از شگفتی های تنظیم بیان ژن

پروتئین ها كه كلید معماری آنها در دست ژن ها است دارای نقش های حیاتی متنوع و فراوانی هستند. به طور نمونه، این مولكول ها از یك سو به عنوان «مصالح ساختاری» در مجموعه های حیاتی برای گردهمایی سلول یا برپایی موجود زنده وارد هستند و از دیگر سو به مثابه معمار این مجموعه ها ایفای نقش می كنند. و از طرفی با ماموریت هایی مانند پیام رسانی و گیرندگی پیام «بین معمار و مصالح»، وظیفه خطیر تنظیم و كنترل فرآیندهای حیاتی سلول مانند بیان ژن ها و چگونگی این بیان را نیز برعهده دارند. به علاوه، آنزیم ها كه خود از جمله مهمترین پروتئین ها به حساب می آیند، تمام واكنش های شیمیایی را كاتالیز و امكان پذیر می سازند.

آنچه مسلم است روابط بین DNA، RNA و پروتئین بسیار حساب شده و پیچیده است و مستلزم همكاری تنگاتنگ، سازماندهی همه جانبه و دقتی شگرف است.

شایان تاكید است كه بین مقدار یك پروتئین ویژه در یك سلول معین و میزان mRNA موجود در آن سلول، رابطه مستقیمی وجود دارد. نیز در موارد نسبتاً زیادی، یك ژن منفرد ممكن است رموز ژنتیكی بیش از یك پروتئین را دارا باشد یعنی از اطلاعات ژنتیكی محدود و مشخصی، چندمنظوره استفاده شود. این امر به ویژه نیازمند سلسله عملیات متفاوتی است كه در مسیر پردازش و ویرایش - رونوشت اولیه RNA.

(hnRNA)_ اینگونه ژن ها رخ می دهد. اندكی تامل در این رخدادها به روشنی نشان می دهد كه چنین ماموریت هایی تا چه اندازه باید حساب شده باشد. به بیان دیگر، در این موارد، اینكه كدام پروتئین در كدام زمان، و در كدام سلول ایجاد شود، رویكردی است كه براساس مكانیسم های تنظیم سلولی و مبتنی بر مقتضیات و نیازهای (كوتاه مدت، میان مدت و درازمدت) سلول شكل می گیرد. این رخدادها، به نوبه خود، نیز ویژگی های متفاوت سلول های یك موجود منفرد را به روشنی تبیین می كند.


تاكید می نماید كه تنظیم ژنی در واقع موجب تخصصی شدن سلول ها می شود و حدود ۲۵۰ سلول مختلف كه از نظر ساختاری و عملكردی با هم تفاوت دارند، در بدن آدمی شكل می گیرد و چنین است كه یك سلول كبد هرگز سلول ماهیچه ای نمی شود (و برعكس). بنابراین برای تعیین هویت و سرنوشت هر سلول، در رخداد تمایز نیز نمایشی شگرف از همكاری حساب شده، پیچیده و تنگاتنگ ژن ها به صورت آبشاری از رخدادهای مرحله ای و پلكانی حضور و نمودی ممتاز دارد. در این مسیر اگرچه هنوز بی خبری های قابل توجهی داریم، اما شمار فراوانی از ژن های تنظیم كننده و پروتئین های دخیل در آن شناسایی شده است.
پژوهش های بسیار گسترده نشان داده است كه اكثریت بسیار بالایی از تصمیمات، ویژه بافتی است كه مقرر می دارد در هر بافتی، پروتئین های معینی تولید می شود. این سطح از تنظیم در محدوده رونویسی است و تنظیم در این سطح است كه ظاهراً بیشترین اثر را بر روی فنوتیپ فرد می گذارد. این سخن نافی رویكردهای تنظیمی در سطوح متعدد پس از رونویسی نیست. درك دقایق و جزئیات چگونگی این انتخاب و تصمیم سازی ها در گرو به بار نشستن پژوهش های وسیع در دست انجام است.


اینكه برخی از فرآورده های ژنی در تمام طول حیات سلول ضروری است و چنین ژن هایی باید همواره بیان شوند و به اصطلاح تعطیل بردار نیستند، اینكه عملكرد شماری از ژن ها در عموم سلول ها مشاهده می شود، اینكه بسیاری از ژن ها نقش تخصصی تری دارند و در واقع، حسب ضرورت، در زمان های معینی در سلول- برای یك بار و یا به طور متناوب _ بیان می شوند و... همه و همه بر نظمی شگرف و هدفدار در عملكرد ژن ها و سلول ها تاكید دارد.


بنابراین سطوح یا مكانیسم های كنترل بیان ژن، در یكی از اصلی ترین كاركردهای خود، كنترل كننده مقدار فرآورده مورد نیاز سلول است كه میزان آن دست كم به دو عامل كلیدی وابسته است: میزان ساخته شدن (یعنی چند مولكول از فرآورده ژن در واحد زمان مورد نیاز است) و تجزیه و تخریب (یعنی چند مولكول در واحد زمان شكسته می شود، این میزان ظاهراً نسبتاً ثابت باقی می ماند). برآیند و نتیجه این كاركرد شگرف، یك تراكم یا غلظت پایدار اما متفاوت برای هر فرآورده ژنی در سلول ایجاد می كند. رخداد تنظیم ژنی به طور مشخص در موجودات یوكاریوت، این امكان را نیز فراهم می آورد كه در بسیاری از موارد یك ژن به منظور بهینه كاری از انعطاف پذیری فوق العاده ای برخوردار باشد. به طور مثال، برحسب نیازها و مقتضیات زمانی و مكانی سلول، با حذف متفاوت اینترون ها از یك ژن واحد، شكل های متفاوتی از mRNA ایجاد شود كه طبیعتاً فرآورده های متفاوتی در پی خواهد داشت. به طور مثال، رونوشت اولیه ژن كالسی تونین دارای ۶ اگزون است كه به دو صورت پیرایش می شود: اگزون های ۴-۱ در تیروئید، كالسی تونین را تولید می كند و تمام اگزون ها (به استثنای اگزون ۴) در هیپوتالاموس، پروتئین شبه كالسی تونین را ایجاد می كند. همچنین با رخداد فوق العاده دقیق ویرایش RNA، راهكاری ارزشمند برای تولید دو یا بیشتر پروتئین متفاوت از یك ژن در اختیار مدیریت اقتصاد سلول قرار می گیرد.

ژن های موجودات پیشرفته به طور كلی از ردیف های بازی با عملكردهای متفاوت ساخته شده اند كه به طور یك در میان در طول ژن قرار دارند. بخش هایی كه به نام اگزون ( Exon) خوانده می شوند، در واقع اطلاعات لازم برای سنتز پروتئین را در خود دارند و بخش هایی كه اینترون (Intron) نامیده می شوند (و قسمت اعظم ردیف های بازی یك ژن را شامل هستند)، به ندرت رمزی برای سنتز پروتئین ندارند و ظاهراً به طور معمول در مولكولmRNA رونویسی نمی شوند. جزئیات این مطلب، نیازمند فرصت مستقلی است. كشف اینترون ها در بهار ۱۹۷۷ به كمك روش ها و فنون مهندسی ژنتیك، زیست شناسان مولكولی را كاملاً شگفت زده كرد. این كشف، درك آدمی از ساختار و عملكرد ژن در موجود پیشرفته را به طور بنیادی متحول ساخت و بر آنچه كه تا پیش از آن زمان پذیرفته شده بود در پهنه وسیعی خط بطلان كشید.

طبیعتاً چنین سیما و ماهیت مولكولی از ژن، نیازمند عملیات پیچیده، ماهرانه و بسیار دقیق از تنظیم، ویرایش و پردازش است. زیرا هرگونه اشتباه هرچند ناچیز حتی در یك نوكلئوتید ممكن است موجب شود پروتئینی كه سرانجام حاصل می شود فاقد هرگونه كارایی طبیعی باشد و در صورتی كه این پروتئین از اهمیت راهبردی و حیاتی برخوردار باشد، حتی می تواند مرگ موجود را در پی داشته باشد. اگرچه كه تنظیم در این سطح مهم ترین و ابتدایی ترین سطح تنظیم به شمار می آید، اما سطوح متعدد تنظیم دیگر نیز وجود دارد.