Azərbaycan respublikasi təHSİl naziRLİYİ baki döVLƏt universiteti Fakültə: Biologiya Kafedra

Fəsil 1. Gen eksperssiyası və tənziləmə mexanizmləri

Gen eksperssiyasının (ifadəsinin) tənzimlənməsi və ya gen tənzimlənməsi, xüsusi gen məhsullarının (protein və ya RNT) istehsalını artırmaq və ya azaltmaq üçün hüceyrələr tərəfindən istifadə olunan geniş mexanizmləri əhatə edir. İnkişaf yollarını işə salmaq, ətraf mühitin stimullarına cavab vermək və ya yeni qida mənbələrinə uyğunlaşmaq üçün inkişaf etmiş gen ifadə proqramları geniş şəkildə biologiyada müşahidə edilir. Transkripsiya başlanmasından, RNT emalına və zülalın translyasiyadan sonrakı modifikasiyasına qədər, demək olar ki, hər hansı bir gen ifadə mərhələsi modullaşdırıla bilər. Çox vaxt gen tənzimləyici şəbəkədə bir gen tənzimləyicisi digərinə nəzarət edir və s(şəkil 1).

Şəkil 1. Hormon reseptoru ilə gen ifadəsinin tənzimlənməsi

Gen tənzimlənməsi viruslar, prokaryotlar və eukaryotlar üçün vacibdir, çünki lazım olduqda hüceyrənin zülal ifadə etməsinə imkan verməklə orqanizmin çox yönlü və uyğunlaşma qabiliyyətini artırır. Hələ 1951-ci ildə Barbara McClintock qarğıdalı toxumlarının rəng formalaşmasında iki genetik lokus olan Aktivator (Ac) və Dissosiator (Ds) arasında qarşılıqlı əlaqəni göstərsə də, gen tənzimləmə sisteminin ilk kəşfi 1961-ci ildə identifikasiya kimi qəbul edilir. laktoza mübadiləsində iştirak edən bəzi fermentlərin E. coli tərəfindən yalnız laktoza və qlükoza olmaması ilə ifadə edildiyi Fransua Jacob və Jacques Monod tərəfindən kəşf edilmiş lak operonunun.Çoxhüceyrəli orqanizmlərdə gen tənzimlənməsi embrionda hüceyrə diferensiasiyası və morfogenezi hərəkətə gətirir, eyni genom ardıcıllığından fərqli gen ifadə profillərinə malik olan müxtəlif hüceyrə növlərinin yaranmasına səbəb olur. Bu, gen tənzimlənməsinin necə yarandığını izah etməsə də, təkamül bioloqları bunu təkamülün molekulyar səviyyədə necə işlədiyinin qismən izahı kimi daxil edirlər və bu, təkamül inkişaf biologiyası ("evo-devo") elminin mərkəzidir(şəkil 2).

Şəkil 2.DNT-mRNA-zülal yolunun ifadəsinin hansı mərhələlərdə idarə oluna biləcəyini göstərən diaqramı

Siqnaldan transkripsiyaya və zülalın translasiyadan sonrakı modifikasiyasına qədər gen ifadəsinin istənilən mərhələsi modullaşdırıla bilər. Aşağıda gen ifadəsinin tənzimləndiyi mərhələlərin siyahısı verilmişdir, ən çox istifadə olunan nöqtə Transkripsiyanın başlanmasıdır.Eukariotlarda DNT-nin böyük bölgələrinin əlçatanlığı onun xromatin strukturundan asılı ola bilər ki, bu da DNT metilasiyası, ncRNA və ya DNT-ni bağlayan zülal tərəfindən idarə olunan histon modifikasiyaları nəticəsində dəyişdirilə bilər. Beləliklə, bu dəyişikliklər bir genin ifadəsini yuxarı və ya aşağı tənzimləyə bilər. Gen ifadəsini tənzimləyən bu modifikasiyalardan bəziləri irsi xarakter daşıyır və epigenetik tənzimləmə adlanır.

DNT-nin transkripsiyasını onun strukturu diktə edir. Ümumiyyətlə, onun qablaşdırılmasının sıxlığı transkripsiya tezliyinin göstəricisidir. Səkkiz histon zülalının (birlikdə nukleosom adlanır) ətrafına sarılmış DNT seqmenti ilə birlikdə histonlar adlanan oktamerik zülal kompleksləri DNT-nin həddindən artıq qıvrılmasının miqdarına cavabdehdir və bu komplekslər fosforlaşma kimi proseslərlə müvəqqəti olaraq dəyişdirilə bilər və ya daha daimi. metilləşmə kimi proseslərlə dəyişdirilir. Bu cür modifikasiyalar gen ifadə səviyyələrində az və ya çox qalıcı dəyişikliklərdən məsul hesab edilir.

DNT-nin metilasiyası gen susdurmağın ümumi üsuludur. DNT adətən CpG dinukleotid ardıcıllığında sitozin nukleotidləri üzərində metiltransferaza fermentləri ilə metilləşir (sıx qruplaşdırıldıqda "CpG adaları" da deyilir). DNT-nin müəyyən bir bölgəsində (promotor ola bilər) metilasiya nümunəsinin təhlili bisulfit xəritələşdirilməsi adlanan üsulla əldə edilə bilər. Metilləşdirilmiş sitozin qalıqları müalicə zamanı dəyişməz qalır, metillənməmişlər isə urasilə çevrilir. Fərqlər DNT ardıcıllığı və ya CG dinukleotidində C/T-nin nisbi miqdarlarını ölçən Pyrosequencing (Biotage) və ya MassArray (Sequenom) kimi SNP-lərin kəmiyyətini müəyyən etmək üçün hazırlanmış üsullarla təhlil edilir. Anormal metilasiya nümunələrinin onkogenezdə iştirak etdiyi düşünülür(4).

Histon asetilasiyası da transkripsiyada mühüm prosesdir. CREB bağlayan zülal kimi histon asetiltransferaza fermentləri (HAT) də DNT-ni histon kompleksindən ayıraraq transkripsiyanın davam etməsinə imkan verir. Çox vaxt DNT metilasiyası və histon deasetilasiyası gen susdurulmasında birlikdə işləyir. İkisinin birləşməsi DNT-nin daha sıx yığılması üçün bir siqnal kimi görünür, gen ifadəsini azaldır(şəkil 3).

Şəkil 3.Histon quyruqları və onların xromatinin əmələ gəlməsində funksiyası

Beləliklə, transkripsiyanın tənzimlənməsi transkripsiyanın nə vaxt baş verdiyinə və nə qədər RNT-nin yaradıldığına nəzarət edir. Bir genin RNT polimeraza tərəfindən transkripsiyası bir neçə mexanizmlə tənzimlənə bilər. Spesifiklik faktorları müəyyən bir promotor və ya promotorlar dəsti üçün RNT polimerazının spesifikliyini dəyişdirərək, onların daha çox və ya daha az bağlanma ehtimalını yaradır (yəni, prokaryotik transkripsiyada istifadə olunan siqma amilləri). Repressorlar Operatorla birləşərək, promotor bölgəsinə yaxın və ya üst-üstə düşən DNT zəncirindəki ardıcıllığı kodlayır, RNT polimerazanın zəncir boyunca irəliləməsinə mane olur və beləliklə, genin ifadəsinə mane olur. Sağdakı şəkil lak operondakı repressor tərəfindən tənzimlənməni nümayiş etdirir. Ümumi transkripsiya amilləri RNT polimerazanı zülal kodlaşdırma ardıcıllığının başlanğıcında yerləşdirir və sonra mRNT-ni transkripsiya etmək üçün polimerazanı buraxır. Aktivatorlar RNT polimeraza ilə müəyyən bir promotor arasında qarşılıqlı əlaqəni gücləndirərək, genin ifadəsini təşviq edir. Aktivləşdiricilər bunu RNT polimerazanın promotor üçün cazibəsini artırmaqla, RNT polimerazanın alt bölmələri ilə qarşılıqlı əlaqə yolu ilə və ya dolayı yolla DNT-nin strukturunu dəyişdirməklə həyata keçirirlər. Gücləndiricilər DNT spiralında aktivatorlar tərəfindən bağlanmış DNT-ni başlanğıc kompleksinə xüsusi promotor gətirən sahələrdir. Gücləndiricilər eukariotlarda prokaryotlara nisbətən daha çox yayılmışdır, burada yalnız bir neçə nümunə var (bu günə qədər).[4] Susturucular xüsusi transkripsiya faktorları ilə bağlandıqda genin ifadəsini susdura bilən DNT ardıcıllığının bölgələridir(şəkil 4).

Şəkil 4. Gen eksperssiyası ümumi mexanizm1:RNT Polimeraz, 2: Repressor, 3: Promoter, 4: Operator, 5: Laktoza, 6: lacZ, 7: lacY, 8: lacA.

Yuxardakı şəkildə -Üst: Gen mahiyyətcə söndürülüb. Repressoru maneə törədən laktoza yoxdur, buna görə də repressor operatora bağlanır, bu da RNT polimerazının promotorla bağlanmasına və laktaza əmələ gəlməsinə mane olur. Aşağıda: Gen işə salınıb. Laktoza repressoru maneə törədir, RNT polimerazanın promotorla bağlanmasına və laktaza sintez edən genləri ifadə etməyə imkan verir. Nəhayət, laktaza repressorla bağlanacaq heç bir şey qalmayana qədər bütün laktozanı həzm edəcək. Repressor daha sonra laktaza istehsalını dayandıraraq operatora bağlanacaq(5).

RNT gen fəaliyyətinin mühüm tənzimləyicisi ola bilər, məs. mikroRNA (miRNA), antisens-RNT və ya uzun kodlaşdırmayan RNT (lncRNA) ilə. LncRNA-lar mRNA-lardan müəyyən hüceyrəaltı yerlərə və funksiyalara malik olmaları baxımından fərqlənir. Onların ilk dəfə nüvədə və xromatində yerləşdiyi aşkar edilmişdir və indi lokalizasiyalar və funksiyalar çox müxtəlifdir. Bəziləri hələ də zülallarla qarşılıqlı əlaqədə olduqları xromatində yaşayırlar. Bu lncRNA nəticədə Parkinson, Huntington və Alzheimer xəstəliyi kimi neyron pozğunluqlarında gen ifadəsinə təsir etsə də, digərləri, məsələn, PNCTR (pirimidinlə zəngin kodlaşdırıcı olmayan transkriptorlar) ağciyər xərçəngində rol oynayır. Xəstəlikdəki rolunu nəzərə alaraq, lncRNA-lar potensial biomarkerlərdir və dərmanlar və ya gen terapiyası üçün faydalı hədəflər ola bilər, baxmayaraq ki, hələ lncRNA-ları hədəfləyən təsdiq edilmiş dərmanlar yoxdur. İnsan genomunda lncRNA-ların sayı zəif müəyyən edilir, lakin bəzi hesablamalar 16.000 ilə 100.000 lnc gen arasında dəyişir.

Epigenetika DNT və ya RNT ardıcıllığını dəyişdirməyən genlərin modifikasiyasına aiddir. Epigenetik modifikasiyalar da gen ifadəsinə təsir edən əsas amildir. Onlar genomik DNT və histonlarda meydana gəlir və onların kimyəvi modifikasiyası gen ifadəsini daha səmərəli şəkildə tənzimləyir. Məməli hüceyrələrində DNT-nin bir neçə modifikasiyası (adətən metilləşmə) və RNT-nin 100-dən çox modifikasiyası var”. Bu modifikasiyalar zülalın DNT-yə bağlanması və RNT sabitliyində və tərcümə səmərəliliyində dəyişikliklə nəticələnir.

Onurğalılarda, gen promotorlarının əksəriyyəti çoxsaylı CpG yerləri olan bir CpG adasını ehtiva edir. Bir genin promotor CpG saytlarının çoxu metilləşdirildikdə, gen susdurulur. Kolorektal xərçənglər adətən 3-6 sürücü mutasiyasına və 33-66 avtostop və ya sərnişin mutasiyasına malikdir. Bununla belə, transkripsiyanın susdurulması xərçəngin inkişafı üçün mutasiyadan daha əhəmiyyətli ola bilər. Məsələn, kolorektal xərçənglərdə təxminən 600-800 gen CpG adasının metilasiyası ilə transkripsiyalı olaraq susdurulur (bax: xərçəngdə transkripsiyanın tənzimlənməsi). Xərçəngdə transkripsiya repressiyası digər epigenetik mexanizmlərlə də baş verə bilər, məsələn, mikroRNT-lərin ifadəsinin dəyişdirilməsi.Döş xərçəngində, BRCA1-in transkripsiya repressiyası BRCA1 promotorunun hipermetilasiyası ilə müqayisədə, mikroRNA-182-nin həddindən artıq ifadə edilməsi ilə daha tez-tez baş verə bilər(3).

Asılılığın əsas xüsusiyyətlərindən biri onun davamlılığıdır. Davamlı davranış dəyişiklikləri beynin müəyyən bölgələrində gen ifadəsinə təsir edən epigenetik dəyişikliklər nəticəsində yaranan uzunmüddətli dəyişikliklərlə əlaqədar görünür.Narkotiklərdən sui-istifadə beyində üç növ epigenetik dəyişikliyə səbəb olur. Bunlar histon asetilasiyası və histon metilasiyası, CpG yerlərində DNT metilasiyası və mikroRNT-lərin epigenetik aşağı tənzimlənməsi və ya yuxarı tənzimlənməsidir.Siçanlarda xroniki nikotinin qəbulu histonların asetilasiyası vasitəsilə beyin hüceyrələrinin gen ifadəsinin epigenetik nəzarətini dəyişdirir. Bu, asılılıqda vacib olan FosB proteininin beyində ifadəsini artırır. Siqaret aludəliyi heç vaxt çəkməyənlər, hazırda siqaret çəkənlər və 30 ilə qədər siqareti tərgitmişlər də daxil olmaqla, təxminən 16.000 insanda öyrənilmişdir. Qan hüceyrələrində 18.000-dən çox CpG sahəsi (genomda təxminən 450.000 analiz edilmiş CpG yerindən) hazırkı siqaret çəkənlər arasında tez-tez metilasyonu dəyişdirdi. Bu CpG saytları 7000-dən çox gendə və ya məlum insan genlərinin təxminən üçdə birində meydana gəldi. Diferensial şəkildə metilləşdirilmiş CpG saytlarının əksəriyyəti siqareti dayandırdıqdan sonra beş il ərzində heç vaxt siqaret çəkməyənlər səviyyəsinə qayıtdı. Bununla belə, 942 gen arasından 2568 CpG-nin heç vaxt siqaret çəkməyənlərə qarşı əvvəlki genlərdə diferensial olaraq metilasiya olunmuş qaldığı müşahidə edilmişdir. Bu cür qalan epigenetik dəyişikliklər gen ifadəsinə təsir göstərə bilən “molekulyar çapıqlar” kimi baxıla bilər(2).