00: 06: 20.15 حسنًا ، هناك شيء واحد وهو أنه يمكنك دفع كل هذا إلى نواة صغيرة ،
00: 06: 25.15 لذلك إذا قمنا بتمديد الحمض النووي الخاص بنا في كل خلية في أجسامنا ، من البداية إلى النهاية
00: 06: 31.20 وشدها مثل الخيط ، طوله متر تقريبًا.
00: 06: 35.12 ومع ذلك ، عليك حشر كل ذلك في حجم صغير جدًا.
00: 06: 39.10 وجزء من الطريقة التي يحدث بها ذلك هو أنه يمكنك ضغط الحمض النووي بواسطة هذه الهياكل.
00: 06: 46.24 الآن ، نتيجة ذلك ، بالطبع ، عليك أن تتفاوض بطريقة ما
00: 06: 52.18 من خلال هذا الشكل المضغوط للغاية من الحمض النووي للوصول إلى معلومات الحمض النووي والجينات.
00: 07: 00.12 إذن ، بعبارة أخرى ، يجب أن يكون لديك آلة ،
00: 07: 04.24 جهاز نسخ وظيفته قراءة الحمض النووي ، وتذكر من المحاضرة الأولى ،
00: 07: 10.27 يحول معلومات الحمض النووي إلى جزيء وسيط RNA
00: 07: 14.23 والتي يتم ترجمتها في النهاية إلى منتج بروتيني.
00: 07: 18.19 حسنًا ، من الواضح أنه أحد الأسباب التي تجعلنا نمتلك آلية النسخ المعقدة للغاية
00: 07: 25.02 جزئيًا للتعامل مع الاضطرار إلى التنقل عبر قالب الكروماتين ، بدلاً من قالب الحمض النووي العاري.
00: 07: 33.24 وهكذا هناك بروتينات مختلفة ومجمعات بروتينية تسمى
00: 07: 38.29 "مجمعات إعادة تشكيل الكروماتين" ، "مجمعات تعديل الكروماتين ،"
00: 07: 44.12 وعليهم التنسيق مع آلية النسخ هنا باللونين الأصفر والبرتقالي ،
00: 07: 50.01 للتنقل والتعبير بشكل أساسي عن سلسلة من التفاعلات
00: 07: 55.08 هي معاملات بين آلية البروتين والحمض النووي.
00: 08: 00.29 هذه مشكلة صعبة للغاية.
00: 08: 04.10 إذن هذا جزء من المشكلة ، أو جزء من سبب اعتقادنا بوجود مثل هذا التعقيد.
00: 08: 09.11 إذن ، كيف توصلنا إلى هذه الصورة؟
00: 08: 12.05 كيف توصلنا أخيرًا إلى اكتشاف وجود أكثر من 85 بروتينًا يجب تجميعها جميعًا في قالب كروماتين ،
00: 08: 21.16 لإعطائك التعبير الجيني والنسخ ، في المكان المناسب ، في الوقت المناسب؟
00: 08: 26.25 وأريد فقط أن أقدم لك نوعًا واحدًا من نظرة سريعة على تقنية يمكن للمرء استخدامها لمعالجة المشكلة ،
00: 08: 37.03 كيف يمكننا تقسيم هذه الماكينة المعقدة إلى وحدات مفهومة؟
00: 08: 42.29 وكما قلت في المحاضرة الأولى ، هناك العديد من الأدوات التي يستخدمها علماء الأحياء الجزيئية
00: 08: 47.18 ويمكن لعلماء الكيمياء الحيوية استخدامها لمحاولة استنباط هذه المعاملات الجزيئية المعقدة.
00: 08: 53.18 واحد منهم ، بالطبع ، هو استخدام علم الوراثة ، وهو استخدام الطفرة الجينية
00: 08: 58.29 لإزالة أو تغيير منتج جيني معين ثم السؤال عن النتيجة.
00: 09: 05.06 الطريقة الأخرى للقيام بذلك هي أخذ خلية بكل تعقيداتها
00: 09: 10.02 وقم بتقسيمها حرفيًا إلى الأجزاء المكونة لها ، ثم حاول إعادة تجميعها معًا
00: 09: 14.09 مرة أخرى في شكل وظيفي. وهذا ما سأعرضه عليكم اليوم.
00: 09: 18.00 وهي تقنية أسميها نوعًا ما "مقايسة التكملة البيوكيميائية."
00: 09: 23.03 الأمر بسيط للغاية: تسأل ، ما هي أقل المكونات ،
00: 09: 27.24 على سبيل المثال ، في حالة الجين البشري. ما هي مكونات البروتين الدنيا لجهاز النسخ
00: 09: 33.29 يمكنك استخلاصه من نواة الخلية التي تحتاج إلى وضعها في أنبوب اختبار
00: 09: 38.19 سيسمح لك بإعادة البناء بشكل أساسي أو ، كما نقول ،
00: 09: 42.19 إعادة تكوين النشاط الذي سيسمح لك بقراءة الجين بطريقة دقيقة؟
00: 09: 48.19 ويمكنك الاستمرار في إضافة أو إزالة بروتينات مختلفة ،
00: 09: 53.13 الأصفر والأخضر والبرتقالي وما إلى ذلك ،
00: 09: 56.24 واسأل ، هل يحدث أي فرق؟
00: 09: 59.11 ومن خلال تشغيل هذا الاختبار الجمع والطرح ، أو "التكملة البيوكيميائية" ،
00: 10: 04.29 يمكنك بسرعة اكتشاف العناصر الدنيا التي تحتاجها لتنشيط الجين بطريقة منظمة ،
00: 10: 11.12 وما هي الأشياء الأخرى التي قد تكون ضرورية لدعم هذا النشاط.
00: 10: 16.15 إذن ، السؤال الأول الذي تم طرحه كان من التحليل الكيميائي الحيوي لـ about
00: 10: 24.02 أربع دزينات من البروتينات المختلفة: ما هي حقًا ضرورية وكافية؟
00: 10: 30.07 بمعنى آخر ، ما هو الحد الأدنى من مجموعة المكونات التي تحتاجها لمنحك نسخًا منظمًا؟
00: 10: 36.29 إذن نحن الآن نطرح سؤالًا أكثر تعقيدًا.
00: 10: 39.09 ليس فقط ما هو ضروري لإعطائك النسخ فحسب ، بمعنى آخر تحويل الحمض النووي إلى RNA ،
00: 10: 45.29 ولكن للقيام بذلك بطريقة منظمة.
00: 10: 47.27 لأنه بعد كل شيء ، هذا مثير للاهتمام حقًا.
00: 10: 50.23 هو سبب قيام خلية واحدة بذلك بطريقة واحدة ولخلية مختلفة برنامج مختلف.
00: 10: 55.25 وهذه التجربة هنا تقول أن عامل النسخ الكلاسيكي الخاص بالتسلسل هو ذلك
00: 11: 02.00 تربط الحمض النووي في منطقة المروج التنظيمي الخاصة بها ، جنبًا إلى جنب مع ما سنطلق عليه "النواة" أو
00: 11: 09.07 آلية النسخ "القاعدية" ضرورية ولكنها غير كافية.
00: 11: 14.07 لذلك ، زائد أو ناقص المنشط Sp1 لا يحدث أي فرق ،
00: 11: 19.16 على الرغم من أننا نعلم أنه في الخلية الحية ، يعمل Sp1 بشكل كبير على تنشيط هذا الجين الذي ننظر إليه.
00: 11: 26.16 هذا يعني أن هناك شيئًا مفقودًا في تجربة إعادة التكوين هذه.
00: 11: 31.16 إذن ، كيف نذهب لإيجاد ما هو مفقود؟
00: 11: 35.03 وهذا التكميل الكيميائي الحيوي يعتمد حقًا على قدرتنا على أخذ الخلايا التي تحتوي على المكونات الضرورية
00: 11: 43.25 والمكونات الكافية ، ثم البدء في استخراجه
00: 11: 47.28 ولإيجاد الجزيئات المفقودة والتي لم نضيفها إلى تفاعلنا بعد.
00: 11: 54.05 وللقيام بذلك ، علينا أن نأخذ الخلايا ، في هذه الحالة ، الخلايا البشرية ،
00: 11: 58.28 تفكيك الخلايا واستخراج النواة وإزالة جميع البروتينات من النواة ،
00: 12: 04.03 وابدأ في فصل آلاف البروتينات المختلفة
00: 12: 08.05 الموجودة في النواة في تجمعات مختلفة ، إذا أردت.
00: 12: 12.08 ونفصلهم وفقًا لخصائصهم الفيزيائية والكيميائية ،
00: 12: 17.19 وربما كان لدى بعضكم بعض الخبرة في تشغيل كروماتوغرافيا العمود.
00: 12: 23.16 هذه في الأساس طريقة لفصل البروتينات بناءً على شحنتها الموجبة ، والشحنة السالبة ، والحجم الجزيئي ،
00:12:32.16 hydrophobicity (in other words, how greasy they are. how well they interact with water), and so forth.
00:12:38.20 So if you do that iteratively, as is shown here in a series of different anion exchange
00:12:45.23 and cation exchange, as well as gel filtration, chromatographs,
00:12:50.12 you can eventually separate the thousands of different components of a nuclear extract into its individual parts.
00:12:59.00 And then you can test each one to see if they're the missing piece.
00:13:03.15 And when you do that, lo and behold, you find that there are a couple of missing pieces
00:13:07.22 that are necessary for you to add back, in other words, reconstitute, the reaction
00:13:13.12 so that now you have regulated transcription.
00:13:15.27 So unlike the previous data that I showed you,
00:13:19.14 now you can see that the machinery is more complex and, most importantly,
00:13:24.23 you can see also that the machinery is now responsive to the activator.
00:13:29.19 So, the signal with the activator, plus Sp1, is much darker than in the signal without Sp1.
00:13:36.13 That means that there is activated transcription that is Sp1-, a classical transcription factor, dependent.
00:13:43.11 So that allowed us to identify two very important, key components that we didn't know about before we did this experiment:
00:13:51.29 One is a multi-subunit complex called the "Transcription factor II D,"
00:13:57.25 and the other one is called the Mediator complex.
00:14:01.01 And these turn out to actually define an entirely new class of transcription factors, which are the so-called co-factors.
00:14:09.27 So I'm going to tell you a little bit more about one of these co-factors,
00:14:13.15 because they both really perform similar functions,
00:14:16.13 but we happen to know quite a bit more about one of them than the other.
00:14:20.17 So this so-called TFIID complex has roughly 15 subunits, in other words,
00:14:25.28 15 separate proteins that have to mesh together to form a complex.
00:14:31.22 And it's a very large macromolecule, so it's a million daltons.
00:14:36.23 that's a very, very large, floppy molecule, with many pieces to it.
00:14:41.12 One of its functions you already know about,
00:14:43.16 because it contains as one of its subunits the so-called "TATA-binding protein."
00:14:48.12 That's that saddle-shaped molecule that binds to double-stranded DNA,
00:14:55.02 at the AT-rich sequence called a TATA box,
00:14:58.06 which is associated with many genes in animal cells.
00:15:02.09 But what we've come to learn in the last decade or so is that this little complex
00:15:07.22 is doing much more than just simply binding to the TATA box
00:15:11.18 it's doing a whole bunch of other things that we didn't have any idea about.
00:15:15.12 And now that we knew the existence of this activity and that it was critical not only for TATA binding,
00:15:22.08 but also for mediating or potentiating transcription activation, we then could break down
00:15:28.04 more of its functions of individual subunits, because you remember there's 15 different polypeptides here.
00:15:34.09 And this is just a little summary showing you that this complex of proteins
00:15:38.11 is doing a lot of different functions.
00:15:41.18 It's recognizing the nucleosomes, which have a basic protein called a "histone,"
00:15:49.26 and so it recognizes histones only when it's got
00:15:53.09 a certain chemical modification called an acetylation event.
00:15:59.12 This big orange complex also itself has enzymatic activity, including kinase activity,
00:16:06.06 which can put phosphate groups on other proteins and enzymes.
00:16:10.04 It has acetylase activity, and of course, it has to interact directly
00:16:15.05 with activators in order to potentiate their function in turning on transcriptional activation.
00:16:22.07 And I'm probably safe in speculating that
00:16:26.20 there are yet unknown functions of this large complex that we still have to discover,
00:16:32.23 because we've really only understood maybe half of the subunits, and even there,
00:16:37.25 only partially understood the functions of that half of the subunits that are part of this complex.
00:16:44.05 So, there's clearly much more work to be done, but I think what's clear from these experiments
00:16:48.25 is that these proteins are doing a lot more than just binding DNA.
00:16:53.08 They're what I would think of as integrators of information.
00:16:58.01 So, this integrator of information means that this structure and the function is very complex, and so,
00:17:04.27 one of the things that we've had to do.
00:17:08.00 it's been a very challenging problem that remains challenging,
00:17:11.21 because we haven't solved all the technical problems.
00:17:13.18 is that because it's a large, megadalton, floppy molecule, solving the three-dimensional
00:17:19.25 structure of such large assemblies has proven to be rather technically challenging.
00:17:26.08 And we have to use many different techniques to try to address this in:
00:17:31.28 X-ray crystallography, NMR.
00:17:34.07 but one of the techniques that's emerging, that's very, very powerful
00:17:38.09 for solving the structures of these large assemblies is something called "cryo-electron microscopy."
00:17:46.24 It's basically a way of freezing these large assemblies in place,
00:17:52.18 and then solving their structure by microscopy.
00:17:55.29 And this is just about a 25 angstrom, so relatively low-resolution structural determination,
00:18:03.17 of the human TFIID complex and, most importantly,
00:18:08.24 its relationship to two other transcription factors that are part of the assembly
00:18:14.03 that has to align itself up on the promoter to start transcription,
00:18:18.08 and that's the other two transcription factors TFIIA and B, which are shown in green and purple here.
00:18:24.13 So you can slowly start building up the entire complex in pretty accurate three-dimensional space
00:18:33.00 to figure out what its shape will inform us about its function,
00:18:37.15 and that's something that's an ongoing project in many laboratories in molecular biology.
00:18:43.01 So, this cartoon. and again I want to emphasize that
00:18:46.27 all the figures there and the colored blobs are more a part of our imagination at this point,
00:18:53.16 although, as I just showed you, we actually have real structures of some components of this pre-initiation complex.
00:19:02.25 This slide just emphasizes the point that there's a lot of information integration going on,
00:19:09.22 and that there is protein-protein and protein-nucleic acid interactions
00:19:15.06 that are critical for the regulatory functions of these large, macromolecular assemblies.
00:19:21.02 And this also reminds you that there are at least three separate classes of transcription factors
00:19:27.17 that are playing a key role in the regulation of genes:
00:19:30.28 the classical activator and repressor that are sequence-specific DNA-binding proteins,
00:19:35.26 like the Sp1 protein I talked to you about earlier, just shown here in pink
00:19:41.11 there are the components of the core machinery, which are shown in yellow
00:19:45.27 and then you have these things we call co-factors or co-activators,
00:19:49.12 that are integrating information between the activators and the core machinery.
00:19:56.06 So this kind of gives you a slightly better view of why there's this kind of complexity,
00:20:04.06 but it still doesn't really address all of the issues with respect to:
00:20:09.22 Why do you need 85 proteins to do this?
00:20:12.09 So, let me dig a little deeper into this.
00:20:15.00 So, first, let me just pose some of the questions that are really still largely unresolved in the field,
00:20:21.14 even though this is a pretty mature area of study
00:20:24.10 we've been trying to address these issues for a couple of decades,
00:20:28.14 and it goes to show how difficult it is to really tease apart this complex molecular machinery.
00:20:34.23 And I should say that the complexity of this machinery is not unique
00:20:38.19 to the transcriptional apparatus. Many other biological processes are also dependent on
00:20:43.23 macromolecular machines that are very similar in complexity to this one.
00:20:49.04 So I think things that we learn about the transcriptional machinery could be applied in principle to many other machineries.
00:20:56.20 So, couple of interesting questions:
00:21:00.20 What are the transcriptional mechanisms that regulate complex cell types?
00:21:06.29 Because, after all, multicellular organisms evolved to having many, many different
00:21:13.12 cell types, so our bodies are made up of many different cell types,
00:21:18.23 which means that each cell's performing a different function.
00:21:22.02 Our hair follicle cells are producing hair, our red blood cells are
00:21:27.02 producing hemoglobin and doing something else, our skin cells are protecting us.
00:21:31.17 Each cell type is doing a different thing, so how does this happen,
00:21:36.01 how do we generate this diversity of cell types through the gene regulatory networks?
00:21:42.17 And then, knowing what we now know about the first level of complexity of the machinery
00:21:49.04 that's responsible for decoding this information, what more can we learn about the process of regulation now?
00:21:57.03 Particularly, what is the division of labor between the core machinery
00:22:03.24 (which binds to the promoter), the activators, and the co-activators?
00:22:08.22 So, what is their relationship, and what's their respective roles in defining cell type-specific gene expression?
00:22:16.19 That's really the last topic that I want to cover in this lecture.
00:22:21.06 So, let's review a few basic facts about individual cell types.
00:22:26.13 So, let's take two well-recognized cell types: fat cells and muscle cells.
00:22:33.12 Very different cells that perform very different functions,
00:22:36.27 but every cell in a particular organism has the same genetic information.
00:22:43.04 It has the same DNA, it has the same set of chromosomes.
00:22:46.08 That means that these two cells have to be using different parts of the information
00:22:52.09 from the genome to give it their distinct identities.
00:22:56.20 So, each cell must only express some subset of the genes,
00:23:03.21 and that particular subset would define the function of a fat cell versus a muscle cell.
00:23:10.11 And, so then the question becomes:
00:23:12.26 Okay, that makes sense, but how do you get there?
00:23:15.02 How do you get cell type-dependent differential gene expression patterns?
00:23:20.16 How do you turn on the right genes to make fat
00:23:22.27 versus keeping the muscle cell gene functions turned off, and vice versa?
00:23:29.06 So that is a fundamental question of trying to understand the process of cellular differentiation,
00:23:36.19 cell-specific function, and really, developmental biology.
00:23:41.09 Another set of interesting points to make is that, of the 20,000 to 30,000 genes
00:23:46.18 that a typical metazoan organism encodes, a pretty big chunk of it is devoted
00:23:54.03 to the very machinery that I'm talking about, in other words, the transcription factors.
00:23:59.04 So roughly somewhere between 5 and 10% of the entire coding capacity
00:24:04.02 of genes in a genome is devoted to encoding transcription factors.
00:24:10.11 So this is clearly a very important class of molecules.
00:24:13.02 So that means there are several thousand transcription factors.
00:24:16.28 But now if you start thinking about the many, many thousands of cell types and the behavior of different cells,
00:24:23.16 are a few thousand transcription factors, in and of themselves, enough to generate the diversity of function?
00:24:31.14 And this is where we have to start thinking about,
00:24:33.21 how do you create really large numbers of distinct transcriptional networks?
00:24:40.28 And they really are networks, as you'll see in a minute.
00:24:43.15 And one thing that became clear as we defined what genes look like and what a promoter as a transcriptional unit looks like,
00:24:51.22 we come to understand that the only way to create the kind of huge levels of diversity of distinct transcriptional
00:24:58.20 components and patterns, is to do it by combinatorial regulation.
00:25:03.12 And what do I mean by that?
00:25:04.27 So, one way to think about it is that you might only have ten cards,
00:25:09.25 but if you shuffle those ten cards and pick four at a time,
00:25:13.06 you can have many, many combinations.
00:25:15.11 So here's a perfect example of three different cell types, could be in the same organism,
00:25:20.11 and each of those symbols represents binding sites,
00:25:25.22 and then the little boxes and triangles above them represent the binding proteins.
00:25:32.18 And you can see that those three cell types might express these sets of genes in similar ways,
00:25:38.25 but they use different combinations of proteins to do it.
00:25:42.08 And this is really the notion of combinatorial mechanisms for gene regulation,
00:25:46.27 and we now know that that is indeed the way, at least in part,
00:25:51.05 that gives us the ability to create many different specific transcription patterns.
00:26:00.04 I have to now also tell you about another, I would say, defining,
00:26:04.23 unusual property of transcription in animal cells,
00:26:09.06 and this is a hard one sometimes to get your head around.
00:26:12.19 And that is that these different little units of DNA that specify the activity of a gene
00:26:18.20 don't have to be sitting, linearly and spatially, directly next to the gene that it's activating or repressing.
00:26:26.21 They can sit tens of thousands of base pairs away from the site.
00:26:32.04 So these we call long-distance enhancers or silencers, so they can both upregulate a gene.
00:26:39.01 in other words, make more of the gene or less or the gene.
00:26:41.27 And the thing that was so surprising was that the intervening DNA can be very, very long
00:26:48.04 it can be thousands and maybe even millions of base pairs.
00:26:53.00 So how does this work?
00:26:53.28 How can something sit so far away actually influence transcription at a very remote site?
00:27:00.26 And this is one of the big conundrums that we still face in the field.
00:27:05.15 We have some models and we have some ideas that we can test,
00:27:08.09 and I'll end my lecture with a few speculations about that.
00:27:11.24 But clearly, we don't fully understand this so-called long-distance regulation,
00:27:16.27 which clearly is regulated by activators and repressors just like
00:27:21.09 the same players that we've been talking about, like the Sp1 molecule and other activators.
00:27:26.12 But yet, how they can reach across long distances of the chromosome to grab on to the core machinery to actually impart information
00:27:36.06 and to create the kind of specific regulatory events is still somewhat obscure.
00:27:43.28 So, another thing that I should say is that,
00:27:47.07 because of the combinatorial mechanisms of generating diversity was so dependent
00:27:54.18 on the distinct sets of sequence-specific DNA-binding proteins,
00:28:00.12 over the last two decades we've come to kind of a traditional model that the core machinery stays relatively invariant.
00:28:10.04 In fact, we kind of think of it as universal, because if you break open a nucleus of a very
00:28:15.11 simple organism like yeast, or you break open the nucleus of a human cell,
00:28:21.22 that machinery looks remarkably similar to each other.
00:28:24.26 And yet, their gene networks are very, very different, so we thought,
00:28:29.05 well, maybe it's all having to do with the sequence-specific DNA-binding proteins,
00:28:34.07 that will generate the diversity through combinatorial regulation.
00:28:38.25 And that's probably true in fact, there's a lot of evidence to support that.
00:28:42.27 But it was only part of the story.
00:28:45.04 So, a kind of related question would be:
00:28:47.25 Are we really right in thinking that the core machinery is universal and invariant?
00:28:54.03 And that turns out to be an oversimplification.
00:28:57.06 So it turns out evolution didn't work that way.
00:29:02.26 And when we looked very carefully in the last few years, particularly at individual,
00:29:07.02 different, distinct cell types, let's say muscle versus fat, or neuron, or liver cell,
00:29:13.01 we certainly see differences in the activators, as we would expect, and indeed they are working in combinatorial fashion,
00:29:20.02 but they're not only working combinatorially with each other,
00:29:23.06 but they are combining in different combinations with the core machinery, which is itself variable.
00:29:29.23 And that was kind of a revelation that's really become more clear just in the last few years.
00:29:35.29 So, in addition to the sequence-specific binding proteins and their diversity,
00:29:41.10 there turns out to be a much greater degree of diversity in the core machinery,
00:29:46.09 the parts that we thought were invariant, than we ever imagined.
00:29:50.11 Now, once you realize that that's the case,
00:29:54.07 that opens up a whole other level of generating diversity that we didn't anticipate,
00:29:59.13 and that of course really allows multicellular organisms to diversify in unbelievable ways.
00:30:06.18 So, let's drill down finally a little bit at how did we find this out, and where are we going?
00:30:13.08 So now, unlike a few decades ago when we first began to study the process of transcription
00:30:20.02 and discovered all of this initial complexity, in those days we mainly worked on just a few different cell types.
00:30:28.13 But today, we have the ability technically to work with just about any cell type,
00:30:33.18 from the most complex, such as embryonic stem cells,
00:30:37.13 to perhaps the simple cell, like the skeletal muscle, and everything in between.
00:30:41.18 liver cells, neuronal cells, and so forth.
00:30:45.03 And this has really opened up our view of just how diverse, interesting,
00:30:51.17 and variable the transcriptional apparatus is, that is probably really necessary
00:30:56.18 from an evolutionary standpoint to drive the diversity of gene expression and cell types that we see.
00:31:04.10 The first hint that this core machinery that we thought was so invariant may not be so invariant,
00:31:10.14 came from studying the development of the skeletal muscle.
00:31:14.21 So when you go from a precursor cell called a myoblast, which looks like most every other mammalian cell,
00:31:21.13 with its standard, prototypic core machinery, and then when you look at it when that cell type differentiates, in other words,
00:31:29.16 specializes into a myotube (which will ultimately form skeletal muscle, which is the muscle around your large bones
00:31:37.03 that makes you be able to move),
00:31:39.16 it turns out that it not only shifts which transcriptional activators it uses,
00:31:45.05 but it also jettisons the prototypic core machinery and substitutes it with some modified versions of that core machinery,
00:31:53.21 which is shown down here in the purple and the bright blue.
00:31:57.29 So this was really a change in the paradigm of the way we're thinking about regulation,
00:32:03.08 and of course, this was just the first example.
00:32:07.08 One wanted to know if similar things were happening in other different cell types, and very quickly,
00:32:13.04 if you look at hepatocytes or liver cells, if you look at adipocytes or fat cells,
00:32:18.21 if you look at neuronal cells, and you compare what's going on in muscle,
00:32:23.07 in every case, one can find changes in the core machinery, either because a particular component
00:32:28.28 like one of the TBP-associated factors is highly upregulated (that means its concentration went way up,
00:32:35.15 when all the other ones went down), or some other permutation.
00:32:39.09 In other words, clearly, components of the so-called core machinery were variable from cell type to cell type,
00:32:46.20 and that really changed the way we thought about how regulation of multicellular organisms works.
00:32:54.28 At the same time that we were looking at these,
00:32:57.17 what we would call mature, terminally differentiated cell types,
00:33:01.20 we were also looking at perhaps one of the most interesting cell types that we could study,
00:33:06.18 particularly if we're interested in understanding the process of mammalian development,
00:33:11.23 and those are of course the embryonic stem cells.
00:33:14.14 These are those amazing cells that, when tickled with just the right chemicals or physiological signals,
00:33:21.08 can turn themselves into every cell type of an organism, maybe 10,000 different cell types.
00:33:31.06 So, this so-called pluripotency made these human and mouse embryonic stem cells very special for all kinds of reasons,
00:33:41.05 partly because they are amazing models to study this process of development and differentiation,
00:33:46.18 but partly because of biomedical possibilities for cell regeneration and therapeutics.
00:33:57.02 So we've studied this, and these are very, very new studies,
00:34:01.27 and I'll just very quickly touch on it. We really were curious,
00:34:05.23 how can these cells be so pluripotent?
00:34:09.08 That is, their capacity to turn into every other cell type seems so amazing, what is the mechanism,
00:34:15.07 what's the machinery that's going to allow these cells to be able to differentiate into every cell type in the body?
00:34:22.16 And so, we began to probe this.
00:34:24.27 In some cases, we did it by the genetic technology, which is we made
00:34:29.08 mutations in certain candidate regulatory factors and transcription factors,
00:34:34.10 and then asked, does that have a consequence on the development of different cell types?
00:34:41.10 In other cases, we used a standard biochemical complementation technology to figure out what's going on.
00:34:47.21 So, I'll finish with two quick stories.
00:34:51.06 So, using the genetic tools of knocking genes out and asking
00:34:55.02 what effect it has on differentiation and pluripotency, we discovered that
00:35:01.15 a component of the core machinery (or at least we used to think of it as being purely of the core machinery),
00:35:07.07 that is, one of the TBP-associated factors, particularly TAF3,
00:35:11.26 turns out to be extremely important for the regulation and
00:35:15.23 expression of genes that will ultimately define the so-called endoderm.
00:35:23.17 And that's true for both the so-called primitive endoderm and the definitive endoderm,
00:35:28.04 which ultimately will give rise to the placenta, the yolk sac, lungs, liver,
00:35:32.12 pancreas, intestines, and so forth.
00:35:34.17 At the same time, knocking out this TAF3 had the opposite effect on the other two major germ layers,
00:35:42.09 which are the mesoderm and the ectoderm.
00:35:44.13 So here was a really beautiful case of differential function of a transcription factor
00:35:50.28 that was not a standard sequence-specific binding protein.
00:35:55.09 This core machinery factor, which by the way, probably on its own doesn't even bind to DNA directly,
00:36:01.20 when you knock it out, you lose the ability to form endoderm,
00:36:05.22 but you elevate the probabilities of forming mesoderm and ectoderm.
00:36:09.18 In other words, the balance between these different cell types gets messed up,
00:36:13.20 and of course this will cause major difficulties for a developing embryo.
00:36:21.16 Even more interesting and intriguing, and this really goes to show the level of information that we still lack,
00:36:28.15 although TAF3 was originally defined both genetically
00:36:32.04 and biochemically as part of the TFIID core promoter recognition complex,
00:36:37.02 and it is absolutely true that that is the case,
00:36:40.04 it had another life that it led that we didn't know about.
00:36:43.17 So TAF3, it turns out, it doesn't have to strictly function as part of this large multi-subunit core promoter complex,
00:36:52.17 but it can also do other jobs, and in this case, it pairs up, or partners up,
00:36:57.06 with a different transcription factor called CTCF (doesn't really matter what the name is)
00:37:03.02 and now it does its job in a completely different way.
00:37:06.16 And in fact, the most recent experiments suggest that TAF3 and CTCF get together
00:37:12.03 to partly allow that amazing property of long-distance regulation.
00:37:17.25 So, regulators bound at thousands of base pairs away from the site of activity
00:37:24.21 can be brought together in three-dimensional space by what's known as "DNA looping,"
00:37:31.04 and it turns out that TAF3 is involved in this DNA looping, together with a whole bunch of other proteins,
00:37:38.00 whose relationship to TAF3 is still not entirely clear.
00:37:45.02 And we find it particularly intriguing and exciting that this type of long-distance function is being
00:37:50.06 carried by a TAF and in the context of embryonic stem cell differentiation potential to form endoderm.
00:37:57.19 So this is a very, very new type of way of thinking about the core transcription factors.
00:38:06.11 Likewise, when we looked at the embryonic stem cell transcriptional circuitry and asked,
00:38:13.20 what other transcriptional co-regulators, or regulators and co-factors,
00:38:17.18 are necessary to allow this so-called pluripotency program?
00:38:23.01 This amazing ability of these cells to be able to differentiate into every other cell type,
00:38:27.03 how does that happen? What is allowing that to happen
00:38:30.23 in this particular cell type, and not in other cell types?
00:38:33.23 And again, using the biochemical complementation technology,
00:38:38.00 we recently were able to identify a new co-factor complex, again a multi-subunit complex,
00:38:45.15 called the SCC, or "stem cell co-factor."
00:38:49.25 And remarkably, this SCC-B turns out to be a well-known protein that again had a different lifestyle in other cell types.
00:38:59.18 It's a protein complex that had previously been described as XPC,
00:39:03.29 which stands for "Xeroderma pigmentosum, complex C,"
00:39:08.22 which means that it's involved in DNA repair.
00:39:11.07 So up until now, we thought XPC was only functioning as a DNA repair complex,
00:39:16.14 and now we know that it's doing something quite different,
00:39:19.12 but only in the context of ES cells, which is to form a co-factor complex that will potentiate
00:39:25.27 the activity of two critical transcriptional activators, Oct4 and Sox2,
00:39:31.21 which define the pluripotent, self-renewing state of ES cells.
00: 39: 36.20 إذن فهذان مثالان فقط لما نتعلم عنه ،
00: 39: 41.21 الملحمة المستمرة لكيفية تطور آلية النسخ وعملها في الخلايا الحيوانية.
00: 39: 50.26 وسأنهي بهذه الشريحة النموذجية الأخيرة ،
00: 39: 54.00 التي تكرر ببساطة ما قلته للتو:
00: 39: 57.00 علينا أن نضع في اعتبارنا أنه عند توليد مجموعات كبيرة من شبكات الجينات التجميعية المحددة ،
00: 40: 07.07 علينا استخدام التنوع ليس فقط في بروتينات ربط الحمض النووي الخاصة بالتسلسل ،
00: 40: 11.29 لكننا نرى أكثر فأكثر أمثلة على أن مكونات ما كان يعتقد سابقًا أنها آلات جوهرية ثابتة
00: 40: 19.14 جزء لا يتجزأ من تنويع التنظيم الاندماجي للتعبير الجيني.
00: 40: 26.18 وهذا بالطبع يفتح العديد من الاحتمالات الجديدة ،
00: 40: 30.08 وأظن أن هناك العديد من علامات الاستفهام حتى الآن حول ماهية كل من هذه المكونات بالضبط
00: 40: 36.27 يعمل على دفع التنظيم المعقد الذي يؤدي إلى التعقيد مثل البشر ،
00: 40: 44.12 الدماغ البشري ، كل الفسيولوجيا التي تستمر.
00: 40: 48.03 وبالطبع ، نظرًا لأننا نفهم هذه الآليات بمزيد من التفصيل ،
00: 40: 51.23 أعتقد أن لدينا فرصة أفضل بكثير لمعالجة مشاكل الأمراض البشرية وأمراض الكائنات الحية الأخرى.
00: 40: 59.10 لأنه في النهاية ، علينا أن نفهم الأساس الجزيئي للمرض ،
00: 41: 03.21 وأعتقد أن جزءًا كبيرًا من ذلك هو فهم آليات تنظيم الجينات.

  • الجزء 1: تنظيم الجينات: مقدمة


شاهد الفيديو: علم الأحياء تحت المجهر: ما الحمض النووي والحمض النووي الريبي (أغسطس 2022).