زیبایی های شگفت انگیز مدیریت و اقتصاد سلول در تنظیم بیان ژن

«مشاهده قطره آبی كه من در زیر میكروسكوپ می بینم و دورترین ستاره ای كه با تلسكوپ تماشا می كنم، مرا به حیرت و اعجاب وامی دارد، به قدری نظم و ترتیب در عالم طبیعت وجود دارد كه ممكن است برای آن قوانین محكم و ثابت وضع كرده و حكم هر پدیده را قبل از حدوثش بیان نمود. اینكه بشر عمر خود را برای كشف قوانین طبیعی صرف می كند فقط از این جهت است كه به وجود و صحت آن قوانین مطمئن است و بدون این اطمینان تفحصات علمی بی فایده می شدند. اگر فرض كنیم كه پیدایش پدیده تابع قوانین طبیعی نبوده و تابع تصادف باشند همه تجربه ها بی فایده خواهند شد. زیرا در تكرار تجربه ای معین، نتایج مختلف به دست خواهد آمد و به معلومات بشر چیزی افزوده نخواهد شد. پس در پشت این نظم باید قادر متعالی باشد چون بدون یك حكمت عالیه، وجود نظم و ترتیب امكان پذیر نیست. در همه جا قدرت خدایی مشهود است و هر قانون طبیعی كه كشف می شود با صدای بلند می گوید: «خدا واضع من است و بشر كاشف من.» » «دكتر سیسیل بویس هامان (زیست شناس)».
هر یك از سلول های بدن هر موجود پیشرفته و از جمله آدمی در درون هسته خود حاوی دستورالعمل خارق العاده ای است كه ژنوم (Genome) نامیده می شود و فعالیت آن را رقم می زند. ژنوم كه از الفبای چهار حرفی آدنین (A)، گوانین(G)، سیتوزین (C) و تیمین (T) تشكیل شده و در شكل یا تركیب نوكلئوتیدها نوشته شده است دربردارنده عموم نشان ویژگی های فیزیكی و بسیاری از خصوصیات رفتاری هر فرد است كه از نظر زیست شناختی جایگاه تك تك افراد را در میان آدمیان متمایز می سازد.

هر موجود زنده به طور معمول در اثر فرآیندهای تنظیم كننده تمایز، از یك سلول تخم نخستین بر اثر تقسیمات متوالی و بی شمار میتوزی ایجاد می شود. از لحظه شكل گیری این سلول، تا مراحل بلوغ و سرانجام مرگ زیستی موجود، سلول های جاندار از جنبه های متعدد و متنوع مانند شكل شناسی، فیزیولوژی، بیوشیمیایی و تقسیم كار متمایز می شوند و تفاوت های شكلی، عملی و رفتاری برجسته ای را نشان می دهند. ایجاد تمایز و تخصص در سلول ها در شرایطی است كه به طور معمول در هسته تمام سلول های یك جاندار، تمام ژن های فرد وجود دارد. مسیری را كه اطلاعات وراثتی و هریك از ژن ها در شرایط طبیعی طی می كنند تا- با همكاری عامل های فراوان- فنوتیپ یك جاندار را رقم زنند، مسیری بسیار پیچیده، فوق العاده دقیق و كاملاً حساب شده است.

كنترل و تنظیم بیان ژن یا میزان تولید یك فرآورده ژنی در سطوح مختلف مانند رونویسی و ترجمه، عملكردی پایه ای و ضروری برای تمام موجودات به شمار می آید. این فرآیند كلیدی، بسیار دقیق و پیچیده، به عنوان یك پیش نیاز (مقدمه واجب) برای تولید و ابقا یا نگاهداری (نسبی) انواع فراوان تیپ های متفاوت بافتی و سلولی، برای یك موجود ضروری است. تنظیم بیان ژن، در دو دسته موجودات (پروكایوت ها و یوكاریوت ها)، به رغم شباهت های اساسی، تفاوت های متعدد نیز دارد.

گرچه هر سلول سوماتیك دارای دستور كار یكسانی است، اما انواع مختلف سلول ها _ مانند پوست، كبد و ریه- با مكانیسم های تنظیمی بسیار دقیق و ظریف، برای تعیین و انجام عملكردهای فرد، بخش های متفاوتی از این دستورالعمل را به كار می برند. به بیان دیگر در هر زمانی تمام ژن های موجود در هسته سلول یك جاندار _ كه در انسان رقمی در حدود۳۰ هزار ژن ساختاری برآورد شده است فعال نیست. بلكه در هر بافت درصد ناچیزی از ژن های مشخصی فعالیت دارند. بنابراین صرف نظر از ژن های ویژه _ مانند ژن های مربوط به ایجاد rRNA ها و tRNAها- كه به دلایلی روشن باید در همه سلول ها فعال شوند درصد بسیار بالایی از ژن ها در بافت های مختلف به شیوه ای متفاوت- از جمله برای دوره كوتاهی از زمان و در مرحله ویژه ای از زندگی موجود- فعال می گردند. نكات مورد اشاره در بالا و تاكید دوباره بر این نكته مهم كه ژن های بی شمار موجود در هسته سلول های یك فرد، فعالیت ها، عملكردها و رفتارهای بسیار متنوع از خود بروز می دهند، به صراحت بر حضور یك سیستم بسیار منظم، دقیق، منسجم، هماهنگ و در عین حال پیچیده از تنظیم ژنتیكی در خلال دوره زندگی یك موجود دلالت می كنند.

اطلاعات موجود در دستور كار یا ژنوم كه به یك تخمك لقاح یافته این امكان را می دهد كه بتواند مراحل مختلف جنینی را سپری كرده و به یك نوزاد و سپس یك فرد بالغ تبدیل شود، در واقع یكی از برجسته ترین رویدادهای زیست شناسی سلولی و مولكولی به حساب می آید. در این باره بیشتر توضیح می دهیم:


یك ژن _ ساختاری _ ناحیه ویژه ای از DNA با طولی مشخص از نوكلئوتیدها است كه اطلاعات لازم را برای تولید یك پروتئین معین دارا است. سلول ها هزاران نوع پروتئین مختلف می سازند. بیان ژن فرآیندی است كه در خلال آن اطلاعات موجود در DNA در فرآیندی پیچیده، دقیق و زمان بندی شده به پروتئین تبدیل می شود. بر فرآیند بیان ژن شبكه های تنظیمی دقیق و كنترل بسیار شدید، هماهنگ و منسجمی حاكم است. یادآوری می نماید كه چنین كنترل انتخابی و حساب شده بیان ژن هاست كه موجودات پرسلولی (پیشرفته) را به تمایز و دارا بودن سلول ها و بافت های مختلف قادر می سازد، زیرا كه به طور كلی تمام سلول های بدنی (سوماتیك) یك فرد دارای اطلاعات ژنتیكی یكسانی هستند. این مكانیسم های كنترلی به موجودات ابتدایی نیز اجازه می دهند تا خود را با تغییرات محیط پیرامون خود به سرعت وفق دهند.

چگونگی بیان هریك از ژن های بی شمار ساختاری و در نتیجه تولید پروتئین های متنوع از جمله عناصر كلیدی است كه به طور مثال موجب تشخیص یك سلول مغزی از یك سلول ماهیچه ای _ با وظایف متفاوت- می شود.

برای بهتر نشان دادن پیچیدگی تنظیم عملكرد ژن ها، ارائه نمونه هایی _ به عنوان مشتی از خروار- خالی از فایده نیست: در برخی از موارد پروتئین های تنظیم كننده نقش بازدارندگی دارند. این پروتئین های ویژه با اتصال به مكان یا مكان های خاصی از یك ژن، بیان آن را سد می كنند و در مواردی دیگر به مثابه افزایش دهنده، بیان ژن را تشدید می نمایند. هر پروتئین تنظیمی نیز دارای ژن خاص خود است و چنین است كه یك ژن بر بیان ژنی دیگر تاثیر می گذارد.

از این منظر، شناسایی دقیق تمام عامل های كنترلی، نقش هر یك و چگونگی مدیریت سلول در تنظیم بیان ژن از جمله اصلی ترین صحنه های تلاش هیجان انگیز زیست شناسان مولكولی را تشكیل داده است. در واقع مكانیسم های تنظیم كنندگی بیان ژن، نیازمند انواع فراوانی از ردیف های خاص نوكلئوتیدی و نیز پروتئین های فراوانی برای تشخیص این ردیف ها است.