نسخ الحياة: من الدنيا DNA إلى الرنا RNA

نسخ الحياة: من الدنيا DNA إلى الرنا RNA

ايهاب محمد زايد-مصر

 

البروفيسور روجر د. حصل على جائزة نوبل في الكيمياء عام 2006 لدراساته حول الأساس الجزيئي لنسخ حقيقيات النوى ، وهي العملية التي يتم من خلالها نسخ الحمض النووي إلى الحمض النووي الريبي.

 

على مر السنين ، حصل البروفيسور كورنبرغ على العديد من الجوائز الهامة. حصل كورنبرغ على درجة البكالوريوس. في الكيمياء من جامعة هارفارد عام 1967 ودكتوراه. حصل على درجة الدكتوراه في الكيمياء من جامعة ستانفورد عام 1972. وقد شغل منصب مدير شركة OphthaliX Inc. منذ عام 2012 ، كما أنه يشغل منصب كبير العلماء في شركة Cocrystal Pharma، Inc. والبروفيسور كورنبرغ متزوج من البروفيسور ياهلي لورش ولديهما ثلاثة أطفال ، جاي ومايا وجيل.

 

 

الفصول العلمية التكنولوجية في “بيت شينوخ” هي فصول تضم طلابًا ممتازين في مجالات العلوم والتكنولوجيا. يشعر الطلاب بالفضول حيال كل ما يتعلق بالعلوم ، ويتساءلون دائمًا حول العالم من حولهم من أجل فهمه بشكل أفضل.

 

في الخمسين عامًا الماضية ، كرست حياتي المهنية لدراسة الأسئلة الأساسية في علم الأحياء. تتناول هذه الأسئلة بعض العمليات الأساسية للحياة ، مثل “كيف تتمايز الخلايا التي تحمل نفس المعلومات الجينية إلى حوالي 200 نوع من الخلايا في جسم الإنسان؟” و “كيف يتم إعادة تشكيل الخلايا استجابة للمعلومات البيئية؟” في هذا البحث سوف آخذك في رحلة عبر بعض أبحاثي حول هذه الأسئلة. سأصف النتائج الرئيسية التي توصلت إليها حول الحمض النووي ونسخه إلى mRNA من خلال آلية معقدة تسمى RNA polymerase II. يتم ترجمة mRNA في النهاية إلى بروتينات تلعب مجموعة متنوعة من الأدوار الرئيسية داخل الكائن الحي ، بما في ذلك بناء الخلايا ، والاستجابة للإشارات البيئية ، وتسريع التفاعلات الكيميائية ، ونقل الإشارات بين الأنسجة البعيدة. أخيرًا ، سأشارككم بعض الأسئلة المفتوحة الرائعة التي نعمل الآن عليها ونختتم ببعض النصائح لكم – علماء المستقبل.

 

 

فاز البروفيسور كورنبرغ بجائزة نوبل في الكيمياء عام 2006 عن دراسة الأساس الجزيئي لنسخ حقيقيات النوى.

 

طريقي إلى RNA

كان والدي متخصصًا في الكيمياء الحيوية وحصل على جائزة نوبل في عام 1959 لعمله على استنساخ الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين (DNA).

 

لقد شارك حماسه الهائل لأبحاثه مع أي شخص يستمع إليه ، واستوعبت حبه للعلم. في الكلية ، درست الرياضيات والفيزياء والكيمياء وللحصول على درجة الدكتوراه. لقد أجريت بحثًا عن ديناميات الأغشية

تلعب الأغشية الدور الأساسي في الحياة ، لأن هذا الغلاف المحيط بالخلية الحية هو ما يحدد وجود الخلية – الوحدة الأساسية لكل كائن حي.

 

الخلية هي الوحدة الأساسية للحياة. تحتوي النواة ، وهي مركز معلومات الخلية ، على كروموسومات. كل كروموسوم عبارة عن هيكل على شكل “X” (دائرة حمراء) يحتوي على جزء من الحمض النووي

].

قرب نهاية عملي على الأغشية ، علمت أنني أريد مواصلة العمل على الفيزياء والكيمياء المرتبطة بعلوم الحياة. في ذلك الوقت ، كان مجال البيولوجيا الهيكلية ، وهو دراسة مكونات الخلية وعملياتها ، ينمو بسرعة.

 

مكنت التقنيات الجديدة من حل هياكل البروتينات البسيطة. ثم أدركت المشكلة المثيرة للاهتمام في بنية الكروموسوم. الكروموسوم هو الهيكل الذي توجد فيه مادتنا الجينية ، الحمض النووي ، في جميع الخلايا. كانت بنية الكروموسوم مثيرة للاهتمام لعلماء الأحياء البنيوية بسبب الأهمية الأساسية للحمض النووي وبنيته التي تبدو بسيطة.

 

لقد تم العمل بالفعل أن الكروموسومات تتكون من DNA وكتلة متساوية من أربعة بروتينات صغيرة جدًا. كل ما احتجنا إلى اكتشافه هو كيفية ترتيب الحمض النووي والبروتينات الأربعة معًا لتشكيل بنية الكروموسوم.

 

حسنًا ، اتضح أن هذه المشكلة لم تكن بسيطة على الإطلاق. في النهاية ، قمت بحلها من خلال تحديد الأوراق البحثية القليلة ذات الصلة من بين عدة مئات منها مكتوبة على بنية الكروموسوم. هذه الأوراق قادتني إلى الحل. أجريت تجارب ذات صلة ووضعت قطع اللغز معًا وأوضحت بنية الكروموسوم. تم إثبات صحة هذا الهيكل لاحقًا من خلال تقنية تسمى علم البلورات بالأشعة السينية.

 

بعد حل بنية الكروموسوم ، كانت الخطوة الطبيعية التالية هي التحقيق في الآثار المترتبة على هذه البنية في علم الأحياء ، على الحياة نفسها. كيف ينخرط الحمض النووي ، المنظم بهذه الطريقة داخل الكروموسوم ، في التعبير عن المعلومات الجينية؟.

 

يبدأ التعبير الجيني بعملية تسمى النسخ ، حيث يتكون جزيء الحمض النووي الريبي المرسال (mRNA) من الحمض النووي. جزيء mRNA مشابه لجزيء DNA ، لكن له بنية ووظيفة مختلفة. على عكس السلاسل التي يتكون منها الحمض النووي يتكون جزيء الرنا المرسال من خيط واحد أقصر ، وهو نسخة من جزء معين من تسلسل الحمض النووي. يعمل الرنا المرسال كوسيط ، يربط المعلومات الجينية المشفرة في الحمض النووي بالبروتينات التي يتم تصنيعها في النهاية بناءً على هذه المعلومات.

 

لاستكشاف دور الكروموسوم في التعبير الجيني ، بدأت بدراسة أحد الإنزيمات الثلاثة التي تشارك في النسخ. يسمى هذا الإنزيم RNA polymeraseII[.

 

من الحمض النووي إلى الحمض النووي الريبي – آلة النسخ RNA POLYMERASE II

تتمثل وظيفة آلية نسخ RNA polymerase II في إنشاء mRNA. كما ذكرت أعلاه ، يعمل mRNA كحلقة وصل بين كود DNA والبروتينات التي يتم إنتاجها من هذا الرمز. تتكون آلية نسخ RNA polymerase II من حوالي 60 بروتينًا مختلفًا! سوف أصف المكونات الثلاثة الرئيسية : إنزيم RNA polymerase II ، ومجموعة من البروتينات تسمى عوامل النسخ العامة ، ومجموعة من البروتينات تسمى الوسيط.

 

إنزيم RNA Polymerase II – التركيب والوظيفة

هو الهيكل الذي تتم فيه عملية النسخ. هذا يعني أن الحمض النووي يدخل هذا الإنزيم من اتجاه واحد ويخرج منتج mRNA من اتجاه آخر. تمحور الكثير من عملنا حول حل البنية المعقدة لهذا الإنزيم. بعد حل بنية الإنزيم بمفرده ، تمكنا أيضًا من حل هيكله باستخدام كل من الحمض النووي والحمض النووي الريبي الموجود فيه أثناء عملية النسخ.

 

(أ) يتكون بوليميريز الحمض النووي الريبي الثاني من 12 وحدة فرعية (يشار إليها بألوان مختلفة) وبعض عشرات الآلاف من الذرات. لها قناة مركزية (سهم أبيض) تؤدي إلى أيون المغنيسيوم (نقطة وردية). تسمى المنطقة التي يوجد بها أيون المغنيسيوم بالمركز النشط ، لأن هذه هي المنطقة التي يتم فيها تصنيع الحمض النووي الريبي من الحمض النووي.

 

(ب) يدخل خيط مزدوج من الحمض النووي (خيوط زرقاء وخضراء) عبر القناة المركزية لإنزيم RNA polymerase II (سهم أبيض أفقي) وينقسم باتجاه منتصف الإنزيم. ينقلب الخيط الذي يتحكم في توليف mRNA (الأزرق) 90 درجة لأعلى بالقرب من المركز النشط (السهم الأبيض المتجه لأعلى) ويتم تصنيع خيط mRNA قصير منه (حبلا أحمر قصير في المنتصف).

 

يخرج هذا المركب الهجين DNA-mRNA من الإنزيم في اتجاه عمودي على الاتجاه الذي دخل منه الحمض النووي في الأصل (مصدر الصورة: البروفيسور روجر كورنبرج).

يتكون RNA polymerase II من 12 بروتينًا مختلفًا ، ممثلة بألوان مختلفة في الشكل 2A ، ومبني من ما يقرب من 30000 ذرة. يحتوي RNA polymerase II على قناة مركزية تؤدي إلى أيون المغنيسيوم.

 

القناة المركزية هي المكان الذي يحدث فيه النسخ. يدخل الحمض النووي مزدوج الخيط القناة المركزية وينقسم خيوط الحمض النووي عن بعضهما البعض .

 

ينحني أحد الخيطين بالقرب من أيون المغنيسيوم في مركز الإنزيم. في هذا الموقع ، المسمى بالمركز النشط ، يتم تصنيع الرنا المرسال ، وفقًا لتعليمات الجزء المنحني من خيط الحمض النووي. أخيرًا ، يخرج هيكل DNA-mRNA الهجين من الإنزيم بزاوية تبلغ حوالي 90 درجة بالنسبة للحمض النووي الذي يدخل الإنزيم.

 

عوامل النسخ العامة (GTFs) – المكونات الرئيسية في التعبير الجيني

أهم خطوة في عملية النسخ هي بدء العملية ، وتسمى البدء. عندما يتم نسخ الحمض النووي إلى mRNA ، لا يتم نسخه بالكامل. يتم نسخ جزء محدد منه فقط لغرض معين. يسمى هذا الجزء من الحمض النووي بالجين. يحتوي كل جين على معلومات حول إنتاج بروتينات معينة في أجسامنا. للتعرف على جين معين ولتحديد ما إذا كان سيتم نسخه ، يستخدم RNA polymerase II خمسة جزيئات إضافية. هذه بروتينات تسمى عوامل النسخ العامة (GTFs) وتتلامس مع إنزيم RNA polymerase II أثناء عملية النسخ بشكل عام ، يمكنك التفكير في GTFs على أنها مكونات في آلية النسخ التي تساعد في تشغيل جينات معينة أو “إيقاف تشغيلها”.

 

أسفل: عوامل النسخ العامة (GTFs ، الرمادي) تتفاعل مع إنزيم RNA polymerase II (pol II ، أزرق) لبدء نسخ الحمض النووي داخل الإنزيم. يعمل الوسيط (الوردي) كحلقة وصل توفر معلومات تنظيمية للجينات من داخل الخلية أو خارجها إلى إنزيم pol II. في هذه الحالة ، يقدم الوسيط معلومات من بروتين منشط (أحمر) حول تنشيط جين معين للنسخ

عندما يتحرك الحمض النووي داخل RNA polymerase II ، فإنه يحتاج إلى الانحناء ليتم نسخه إلى mRNA. ومع ذلك ، فإن الحمض النووي في شكله العادي يكون شديد الصلابة ولا ينثني بسهولة. من أجل الانحناء ، يجب تقسيمها إلى خيوط فردية ، وعندها تصبح مرنة تمامًا ويمكن أن تنحني بحرية. هذا هو المكان الذي تلعب فيه GTFs: بعد أن تجد GTFs بداية الجين في جزيء الحمض النووي ، فإنها تفتح الحمض النووي وتثنيه بالقرب من الموقع النشط للنسخ في RNA polymerase II. بهذه الطريقة ، تبدأ GTFs عملية النسخ.

 

الوسيط – “الوسيط” لتنظيم الجينات

في عملية نسخ الحمض النووي ، يجب اتخاذ قرارات مهمة للغاية: أي الجين سيتم نسخه ، وفي أي مكان من الجسم ومتى يتم نسخه. تسمى هذه المجموعة من القرارات والإجراءات تنظيم التعبير الجيني وهي ضرورية لحسن سير عمل أجسامنا. الوسيط عبارة عن مجموعة من البروتينات التي اكتشفناها في عام 1990 وهو جزء مهم من آلية تنظيم الجينات: فهو يعالج جميع المعلومات التنظيمية ويسلمها إلى بوليميراز RNA للتحكم في قرار نسخ عنصر معين الجين.

 

وظيفة الوسيط في عملية النسخ: الوسيط (باللون الوردي) يربط بين بروتين يسمى المنشط (باللون الأحمر) ، والذي يؤثر على “تشغيل” الجين للنسخ ، و RNA polymerase II إنزيم (باللون الأزرق). بعبارة أخرى ، يقوم الوسيط بدور “الوسيط” الذي يسلم معلومات تنظيم إنزيم بوليميريز RNA حول التعبير الجيني.

 

أسئلة مفتوحة للمستقبل

أريد إثارة فضولك من خلال الإشارة بإيجاز إلى مشكلتين لم يتم حلهما تتعلقان بما أخبرتك به في هذه المقالة. هذه الموضوعات هي في طليعة البحث في الكيمياء الحيوية اليوم ونعمل حاليًا على كليهما في مختبري.

 

تتعلق المشكلة الأولى ببنية الكروموسوم. في مرحلة معينة من انقسام الخلية ، يتقلص طول الحمض النووي بعامل يبلغ حوالي 10000 بحيث يتكثف الحمض النووي ، الذي كان يشغل في السابق نواة الخلية بأكملها ، في أشكال الكروموسومات.

 

ما نعرفه على وجه اليقين عن بنية الكروموسوم يمكن أن يفسر فقط تقصير طول الحمض النووي بمعامل 5 ، ولكن ليس بعامل 10000. إذن ، السؤال المفتوح هو: كيف يتكثف الحمض النووي في الكروموسوم بعامل إضافي 2000؟

 

المشكلة الثانية تتعلق بالوسيط وتنظيم التعبير الجيني. كما رأيت في الشكل 3 ، يسلم الوسيط معلومات تنظيمية إلى إنزيم RNA polymerase II. ولكن كيف تتم معالجة المعلومات التنظيمية من قبل الوسيط؟ كيف بالضبط يتم نقل هذه المعلومات إلى البوليميراز؟ كيف يساعد الوسيط في كشف الحمض النووي للسماح بنسخه؟ لدينا بعض الأفكار حول ما يمكن أن يحدث وكيف ، لكن هذه لا تزال مشاكل مفتوحة نحاول حلها.

 

نصائح للعقول الشابة

من نواح كثيرة ، الأسئلة التي ذكرتها أعلاه هي نفس الأسئلة الأساسية التي بدأت بها مساعي الأكاديمية. كما تعلم على الأرجح ، فإن العديد من الأسئلة العلمية معقدة وتتطلب سنوات عديدة من العمل الشاق لتتم معالجتها بشكل كامل. العلم يمثل تحديًا ، ويتطلب عملاً شاقًا ، ويمكن أن يكون صعبًا ومحبطًا في بعض الأحيان.

 

لكن بالنسبة لي ، فإن المكافآت العرضية تستحق العناء تمامًا. إذا كنت تحب العلم وترغب في ممارسة مهنة كعالم ، فإن نصيحتي الأولى لك هي الاستمتاع بالنشاط نفسه والاستمتاع بالأنشطة اليومية الصغيرة للعلم. في حالتي ، على سبيل المثال ، هذه الأنشطة تجريبية – خلط وحل مواد مختلفة وعمل الحلول لتجاربي. أنا شخصياً أستمتع بكل خطوة من هذه الخطوات الصغيرة وأحب قضاء الوقت في المختبر.

 

شيء مهم آخر هو تعلم كيفية تجربة الفشل كشيء محفز ، شيء صعب – كدعوة للمحاولة مرة أخرى مع نفس التوقعات العالية للنجاح مثل المرة الأخيرة. بين الحين والآخر ، يحدث شيء جديد ومثير للدهشة أثناء البحث. ومع ذلك ، فإن العلماء الجيدين لا يصدقون ذلك على الفور. أولاً ، يجب أن تتأكد من أنه لم يكن خطأ ، لذلك عليك التفكير في طرق لإثبات أنك مخطئ. يفكر العالم الجيد حقًا في طرق معقدة للغاية لإثبات أنهم مخطئون. عندما يفشلون في إثبات أنهم مخطئون ، حتى من خلال التجارب البارعة ، يكونون قد اكتشفوا شيئًا ما. هذه لحظات فريدة لا تُنسى في حياة العالم المهنية وتفوق كثيرًا العمل الشاق الذي تم استثماره في هذه العملية.

 

قائمة المصطلحات

الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين (DNA): ↑ المادة التي تحمل المعلومات الوراثية في الكائنات الحية. يتكون الحمض النووي من خيطين على شكل حلزون مزدوج ويقع داخل نواة الخلية.

 

البروتينات: جزيئات كبيرة ، توجد في جميع الخلايا الحية ، والتي تلعب العديد من الأدوار المهمة في الكائنات الحية.

 

الكروموسوم: ↑ التركيب الأساسي الذي ينتظم فيه الحمض النووي داخل نواة الخلية.

 

النسخ: ↑ الخطوة الأولى في التعبير الجيني ، حيث يتم نسخ جزء من DNA إلى جزيء mRNA.

 

Messenger RNA (mRNA): نوع من RNA يشارك في بناء البروتينات بناءً على المعلومات المخزنة في DNA.

 

الانزيمات: ↑ جزيء كبير يسرع التفاعلات الكيميائية التي تحدث في الجسم أو داخل الخلية.

 

عوامل النسخ العامة (GTFs): مجموعة من البروتينات التي تساعد في بدء نسخ الحمض النووي إلى mRNA.

 

الوسيط: مجمع متعدد البروتينات يعالج المعلومات حول تنظيم الجينات وينقل تلك المعلومات إلى GTFs و RNA polymerase II.

 

الجين: جزء من الدنا يحتوي على معلومات لبناء بروتين.