معلومة

14.2: أصول حقيقية النواة - علم الأحياء

14.2: أصول حقيقية النواة - علم الأحياء


We are searching data for your request:

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

يشير سجل الحفريات والأدلة الجينية إلى أن الخلايا بدائية النواة كانت أول الكائنات الحية على الأرض. نشأت هذه الخلايا منذ حوالي 3.5 مليار سنة ، أي بعد حوالي مليار سنة من تكوين الأرض ، وكانت أشكال الحياة الوحيدة على الكوكب حتى ظهرت الخلايا حقيقية النواة منذ ما يقرب من 2.1 مليار سنة. خلال عهد بدائيات النواة ، تطورت بدائيات النوى الضوئية التي كانت قادرة على تطبيق الطاقة من ضوء الشمس لتخليق المواد العضوية (مثل الكربوهيدرات) من ثاني أكسيد الكربون ومصدر الإلكترون (مثل الهيدروجين أو كبريتيد الهيدروجين أو الماء).

يستهلك التمثيل الضوئي باستخدام الماء كمانح للإلكترون ثاني أكسيد الكربون ويطلق الأكسجين الجزيئي (O2) كمنتج ثانوي. تعمل بكتيريا التمثيل الضوئي على مدى ملايين السنين على تشبع مياه الأرض تدريجيًا بالأكسجين ثم تزود الغلاف الجوي بالأكسجين ، والذي كان يحتوي سابقًا على تركيزات أكبر بكثير من ثاني أكسيد الكربون وتركيزات أقل بكثير من الأكسجين. لم تستطع بدائيات النوى اللاهوائية القديمة أن تعمل في بيئتها الهوائية الجديدة. هلكت بعض الأنواع ، بينما نجا البعض الآخر في البيئات اللاهوائية المتبقية على الأرض. لا تزال بدائيات النوى المبكرة الأخرى قد طورت آليات ، مثل التنفس الهوائي ، لاستغلال الغلاف الجوي المؤكسج باستخدام الأكسجين لتخزين الطاقة الموجودة داخل الجزيئات العضوية. التنفس الهوائي هو وسيلة أكثر كفاءة للحصول على الطاقة من الجزيئات العضوية ، والتي ساهمت في نجاح هذه الأنواع (كما يتضح من عدد وتنوع الكائنات الهوائية التي تعيش على الأرض اليوم). كان تطور بدائيات النوى الهوائية خطوة مهمة نحو تطور أول حقيقيات النوى ، ولكن كان لابد من تطوير العديد من السمات المميزة الأخرى أيضًا.

التعايش الداخلي

كان أصل الخلايا حقيقية النواة لغزًا إلى حد كبير حتى تم فحص فرضية ثورية بشكل شامل في الستينيات من قبل لين مارغوليس. تنص نظرية التكافل الداخلي على أن حقيقيات النوى هي نتاج خلية بدائية النواة تبتلع أخرى ، وتعيش واحدة داخل أخرى ، وتتطور معًا بمرور الوقت حتى لم يعد من الممكن التعرف على الخلايا المنفصلة على هذا النحو. كان لهذه الفرضية التي كانت ثورية ذات يوم إقناع فوري وهي الآن مقبولة على نطاق واسع ، مع تقدم العمل في الكشف عن الخطوات المتضمنة في هذه العملية التطورية بالإضافة إلى اللاعبين الرئيسيين. لقد أصبح من الواضح أن العديد من الجينات النووية حقيقية النواة والآلية الجزيئية المسؤولة عن تكرار تلك الجينات والتعبير عنها تبدو مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بالعتيقات. من ناحية أخرى ، فإن العضيات الأيضية والجينات المسؤولة عن العديد من عمليات تجميع الطاقة ترجع أصولها إلى البكتيريا. لا يزال هناك الكثير مما يجب توضيحه حول كيفية حدوث هذه العلاقة ؛ لا يزال هذا مجال اكتشاف مثير في علم الأحياء. من المحتمل أن العديد من الأحداث التكافلية قد ساهمت في أصل الخلية حقيقية النواة.

الميتوكوندريا

قد تحتوي الخلايا حقيقية النواة في أي مكان من واحد إلى عدة آلاف من الميتوكوندريا ، اعتمادًا على مستوى الخلية من استهلاك الطاقة. يقيس كل ميتوكوندريون من 1 إلى 10 ميكرومتر في الطول ويوجد في الخلية على شكل كروي مستطيل متحرك ومندمج ومقسّم (الشكل 13.2.1). ومع ذلك ، لا يمكن للميتوكوندريا البقاء خارج الخلية. نظرًا لأن الغلاف الجوي كان يتأكسد عن طريق التمثيل الضوئي ، ومع تطور بدائيات النوى الهوائية الناجحة ، تشير الدلائل إلى أن خلية أسلافية غمرت وظلت على قيد الحياة بدائيات نوى هوائية حرة. أعطى هذا للخلية المضيفة القدرة على استخدام الأكسجين لإطلاق الطاقة المخزنة في العناصر الغذائية. تدعم عدة خطوط من الأدلة أن الميتوكوندريا مشتقة من هذا الحدث التكافلي الداخلي. تتشكل الميتوكوندريا على شكل مجموعة محددة من البكتيريا وتحيط بها غشاءان ، مما قد ينتج عندما يبتلع كائن حي مرتبط بالغشاء بواسطة كائن آخر مرتبط بالغشاء. يشتمل الغشاء الداخلي للميتوكوندريا على حفر أو كرستيات كبيرة تشبه السطح الخارجي المحكم لبكتيريا معينة.

تنقسم الميتوكوندريا من تلقاء نفسها من خلال عملية تشبه الانشطار الثنائي في بدائيات النوى. تمتلك الميتوكوندريا كروموسوم DNA الدائري الخاص بها والذي يحمل جينات مشابهة لتلك التي تعبر عنها البكتيريا. تحتوي الميتوكوندريا أيضًا على ريبوسومات خاصة ونقل الحمض النووي الريبي الذي يشبه هذه المكونات في بدائيات النوى. كل هذه الميزات تدعم أن الميتوكوندريا كانت ذات يوم بدائيات نوى حرة.

البلاستيدات الخضراء

تعد البلاستيدات الخضراء نوعًا واحدًا من البلاستيد ، وهي مجموعة من العضيات ذات الصلة في الخلايا النباتية التي تشارك في تخزين النشويات والدهون والبروتينات والأصباغ. تحتوي البلاستيدات الخضراء على الصباغ الأخضر الكلوروفيل وتلعب دورًا في عملية التمثيل الضوئي. تشير الدراسات الجينية والمورفولوجية إلى أن البلاستيدات تطورت من التعايش الداخلي لخلية أسلاف ابتلعت بكتيريا زرقاء ضوئية. تتشابه البلاستيدات في الحجم والشكل مع البكتيريا الزرقاء وهي مغلفة بغشاءين أو أكثر ، يتوافقان مع الأغشية الداخلية والخارجية للبكتيريا الزرقاء. مثل الميتوكوندريا ، تحتوي البلاستيدات أيضًا على جينومات دائرية وتنقسم بواسطة عملية تشبه انقسام الخلايا بدائية النواة. تعرض البلاستيدات الخضراء للطحالب الحمراء والخضراء تسلسل الحمض النووي الذي يرتبط ارتباطًا وثيقًا بالبكتيريا الزرقاء الضوئية ، مما يشير إلى أن الطحالب الحمراء والخضراء تنحدر مباشرة من هذا الحدث التعايش الداخلي.

من المحتمل أن تكون الميتوكوندريا قد تطورت قبل البلاستيدات لأن جميع حقيقيات النوى لها إما ميتوكوندريا وظيفية أو عضيات شبيهة بالميتوكوندريا. في المقابل ، توجد البلاستيدات فقط في مجموعة فرعية من حقيقيات النوى ، مثل النباتات الأرضية والطحالب. تم تلخيص فرضية واحدة للخطوات التطورية المؤدية إلى أول حقيقيات النوى في الشكل 13.2.2.

لا يمكن إلا افتراض الخطوات الدقيقة المؤدية إلى أول خلية حقيقية النواة ، وهناك بعض الجدل حول الأحداث التي حدثت بالفعل وبأي ترتيب. يُفترض أن بكتيريا Spirochete قد أدت إلى ظهور الأنابيب الدقيقة ، وربما ساهمت بدائيات النوى الجلدية في المواد الخام لسواط وأهداب حقيقية النواة. يقترح علماء آخرون أن تكاثر الأغشية وتقسيمها ، وليس أحداث التعايش الداخلي ، أدى إلى تطور الميتوكوندريا والبلاستيدات. ومع ذلك ، فإن الغالبية العظمى من الدراسات تدعم فرضية التعايش الداخلي لتطور حقيقيات النوى.

كانت حقيقيات النوى المبكرة أحادية الخلية مثل معظم الطلائعيات اليوم ، ولكن عندما أصبحت حقيقيات النوى أكثر تعقيدًا ، سمح تطور تعدد الخلايا للخلايا بالبقاء صغيرة بينما لا تزال تظهر وظائف متخصصة. يُعتقد أن أسلاف حقيقيات النوى متعددة الخلايا اليوم قد تطورت منذ حوالي 1.5 مليار سنة.

ملخص القسم

تطورت حقيقيات النوى الأولى من بدائيات النوى الأسلاف من خلال عملية تضمنت تكاثر الأغشية ، وفقدان جدار الخلية ، وتطور الهيكل الخلوي ، واكتساب وتطور العضيات. يبدو أن الجينات النووية حقيقية النواة لها أصل في العتائق ، في حين أن آلية الطاقة للخلايا حقيقية النواة يبدو أنها بكتيرية في الأصل. نشأت الميتوكوندريا والبلاستيدات من أحداث التعايش الداخلي عندما ابتلعت الخلايا السلفية بكتيريا هوائية (في حالة الميتوكوندريا) وبكتيريا التمثيل الضوئي (في حالة البلاستيدات الخضراء). من المحتمل أن يكون تطور الميتوكوندريا قد سبق تطور البلاستيدات الخضراء. هناك دليل على أحداث تعايش جواني ثانوي حيث يبدو أن البلاستيدات ناتجة عن تعايش جواني بعد حدث تعايش جواني سابق.

متعدد الخيارات

ما الحدث الذي يُعتقد أنه ساهم في تطور حقيقيات النوى؟

أ. الاحتباس الحراري
ب. التجلد
جيم النشاط البركاني
د- أكسجة الغلاف الجوي

د

على الأرجح تطورت الميتوكوندريا من _____________.

A. بكتيريا زرقاء ضوئية
عناصر الهيكل الخلوي
البكتيريا الهوائية
تكاثر الغشاء

ج

إستجابة مجانية

صف الخطوات المفترضة في أصل خلايا حقيقيات النوى.

نشأت خلايا حقيقيات النوى من خلال أحداث التعايش الداخلي التي أدت إلى ظهور عضيات منتجة للطاقة داخل الخلايا حقيقية النواة ، مثل الميتوكوندريا والبلاستيدات. يرتبط الجينوم النووي لحقيقيات النوى ارتباطًا وثيقًا بالعتيقات ، لذلك ربما كان من البدئيات المبكرة التي اجتاحت خلية بكتيرية تطورت إلى ميتوكوندريا. يبدو أن الميتوكوندريا نشأت من بكتيريا ألفا البروتينية ، في حين نشأت البلاستيدات الخضراء من البكتيريا الزرقاء. هناك أيضًا دليل على أحداث تعايش جواني ثانوي. قد تكون مكونات الخلية الأخرى قد نتجت عن أحداث تعايش جواني.

قائمة المصطلحات

التعايش الداخلي
ابتلاع خلية بأخرى بحيث تبقى الخلية المبتلعة على قيد الحياة وتستفيد كلتا الخليتين ؛ العملية المسؤولة عن تطور الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء في حقيقيات النوى

نظريات التكافل الداخلي لأصل حقيقيات النوى

لأكثر من 100 عام ، برزت نظريات التعايش الداخلي في الأفكار حول الاختلافات بين الخلايا بدائية النواة والخلايا حقيقية النواة. تم تقديم أكثر من 20 نسخة مختلفة من نظرية التعايش الداخلي في الأدبيات لشرح أصل حقيقيات النوى وميتوكوندرياها. عدد قليل جدًا من هذه النماذج هو المسؤول عن الكائنات اللاهوائية حقيقية النواة. أصبح دور الطاقة والقيود النشطة التي فرضها تنظيم الخلايا بدائية النواة على الابتكار التطوري في تاريخ الخلية مؤخرًا تؤثر على نظرية التعايش الداخلي. فقط الخلايا التي تمتلك الميتوكوندريا لديها وسائل الطاقة الحيوية لتحقيق تعقيد الخلايا حقيقية النواة ، وهذا هو السبب في عدم وجود وسيط حقيقي في الانتقال من بدائيات النوى إلى حقيقيات النوى. تشير الإصدارات الحالية من نظرية التكافل الداخلي إلى أن المضيف كان من الأركيون (من البكتيريا البدائية) ، وليس حقيقيات النوى. ومن هنا فإن التاريخ التطوري وبيولوجيا العتائق أصبح لهما تأثير متزايد على أصول حقيقيات النوى ، أكثر من أي وقت مضى. هنا ، قمنا بتجميع دراسة استقصائية لنظريات التعايش الداخلي لأصل حقيقيات النوى والميتوكوندريا ، وأصل نواة حقيقية النواة ، وتلخيص أساسيات كل منها ومقارنة بعض تنبؤاتها مع الملاحظات. يأتي التركيز على جانب جديد من التعايش الداخلي في تطور حقيقيات النوى من هذه الاعتبارات: كان المضيف لأصل البلاستيدات عبارة عن لاهوائي اختياري.

الكلمات الدالة: التعايش الداخلي اللاهوائي حقيقيات النوى الميتوكوندريا نواة البلاستيدات.

الأرقام

نماذج تصف أصل ...

نماذج تصف أصل النواة في حقيقيات النوى. ( أس ...

نماذج تصف أصل ...

نماذج تصف أصل الميتوكوندريا و / أو البلاستيدات الخضراء في حقيقيات النوى. ( أ –…

أصل الميتوكوندريا في بدائية النواة ...

أصل الميتوكوندريا في مضيف بدائية النواة. ( أح ) رسوم توضيحية لـ ...

تطور اللاهوائية و ...

تطور اللاهوائية والبلاستيد. ( أد ) تنويع ...


أصول حقيقية النواة

يشير سجل الحفريات والأدلة الجينية إلى أن الخلايا بدائية النواة كانت أول الكائنات الحية على الأرض. نشأت هذه الخلايا منذ حوالي 3.5 مليار سنة ، أي بعد حوالي مليار سنة من تكوين الأرض ، وكانت أشكال الحياة الوحيدة على الكوكب حتى ظهرت الخلايا حقيقية النواة منذ ما يقرب من 2.1 مليار سنة. خلال عهد بدائيات النواة ، تطورت بدائيات النوى الضوئية التي كانت قادرة على تطبيق الطاقة من ضوء الشمس لتخليق المواد العضوية (مثل الكربوهيدرات) من ثاني أكسيد الكربون ومصدر الإلكترون (مثل الهيدروجين أو كبريتيد الهيدروجين أو الماء).

يستهلك التمثيل الضوئي باستخدام الماء كمانح للإلكترون ثاني أكسيد الكربون ويطلق الأكسجين الجزيئي (O2) كمنتج ثانوي. تعمل بكتيريا التمثيل الضوئي على مدى ملايين السنين على تشبع مياه الأرض تدريجيًا بالأكسجين ثم تزود الغلاف الجوي بالأكسجين ، والذي كان يحتوي سابقًا على تركيزات أكبر بكثير من ثاني أكسيد الكربون وتركيزات أقل بكثير من الأكسجين. لا يمكن أن تعمل بدائيات النوى اللاهوائية الأقدم في ذلك العصر في بيئتها الهوائية الجديدة. هلكت بعض الأنواع ، بينما نجا البعض الآخر في البيئات اللاهوائية المتبقية على الأرض. لا تزال بدائيات النوى المبكرة الأخرى تطورت آليات ، مثل التنفس الهوائي ، لاستغلال الغلاف الجوي المؤكسج باستخدام الأكسجين لتخزين الطاقة الموجودة داخل الجزيئات العضوية. التنفس الهوائي هو وسيلة أكثر كفاءة للحصول على الطاقة من الجزيئات العضوية ، والتي ساهمت في نجاح هذه الأنواع (كما يتضح من عدد وتنوع الكائنات الهوائية التي تعيش على الأرض اليوم). كان تطور بدائيات النوى الهوائية خطوة مهمة نحو تطور أول حقيقيات النوى ، ولكن كان لابد من تطوير العديد من السمات المميزة الأخرى أيضًا.

التعايش الداخلي

كان أصل الخلايا حقيقية النواة لغزًا إلى حد كبير حتى تم فحص فرضية ثورية بشكل شامل في الستينيات من قبل لين مارغوليس. ال نظرية التعايش الداخلي تنص على أن حقيقيات النوى هي نتاج لخلية بدائية النواة تبتلع أخرى ، واحدة تعيش داخل أخرى ، وتتطور معًا بمرور الوقت حتى لا يمكن التعرف على الخلايا المنفصلة على هذا النحو. كان لهذه الفرضية التي كانت ثورية ذات يوم إقناع فوري وهي الآن مقبولة على نطاق واسع ، مع تقدم العمل في الكشف عن الخطوات المتضمنة في هذه العملية التطورية بالإضافة إلى اللاعبين الرئيسيين. لقد أصبح من الواضح أن العديد من الجينات النووية حقيقية النواة والآلية الجزيئية المسؤولة عن تكرار تلك الجينات والتعبير عنها تبدو مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بالعتيقات. من ناحية أخرى ، فإن العضيات الأيضية والجينات المسؤولة عن العديد من عمليات تجميع الطاقة ترجع أصولها إلى البكتيريا. لا يزال هناك الكثير الذي يتعين توضيحه حول كيفية حدوث هذه العلاقة ، ولا يزال هذا مجالًا مثيرًا للاكتشاف في علم الأحياء. من المحتمل أن العديد من الأحداث التكافلية قد ساهمت في أصل الخلية حقيقية النواة.

الميتوكوندريا

قد تحتوي الخلايا حقيقية النواة في أي مكان من واحد إلى عدة آلاف من الميتوكوندريا ، اعتمادًا على مستوى الخلية من استهلاك الطاقة. يقيس كل ميتوكوندريون من 1 إلى 10 ميكرومتر في الطول ويوجد في الخلية على شكل كروي مستطيل متحرك ومندمج ومنقسم ([رابط]). ومع ذلك ، لا يمكن للميتوكوندريا البقاء خارج الخلية. مع تأكسج الغلاف الجوي عن طريق التمثيل الضوئي ، ومع تطور بدائيات النوى الهوائية الناجحة ، تشير الدلائل إلى أن خلية أسلافية غمرت وظلت على قيد الحياة بدائيات نوى هوائية حرة. أعطى هذا للخلية المضيفة القدرة على استخدام الأكسجين لإطلاق الطاقة المخزنة في العناصر الغذائية. تدعم عدة خطوط من الأدلة أن الميتوكوندريا مشتقة من هذا الحدث التكافلي الداخلي. تتشكل معظم الميتوكوندريا على شكل مجموعة محددة من البكتيريا ويحيط بها غشاءان. يشتمل الغشاء الداخلي للميتوكوندريا على حفر أو كرستيات كبيرة تشبه السطح الخارجي المحكم لبكتيريا معينة.

تنقسم الميتوكوندريا من تلقاء نفسها من خلال عملية تشبه الانشطار الثنائي في بدائيات النوى. تمتلك الميتوكوندريا كروموسوم DNA الدائري الخاص بها والذي يحمل جينات مشابهة لتلك التي تعبر عنها البكتيريا. تحتوي الميتوكوندريا أيضًا على ريبوسومات خاصة ونقل الحمض النووي الريبي الذي يشبه هذه المكونات في بدائيات النوى. كل هذه الميزات تدعم أن الميتوكوندريا كانت ذات يوم بدائيات نوى حرة.

البلاستيدات الخضراء

البلاستيدات الخضراء هي نوع واحد من صانعة، مجموعة من العضيات ذات الصلة في الخلايا النباتية التي تشارك في تخزين النشويات والدهون والبروتينات والأصباغ. تحتوي البلاستيدات الخضراء على الصباغ الأخضر الكلوروفيل وتلعب دورًا في عملية التمثيل الضوئي. تشير الدراسات الجينية والمورفولوجية إلى أن البلاستيدات تطورت من التعايش الداخلي لخلية أسلاف ابتلعت بكتيريا زرقاء ضوئية. تتشابه البلاستيدات في الحجم والشكل مع البكتيريا الزرقاء وهي مغلفة بغشاءين أو أكثر ، يتوافقان مع الأغشية الداخلية والخارجية للبكتيريا الزرقاء. مثل الميتوكوندريا ، تحتوي البلاستيدات أيضًا على جينومات دائرية وتنقسم بواسطة عملية تشبه انقسام الخلايا بدائية النواة. تعرض البلاستيدات الخضراء للطحالب الحمراء والخضراء تسلسل الحمض النووي الذي يرتبط ارتباطًا وثيقًا بالبكتيريا الزرقاء الضوئية ، مما يشير إلى أن الطحالب الحمراء والخضراء تنحدر مباشرة من هذا الحدث التعايش الداخلي.

من المحتمل أن تكون الميتوكوندريا قد تطورت قبل البلاستيدات لأن جميع حقيقيات النوى لها إما ميتوكوندريا وظيفية أو عضيات شبيهة بالميتوكوندريا. في المقابل ، توجد البلاستيدات فقط في مجموعة فرعية من حقيقيات النوى ، مثل النباتات الأرضية والطحالب. تم تلخيص إحدى الفرضيات حول الخطوات التطورية المؤدية إلى أول حقيقيات النوى في [رابط].

لا يمكن إلا افتراض الخطوات الدقيقة المؤدية إلى أول خلية حقيقية النواة ، وهناك بعض الجدل قائم بشأن الأحداث التي حدثت بالفعل وبأي ترتيب. يُفترض أن بكتيريا Spirochete قد أدت إلى ظهور الأنابيب الدقيقة ، وربما ساهمت بدائيات النوى الجلدية في المواد الخام لسواط وأهداب حقيقية النواة. يقترح علماء آخرون أن تكاثر الأغشية وتقسيمها ، وليس أحداث التعايش الداخلي ، أدى إلى تطور الميتوكوندريا والبلاستيدات. ومع ذلك ، فإن الغالبية العظمى من الدراسات تدعم فرضية التعايش الداخلي لتطور حقيقيات النوى.

كانت حقيقيات النوى المبكرة أحادية الخلية مثل معظم الطلائعيات اليوم ، ولكن عندما أصبحت حقيقيات النوى أكثر تعقيدًا ، سمح تطور تعدد الخلايا للخلايا بالبقاء صغيرة بينما لا تزال تظهر وظائف متخصصة. يُعتقد أن أسلاف حقيقيات النوى متعددة الخلايا اليوم قد تطورت منذ حوالي 1.5 مليار سنة.

ملخص القسم

تطورت حقيقيات النوى الأولى من بدائيات النوى الأسلاف من خلال عملية تضمنت تكاثر الأغشية ، وفقدان جدار الخلية ، وتطور الهيكل الخلوي ، واكتساب وتطور العضيات. يبدو أن الجينات النووية حقيقية النواة لها أصل في العتائق ، في حين أن آلية الطاقة للخلايا حقيقية النواة يبدو أنها بكتيرية في الأصل. نشأت الميتوكوندريا والبلاستيدات من أحداث التعايش الداخلي عندما ابتلعت الخلايا السلفية بكتيريا هوائية (في حالة الميتوكوندريا) وبكتيريا التمثيل الضوئي (في حالة البلاستيدات الخضراء). من المحتمل أن يكون تطور الميتوكوندريا قد سبق تطور البلاستيدات الخضراء. هناك دليل على أحداث تعايش جواني ثانوي حيث يبدو أن البلاستيدات ناتجة عن تعايش جواني بعد حدث تعايش جواني سابق.

متعدد الخيارات

ما الحدث الذي يُعتقد أنه ساهم في تطور حقيقيات النوى؟


خيارات الوصول

احصل على الوصول الكامل إلى دفتر اليومية لمدة عام واحد

جميع الأسعار أسعار صافي.
سيتم إضافة ضريبة القيمة المضافة في وقت لاحق عند الخروج.
سيتم الانتهاء من حساب الضريبة أثناء الخروج.

احصل على وصول محدود أو كامل للمقالات على ReadCube.

جميع الأسعار أسعار صافي.


تغيير الأفكار حول أصول حقيقية النواة

يعد أصل الخلايا حقيقية النواة أحد أكثر التحديات روعة في علم الأحياء ، وقد ألهم عقودًا من الجدل والنقاش. أدى العمل الأخير إلى اضطرابات كبيرة في فهمنا لأصول حقيقيات النوى وحفز نقاشات جديدة حول دور التعايش الداخلي وتدفق الجينات عبر شجرة الحياة.تدعم الأساليب المحسّنة لتحليل التطور الوراثي السيناريوهات التي تكون فيها الخلية المضيفة للتعايش الداخلي للميتوكوندريا عضوًا في العتائق ، وقد سمحت التقنيات الجديدة لأخذ عينات من جينومات بدائيات النوى البيئية للباحثين بالعودة إلى أقرب الأقارب المؤسسين للشركاء التكافليين. يظل الاستدلال والتفسير الخاص بأشجار النشوء والتطور من البيانات الجينومية في قلب العديد من هذه المناقشات ، وهناك اعتراف متزايد بأن الأشجار المبنية باستخدام طرق غير مناسبة يمكن أن تكون مضللة ، سواء كان وصف علاقة حقيقيات النوى بالخلايا الأخرى أو جذر الكون. شجرة. تظهر الأساليب الإحصائية الجديدة واعدة في معالجة هذه الأسئلة ولكنها تأتي مع تحديات حسابية خاصة بها. تناقش الأوراق في هذا العدد الموضوع التقدم الأخير في أصل الخلايا حقيقية النواة والجينوم ، وتسلط الضوء على بعض المناقشات الجارية ، وتقترح الطرق الممكنة للتقدم في المستقبل.

1. ماذا كنا نعتقد من قبل؟

في شجرة "المجالات الثلاثة" المتجذرة [1] ، السلالة النووية حقيقية النواة هي مجموعة شقيقة متفرعة عميقة للعتيقات ، مما يعني أن حقيقيات النوى قديمة قدم تلك المجموعة من بدائيات النوى (الشكل 1). الأنواع الموجودة في قاعدة حقيقيات النوى في شجرة المجالات الثلاثة تشبه الطفيليات الجيارديا و Microsporidia التي تفتقر إلى الميتوكوندريا الكلاسيكية ، بالاتفاق مع الفرضية القائلة بأنها تنحدر من سلالات (تسمى غالبًا Archezoans— [2]) والتي تباعدت عن حقيقيات النوى الأخرى قبل التعايش الداخلي للميتوكوندريا. في شجرة المجالات الثلاثة ، كانت حقيقيات النوى - الخلايا ذات النواة - موجودة قبل التعايش الداخلي للميتوكوندريا. الاتفاق الواضح بين علم الوراثة وبيولوجيا الخلية جعل هذا الإصدار من التطور المبكر مقنعًا. وهكذا ، على الرغم من أن الفرضيات المتنافسة كانت متداولة في ذلك الوقت [3-7] ، وكان من المعروف بالفعل أن العديد من الجينات في جينومات حقيقية النواة تتعارض مع شجرة المجالات الثلاثة [8،9] ، إلا أنها ظهرت في الكتب المدرسية القياسية والأعمال من العلوم الشعبية. مخطط الشجرة هو الشكل الوحيد في "أصل الأنواع" [10 ، ص 160–161] ولذا كان من الطبيعي وجود شخصية واحدة فقط في نسخة علمية مشهورة محدثة [11] من كلاسيكيات داروين. كانت الشجرة المختارة نسخة غير متجذرة من شجرة المجالات الثلاثة ، تصور الأركيا وحقيقيات النوى كمجموعتين منفصلتين مع Archezoans موصوفة بوضوح في قاعدة حقيقيات النوى.

الشكل 1. الفرضيات المتنافسة حول أصل حقيقيات النوى. (أ) في شجرة "المجالات الثلاثة" في الكتاب المدرسي ، فإن حقيقيات النوى والعتائق هما مجموعتان شقيقتان أحاديتان ، كل سلالة قديمة قدم الأخرى. (ب) وجهة نظر "المجالين" ، مدعومة بأساليب التطور الوراثي المحسنة وأخذ العينات التصنيفية. في هذا السيناريو ، تتكون البكتيريا والعتائق من سلالتين خلويتين أساسيتين ، مع حقيقيات النوى التي تشكلت في تكافل بينهما. تظهر كلتا الشجرتين متجذرتين على الفرع المؤدي إلى البكتيريا ، على الرغم من أنه ، كما تمت مناقشته في الفقرة 5 ، يجب تفسير التحليلات التي يعتمد عليها موضع الجذر هذا بحذر.

تصف الأوراق في هذا الموضوع وتناقش كيف تغيرت هذه النظرة لتطور حقيقيات النوى بشكل جذري على مدى السنوات القليلة الماضية ، وتحدد الخلافات والتحديات الرئيسية المستمرة. يقدم المساهمون أحيانًا وجهات نظر مختلفة جدًا حول هذه القضايا ، لذلك هناك خلاف مبدئي بالإضافة إلى إجماع. جزئيًا ، لا يعكس هذا التقدم السريع والمثير الذي يتم إحرازه فحسب ، بل يعكس أيضًا الصعوبة الكامنة في استنتاج الأحداث القديمة من كميات صغيرة من البيانات غير المكتملة باستخدام طرق غير كاملة ، وطموح وحجم الأسئلة العلمية التي يتم طرحها. بعض التغييرات الأكثر وضوحًا في التفكير تتعلق بطبيعة مضيف التعايش الداخلي للميتوكوندريا والاعتراف بأن العضيات المتعلقة بالميتوكوندريا موجودة في كل مكان بين حقيقيات النوى ، بما في ذلك الأرشيزوان السابقون. أدت هذه التغييرات إلى إزالة خط رئيسي من الأدلة للرأي القائل بأن مضيف الميتوكوندريا كان بالفعل حقيقيات النوى ، وأدى بدوره إلى دراسة أكثر جدية للفرضيات التي كان فيها Archaeon هو المضيف للتعايش الداخلي للميتوكوندريا في تأسيس سلالة حقيقية النواة. . المناقشات حول دور التعايش الداخلي للميتوكوندريا في تطور جينوم حقيقيات النوى ، وتطور وتنوع متماثلات الميتوكوندريا المعاصرة ، بما في ذلك الهيدروجين والميتوزومات ، أصبحت الآن موضوعات رئيسية للبحث. لا تزال أصول الجينات ومدى عمليات نقل الجينات الجانبية غير التكافلية في تطور حقيقيات النوى محل جدل ، ولكن من الواضح الآن أن حقيقيات النوى تدين بدين جيني كبير إلى العتائق والبكتيريا بالإضافة إلى امتلاكها موهبة لا تحظى بالتقدير سابقًا لاختراع الجينات والابتكار. ما إذا كانت الفيروسات قد لعبت أيضًا دورًا في أصول حقيقيات النوى والتطور أمر مثير للجدل ، والذي يغذيه الاكتشافات الحديثة لفيروسات الحمض النووي الكبيرة والغنية بالجينات بشكل غير متوقع.

لقد عرف علماء البيئة الميكروبية منذ فترة طويلة أن الميكروبات المستنبتة والمدروسة تشكل جزءًا صغيرًا فقط من الحياة أحادية الخلية الموجودة ، لذلك من المتوقع أن يكون فهمنا للتطور الخلوي مقيدًا بأخذ عينات غير مكتملة ومتحيزة للتنوع الميكروبي الطبيعي. تبشر طرق تسلسل الجينوم الميتاجينومي الجديدة وخلية واحدة بشكل كبير بأخذ عينات من الغالبية غير المدروسة حتى الآن من الحياة الميكروبية. كما تمت مناقشته في هذه المسألة ، فقد حددت هذه الأساليب بالفعل سلالات بدائية جديدة ترتبط ارتباطًا وثيقًا بحقيقيات النوى أكثر من أي جينات تم أخذ عينات منها حتى الآن ، والتي تشترك في الجينات التي كان يُعتقد سابقًا أنها تحدد الجوانب المهمة لبيولوجيا الخلايا حقيقية النواة. المخاوف بشأن دقة الأشجار في استنتاج علاقات حقيقية النواة العميقة أو أصول الجينات ، والتي غالبًا ما يتم إجراؤها باستخدام نماذج إحصائية بسيطة للغاية وتسلسلات قصيرة ، تشغل عددًا من المساهمين لدينا. إن الحاجة إلى مراعاة التوافق بين النموذج والبيانات ، وإدراك أن النماذج الرديئة ستؤدي عمومًا إلى إنتاج أشجار رديئة ، هي رسالة تحذيرية متكررة وهامة في كثير من الأحيان. ستستمر الأشجار والشبكات من مختلف الأنواع في لعب دور رئيسي في الدراسات التي تهدف إلى التحقيق في تطور حقيقيات النوى وفصل النسب الرأسي والأفقي ، ولكن الأساليب الحالية محفوفة بالمشاكل والبحث عن التطابق بين خطوط الأدلة المستقلة سيكون دائمًا مهمًا.

2. مضيف جديد للتعايش الداخلي للميتوكوندريا

تصف شجرة المجالات الثلاثة حقيقيات النوى والعتائق كمجموعات منفصلة ولديها خلية حقيقية النواة كاملة التكوين كمضيف للتعايش الداخلي للميتوكوندريا [1]. ومع ذلك ، في نفس الوقت الذي كانت فيه بعض التحليلات تستعيد شجرة المجالات الثلاثة ، كانت التحليلات الأخرى (تمت مراجعتها في [12]) من نفس البيانات ولكن غالبًا باستخدام طرق أفضل تدعم فرضية أخرى تسمى "شجرة eocyte" [3]. في "شجرة eocyte" ، تنشأ حقيقيات النوى من داخل Archaea كمجموعة شقيقة من الأنواع مثل سلفولوبس—التي تم تصنيف بحيرة جيمس [13] فيها داخل مملكة منفصلة تسمى Eocyta أو "خلايا الفجر" [3] ، وأيها Woese وآخرون. سميت فيما بعد Crenarchaeota [1]. استمر دعم شجرة eocyte في التراكم في السنوات الأخيرة مع تحسين النماذج التطورية وأخذ عينات أوسع من العتائق البيئية [12 ، 14 ، 15]. وهكذا ، فإن تحليلات الجينات الأساسية العالمية باستخدام نماذج أكثر ملاءمة تضع حقيقيات النوى ضمن تنوع الأركيا ، متفرعة مع مجموعة تسمى "TACK" superphylum التي تحتوي على سلالات Thaumarchaeota و Aigarchaeota و Crenarchaeota و Korarchaeota [16-19]. نظرًا لأن الخلايا eocytes تم تعريفها في الأصل من الناحية التطورية على أنها مجموعة شقيقة من حقيقيات النوى [3] ، فإن هذه الأشجار الجديدة تتوافق مع فرضية الخلية eocaryotes. يبدأ العدد الخاص بنا بمنظور شخصي من تأليف جيمس ليك [13] يصف نشأة وتطور فرضية الخلية eocyte وغيرها من المساهمات الأساسية ، بما في ذلك فرضيته الأصلية للغاية "حلقة الحياة" التي تستدعي التدفقات الجينية الكبيرة كمحركات رئيسية في تطور حقيقيات النواة. "حلقة الحياة" هذه هي أيضًا محور بحث ماكنيرني وآخرون. [20] ، الذين يجادلون بأن الفرضية الأكثر دعمًا والأكثر عمومية هي شرح الأنواع المختلفة من البيانات التي تتحدث عن أصول حقيقية النواة.

إذا كانت الأشجار التي تضع أصل السلالة النووية حقيقية النواة داخل العتائق صحيحة ، فعلينا أن نتوقع العثور على أنواع جديدة أكثر تشابهًا مع حقيقيات النوى على مستوى الجينات والبروتينات. يناقش يوجين كونين [21] البيانات الحديثة التي تتوافق مع هذه الفرضية ويوضح مدى أهمية فهم تطور الجينوم البدائي لفهم التطور المبكر لحقيقة النواة. تمشيا مع تنبؤات التحليلات الأخيرة للتطور ، تم العثور على متماثلات بدائية النواة لمكونات أساسية حقيقية النواة ، بما في ذلك الجينات المشاركة في الهيكل الخلوي وتدهور البروتين بوساطة يوبيكويتين ، فقط بين TACK Archaea. لكن Koonin [21] يوضح أيضًا أن متماثلات جينات حقيقية النواة الأخرى ، بما في ذلك مكونات انقسام الخلية ، وإعادة تشكيل الغشاء ، وآليات تداخل الحمض النووي الريبي ، لها توزيع غير مكتمل عبر التنوع المتسلسل للعتيقات ، مما يشير إلى تاريخ معقد لفقدان الجينات وربما النقل الأفقي خلال التطور البدائي. كما هو مذكور في الفقرة 1 ، قد يحد أخذ العينات المحدود والمتحيز المحتمل للتنوع الميكروبي الطبيعي من استنتاجاتنا للتطور المبكر. تعتبر ندرة الجينومات حادة بشكل خاص بالنسبة إلى الأركيا لأن استكشاف هذا المجال قد تأخر تقليديًا عن البكتيريا وحقيقيات النوى. يتغير هذا الوضع بسرعة بسبب التقدم في نهج الخلية الواحدة والميتاجينوم التي تمكن الآن جينومات الميكروبات غير المستزرعة من التسلسل مباشرة من البيئة [22]. أكثر الاكتشافات إثارة حتى الآن هو اكتشاف Lokiarchaeota ، وهو سلالة بدائية يبدو أنها تحتوي على أقرب الأقارب من حقيقيات النوى التي تم اكتشافها حتى الآن [23 ، 24]. تمشيا مع علاقة المجموعة الشقيقة بحقيقيات النوى ، تمتلك Lokiarchaeota جينات توقيع حقيقية النواة أكثر من أي عتائق أخرى موصوفة [23]. رأى وآخرون. [25] وصف الطرق التي استخدموها لتسلسل وتجميع جينوم Lokiarchaeum وأعضاء آخرين غير مثقفين في مجموعة TACK ، وتأثيرات ذخيرة جينات Lokiarchaeota على أصول السمات الرئيسية حقيقية النواة مثل الهيكل الخلوي وإعادة تشكيل الأغشية والبلعمة. غالبًا ما يُقال أن هذه السمة النهائية [26] هي القدرة الرئيسية للخلية المضيفة السلفية التي اكتسبت التعايش الداخلي للميتوكوندريا. من المثير للاهتمام بالنسبة لنظريات تكوين حقيقيات النوى ، أن آلية ESCRT - الموجودة في حقيقيات النوى وكذلك في Lokiarchaeota وبعض TACK Archaea الأخرى - ثبت مؤخرًا أنها تنظم إعادة تشكيل الغلاف النووي بعد الانقسام الفتيلي [27].

3. التعايش الداخلي ، متماثلات الميتوكوندريا وأصول الجينات البكتيرية على جينومات حقيقية النواة

أثار رفض فرضية Archezoa ، واكتشاف متماثلات الميتوكوندريا في الطفيليات واللاهوائية التي كان يُعتقد سابقًا أنها تفتقر إليها مبدئيًا [28] ، الاهتمام بالأفكار التي تقترح أن التعايش الداخلي للميتوكوندريا كان حدثًا سلفيًا في تطور حقيقيات النواة. كما ركزت الانتباه على التعايش الداخلي للميتوكوندريا كمصدر لبعض الجينات البكتيرية على الجينومات حقيقية النواة ، وربما العديد منها. تقدم مساهمتان في قضيتنا وجهات نظر مختلفة حول بعض هذه الأسئلة. مارتن وآخرون. [29] يقدم مناقشة مفصلة وموضحة بشكل جميل لفرضيات التعايش الجواني لأصول حقيقيات النوى ، بحجة أن تلك التي تتضمن الأركون ذاتي التغذية والتعايش الداخلي للميتوكوندريا تناسب البيانات الحالية بشكل أفضل من الفرضيات البديلة. سلالم وآخرون. [30] ركز على أصول التنوع الأيضي بين متماثلات الميتوكوندريا - وهي عضيات تشترك في الأصل المشترك مع الميتوكوندريا بما في ذلك الهيدروجين والميتوزومات - التي تم اكتشافها في الطلائعيات اللاهوائية والطفيلية من جميع أنحاء شجرة حقيقية النواة. يقترحون أن نقل الجينات الأفقي (HGT) خارج التعايش الداخلي قد يكون مصدرًا مهمًا للجينات لهذه الأيضات المتنوعة وأن التقارب الذي يقوده HGT والبيئة الشائعة هو سمة متكررة لتطور الميتوكوندريا.

تعكس بعض هذه المناقشة الصعوبات في الوصول إلى استنتاجات قوية من أشجار الجينات المدعومة بشكل ضعيف والتي تتفاقم بسبب أخذ العينات غير المكتمل ، والاختلافات في الرأي حول محتوى الجينات السلفية والدرجة التي كان فيها جينوم التعايش الداخلي للميتوكوندريا هو نفسه خياليًا [31]. يبدو أن HGT قوة كبيرة في تشكيل تطور الجينوم للبكتيريا الحديثة ولا يوجد سبب محدد لافتراض أن البكتيريا القديمة كانت مختلفة.

يعتبر تأثير النقل الأفقي على جينومات حقيقيات النوى وثيق الصلة للغاية لأن نسبة عالية من الجينات الموجودة على جينومات حقيقيات النوى يبدو أنها نشأت من البكتيريا [8،9،32-34]. اقترح البعض أن معظم هذه الجينات مستمدة من التعايش الداخلي القديم [32] ، في حين دعا البعض الآخر إلى استمرار تدفق الجينات من مانحين متنوعين بمرور الوقت [33]. هناك أدلة جيدة لكلا المصدرين (تمت المراجعة في [32 ، 35-37]) ، لكن هناك خلاف حول أهميتهما النسبية [38 ، 39]. يقدم Katz [40] تحليلًا لأنماط وجود الجينات وغيابها في سياق أخذ عينات واسعة للغاية من التنوع حقيقيات النوى لتحديد بدائيات النوى المرشحة لـ eukaryote HGT. تحدد تحليلاتها أكثر من ألف عملية نقل إلى حقيقيات النوى ، ولكن معظمها يقتصر على جينوم واحد أو عدد قليل من الجينومات وثيقة الصلة. يتم تفسير هذا كدليل على أن HGT هي عملية مستمرة ، ولكن معظم الأحداث التي يمكن اكتشافها حديثة ، وباستثناء الجينات الناشئة من التعايش الداخلي للميتوكوندريا والبلاستيد ، فإن عددًا قليلاً نسبيًا من الجينات المنقولة قد استمر منذ الفترة الأولى لتطور حقيقيات النواة. تشير هذه البيانات إلى وجود توازي مثير للاهتمام بين HGT والعمليات الأخرى لتطور الجينوم مثل طفرة النقطة ، وتضاعف الجين والجينوم الكامل ، حيث يتم فقدان معظم المواد الجينية الجديدة بسرعة ما لم يتم الحفاظ عليها عن طريق الانتقاء الإيجابي [41 ، 42].

على الرغم من أن النقل الأفقي يُعتقد عمومًا أنه أكثر تواترًا في بدائيات النوى من حقيقيات النوى [35] ، فقد تم إجراء عدد قليل من المقارنات المباشرة. مساهمة Szöllősi وآخرون. [43] يعالج هذه المسألة. قدم المؤلفون دراسة حالة لديناميكيات نقل الجينات في الفطريات والبكتيريا الزرقاء ، وهي نماذج لمجموعات حقيقية النواة ومجموعات بدائية النواة التي تتوفر لها بيانات جينوم وفيرة. تستفيد تحليلاتهم من ملامح النشوء والتطور بالإضافة إلى طرق التوفيق بين شجرة الجينات والأنواع من أجل اكتشاف ورسم خرائط لأحداث النقل خلال التاريخ التطوري لكلا المجموعتين. تشير النتائج إلى أن معدلات نقل الجينات في هذه المجموعات متشابهة إلى حد كبير ، مما يوفر بعض الدعم لفكرة أن أهمية وديناميكيات HGT قد تكون متشابهة نوعياً بين بدائيات النوى وحقيقيات النوى. هذه النتيجة ، إذا وُجدت بشكل أكثر عمومية ، فإنها تشير إلى تدفق مستمر للجينات البكتيرية إلى جينومات حقيقية النواة من مجموعة متنوعة من المصادر بالإضافة إلى المكاسب واسعة النطاق المرتبطة بالتعايش الداخلي للأسلاف.

4. تطور جينوم حقيقيات النوى من الداخل

ترميز جينومات حقيقيات النوى جزءًا مهمًا - يصل إلى 63٪ وفقًا للتحليلات الحديثة لجينوم الخميرة [44] - من الجينات الخاصة بحقيقيات النوى التي تدعم الجوانب الرئيسية لبيولوجيا حقيقيات النوى. أكدت النماذج التقليدية لأصول الجينات حقيقية النواة على الازدواجية والتباعد الوظيفي للجينات الموجودة مسبقًا [45] ، ولكن هناك أدلة متزايدة على أن أصل الجينات الجديدة من التسلسل غير المشفر مهم أيضًا. يقدم McLysaght & amp Guerzoni [46] نظرة عامة على هذه البيانات ويقدمان أمثلة مثيرة للاهتمام من جميع أنحاء شجرة حقيقية النواة ، وبعضها مهم وظيفيًا ويخضع للاختيار الإيجابي. توفر الأدلة على نشوء جين دي نوفو على نطاق واسع في حقيقيات النوى الحديثة آلية معقولة يمكن من خلالها أن تطورت الجينات الخاصة بحقيقيات النوى في سلالة جذعية حقيقية النواة الوليدة أثناء نشأة حقيقيات النوى.

واحدة من أكثر السمات المميزة للجينومات حقيقية النواة مقارنة بدائيات النوى هي كثرة التسلسل غير المشفر ، والذي يفوق أو حتى يقزم كمية الحمض النووي المشفر في العديد من السلالات. في حين أن الكثير من هذه المواد الزائدة ربما يكون أنانيًا أو غير وظيفي [47] ، إلا أن الجدل البارز يحتدم حاليًا حول مدى مساهمة العناصر غير المشفرة في التعقيد الظاهري للنواة من خلال تنظيم التعبير عن تسلسل الترميز [48-52]. يساهم Elliott & amp Gregory [53] في هذا النقاش من خلال تقديم رؤى جديدة للعلاقات بين حجم الجينوم ، وقدرة الترميز ، والمحتوى المتكرر والمعلمات الجينومية الأخرى من أكبر مسح لتنوع الجينوم حقيقية النواة حتى الآن. تؤكد بياناتهم على الاختلافات المذهلة بين جينومات بدائيات النوى المبسطة والغنية بالجينات والجينومات الكبيرة شديدة التكرار للعديد من حقيقيات النوى. قد تنشأ هذه الاختلافات من التغيرات الأساسية في البيئة الوراثية السكانية التي رافقت أصل حقيقيات النوى ، والتي تتراوح من زيادة حجم الخلية (وما يصاحب ذلك من انخفاض في الكثافة السكانية) إلى تطور الانقسام الاختزالي والجنس. المساهمات النسبية للانحراف الجيني [54] والطفرة [55] والانتقاء [56،57] - ربما على مستويات متعددة [58] - لأصل وتطور حقيقيات النوى وجينوماتها تظل مجالًا رائعًا للنقاش ومقارنة واسعة ستستمر البيانات من النوع الذي قدمه Elliott & amp Gregory [53] في لعب دور مهم في مقارنة تنبؤات الفرضيات الرائدة.

5. ما مدى جودة أساليبنا في استنتاج الماضي؟

تم تسهيل الكثير من التقدم الذي تمت مناقشته في هذا المجلد من خلال السهولة المتزايدة التي يمكن من خلالها تسلسل الجينوم والنصوص الكاملة ، حتى بالنسبة للكائنات غير المستزرعة. من حيث المبدأ ، لم يعد الحصول على عينات تمثيلية يمثل عقبة رئيسية ، ولكن المعدل المتزايد لتوليد البيانات قد فاق إلى حد كبير القوة الحسابية اللازمة لتحليلها. وقد أدى ذلك إلى خلق حالة يتم فيها إجراء مقايضات غير مرغوب فيها بين حجم مجموعة البيانات وكفاية النموذج ، وهذا يعيق التقدم. تتوفر بالفعل نماذج أفضل للتطور الوراثي تدرك أن العملية التطورية معقدة ويمكن أن تتغير بمرور الوقت وبين الأنواع ، ولكنها تأتي مع تكلفة زيادة وقت التحليل وبالتالي لا يمكن استخدامها لعدد كبير من الأنواع. نظرًا لأنه من المعروف بالفعل أن أخذ العينات التصنيفية المحسّن يؤثر على دقة إعادة بناء النشوء والتطور [59] ، فإن تحسين قابلية توسيع الطرق المعقدة للتعامل مع المزيد من البيانات أمر مرغوب فيه للغاية. يقدم Nicolas Lartillot [60] لمحة عامة عن هذه القضايا ويسلط الضوء على الحلول المحتملة لبعض المشاكل العالقة. توفر مناهج بايز إطارًا طبيعيًا لتلائم نماذج أكثر تعقيدًا وذات دوافع بيولوجية لبيانات الجينوم ، لكن Lartillot [60] يجادل بأن التقدم المستقبلي قد يعتمد على تطوير بدائل لخوارزميات Markov Chain Monte Carlo القياسية (MCMC).لقد عززت MCMC نجاحات علم الوراثة البايزية حتى الآن ، ولكن التقنية الآن عمرها 50 عامًا ويمكن أن تكافح لتحقيق التقارب في مجموعات البيانات الجينومية واسعة النطاق ، حتى مع التقدم المستمر في القوة الحسابية.

تقوم الأشجار الفوقية الاحتمالية [61] بتجميع المعلومات من مجموعة من أشجار الجينات المدخلة لاستنتاج شجرة الأنواع الكلية مع السماح ببعض الاختلاف بين تواريخ الجينات الفردية ، سواء كان ذلك بسبب النقل الأفقي أو المصادر الأكثر شيوعًا لخطأ النشوء والتطور. وبالتالي ، فهي تمثل "أرضية وسط" مثيرة للاهتمام وذات قيمة كبيرة جدًا بين النماذج المعقدة والهرمية لتطور الجينات والجينوم التي وصفها Szöllősi وآخرون. [43] و Lartillot [60] وطرق "المصفوفة الفائقة" أو التسلسل الأبسط التي كثيرًا ما تستخدم لاستقصاء التاريخ التطوري للجينومات والأنواع. من المعروف أن الطرق المبكرة الفائقة التي تعتمد على البخل تنطوي على مشاكل ، لذلك أكاني وآخرون. [62] استخدموا طريقة بايز الاحتمالية الفائقة المطورة حديثًا في مساهمتهم. يقوم تحليلهم بتقييم الأدلة على تدفق الجينات على نطاق واسع من البكتيريا إلى الجينوم البدائي. جادل العمل المنشور مؤخرًا أن التدفقات الجينية الكبيرة كانت عاملاً مهمًا في تطور وبيئة العتائق [63،64]. في حين أن الشجرة الفائقة التي استعادتها من أجل الأركيا تشير إلى إشارة رأسية قوية ، فإن الأشجار المركبة بما في ذلك العتائق والبكتيريا لم يتم حلها بشكل جيد للعقد الأعمق ، وهو ما قاله أكاني وآخرون. [62] تقترح نتائج من مزيج من الإشارات الرأسية والأفقية ، بما يتفق مع الأعمال المنشورة التي تدعي النقل العرضي بين النطاقات. هذه نتائج مثيرة للاهتمام تثير أسئلة مثيرة للاهتمام حول التأثيرات المختلفة لـ HGT على البكتيريا والعتائق ، ولماذا يجب أن تتصرف هاتان المجموعتان بدائية النواة بشكل مختلف. كما يشير أيضًا إلى أن سلالة المضيف البدائي التي اندمجت مع التعايش الداخلي للميتوكوندريا ربما كانت خيمرية بالمثل من حيث محتوى الجينوم الخاص بها.

إن الموثوقية المحدودة لأشجار الجينات المفردة التي يتم استنتاجها باستخدام طرق مفرطة في البساطة هي جوهر عدد من المساهمات في هذه القضية. Moreira & amp López-García [65] يناقشان كيفية استخدام الأشجار بشكل أفضل لتقييم المقترحات القائلة بأن الفيروسات لعبت دورًا رئيسيًا في أصول حقيقية النواة. كانت هذه الأفكار مدفوعة في الأصل باكتشاف Megaviridae ، وهي فيروسات عملاقة تصيب الأميبا والتي تشفر جينوماتها الكبيرة بشكل غير متوقع (1–2.5 ميجا بايت ، قابلة للمقارنة في الحجم مع العديد من الجينومات الخلوية) متماثلة من المكونات الأساسية لآليات النسخ المتماثل والترجمة للحمض النووي حقيقية النواة. –68]. تشعبت المتجانسات الفيروسية خارج الفرع حقيقيات النوى في الأشجار المبكرة ، مما يشير إلى أن فيروس Megavirus القديم ، ربما يكون جزءًا من "المجال الرابع" للحياة ، ربما يكون قد تبرع بهذه الجينات إلى أسلاف حقيقيات النوى [67]. لاحظ موريرا وأمبير لوبيز-غارسيا [65] أن وضع الفيروسات في أشجار النشوء والتطور يمثل تحديًا استثنائيًا بسبب المعدلات العالية لتطور التسلسل ، والتي - لا تختلف عن الاختلافات العميقة بين المجالات الخلوية - يمكن أن تحفز القطع الأثرية مثل جاذبية الفروع الطويلة ، تجميع زائف للتسلسلات سريعة التطور بسبب تقارب الصدفة في عملية الاستبدال. قادتهم تحليلاتهم الجديدة ، جنبًا إلى جنب مع مراجعة الأعمال الحديثة ، إلى اقتراح أن وجود جينات حقيقية النواة على الجينوم الفيروسي يمكن تفسيره بشكل أفضل من خلال الاكتساب الأفقي من مضيفيهم حقيقية النواة. وخلصوا إلى أنه لا يوجد دعم مقنع للمساهمة الفيروسية في أصل حقيقيات النوى أو للفرضية القائلة بأن الفيروسات تمثل المجال الرابع من الحياة البدائية.

تفضل العديد من المساهمات في المجلد الفرضيات التي تحتوي على بدائيات النوى أولاً وحقيقيات النوى كمجموعة مشتقة تشكلت من خلال اندماج يشمل العتائق والبكتيريا. يتوافق استقطاب بدائيات النوى هذا لاستقطاب حقيقيات النوى للتطور الخلوي مع البيانات المنشورة باستخدام نظائر المثل القديمة وشبكات النشوء والتطور لجذر الشجرة الشاملة على الجذع البكتيري [1،69-72]. كما أنه يتوافق مع - وإن كان غير مكتمل وغير مكتمل - الأدلة الأحفورية على بدائيات النوى والتمثيل الغذائي بدائيات النواة قبل أكثر من مليار سنة من أقدم حفريات حقيقية النواة [12 ، 73 ، 74] ، ومع الملاحظة التي تشير إلى أن جميع حقيقيات النوى المعروفة لها متماثل ميتوكوندريا - مما يعني ضمنيًا أن أصل البكتيريا البروتينية ألفا قد حدث قبل إشعاع حقيقيات النوى المعروفة [28]. ومع ذلك ، تم الاستدلال على الأشجار المستخدمة في تأصيل نظائرها باستخدام أساليب نسجية مفرطة في البساطة والمعروف أنها لا يمكن الاعتماد عليها لإعادة بناء الأحداث القديمة [5،75] ، مما يترك مجالًا للنقد والنقاش. نتيجة لذلك ، فإن الفرضيات القائلة بأن حقيقيات النوى ، أو على الأقل الخلايا التي تحمل الكثير من التعقيد الذي نربطه مع حقيقيات النوى ، قد تكون موجودة قبل تاريخ بدائيات النوى في الأدبيات [6،7]. في سيناريوهات `` حقيقيات النوى أولاً '' أو `` حقيقيات النوى المبكرة '' ، يُعتقد أن المجموعات الثلاث للحياة الخلوية نشأت بشكل متزامن ، أو يُقترح أن بدائيات النوى نشأت من خلال تبسيط سلف معقد يمتلك العديد من الميزات التي لا تزال قائمة في العصر الحديث. حقيقيات النوى [76-78]. تقدم Mariscal & amp Doolittle [79] نظرة عامة تاريخية واضحة لسيناريوهات "حقيقيات النوى أولاً" ، وتفحص الدوافع الأصلية وتناقش كيف حققت أداءً مع تراكم البيانات الجديدة. تضفي مساهمتهم الوضوح على أدبيات مربكة ومتناقضة في بعض الأحيان ، والأهم من ذلك أنها تحاول توضيح المقصود بعبارة "حقيقيات النوى" في "حقيقيات النوى أولاً" وتحديد كيفية اختبار هذه الأفكار.

جوي وآخرون. [80] تعالج مسألة ما جاء أولاً من منظور منهجي ، والتساؤل عما إذا كانت بدائل الجذر البكتيري الموصوفة في الأشجار العالمية (الشكل 1) يمكن رفضها حقًا ، نظرًا لقيود النماذج المستخدمة لاستعادتها [69-71] . يقترحون أن استخدام نماذج أفضل واهتمام أكثر بخصائص البيانات ضروري لإعادة تقييم موضع الجذر ، ونحن نتفق بشدة على أن هذا مطلوب بشكل عاجل. على وجه الخصوص ، فإن الاستنتاج بأن حقيقيات النوى تتفرع داخل الأركيا يفترض وجود جذر خارج هاتين المجموعتين - وهو افتراض ضعيف ، وفقًا لـ Gouy وآخرون. [80]. يجادلون أيضًا بأن تفضيل الجذر البكتيري يتأثر بالتحيز المستمر الذي يفضل السيناريوهات التطورية البسيطة إلى المعقدة ، وهو موقف تقدمي غير مفيد ينتقده أيضًا Mariscal & amp Doolittle [79].

إن السؤال عن أفضل السبل لاقتلاع أشجار النشوء والتطور هو سؤال بارز على جميع مستويات التسلسل الهرمي التصنيفي ، مع تقديم الجدل الأخير حول جذر شجرة حقيقية النواة مثالًا آخر مهمًا [81-83]. تعتمد معظم الطرق المستندة إلى الشجرة المنشورة للتجذير على تأصيل المجموعة الخارجية. هذا له مشاكل معروفة ، لأن المجموعة الخارجية غالبًا ما تكون شديدة الاختلاف عن المجموعة الداخلية ، وهذا يجعل التحليلات عرضة للقطع الأثرية طويلة الفروع المعروفة التي أفسدت العمل على التطور المبكر ، كما ناقشها عدد من المساهمين لدينا. كبديل للتجذير خارج المجموعة ، ويليامز وآخرون. [84] تقييم إمكانات نماذج الاستبدال غير القابلة للعكس وغير الثابتة ، والتي تستنتج جذر الشجرة كجزء لا يتجزأ من التحليل. هذه نماذج يعتمد فيها احتمال الشجرة على نقطة البداية للعملية البديلة ، بحيث يتم تجذير الأشجار المستنبطة. لقد أظهرت هذه الطرق سابقًا أنها واعدة [85،86] ، ولكن لم يتم تطبيقها بشكل عام بسبب العبء الحسابي الإضافي لتركيب النموذج مقارنة بالنماذج القياسية. تم تطبيق نموذجين تم وصفهما مؤخرًا لاستنتاج جذر الشجرة الشاملة والحصول على جذر إما داخل المجال البكتيري أو على الفرع الذي يفصل بين البكتيريا والعتيقات ، مما يوفر بعض الدعم لفرضيات بدائيات النوى الأولى ويقترح أن تسلسل الجينات يحتوي على إشارة تأصيل يمكن استخراجه. ومع ذلك ، كما هو الحال مع الأساليب التي ناقشها Lartillot [60] و Gouy وآخرون. [80] ، عمليات التنفيذ الحالية بطيئة ، مما يحد من حجم مجموعات البيانات التي يمكن تحليلها - وهي صعوبة خطيرة نظرًا للأهمية الراسخة لأخذ عينات تصنيفية واسعة لاستنتاج أشجار النشوء والتطور [59] ، وعلى الرغم من أن النماذج واعدة ، فهي ليست مكتملة بأي حال من الأحوال .

6. بعض الملاحظات الختامية

من غير المحتمل أن يكون استنتاج الأحداث القديمة من كميات صغيرة من البيانات باستخدام أساليب لا ترقى إلى مستوى الوظيفة خاليًا من الأخطاء ، ولا شك أن بعض الآراء ستتغير مرة أخرى. ومع ذلك ، فإن الأوراق في هذا الموضوع - وتلك الموجودة في مجموعة حديثة أخرى [87] - تشهد على حقبة من الإثارة الملحوظة في مجال أصول حقيقية النواة. إن الجدل حول الأهمية النسبية لنقل الجينات غير التكافلي الداخلي ، وفرضيات النقل الجماعي مقابل المستمر كمصدر (مصادر) للجينات بدائية النواة على الجينوم البدائي وحقيقية النواة ، هو جدل حيوي بشكل خاص. بعض المناقشات مدفوعة بالصعوبات الكامنة في محاولة استنتاج الأحداث من الأشجار التي لم يتم حلها بشكل جيد ، بسبب التشبع والتعقيدات الأخرى لتطور الجينات ، وأيضًا بسبب أخذ عينات محدودة من التنوع الميكروبي. ومع ذلك ، فمن الواضح جدًا ، ومنذ بعض الوقت [8،9،88] ، أن HGT المنتشر يعني أنه لا توجد شجرة واحدة يمكنها تصوير تاريخ جميع الجينات الموجودة على جينومات بدائية النواة أو حقيقية النواة. ستستمر الأشجار والأساليب غير القائمة على الأشجار مثل الشبكات في أن تكون نهجًا تكميلية وتآزرية لتحليل كيفية تطور الجينوم.

أحد المجالات المثيرة بشكل خاص هو استكشاف التنوع الميكروبي غير المثقف ، والذي لديه القدرة على التركيز على أقرب الأقارب الباقية من التعايش الداخلي للميتوكوندريا [89] وسلالة المضيف البدائي المقترح [23] وتوفير إطار تجريبي للاختبار الفرضيات المفضلة حاليًا. هؤلاء الشركاء في تطور حقيقيات النوى المبكر ، مثلهم مثل جميع الأجداد ، منقرضون منذ فترة طويلة - لكن أخذ عينات أفضل من أقاربهم المعاصرين يمكن أن يساعد في تحسين الأشجار وتنقيح الاستنتاجات حول المحتوى الجيني والسمات الخلوية لأسلافنا بدائية النواة. إن اكتشاف Lokiarchaeota ، بمحتواها المعزز من الجينات التي كان يُعتقد سابقًا أنها نوعية حقيقية النواة ، يعد اكتشافًا مثيرًا بشكل خاص ويقدم دليلاً على أن طرق علم الوراثة ، مهما كانت غير كاملة ، يمكن استخدامها لاستنتاج العلاقات القديمة [24]. لكن بيانات التسلسل لا يمكن أن تأخذنا إلا حتى الآن ، ويتمثل التحدي الرئيسي الآن في عزل Lokiarchaeota والأنساب البيئية الأخرى ذات الصلة في الثقافة بحيث يمكن دراسة المظهر الخلوي لمحتوى الجينوم الخاص بهم - بيولوجيتهم وعلم وظائفهم - في المختبر.


خلفية

يمثل ظهور الخلية حقيقية النواة مع نواتها ونظام الغشاء الداخلي والعضيات المرتبطة بالغشاء قفزة نوعية في التعقيد تتجاوز أي شيء يمكن رؤيته في بدائيات النوى [1] - [3]. يُعتقد أن التقسيم الخلوي المعقد والارتباط التكافلي بالميتوكوندريا قد مكّن حقيقيات النوى من تبني أدوار بيئية جديدة ووفر مقدمة للعديد من الأصول الناجحة لتعدد الخلايا. ومع ذلك ، على الرغم من الاعتراف به باعتباره الانتقال التطوري الأكثر عمقًا في التنظيم الخلوي ، إلا أن أصول الخلية حقيقية النواة لا تزال غير مفهومة جيدًا.

كانت الأحداث الرئيسية في تطور حقيقيات النوى هي اكتساب النواة ونظام الغشاء الداخلي والميتوكوندريا. لقد ثبت الآن بما لا يدع مجالاً للشك أن الميتوكوندريا مشتقة من البكتيريا البروتينية ألفا [4] - [6]. تتفق النماذج الحالية لأصل حقيقيات النوى عمومًا على أن الميتوكوندريا البدائية دخلت الخلية عن طريق البلعمة. وبالمثل ، تفترض النماذج الأكثر تفضيلاً لأصول النواة أنها تشكلت داخل خلية بدائية النواة نتيجة لانغماس غشاء البلازما - سواء عن طريق البلعمة في التعايش الداخلي الذي يتوافق مع الحيز النووي أو عن طريق استيعاب الأغشية التي أصبحت منظمة حول الكروماتين (تمت مراجعتها في [7] ومناقشتها بمزيد من التفصيل أدناه). وبالتالي ، فإن النظريات الموجودة حول أصل حقيقيات النوى تشترك في افتراض أن النواة عبارة عن هيكل جديد تم تشكيله داخل حدود غشاء بلازما موجود وغير متغير إلى حد كبير [8] - فهي نماذج من الخارج إلى الداخل.

هنا ، شرعنا في تحدي المنظور من الخارج إلى الداخل. غالبًا ما تولد العتائق نتوءات خارج الخلية [9] - [14] ، ولكن لا يُعرف عنها أنها تخضع لعمليات تشبه الالتقام الخلوي أو البلعمة. لذلك ، نقترح أن بنية الخلية حقيقية النواة نشأت نتيجة بثق الغشاء. باختصار ، نقترح أن حقيقيات النوى تطورت من خلية بدائية النواة ذات غشاء محيط واحد امتد نتوءات خارج الخلية اندمجت لتنتج نظام السيتوبلازم والغشاء الداخلي. بموجب هذا النموذج الداخلي ، فإن الحجرة النووية ، أي ما يعادل جسم الخلية بدائية النواة ، هي أقدم جزء من الخلية وظلت سليمة من الناحية الهيكلية أثناء الانتقال من منظمة الخلايا بدائية النواة إلى خلية حقيقية النواة.

يوفر النموذج من الداخل إلى الخارج مسارًا تدريجيًا بسيطًا لتطور حقيقيات النوى ، والذي ، كما نجادل ، يناسب البيانات الموجودة على الأقل وكذلك أي نظرية حالية. علاوة على ذلك ، فإنه يلقي ضوءًا جديدًا على السمات الغامضة سابقًا لبيولوجيا الخلايا حقيقية النواة ، بما في ذلك تلك التي قادت الآخرين إلى اقتراح الحاجة إلى مراجعة نظرية الخلية الحالية [15]. بالنظر إلى العدد الكبير من التنبؤات القابلة للاختبار التي قدمها نموذجنا ، وقدرته على تحفيز بحث تجريبي جديد ، فإننا نجادل بأن النموذج من الداخل إلى الخارج يستحق اعتباره كنظرية جديدة لأصل حقيقيات النوى.

نظرة عامة على النماذج الحالية لتطور الخلايا حقيقية النواة

تشرح النماذج التكافلية الداخلية ، من الخارج إلى الداخل أصل النواة والميتوكوندريا على أنها نتيجة لجولات متتابعة من البلعمة والتعايش الداخلي. تستدعي هذه النماذج ثلاثة شركاء - المضيف والنواة والميتوكوندريا - وتتصور الحيز النووي مشتقًا من التعايش الداخلي الذي اجتاحته خلية مضيفة. اقترح المؤلفون أن المضيف (أي السيتوبلازم) يمكن أن يكون أركيون [16] - [18] ، أو بكتريا بروتيوباكتريوم [19] - [21] ، أو بكتيريا من بلوكتوميسيتيس ، فيروكوميكروبيا ، الكلاميديا ​​(PVC) superfylum [22] - [18] ]. تم اقتراح أن التعايش الداخلي (أي النواة) كان آركيون [19] - [22] أو spirochete [16] أو فيروس مرتبط بالغشاء [17] ، [18]. بشكل عام ، تعتبر نماذج التعايش الداخلي غير مألوفة فيما يتعلق بما إذا كانت الميتوكوندريا قد تم الحصول عليها قبل أو بعد النواة. الاستثناء من ذلك هو نموذج الاتحاد التخليقي ، الذي يتصور الاندماج المتزامن لمجتمع تكافلي يتكون من جميع الشركاء الثلاثة: السيتوبلازم والنواة والميتوكوندريا [23] ، [24]. وهناك نموذج "تكافلي داخلي" أكثر تبايناً هو نموذج البوغ الداخلي [25]. يشير هذا إلى أن النواة تطورت عندما أغلقت الخلية أختها بعد انقسام الخلية ، على غرار الطريقة التي تتشكل بها الأبواغ الداخلية في بعض البكتيريا موجبة الجرام. ومع ذلك ، لا يوجد دليل على تكوين الأبواغ أو عمليات الابتلاع الأخرى في الأركيا ، مما يجعل هذه الفرضية غير محتملة.

كشفت التحليلات الأخيرة للتطور السلالات أن جينوم حقيقيات النوى يمثل على الأرجح مزيجًا من جينومين ، أحدهما عتائق [26] ، [27] وواحد بروتيوبكتيري [28] ، [29]. لا يوجد دليل يدعم أي متبرع رئيسي إضافي للجينوم كما هو متوقع بموجب نماذج التعايش الداخلي النووي [30]. علاوة على ذلك ، تتطلب نماذج التعايش الداخلي (بما في ذلك نموذج البوغ الداخلي) نظريات تكميلية لشرح أصل نظام الغشاء الداخلي ، والاستمرارية الفيزيائية للأغشية النووية الداخلية والخارجية ، وتشكيل المسام النووية. في ضوء هذه الحقائق ، لا نعتقد أن التعايش الداخلي يقدم تفسيرًا مقنعًا لأصل الحيز النووي [2] ، [7] ، [31] - [33].

بالنظر إلى مشاكل نماذج التعايش الداخلي ، نعتقد أن النماذج الحالية الأكثر إقناعًا لأصل حقيقيات النوى هي تلك التي تستدعي أصلًا ذاتيًا للنواة. تشير هذه عادة إلى أن سلف بدائية النواة طور القدرة على غزو الأغشية لتكوين حجرات داخلية مرتبطة بغشاء ، والتي أصبحت منظمة حول الكروماتين لتكوين نواة [32] ، [34] - [36]. في بعض النماذج ، تم ضغط غشاء البلازما لتشكيل مقصورات داخلية تشبه الشبكة الإندوبلازمية (ER) والتي أصبحت فيما بعد منظمة حول الكروماتين لتشكيل الغلاف النووي الداخلي والخارجي [35] ، [37] - [39]. بدلاً من ذلك ، يمكن النظر إلى الأغشية النووية على أنها ناشئة عن غشاءات غشاء البلازما ، لذلك كان لخلية حقيقيات النوى المبكرة غلاف ER ونووي كانا متواصلين مع غشاء الخلية الخارجي [40]. في كلتا الحالتين ، في ظل هذه النماذج ، يتم اشتقاق الغشاء النووي في النهاية من غشاء البلازما الداخلي.

اقترحت النماذج الأقدم ذاتية التولد من الخارج عمومًا أن الميتوكوندريا قد اكتسبتها خلية لديها بالفعل نواة [32] ، [34] ، [35] - بما يتماشى مع نتائج دراسات علم الوراثة المبكرة [41]. اقترحت بيانات علم الوراثة الأحدث أن الميتوكوندريا كانت موجودة في آخر سلف مشترك حقيقي النواة [42] ، [43]. وقد أدى ذلك إلى صياغة نماذج ذاتية جديدة يسبق فيها اكتساب الميتوكوندريا تكوين الحيز النووي [1] ، [23] ، [44] - [46].

نظرة عامة على النموذج الداخلي

في الأقسام التالية ، نحدد سلسلة من الخطوات التطورية البسيطة من بدائية النواة إلى بنية خلية حقيقية النواة بالكامل ، مدفوعة في المقام الأول بالاختيار من أجل ارتباط متبادل حميم بشكل متزايد بين الخلية المضيفة البدائية والبكتيريا البروتينية ألفا (الميتوكوندريا البدائية) ، والتي عاشت في البداية على سطح الخلية المضيفة (الشكل 1). تحت الفرضية من الداخل إلى الخارج ، تم اشتقاق الغشاء النووي الخارجي وغشاء البلازما والسيتوبلازم من نتوءات خارج الخلية (الفقاعات) ، بينما تمثل ER المسافات بين الفقاعات (الجدول 1). تم حصر الميتوكوندريا في البداية في ER ، لكنها اخترقت لاحقًا غشاء ER لتدخل السيتوبلازم المناسب. في إطار النموذج الداخلي ، كانت الخطوة الأخيرة في تكوين حقيقيات النوى هي تشكيل غشاء بلازما مستمر ، والذي يغلق ER من الخارج.

نموذج من الداخل إلى الخارج لتطور تنظيم الخلايا حقيقية النواة. نموذج يوضح التطور التدريجي لتنظيم الخلايا حقيقية النواة من (أ) سلف الخلية eocyte مع غشاء محيط واحد وجدار خلية غني بالبروتين السكري (طبقة S) يتفاعل مع البكتيريا البروتينية α (بروتو ميتوكوندريا). (ب) نتخيل نتوءات خلية eocyte المكونة ، بمساعدة تفاعلات غشاء البروتين في عنق النتوء. سهلت هذه النتوءات تبادل المواد مع الميتوكوندريا البدائية. (ج) كان من الممكن أن يؤدي اختيار مساحة أكبر من الاتصال بين المتعايشين إلى تضخم البليب وفقدان الطبقة S في نهاية المطاف من النتوءات. (د) بعد ذلك ، كان من الممكن أن يتم تثبيت Blebs بشكل أكبر من خلال تطوير مجمع الحلقة الخارجية للمسام النووية المتماثلة (الشكل 2) ومن خلال إنشاء مجمعات LINC التي ، بعد الفقد التدريجي للطبقة S ، ترتبط فعليًا بجسم الخلية الأصلي (الوليدة) المقصورة النووية) للأغشية الداخلية. (هـ) مع توسع الفقاعات لإحاطة الميتوكوندريا البدائية ، وهي عملية من شأنها أن تسهل من اكتساب المضيف لآلات التخليق الحيوي للدهون البكتيرية ، فإن موقع نمو الخلية سيتحول تدريجياً إلى السيتوبلازم ، مما يسهله تطوير حركة المرور المنظمة من خلال المسام النووية. في الوقت نفسه ، كانت المسافات بين الفقاعات قد مكنت من النضج التدريجي للبروتينات التي تفرز في البيئة عبر الفضاء المحيط بالنواة من خلال الارتباط بالجليكوزيل والانقسام التحلل للبروتين. (F) أخيرًا ، كان اندماج الفقاعات قد ربط الأجزاء السيتوبلازمية وقاد تكوين غشاء بلازما سليم ، ربما من خلال عملية شبيهة بالبلعمة حيث يغلف أحد الفقاعات الكل. كان من شأن هذا الانتقال الطوبولوجي البسيط أن يعزل الشبكة الإندوبلازمية عن العالم الخارجي ، ويقود التطور الكامل لنظام الاتجار الحويصلي ، ويؤسس انتقالًا رأسيًا صارمًا للميتوكوندريا ، مما يؤدي إلى خلية ذات تنظيم خلية حقيقية النواة.

اقترحت ورقة واحدة أخرى فقط نحن على دراية بها أن الحيز النووي يتوافق مع حدود خلية أسلاف. ومع ذلك ، فإن فرضية الغشاء الخارجي لدي روس [47] تختلف تمامًا عن النموذج المطروح هنا. افترض De Roos أن نقطة البداية كانت حقيقية النواة بدائية مع غشاء مزدوج يفرز حويصلات غشائية خارج الخلية تلتحم لتشكل غشاء بلازمي مغلق. علاوة على ذلك ، يعتمد نموذجه على وجهة نظر غير تقليدية للتاريخ التطوري ، بما في ذلك الأصل المستقل للخلايا حقيقية النواة والخلايا بدائية النواة. وبالتالي ، لن نناقش فرضية الغشاء الخارجي أكثر.

في الأقسام التالية ، نصف النموذج الداخلي بالتفصيل. نناقش العمليات الخلوية التي ينطوي عليها توليد الحيز السيتوبلازمي ونظام تهريب الحويصلات وغشاء البلازما والأهداب والسوط. نشير في كل قسم إلى الدوافع الانتقائية ذات الصلة والأدلة الداعمة. أخيرًا ، ننظر إلى بعض الآثار والتنبؤات القابلة للاختبار للنموذج ونختتم بالتأمل في احتمالات تحديد أي من النماذج ، من الداخل إلى الخارج أو من الخارج ، من المرجح أن يكون صحيحًا.


على أصل الخلايا المخففة

تم تقديم نظرية حول أصل الخلايا حقيقية النواة (الخلايا "الأعلى" التي تنقسم بواسطة الانقسام الفتيلي الكلاسيكي). من خلال الفرضية ، كانت ثلاث عضيات أساسية: الميتوكوندريا ، والبلاستيدات الضوئية والأجسام القاعدية (9 + 2) من السوط ، كانت نفسها ذات يوم خلايا حرة (بدائية النواة). تم وصف تطور عملية التمثيل الضوئي في ظل الظروف اللاهوائية للغلاف الجوي المبكر لتشكيل البكتيريا اللاهوائية والبكتيريا الضوئية وفي النهاية الطحالب الخضراء المزرقة (والبروتوبلاستيدات). من المفترض أن التطور اللاحق لعملية التمثيل الغذائي الهوائي في بدائيات النوى لتشكيل بكتيريا هوائية (protoflagella و protomitochondria) حدث أثناء الانتقال إلى الغلاف الجوي المؤكسد. تطور الانقسام الخيطي الكلاسيكي في الخلايا من النوع الأولي بعد ملايين السنين من تطور التمثيل الضوئي. يتم تقديم مخطط معقول لأصل الانقسام الكلاسيكي في الأميبوفلاجيلات البدائية. أثناء تطور الانقسام الفتيلي ، تم الحصول على بلاستيدات التمثيل الضوئي (مشتقة من بدائيات النوى) بشكل تكافلي من قبل بعض هذه الكائنات الأولية لتشكيل الطحالب حقيقية النواة والنباتات الخضراء. يتم تقديم الأدلة الخلوية والكيميائية الحيوية وعلم الأحافير لهذه النظرية ، جنبًا إلى جنب مع اقتراحات لمزيد من التحقق التجريبي المحتمل. تمت مناقشة الآثار المترتبة على هذا المخطط لمنهجية الكائنات الحية السفلى.


محتويات

قد تتداخل الجينات بعدة طرق ويمكن تصنيفها حسب مواقعها بالنسبة لبعضها البعض. [2] [6] [7] [8] [9]

  • أحادي الاتجاه أو بالتزامن التداخل: يتداخل الطرف الثالث لجين واحد مع الطرف الخامس لجين آخر على نفس الخيط. يمكن ترميز هذا الترتيب بالرمز → → حيث تشير الأسهم إلى إطار القراءة من البداية إلى النهاية.
  • متقارب أو ينتهي في التداخل: تتداخل الأطراف الثلاثة للجينين على خيوط متقابلة. يمكن كتابة هذا كـ → ←.
  • متشعب أو الذيل على التداخل: تتداخل الأطراف الخمسة للجينين على خيوط متقابلة. يمكن كتابة هذا كـ ← →.

يمكن أيضًا تصنيف الجينات المتداخلة حسب المراحل، التي تصف إطارات القراءة النسبية الخاصة بها: [2] [6] [7] [8] [9]

  • في مرحلة التداخل يحدث عندما تستخدم التسلسلات المشتركة نفس إطار القراءة. يُعرف هذا أيضًا باسم "المرحلة 0". لا تعتبر الجينات أحادية الاتجاه مع تداخل المرحلة 0 جينات متميزة ، بل تعتبر مواقع بدء بديلة لنفس الجين.
  • تداخلات خارج المرحلة يحدث عندما تستخدم التسلسلات المشتركة إطارات قراءة مختلفة. يمكن أن يحدث هذا في "المرحلة 1" أو "المرحلة 2" ، اعتمادًا على ما إذا كانت إطارات القراءة يتم تعويضها بواسطة 1 أو 2 نيوكليوتيدات. نظرًا لأن الكودون يبلغ طوله ثلاثة نيوكليوتيدات ، فإن إزاحة ثلاثة نيوكليوتيدات هي عبارة عن إطار في المرحلة 0.

الجينات المتداخلة شائعة بشكل خاص في الجينومات سريعة التطور ، مثل الفيروسات والبكتيريا والميتوكوندريا. قد تنشأ من ثلاث طرق: [10]

  1. عن طريق تمديد إطار القراءة المفتوح الموجود (ORF) في اتجاه مجرى النهر إلى جين متجاور بسبب فقدان كودون التوقف
  2. عن طريق تمديد ORF الحالي المنبع إلى جين قريب بسبب فقدان كودون البدء
  3. من خلال توليد رواية ORF داخل واحدة موجودة بسبب طفرة نقطية.

قد يوفر استخدام نفس تسلسل النوكليوتيدات لتشفير جينات متعددة ميزة تطورية بسبب انخفاض حجم الجينوم وبسبب فرصة التنظيم المشترك النسخي والترجمة للجينات المتداخلة. [7] [11] [12] [13] تقدم التداخلات الجينية قيودًا تطورية جديدة على تسلسلات المناطق المتداخلة. [9] [14]

أصول الجينات الجديدة تحرير

في عام 1977 ، اقترح بيير بول غراسي أن أحد الجينات في الزوج قد نشأ من جديد عن طريق الطفرات لإدخال ORFs الجديدة في إطارات قراءة بديلة ، وصف الآلية بأنها الطباعة الفوقية. [15]: 231 تم إثبات ذلك لاحقًا بواسطة Susumu Ohno ، الذي حدد الجين المرشح الذي قد يكون نشأ عن طريق هذه الآلية. [16] بعض جينات de novo التي تنشأ بهذه الطريقة قد لا تظل متداخلة ، ولكنها تؤدي وظيفتها الفرعية بعد تكرار الجينات ، [3] مما يساهم في انتشار الجينات اليتيمة. يمكن تحديد أي عضو من زوج الجينات المتداخلة الأصغر سنًا من خلال المعلومات البيولوجية إما عن طريق توزيع أكثر تقييدًا للتطور ، أو عن طريق استخدام الكودون الأقل تحسينًا. [4] [17] [18] يميل الأعضاء الأصغر سنًا في هذا الزوج إلى الإصابة باضطراب بنيوي جوهري أعلى من الأعضاء الأكبر سنًا ، ولكن الأعضاء الأكبر سنًا هم أيضًا أكثر اضطرابًا من البروتينات الأخرى ، ويفترض أنها طريقة للتخفيف من القيود التطورية المتزايدة التي يفرضها التداخل . [17] من المرجح أن تنشأ التداخلات في البروتينات التي لديها بالفعل اضطراب شديد. [17]

تحدث الجينات المتداخلة في جميع مجالات الحياة ، ولكن بترددات متفاوتة. وهي شائعة بشكل خاص في الجينوم الفيروسي.

تحرير الفيروسات

تم تحديد وجود الجينات المتداخلة لأول مرة في الفيروسات ، حيث احتوى جينوم الحمض النووي الأول على الإطلاق ، من العاثية ΦX174 ، على عدة أمثلة. [19] مثال آخر هو ORF3d الجين في فيروس SARS-CoV 2. [1] [21] الجينات المتداخلة شائعة بشكل خاص في الجينوم الفيروسي. [4] تعزو بعض الدراسات هذه الملاحظة إلى الضغط الانتقائي تجاه أحجام الجينوم الصغيرة بوساطة القيود المادية لتعبئة الجينوم في قفيصة فيروسية ، خاصةً أحد الهندسة عشروني الوجوه. [22] ومع ذلك ، تعارض دراسات أخرى هذا الاستنتاج وتجادل بأن توزيع التداخلات في الجينوم الفيروسي من المرجح أن يعكس الطباعة الفوقية كأصل تطوري للجينات الفيروسية المتداخلة. [23] تعد الطباعة الفوقية مصدرًا شائعًا لـ من جديد الجينات في الفيروسات. [18]

تشير الدراسات التي أجريت على الجينات الفيروسية المطبوعة فوق طاقتها إلى أن منتجاتها البروتينية تميل إلى أن تكون بروتينات ملحقة ليست ضرورية لتكاثر الفيروس ، ولكنها تساهم في الإمراضية. غالبًا ما يكون للبروتينات المطبوعة بشكل زائد توزيعات غير عادية للأحماض الأمينية ومستويات عالية من الاضطراب الجوهري. [24] في بعض الحالات ، تحتوي البروتينات المطبوعة فوقيًا على هياكل ثلاثية الأبعاد محددة جيدًا ولكنها جديدة [25] أحد الأمثلة على ذلك هو مثبط إسكات RNA p19 الموجود في فيروسات Tombusvirus ، والذي يحتوي على طية بروتينية جديدة ونمط ربط جديد في التعرف siRNAs. [18] [20] [26]

بدائيات النوى تحرير

تشير تقديرات التداخل الجيني في الجينوم البكتيري عادةً إلى أن حوالي ثلث الجينات البكتيرية متداخلة ، على الرغم من وجود أزواج قليلة من القواعد عادةً. [7] [27] [28] تجد معظم دراسات التداخل في الجينوم البكتيري دليلًا على أن التداخل يخدم وظيفة في تنظيم الجينات ، مما يسمح للجينات المتداخلة أن يتم نسخها وتنظيمها بشكل مشترك. [7] [13] في جينومات بدائية النواة ، تكون التداخلات أحادية الاتجاه أكثر شيوعًا ، وربما يرجع ذلك إلى ميل الجينات بدائية النواة المجاورة لمشاركة التوجه. [7] [9] [6] من بين التداخلات أحادية الاتجاه ، تتم قراءة التداخلات الطويلة بشكل أكثر شيوعًا مع تعويض أحادي النوكليوتيد في إطار القراءة (أي ، المرحلة 1) ، وتُقرأ التداخلات القصيرة بشكل أكثر شيوعًا في المرحلة 2. [28] [29 ] التداخلات الطويلة التي تزيد عن 60 زوجًا أساسيًا هي أكثر شيوعًا للجينات المتقاربة ، ومع ذلك ، فإن التداخلات الطويلة المفترضة لها معدلات عالية جدًا من التفسير الخاطئ. [30] الأمثلة التي تم التحقق من صحتها بشكل قوي للتداخلات الطويلة في الجينوم البكتيري نادرة في كائن النموذج المدروس جيدًا الإشريكية القولونية، فقط أربعة أزواج من الجينات تم التحقق من صحتها جيدًا على أنها تحتوي على تداخلات طويلة ومُطبوعة فوقيًا. [31]

حقيقيات النوى تحرير

بالمقارنة مع الجينومات بدائية النواة ، غالبًا ما يتم شرح الجينومات حقيقية النواة بشكل سيئ ، وبالتالي فإن تحديد التداخلات الحقيقية يمثل تحديًا نسبيًا. [18] ومع ذلك ، فقد تم توثيق أمثلة على التداخلات الجينية التي تم التحقق من صحتها في مجموعة متنوعة من الكائنات حقيقية النواة ، بما في ذلك الثدييات مثل الفئران والبشر. [32] [33] [34] [35] تختلف حقيقيات النوى عن بدائيات النوى في توزيع أنواع التداخل: بينما تكون التداخلات أحادية الاتجاه (أي ، نفس الخيط) أكثر شيوعًا في بدائيات النوى ، فإن التداخلات المعاكسة أو المضادة للتوازي تكون أكثر شيوعًا في حقيقيات النوى. من بين التداخلات المعاكسة ، يكون الاتجاه المتقارب هو الأكثر شيوعًا. [33] وجدت معظم الدراسات حول تداخل الجينات حقيقية النواة أن الجينات المتداخلة تخضع على نطاق واسع لإعادة التنظيم الجينومي حتى في الأنواع ذات الصلة الوثيقة ، وبالتالي فإن وجود التداخل ليس دائمًا محفوظًا جيدًا. [34] [36] التداخل مع الجينات القديمة أو الأقل تقييدًا تصنيفيًا هو أيضًا سمة شائعة للجينات التي يحتمل أن تكون قد نشأت من جديد في سلالة حقيقية النواة معينة. [34] [37] [38]

يبدو أن الوظائف الدقيقة للجينات المتداخلة تختلف عبر مجالات الحياة ، لكن العديد من التجارب أظهرت أنها مهمة لدورات حياة الفيروس من خلال التعبير السليم للبروتين وقياس العناصر الكيميائية [39] بالإضافة إلى لعب دور في طي البروتين المناسب. [40] تم أيضًا إنشاء نسخة من العاثية ΦX174 حيث تمت إزالة جميع التداخلات الجينية [41] مما يثبت أنها ليست ضرورية للتكرار.


محتويات

في النصف الثاني من القرن التاسع عشر ، اقترح عمل جريجور مندل الرائد حول وراثة الصفات في نباتات البازلاء أن "عوامل" محددة (تم تحديدها حاليًا كجينات) هي المسؤولة عن نقل السمات العضوية بين الأجيال. [4] على الرغم من الافتراض في البداية أن البروتينات تعمل كمواد وراثية ، إلا أن أفيري وماكلويد وماكارتي أسسوا الحمض النووي بعد قرن من الزمان ، والذي اكتشفه فريدريش ميشر ، باعتباره الناقل للمعلومات الجينية. [5] مهدت هذه النتائج الطريق للبحث عن الطبيعة الكيميائية للحمض النووي وقواعد ترميز المعلومات الجينية ، وأدت في النهاية إلى اقتراح البنية الحلزونية المزدوجة للحمض النووي بواسطة واطسون وكريك. [6] هذا النموذج ثلاثي الأبعاد للحمض النووي يضيء الآليات المحتملة التي يمكن من خلالها نسخ المعلومات الجينية بطريقة شبه تحفظية قبل انقسام الخلية ، وهي فرضية تم دعمها تجريبيًا لاحقًا بواسطة Meselson و Stahl باستخدام دمج النظائر لتمييز الوالدين عن المركب حديثًا الحمض النووي. [7] [8] كان العزل اللاحق لبوليميراز الحمض النووي ، الإنزيمات التي تحفز تخليق خيوط DNA الجديدة ، بواسطة كورنبيرج وزملائه الرائد في تحديد العديد من المكونات المختلفة لآلية تكرار الحمض النووي البيولوجي ، أولاً في نموذج الكائن الحي البكتيري بكتريا قولونية، ولكن لاحقًا أيضًا في أشكال الحياة حقيقية النواة. [2] [9]

إن أحد المتطلبات الأساسية لتكرار الحمض النووي هو أنه يجب أن يحدث بدقة عالية للغاية وكفاءة مرة واحدة بالضبط في كل دورة خلية لمنع تراكم التعديلات الجينية التي قد تكون لها عواقب ضارة على بقاء الخلية وحيوية الكائن الحي. [10] يمكن أن تؤدي أحداث تكرار الحمض النووي غير المكتملة أو الخاطئة أو المفاجئة إلى حدوث طفرات وتعدد الصبغيات الصبغية أو اختلال الصيغة الصبغية وتغيرات في عدد نسخ الجينات ، وكل منها يمكن أن يؤدي بدوره إلى أمراض ، بما في ذلك السرطان. [11] [12] لضمان التكرار الكامل والدقيق للجينوم بأكمله والتدفق الصحيح للمعلومات الجينية إلى خلايا النسل ، لا يتم تنظيم جميع أحداث تكرار الحمض النووي بإحكام من خلال إشارات دورة الخلية فحسب ، بل يتم تنسيقها أيضًا مع الأحداث الخلوية الأخرى مثل النسخ وإصلاح الحمض النووي. [2] [13] [14] [15] بالإضافة إلى ذلك ، عادةً ما تحتوي تسلسلات المنشأ على محتوى AT عالي في جميع الممالك ، نظرًا لأنه من الأسهل فصل تكرارات الأدينين والثايمين لأن تفاعلات التراص الأساسية ليست قوية مثل تلك الخاصة بالجوانين و السيتوزين. [16]

ينقسم تكاثر الحمض النووي إلى مراحل مختلفة. أثناء البدء ، يتم تجميع آليات النسخ المتماثل - التي يطلق عليها repisomes - على الحمض النووي بطريقة ثنائية الاتجاه. تشكل مواقع التجميع هذه مواقع البدء لأصول النسخ المتماثل أو النسخ المتماثل للحمض النووي. في مرحلة الاستطالة ، تنتقل البدائل في اتجاهين متعاكسين مع شوكات النسخ المتماثل ، وتفكك حلزون الحمض النووي وتوليف خيوط الحمض النووي للابنة التكميلية باستخدام كل من الخيوط الأبوية كقوالب. بمجرد اكتمال النسخ المتماثل ، تؤدي أحداث إنهاء محددة إلى تفكيك repisomes. طالما تم تكرار الجينوم بأكمله قبل انقسام الخلية ، فقد يفترض المرء أن موقع مواقع بدء النسخ المتماثل لا يهم بعد ، فقد ثبت أن العديد من الكائنات الحية تستخدم مناطق الجينوم المفضلة كأصول. [17] [18] من المحتمل أن تنشأ ضرورة تنظيم موقع المنشأ من الحاجة إلى تنسيق تكرار الحمض النووي مع العمليات الأخرى التي تعمل على قالب الكروماتين المشترك لتجنب انكسارات شرائط الحمض النووي وتلف الحمض النووي. [2] [12] [15] [19] [20] [21] [22] [23]

منذ أكثر من خمسة عقود ، اقترح جاكوب وبرينر وكوزين فرضية الريبلكون لشرح تنظيم تخليق الحمض النووي الصبغي في بكتريا قولونية. [24] يفترض النموذج أن مادة قابلة للانتشار ، عبر- عامل التأثير ، ما يسمى بالبادئ ، يتفاعل مع أ رابطة الدول المستقلة- فاعل عنصر الحمض النووي ، المضاعف ، لتعزيز بداية النسخ المتماثل في الأصل القريب. بمجرد ربطها بالنسخ المتماثل ، تقوم البادئات (غالبًا بمساعدة بروتينات اللودر المشترك) بإيداع الهليكازات التكرارية على الحمض النووي ، مما يؤدي لاحقًا إلى تجنيد مكونات إعادة السموم الإضافية وتجميع آلية النسخ بالكامل. وبالتالي تحدد أداة النسخ المتماثل موقع أحداث بدء النسخ المتماثل ، ويتم تعريف منطقة الكروموسوم التي يتم نسخها من أصل واحد أو حدث بدء على أنها النسخة المتماثلة. [2]

من السمات الأساسية لفرضية الريبلكون أنها تعتمد على التنظيم الإيجابي للتحكم في بداية تكرار الحمض النووي ، والذي يمكن أن يفسر العديد من الملاحظات التجريبية في الأنظمة البكتيرية والعاثية. [24] على سبيل المثال ، فإنه يفسر فشل الحمض النووي خارج الصبغيات بدون أصول في التكاثر عند إدخالها في الخلايا المضيفة. كما أنه يبرر عدم توافق البلازميد في الإشريكية القولونية ، حيث تزعزع بعض البلازميدات استقرار ميراث بعضها البعض بسبب المنافسة على نفس آلية البدء الجزيئي. [25] على النقيض من ذلك ، فشل نموذج التنظيم السلبي (مشابه لنموذج مشغل النسخ المتماثل للنسخ) في شرح النتائج المذكورة أعلاه. [24] ومع ذلك ، فإن البحث الذي أعقب اقتراح جاكوب وبرينر وكوزين لنموذج الريليكون قد اكتشف العديد من الطبقات الإضافية للتحكم في النسخ المتماثل في البكتيريا وحقيقيات النوى التي تشتمل على العناصر التنظيمية الإيجابية والسلبية ، مما يبرز كل من التعقيد وأهمية تقييد تكرار الحمض النووي الزماني والمكاني. [2] [26] [27] [28]

أثبت مفهوم المضاعف ككيان وراثي أنه مفيد للغاية في السعي لتحديد تسلسل الحمض النووي المتماثل والبروتينات البادئة في بدائيات النوى ، وإلى حد ما أيضًا في حقيقيات النوى ، على الرغم من أن تنظيم وتعقيد النسخ المتماثلة يختلفان اختلافًا كبيرًا بين مجالات الحياة. [29] [30] بينما تحتوي الجينوم البكتيري عادةً على مكرر واحد يتم تحديده من خلال عناصر تسلسل الحمض النووي المتوافقة والتي تتحكم في تكرار الكروموسوم بأكمله ، فإن معظم مكررات حقيقيات النوى - باستثناء الخميرة الناشئة - لم يتم تعريفها على مستوى الحمض النووي بدلاً من ذلك ، يبدو أنها محددة بشكل اندماجي من خلال الإشارات الهيكلية والكروماتين المحلية للحمض النووي. [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] الكروموسومات حقيقية النواة هي أيضًا أكبر بكثير من نظيراتها البكتيرية ، مما يزيد من الحاجة إلى بدء تخليق الحمض النووي من العديد في وقت واحد لضمان تكرار الجينوم بأكمله في الوقت المناسب. بالإضافة إلى ذلك ، يتم تحميل العديد من المروحيات التكرارية بدلاً من تنشيطها لبدء النسخ المتماثل في دورة خلية معينة. يقترح التعريف الذي يحركه السياق للنسخ المتماثلة واختيار الأصول نموذجًا متماثلًا مريحًا في أنظمة حقيقية النواة يسمح بالمرونة في برنامج تكرار الحمض النووي. [29] على الرغم من أنه يمكن التباعد ماديًا بين الناسخات والأصول على الكروموسومات ، إلا أنهما غالبًا ما يتشاركان في التوطين أو يقعان على مقربة شديدة من أجل البساطة ، وبالتالي فإننا سنشير إلى كلا العنصرين على أنهما "أصول" خلال هذه المراجعة. مجتمعة ، يمثل اكتشاف وعزل تسلسل المنشأ في الكائنات الحية المختلفة علامة بارزة نحو اكتساب فهم ميكانيكي لبدء النسخ المتماثل. بالإضافة إلى ذلك ، كان لهذه الإنجازات آثار عميقة في مجال التكنولوجيا الحيوية لتطوير ناقلات المكوك التي يمكن نشرها في الخلايا البكتيرية والخميرة والثديية. [2] [41] [42] [43]

معظم الكروموسومات البكتيرية دائرية وتحتوي على أصل واحد لتكاثر الكروموسومات (oriC). جرثومي oriC تتنوع المناطق بشكل مدهش من حيث الحجم (تتراوح من 250 نقطة أساس إلى 2 كيلو بايت) ، والتسلسل ، والتنظيم [45] [46] ومع ذلك ، فإن قدرتها على دفع بداية النسخ المتماثل تعتمد عادةً على القراءة الخاصة بالتسلسل لعناصر الحمض النووي المتفق عليها بواسطة البادئ البكتيري ، بروتين يسمى DnaA. [47] [48] [49] [50] أصول البكتيريا إما مستمرة أو ثنائية الأجزاء وتحتوي على ثلاثة عناصر وظيفية تتحكم في نشاط الأصل: تكرارات الحمض النووي المحفوظة التي تم التعرف عليها تحديدًا بواسطة DnaA (تسمى صناديق DnaA) ، وهي AT-rich عنصر فك الحمض النووي (DUE) ، ومواقع الربط للبروتينات التي تساعد في تنظيم بدء النسخ المتماثل. [17] [51] [52] تعد تفاعلات الحمض النووي الريبي مع كل من مناطق DnaA المزدوجة (ds) ومع DNA أحادي السلسلة (ss) في DUE مهمة لتنشيط الأصل ويتم توسطها بواسطة مجالات مختلفة في بروتين البادئ: عنصر ربط DNA Helix-turn-helix (HTH) و ATPase المرتبط بأنشطة خلوية مختلفة (AAA +) على التوالي. [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] في حين أن تسلسل وعدد وترتيب مربعات DnaA المرتبطة بالأصل تختلف في جميع أنحاء المملكة البكتيرية ، فإن مواقعها المحددة وتباعدها في الأنواع حاسمة ل oriC وظيفة وللتشكيل المعقد لبدء الإنتاج. [2] [45] [46] [60] [61] [62] [63] [64]

بين البكتيريا ، بكتريا قولونية هو نظام نموذجي قوي بشكل خاص لدراسة آلية التنظيم والتعرف والتفعيل لأصول النسخ المتماثل. بكتريا قولونية oriC يضم ما يقرب من

260 نقطة أساس تحتوي على أربعة أنواع من عناصر ربط البادئ التي تختلف في صلاتها لـ DnaA وتبعياتها على العامل المشترك ATP. تشكل مربعات DnaA-R1 و R2 و R4 مواقع عالية التقارب مرتبطة بمجال HTH لـ DnaA بغض النظر عن حالة البادئ المرتبطة بالنيوكليوتيدات. [47] [65] [66] [67] [68] [69] على النقيض من ذلك ، فإن مواقع I و τ و C ، التي تتخللها مواقع R ، هي مربعات DnaA منخفضة التقارب وترتبط بشكل تفضيلي مع DnaA المرتبط بـ ATP ، على الرغم من أن ADP-DnaA يمكن أن يحل محل ATP-DnaA في ظل ظروف معينة. [70] [71] [72] [63] إن ربط نطاقات HTH بعناصر التعرف على DnaA عالية ومنخفضة التقارب يعزز أوليغوميرات قليلة الدرجة المعتمدة على ATP لوحدات AAA + في DnaA في خيوط أيمن تلتف الحمض النووي المزدوج حول سطحه الخارجي ، مما يولد التواءً فوق حلزونيًا يسهل ذوبان جزيء AT-rich DUE المجاور. [53] [73] [74] [75] يتم أيضًا مساعدة فصل حبال الحمض النووي من خلال التفاعلات المباشرة لمجال AAA + ATPase الخاص بـ DnaA مع التكرارات الثلاثية ، ما يسمى DnaA-trios ، في منطقة DUE القريبة. [76] إن ارتباط مقاطع ثلاثي النوكليوتيدات أحادية الجديلة بواسطة خيوط البادئ يعمل على تمدد الحمض النووي واستقرار فقاعة البدء عن طريق منع إعادة الربط. [57] عنصر أصل DnaA-trio محفوظ في العديد من الأنواع البكتيرية ، مما يشير إلى أنه عنصر أساسي لوظيفة الأصل. [76] بعد الذوبان ، يوفر DUE موقع دخول لـ بكتريا قولونية هيليكاز التكاثر DnaB ، والتي تترسب على كل من خيوط الحمض النووي المفردة بواسطة بروتين محمل DnaC. [2]

على الرغم من أن أنشطة ربط الحمض النووي المختلفة لـ DnaA قد تمت دراستها على نطاق واسع من الناحية الكيميائية الحيوية والمتنوعة apo، أو ssDNA- ، أو dsDNA- تم تحديد الهياكل المرتبطة ، [56] [57] [58] [74] البنية الدقيقة للرتبة الأعلى DnaA-oriC بدء التجمع لا يزال غير واضح. تم اقتراح نموذجين لشرح تنظيم عناصر الأصل الأساسية و DnaA بوساطة oriC ذوبان. يفترض نموذج الحالتين وجود خيوط DnaA مستمرة تتحول من وضع ربط dsDNA (المركب المنظم) إلى وضع ربط ssDNA في DUE (مجمع الانصهار). [74] [77] على النقيض من ذلك ، في نموذج الحلقة الخلفية ، ينحني الحمض النووي بشكل حاد oriC وتثني مرة أخرى على خيوط البادئ بحيث تشتبك بروتومرات الحمض النووي DNA في نفس الوقت مع مناطق الحمض النووي المزدوجة والمفردة. [78] توضيح كيف بالضبط oriC يتم تنظيم الحمض النووي من قبل DnaA وبالتالي يبقى مهمة مهمة للدراسات المستقبلية. سوف تساعد الأفكار المتعمقة في البنية المعقدة للبدء في شرح ليس فقط كيفية ذوبان الحمض النووي الأصلي ، ولكن أيضًا كيفية تحميل الهليكاز التكراري بشكل مباشر على كل من خيوط الحمض النووي المفردة المكشوفة في DUE غير المنحلة ، وكيف يتم مساعدة هذه الأحداث من خلال تفاعلات الهليكاز مع البادئ وبروتينات محمل محددة. [2]

تشترك أصول الاستنساخ البدائي في بعض وليس كل السمات التنظيمية للبكتيريا oriC. على عكس البكتيريا ، غالبًا ما تبدأ العتائق التكاثر من أصول متعددة لكل كروموسوم (تم الإبلاغ عن واحد إلى أربعة) [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [46] ومع ذلك ، تحمل الأصول أيضًا مناطق تسلسل متخصصة تتحكم في وظيفة الأصل. [87] [88] [89] تتضمن هذه العناصر كلاً من مربعات التعرف على المنشأ الخاصة بتسلسل الحمض النووي (ORBs أو miniORBs) و DUE الغنية بـ AT المحاطة بواحدة أو عدة مناطق ORB. [85] [90] تعرض عناصر ORB درجة كبيرة من التنوع من حيث عددها وترتيبها وتسلسلها ، سواء بين الأنواع البدائية المختلفة وبين الأصول المختلفة داخل نوع واحد. [80] [85] [91] يتم تقديم درجة إضافية من التعقيد بواسطة البادئ ، Orc1 / Cdc6 في العتائق ، والتي ترتبط بمناطق ORB. عادةً ما تقوم الجينومات البدائية بتشفير العديد من نظائر Paralogs لـ Orc1 / Cdc6 التي تختلف اختلافًا كبيرًا في صلاتها لعناصر ORB المميزة والتي تساهم بشكل مختلف في أنشطة الأصل. [85] [92] [93] [94] في Sulfolobus solfataricus، على سبيل المثال ، تم تعيين ثلاثة أصول كروموسومية (oriC1 و oriC2 و oriC3) ، وقد كشفت الدراسات البيوكيميائية عن أنماط ربط معقدة للمبادرين في هذه المواقع. [85] [86] [95] [96] البادئ المشابه لـ oriC1 هو Orc1-1 ، والذي يرتبط بالعديد من ORBs في هذا الأصل. [85] [93] OriC2 و oriC3 مرتبطان بكل من Orc1-1 و Orc1-3. [85] [93] [96] على العكس من ذلك ، فإن Paralog ثالث ، Orc1-2 ، آثار أقدام في جميع الأصول الثلاثة ولكن تم افتراض أنه ينظم سلبًا بدء النسخ المتماثل. [85] [96] بالإضافة إلى ذلك ، ثبت أن بروتين WhiP ، وهو بادئ غير مرتبط بـ Orc1 / Cdc6 ، يربط جميع الأصول أيضًا ويقود نشاط منشأ oriC3 في Sulfolobus Islandicus. [93] [95] نظرًا لأن الأصول البدائية تحتوي غالبًا على العديد من عناصر ORB المتجاورة ، يمكن تجنيد العديد من نظائر Orc1 / Cdc6 في وقت واحد إلى الأصل وقلة القلة في بعض الحالات [94] [97] ومع ذلك ، على عكس الحمض النووي البكتيري ، لا يبدو أن تجميع البادئ ذي الترتيب الأعلى شرطًا أساسيًا عامًا لوظيفة الأصل في المجال البدائي. [2]

قدمت الدراسات الهيكلية نظرة ثاقبة حول كيفية التعرف على Orc1 / Cdc6 البدائي لعناصر ORB وإعادة تشكيل الحمض النووي الأصلي. [97] [98] Paralogs Orc1 / Cdc6 عبارة عن بروتينات ثنائية المجال وتتكون من وحدة AAA + ATPase مدمجة في طية حلزونية مجنحة على شكل C. [99] [100] [101] كشفت الهياكل المعقدة للحمض النووي لـ Orc1 / Cdc6 أن ORBs مرتبطة بمونومر Orc1 / Cdc6 على الرغم من وجود تسلسلات متكررة معكوسة داخل عناصر ORB. [97] [98] تتفاعل كل من منطقتي ATPase واللولب المجنح مع الحمض النووي المزدوج لكنهما تلامسان تسلسل تكرار ORB المتناظر بشكل غير متماثل ، والذي يوجه Orc1 / Cdc6 في اتجاه محدد عند التكرار. [97] [98] ومن المثير للاهتمام ، أن عناصر ORB أو miniORB المحيطة بـ DUE غالبًا ما يكون لها أقطاب متقابلة ، [80] [85] [94] [102] [103] والتي تتنبأ بأن المجالات الفرعية للغطاء AAA + ومجالات اللولب المجنح يتم وضع Orc1 / Cdc6 على جانبي DUE بطريقة حيث يواجه كل منهما الآخر. [97] [98] نظرًا لأن منطقتي Orc1 / Cdc6 ترتبطان بصيانة هيليكس متماثل لصيانة الكروموسوم (MCM) ، [104] [105] من المحتمل أن يكون هذا الترتيب المحدد لعناصر ORB و Orc1 / Cdc6 مهمًا لتحميل مجمعين MCM بشكل متماثل على ال DUE. [85] بشكل مفاجئ ، بينما يحدد تسلسل ORB DNA اتجاه ارتباط Orc1 / Cdc6 ، يقوم البادئ بعمل عدد قليل نسبيًا من اتصالات محددة التسلسل مع DNA. [97] [98] ومع ذلك ، فإن Orc1 / Cdc6 يضعف بشدة ويثني الحمض النووي ، مما يشير إلى أنه يعتمد على مزيج من كل من تسلسل الحمض النووي والميزات الهيكلية للحمض النووي المعتمدة على السياق للتعرف على الأصول. [97] [98] [106] بشكل ملحوظ ، يتم الحفاظ على الاقتران الأساسي في ازدواج الحمض النووي المشوه عند ربط Orc1 / Cdc6 في الهياكل البلورية ، [97] [98] بينما أسفرت الدراسات البيوكيميائية عن نتائج متناقضة حول ما إذا كانت البادئات البدائية يمكن أن تذوب الحمض النووي مشابه للحمض النووي البكتيري. [93] [94] [107] على الرغم من أن القرابة التطورية للمبتدئين البدائيين وحقيقيات النوى والمروحيات التكاثرية تشير إلى أنه من المحتمل تحميل MCM البدائية على الحمض النووي المزدوج (انظر القسم التالي) ، فإن الترتيب الزمني لذوبان المنشأ وتحميل الهليكاز ، وكذلك وبالتالي ، فإن آلية ذوبان الحمض النووي الأصلي ، في الأنظمة الأثرية ، لا تزال بحاجة إلى تحديد واضح. وبالمثل ، فإن كيفية تحميل هليكاز MCM بالضبط على الحمض النووي يحتاج إلى معالجة في الدراسات المستقبلية. [2]

يعتبر تنظيم المنشأ والمواصفات والتفعيل في حقيقيات النوى أكثر تعقيدًا مما هو عليه في المجالات البكتيرية أو البدائية وينحرف بشكل كبير عن النموذج الذي تم إنشاؤه لبدء النسخ المتماثل بدائية النواة. أحجام الجينوم الكبيرة للخلايا حقيقية النواة ، والتي تتراوح من 12 ميجا بت في البوصة S. cerevisiae حتى 3 جيجا بايت في البشر ، يستلزم أن يبدأ تكرار الحمض النووي من عدة مئات (في الخميرة الناشئة) إلى عشرات الآلاف (في البشر) من الأصول لاستكمال تكرار الحمض النووي لجميع الكروموسومات خلال كل دورة خلوية. [27] [36] باستثناء S. cerevisiae وما يتصل بها السكاروميكوتين الأنواع ، أصول حقيقية النواة لا تحتوي على عناصر تسلسل الحمض النووي المتوافق عليها ولكن موقعها يتأثر بالإشارات السياقية مثل طوبولوجيا الحمض النووي المحلي ، والسمات الهيكلية للحمض النووي ، وبيئة الكروماتين. [110] [35] [37] ومع ذلك ، لا تزال وظيفة الأصل حقيقية النواة تعتمد على معقد بروتين بادئ محفوظ لتحميل الهليكازات التكاثرية على الحمض النووي خلال المرحلتين المتأخرتين M و G1 من دورة الخلية ، وهي خطوة تُعرف باسم ترخيص المنشأ. [111] على عكس نظيراتها البكتيرية ، يتم تحميل الهليكازات التكاثرية في حقيقيات النوى على DNA مزدوج الأصل في شكل غير نشط ، سداسي عشري مزدوج ويتم تنشيط مجموعة فرعية منها فقط (10-20٪ في خلايا الثدييات) خلال أي مرحلة S معينة ، الأحداث التي يشار إليها باسم إطلاق النار الأصلي. [112] [113] [114] لذلك يتم تحديد موقع أصول حقيقية النواة النشطة على مستويين مختلفين على الأقل ، ترخيص المنشأ لتحديد جميع الأصول المحتملة ، وإطلاق النار لتحديد مجموعة فرعية تسمح بتجميع آلية النسخ وبدء تخليق الحمض النووي. تعمل الأصول المرخصة الإضافية كنسخة احتياطية ولا يتم تنشيطها إلا عند إبطاء أو توقف شوكات النسخ المتماثل القريبة ، مما يضمن إمكانية اكتمال تكرار الحمض النووي عندما تواجه الخلايا إجهاد النسخ المتماثل. [115] [116] معًا ، تجسد زيادة الأصول المرخصة والتحكم المحكم في دورة الخلية لترخيص المنشأ وإطلاق النار استراتيجيتين مهمتين لمنع التكاثر الناقص والمفرط والحفاظ على سلامة الجينومات حقيقية النواة. [2]

الدراسات المبكرة في S. cerevisiae أشار إلى أن أصول النسخ المتماثل في حقيقيات النوى يمكن التعرف عليها بطريقة خاصة بتسلسل الحمض النووي بشكل مشابه لتلك الموجودة في بدائيات النوى. في الخميرة الناشئة ، يؤدي البحث عن المُكرِّرات الجينية إلى تحديد تسلسل التكرار الذاتي (ARS) الذي يدعم بدء النسخ المتماثل الفعال للحمض النووي خارج الصبغيات. [117] [118] [119] يبلغ طول مناطق ARS هذه 100-200 نقطة أساس تقريبًا وتُظهر تنظيمًا متعدد الأجزاء ، يحتوي على عناصر A و B1 و B2 وأحيانًا B3 والتي تعد معًا ضرورية لوظيفة الأصل. [120] [121] يشمل العنصر A تسلسل توافق ARS 11 نقطة أساس محفوظ (ACS) ، [122] [123] والذي ، بالاقتران مع عنصر B1 ، يشكل موقع الربط الأساسي لمركب التعرف على الأصل غير المتجانسة (ORC) ، البادئ النسخ المتماثل حقيقية النواة. [124] [125] [126] [127] داخل ORC ، تم بناء خمس وحدات فرعية على AAA + ATPase المحفوظة والطيات الحلزونية المجنحة وتتجمع معًا في حلقة خماسية تحيط بالحمض النووي. [127] [128] [129] في الخميرة الناشئة ORC ، يتم وضع عناصر ربط الحمض النووي في نطاقات ATPase ونطاقات اللولب المجنح ، بالإضافة إلى مناطق التصحيح الأساسية المجاورة في بعض وحدات ORC الفرعية ، في المسام المركزي لحلقة ORC بحيث تساعد في التعرف على تسلسل الحمض النووي المحدد لـ ACS بطريقة تعتمد على ATP. [127] [130] على النقيض من ذلك ، فإن أدوار عنصري B2 و B3 أقل وضوحًا. تشبه منطقة B2 منطقة ACS في التسلسل وقد تم اقتراحها لتعمل كموقع ربط ثانٍ لـ ORC في ظل ظروف معينة ، أو كموقع ربط لنواة الهليكاز التكرار. [131] [132] [133] [134] [135] على العكس من ذلك ، يقوم عنصر B3 بتجنيد عامل النسخ Abf1 ، وإن لم يتم العثور على B3 في جميع أصول الخميرة الناشئة ولا يبدو أن ارتباط Abf1 ضروري تمامًا لوظيفة الأصل. [2] [120] [136] [137]

التعرف على المنشأ في حقيقيات النوى بخلاف S. cerevisiae أو أقاربه المقربين لا يتوافق مع القراءة الخاصة بالتسلسل لعناصر DNA الأصلية المحفوظة. فشلت محاولات عزل متواليات مكررة كروموسومية محددة بشكل عام في الأنواع حقيقية النواة ، إما وراثيًا أو عن طريق رسم خرائط على مستوى الجينوم لمواقع بدء الارتباط أو النسخ المتماثل ، في تحديد تسلسل إجماع واضح في الأصول. [138] [139] [140] [141] [142] [143] [144] [145] [146] [147] [148] [149] وبالتالي ، فإن تفاعلات بادئ الحمض النووي الخاصة بالتسلسل في الخميرة الناشئة تدل على وضع متخصص للتعرف على الأصل في هذا النظام بدلاً من وضع نموذجي لمواصفات الأصل عبر مجال حقيقيات النوى. ومع ذلك ، فإن تكرار الحمض النووي لا يبدأ في مواقع منفصلة لا يتم توزيعها عشوائيًا عبر جينومات حقيقية النواة ، بحجة أن الوسائل البديلة تحدد موقع الكروموسومات للأصول في هذه الأنظمة. تتضمن هذه الآليات تفاعلًا معقدًا بين إمكانية الوصول إلى الحمض النووي ، وانحراف تسلسل النوكليوتيدات (تم ربط كل من ثراء AT وجزر CpG بالأصول) ، وموضع النيوكليوسوم ، والميزات اللاجينية ، وطوبولوجيا الحمض النووي وبعض السمات الهيكلية للحمض النووي (على سبيل المثال ، زخارف G4) ، وكذلك كبروتينات تنظيمية وتداخل النسخ. [17] [18] [34] [35] [37] [150] [151] [143] [152] الأهم من ذلك ، تختلف خصائص المنشأ ليس فقط بين الأصول المختلفة في الكائن الحي وبين الأنواع ، ولكن يمكن أن يتغير بعضها أيضًا أثناء التطور وتمايز الخلايا. موضع المشيماء في ذبابة الفاكهة تشكل خلايا الجريب مثالًا راسخًا للتحكم المكاني والتنموي في أحداث البدء. تخضع هذه المنطقة لتضخيم الجينات المعتمد على تكرار الحمض النووي في مرحلة محددة أثناء تكوين البويضات وتعتمد على التنشيط المحدد في الوقت المناسب لأصول المشيمة ، والذي يتم تنظيمه بدوره بواسطة عناصر رابطة الدول المستقلة الخاصة بالأصل والعديد من العوامل البروتينية ، بما في ذلك مجمع Myb ، E2F1 و E2F2. [153] [154] [155] [156] [157] أدى هذا التحديد التجميعي والتنظيم متعدد العوامل لأصول الميتازوان إلى تعقيد تحديد السمات الموحدة التي تحدد موقع مواقع بدء النسخ عبر حقيقيات النوى بشكل عام. [2]

لتسهيل بدء النسخ المتماثل والتعرف على الأصل ، طورت تجمعات ORC من أنواع مختلفة مجالات مساعدة متخصصة يُعتقد أنها تساعد البادئ في استهداف أصول الكروموسومات أو الكروموسومات بشكل عام. على سبيل المثال ، الوحدة الفرعية Orc4 بتنسيق S. بومبي يحتوي ORC على العديد من خطاطيف AT التي تربط بشكل تفضيلي الحمض النووي الغني بـ AT ، [158] بينما في metazoan ORC ، يُعتقد أن المجال الشبيه بـ TFIIB لـ Orc6 يؤدي وظيفة مماثلة. [159] تحتوي بروتينات Metazoan Orc1 أيضًا على مجال تماثل مجاور برومو (BAH) يتفاعل مع H4K20me2-nucleosomes. [109] على وجه الخصوص في خلايا الثدييات ، تم الإبلاغ عن الحاجة إلى مثيلة H4K20 لبدء النسخ المتماثل الفعال ، ويسهل مجال Orc1-BAH ارتباط ORC بالكروموسومات والنسخ المتماثل المعتمد على أصل فيروس Epstein-Barr. [160] [161] [162] [163] [164] لذلك ، من المثير للاهتمام التكهن بأن كلا الملاحظتين مرتبطان ميكانيكيًا على الأقل في مجموعة فرعية من الميتازوا ، ولكن هذا الاحتمال يحتاج إلى مزيد من الاستكشاف في الدراسات المستقبلية. بالإضافة إلى التعرف على بعض سمات الحمض النووي أو الوراثة اللاجينية ، يرتبط ORC أيضًا بشكل مباشر أو غير مباشر بالعديد من البروتينات الشريكة التي يمكن أن تساعد في تجنيد البادئ ، بما في ذلك LRWD1 ، PHIP (أو DCAF14) ، HMGA1a ، من بين أمور أخرى. [33] [165] [166] [167] [168] [169] [170] [171] ومن المثير للاهتمام ، ذبابة الفاكهة ORC ، مثل نظيره في الخميرة الناشئة ، ينحني الحمض النووي ، وقد تم الإبلاغ عن الالتفاف الفائق السلبي لتعزيز ارتباط الحمض النووي لهذا المركب ، مما يشير إلى أن شكل الحمض النووي وقابليته للتطويع قد يؤثران على موقع مواقع ربط ORC عبر جينومات metazoan. [31] [127] [172] [173] [174] الفهم الجزيئي لكيفية دعم مناطق ارتباط الحمض النووي في ORC للقراءة للخواص الهيكلية لمزدوجة الحمض النووي في metazoans بدلاً من تسلسل DNA المحدد كما في S. cerevisiae ينتظر معلومات هيكلية عالية الدقة لتجمعات بادئ metazoan المرتبطة بالحمض النووي. وبالمثل ، ما إذا كانت العوامل اللاجينية المختلفة تساهم في تجنيد البادئ في أنظمة metazoan وكيف يتم تحديدها بشكل سيئ وهي مسألة مهمة تحتاج إلى معالجة بمزيد من التفصيل. [2]

بمجرد تجنيده في الأصول ، يدفع ORC والعوامل المشاركة له Cdc6 و Cdt1 ترسيب مجمع صيانة الكروموسوم 2-7 (Mcm2-7) على الحمض النووي. [111] [175] مثل قلب هيليكاز التكاثر البدائي ، يتم تحميل Mcm2-7 كسداسي مزدوج وجها لوجه على الحمض النووي لترخيص الأصول. [112] [113] [114] في المرحلة S ، كيناز Dbf4 المعتمد (DDK) والكيناز المعتمد على Cyclin (CDK) فسفوريلات عدة وحدات فرعية Mcm2-7 وعوامل بدء إضافية لتعزيز توظيف منشط الهليكس Cdc45 و GINS ، ذوبان الحمض النووي ، وفي النهاية تجميع ثنائي الاتجاه في مجموعة فرعية من الأصول المرخصة. [28] [176] في كل من الخميرة والميتازوان ، تكون الأصول خالية أو مستنفدة من النيوكليوسومات ، وهي خاصية مهمة لتحميل Mcm2-7 ، مما يشير إلى أن حالة الكروماتين في الأصول تنظم ليس فقط تجنيد البادئ ولكن أيضًا تحميل الهليكاز. [144] [177] [178] [179] [180] [181] تعد بيئة الكروماتين المتساهلة مهمة أيضًا لتفعيل الأصل وقد تورطت في تنظيم كل من كفاءة المنشأ وتوقيت إطلاق الأصل. عادةً ما تحتوي الأصول المتجانسة اللون على علامات كروماتين نشطة ، وتتكرر في وقت مبكر ، وتكون أكثر كفاءة من الأصول غير المتجانسة المتأخرة ، والتي تتميز على العكس من ذلك بعلامات قمعية.[27] [179] [182] ليس من المستغرب أن العديد من أجهزة إعادة تشكيل الكروماتين والإنزيمات المعدلة للكروماتين وُجد أنها مرتبطة بالأصول وبعض عوامل البدء ، [183] ​​[184] ولكن كيفية تأثير أنشطتها على أحداث بدء النسخ المختلفة تظل غامضة إلى حد كبير . بشكل ملحوظ ، تم تحديد "عناصر التحكم في النسخ المبكر" (ECREs) التي تعمل برابطة الدول المستقلة مؤخرًا للمساعدة في تنظيم توقيت النسخ والتأثير على بنية الجينوم ثلاثي الأبعاد في خلايا الثدييات. [١٨٥] يعد فهم الآليات الجزيئية والكيميائية الحيوية التي تنظم هذا التفاعل المعقد بين تنظيم الجينوم ثلاثي الأبعاد ، وبنية الكروماتين المحلية والعالية المستوى ، وبدء النسخ المتماثل موضوعًا مثيرًا لمزيد من الدراسات. [2]

لماذا تباعدت أصول النسخ المتماثل للميتازوان عن نموذج التعرف على تسلسل الحمض النووي المحدد الذي يحدد مواقع بدء النسخ المتماثل في بدائيات النوى والخميرة الناشئة؟ الملاحظات التي تشير إلى أن أصول metazoan غالبًا ما تتحد مع مناطق المروج في ذبابة الفاكهة وخلايا الثدييات وتعارضات النسخ المتماثل والنسخ الناتجة عن تصادم الآليات الجزيئية الأساسية يمكن أن تؤدي إلى تلف الحمض النووي ، مما يشير إلى أن التنسيق السليم للنسخ والتكرار مهم للحفاظ على استقرار الجينوم. [139] [141] [143] [146] [186] [20] [187] [188] تشير النتائج الحديثة أيضًا إلى دور مباشر أكثر للنسخ في التأثير على موقع الأصول ، إما عن طريق منع تحميل Mcm2-7 أو عن طريق إعادة وضع Mcm2-7 المحملة على الكروموسومات. [189] [152] يسمح ارتباط البادئ المستقل عن التسلسل (ولكن ليس بالضرورة عشوائيًا) بالحمض النووي بالمرونة في تحديد مواقع تحميل هليكاز ، جنبًا إلى جنب مع التداخل النسخي والتنوع في كفاءة التنشيط للأصول المرخصة ، من المحتمل أن يحدد موقع المنشأ ويساهم إلى التنظيم المشترك لتكرار الحمض النووي وبرامج النسخ أثناء التطور وتحولات مصير الخلية. النمذجة الحسابية لأحداث البدء في S. بومبي، بالإضافة إلى تحديد الأصول الخاصة بنوع الخلية والمنظمة من الناحية التنموية في metazoans ، تتفق مع هذه الفكرة. [140] [148] [190] [191] [192] [193] [194] [152] ومع ذلك ، توجد أيضًا درجة كبيرة من المرونة في اختيار الأصل بين الخلايا المختلفة داخل مجموعة سكانية واحدة ، [143] [149] [191] على الرغم من أن الآليات الجزيئية التي تؤدي إلى عدم التجانس في استخدام الأصل لا تزال غير محددة. سيكون تعيين الأصول في الخلايا المفردة في أنظمة metazoan وربط أحداث البدء هذه مع التعبير الجيني أحادي الخلية وحالة الكروماتين أمرًا مهمًا لتوضيح ما إذا كان اختيار الأصل عشوائيًا تمامًا أو يتم التحكم فيه بطريقة محددة. [2]


شاهد الفيديو: احياء السادس العلمي. الخلية 4. الخلية حقيقة النواة - شكلها وحجمها ومكوناتها (شهر نوفمبر 2022).