رونویسی دنا و سنتز mRNA
همان‌طور که در فصل دوم زیست دوازدهم خواندیم، رونویسی دنا اولین مرحله‌ی بیان یک ژن و ساخت پروتئین به حساب می‌آید. ازآنجایی‌که دستورالعمل سنتز پروتئین‌ها در مولکولهای دنا قرارگرفته، باید حد واسطی برای برقراری ارتباط بین نوکلئوتیدهای دنا و آمینواسیدهای پروتئین وجود داشته باشد. این حد واسط همان مولکول رنا است که در طی فرآیند رونویسی یک رونوشت از دنا تهیه‌کرده و سپس برای تولید پروتئین در سیتوپلاسم، از هسته خارج می‌شود. رونویسی دی ان ای یک فرآیند زیستی است که در آن‌یک کپی یا رونوشت mRNA (یعنی یک کپی از توالی کد کننده یک پروتئین خاص) معمولاً با رونویسی رشته الگوی DNA تولید می‌شود. این رونوشت به‌عنوان الگویی برای مرحله بعدی بیوسنتز پروتئین، یعنی ترجمه از طریق کمک آنزیم RNA پلیمراز عمل می‌کند.
در ادامه با مجله بیوزوم همراه باشید تا بیشتر با فرآیند رونویسی دی ان ای و مراحل آن آشنا شویم.
در زیست‌شناسی، رونویسی دنا فرآیند سنتز یک کپی از اطلاعات ژنتیکی ذخیره‌شده در یک رشته DNA به یک رشته مکمل RNA (RNA پیام‌رسان یا mRNA) با کمک RNA پلیمرازها است. رنا به‌صورت یک مولکول حد واسط، یک کپی از مولکول دنا درون هسته تهیه می‌کند، سپس رنا از هسته خارج‌شده و درون سیتوپلاسم به سنتز پروتئین‌ها کمک می‌کند. در پروکاریوتها، این فرآیند در سیتوپلاسم رخ می‌دهد و در یوکاریوتها در داخل هسته اتفاق می‌افتد.
مطلب مرتبط: اندامک های سلولی
چرا رونویسی در سلول انجام می‌شود؟
به گفته دانشمندان، زندگی روی کره زمین با همانندسازی رنا آغازشده که وظیفه این مولکول حمل اطلاعات ژنتیکی بوده است. طی تکامل موجودات زنده در طول زمان، ازآنجایی‌که پروتئین‌ها با توالی‌ها و ساختار متنوع خود تطابق بیشتری با فعالیت‌های کاتالیزی داشتند، وظیفه کاتالیزوری را عهده‌دار شدند.
مطلب مرتبط: پروتئین چیست به زبان ساده
علاوه بر این، در pHهای مختلف، پیوندهای موجود در بدنه اصلی قند-فسفات RNA، تغییر کرده و گاهی اوقات در معرض آلکالین هیدرولیز نیز قرار می‌گرفتند. به همین دلیل، و همین‌طور به دلیل مقاومت و پایداری بیشتر مولکول DNA نسبت به RNA، به‌جای رنا، DNA جایگزینی برای حمل اطلاعات ژنتیکی مورداستفاده سلولهای موجودات زنده شد.
مطلب مرتبط:علم ژنتیک
برای ایجاد پیوند بین دو مولکول دنا و رنا، مکانیسم رونوشت برداری به‌عنوان یک رابط ایجاد شد. این عمل امکان استفاده از یک مولکول نوکلئیک اسید پایدار را به‌عنوان حمل‌کننده اطلاعات ژنتیکی برای سلول‌ها فراهم کرد و RNA به‌عنوان بخش مهمی از فرآیند سنتز پروتئین مورداستفاده قرار گرفت.
حذف DNA از محل سنتز پروتئین، باعث افزایش محفاظت از مواد ژنتیکی در برابر استرس‌های بیوشیمیایی و بیوفیزیکی واکنش‌های پیچیده و چندمرحله‌ای سلول گردید. ازآنجایی‌که رنا طول عمر بسیار کوتاهی دارد، وجود خطا در مولکولهای RNA ممکن است خطری برای سلول در برنداشته باشد، درحالی‌که هرگونه تغییر در DNA با بروز جهش‌های ژنتیکی می‌تواند به‌صورت ارثی به نسل‌های بعد منتقل شود. علاوه بر این، در گونه‌هایی که دارای ژنوم بزرگی هستند، فرایند رونویسی دنا یک لایه دیگر به تنظیمات پیچیده ژن اضافه کرده و نیاز به تنظیمات بسیاری جهت انجام متابولیسم وجود دارد.
در سلولهای یوکاریوتی، به دلیل این‌که منافذ هسته‌ای برای عبور ریبوزومها، پروتئین‌ها یا کروموزوم بسیار کوچک هستند، فرآیند رونویسی دی ان ای در انتقال اطلاعات ژنتیکی از DNA به سیتوپلاسم نقش مهمی دارد. اندازه منافذ هسته‌ای در حدود ۵ تا ۱۰ نانومتر است ولی اندازه و قطر ریبوزومها ۲۵ تا ۳۰ نانومتر، بسیاری از پروتئین‌ها بزرگ‌تر از ۱۰ نانومتر و همچنین قطر کروموزوم‌هایی که به‌طور کامل متراکم شده‌اند، بیش از ۲۰۰۰ نانومتر تخمین زده می‌شود. بنابراین رشته‌های DNA نمی‌توانند از هسته خارج و ماشین اولیه سنتز پروتئین هم نمی‌تواند وارد هسته شود.
مطلب مرتبط: دی ان ای (DNA) چیست؟ – به زبان ساده
در ادامه مکانیسم رونویسی دنا را با جزئیات بیشتری بررسی می‌کنیم.
مکانیسم رونویسی چیست؟
رونویسی دی ان ای اولین مرحله بیان ژن است که در آن بخش خاصی از DNA توسط آنزیم RNA پلیمراز به RNA کپی می‌شود. RNA و DNA هر دو اسیدهای نوکلئیک هستند که از جفت باز نوکلئوتیدها به‌عنوان یک زبان مکمل استفاده می‌کنند. در طول رونویسی، یک توالی DNA توسط یک RNA پلیمراز خوانده‌شده که یک رشته RNA مکمل و غیر موازی به نام رونوشت اولیه تولید می‌کند.
برخلاف همانندسازی DNA، رونویسی منجر به سنتز یک رشته مکمل RNA شده که شامل نوکلئوتید یوراسیل (U) به‌جای تیمین (T) در یک رشته مکمل DNA است. همچنین برخلاف همانندسازی DNA که در آن DNA سنتز می‌شود، رونویسی دنا شامل آغازگر یا پرایمر RNA برای شروع سنتز RNA نمی‌شود و مراحل رونویسی دی ان ای به شرح زیر است:
- شروع
- فرار پروموتر
- طویل شدن
- خاتمه
شروع
RNA پلیمراز، با کمک برخی فاکتورهای رونویسی، به پروموتر DNA متصل می‌شود و کمپلکس بسته پروموتر-RNA پلیمراز را تشکیل داده، سپس با باز شدن DNA در ناحیه پروموتر دنبال شده و یک کمپلکس باز تشکیل می‌دهد. بخش در معرض DNA، به دنبال باز شدن یک حباب رونویسی را ایجاد کرده، سپس RNA پلیمراز به جایگاه آغاز رونویسی دنا در حباب رونویسی متصل می‌شود. مرحله‌ای از شروع ناقص (چرخه‌های سنتز) رخ می‌دهد که منجر به آزاد شدن رونوشت‌های کوتاه mRNA (حدود 2 تا 15 نوکلئوتید) می‌شود.
نکته: پروموتر یک توالی از دنا است که فرآیند رونویسی از این توالی آغاز می‌شود. آنزیم RNA پلیمراز توانایی شناسایی و اتصال به این جایگاه برای شروع فرآیند رونویسی دی ان ای را دارد.
فرار پروموتر
مرحله بعد از شروع، فرار پروموتر است. RNA پلیمراز از پروموتر فرار می‌کند تا بتواند وارد مرحله طویل شدن شود.
طویل شدن
همان‌طور که RNA پلیمراز رشته الگوی غیرکدکننده DNA را از ‘5 → ‘3 طی می‌کند، جفت شدن بازهای نوکلئوتیدی را هم تسهیل می‌کند. نوکلئوتیدهای mRNA از ‘3 → ‘5 اضافه می‌شوند و یک کپی از رشته غیر الگوی کد کننده DNA به‌جز تیمین (که با یوراسیل جایگزین شده است) تولید می‌کنند. بدنه اصلی قند-فسفات از طریق RNA پلیمراز تشکیل می‌شود، بنابراین، جزء قندی بدنه اصلی یک ریبوز است (در مقابل قند DNA که یک دئوکسی ریبوز است).
خاتمه
در طی این مرحله، پیوندهای هیدروژنی مارپیچ RNA-DNA شکسته می‌شود. در یوکاریوتها، رونوشت mRNA از طریق پلی‌آدنیلاسیون، کلاهک‌گذاری و پیرایش دچار پردازش بیشتری می‌شود. مکانیسم خاتمه به کار گرفته‌شده توسط پروکاریوتها ممکن است وابسته به rho یا مستقل از rho باشد. در یوکاریوتها، خاتمه شامل سیگنال پلی A و توالی پایان دهنده پایین‌دست است.
برخلاف همانندسازی دنا که آنزیم DNA پلیمراز تا زمانی که به انتهای مولکول برسد، به‌اضافه کردن نوکلئوتیدها ادامه می‌دهد، در رونویسی دنا، با دخالت فاکتورهای تنظیم بیان ژن، آنزیم باید در مکانی مشخص کار خود را خاتمه دهد.
در سلولهای پروکاریوتی خاتمه رونویسی دنا، یا در طی عمل پروتئینی به نام rho یا در ناحیه‌ای دو رشته‌ای از RNA می‌تواند اتفاق بیفتد.
ناحیه‌ای دو رشته‌ای از RNA
این حالت شامل رونویسی دی ان ای از یک منطقه غنی از بازهای گوانین و سیتوزین بوده که به دنبال آن رشته‌ای از بازهای یوراسیل قرار گرفته‌اند و با DNA الگو پیوندهای هیدروژنی ضعیفی را تشکیل می‌دهند. این منطقه غنی از بازهای گوانین و سیتوزین، یک لوپ یا حلقه را می‌تواند تشکیل دهد تا یک ساختار سنجاق سری را ایجاد کند. این ساختار باعث مهار آنزیم RNA پلیمراز و سایر فاکتورهای رونویسی دنا می‌شود. این مرحله، همراه با پیوندهای ضعیف بین بازهای یوراسیل و رشته DNA الگو، باعث دور شدن RNA از ماشین رونویسی و خاتمه رونویسی دنا می‌گردد.
نکته: در این فرایند پروتئینی به نام NusA هم دخیل است.
عمل آنزیم rho
در خاتمه رونویسی دی ان ای وابسته به پروتئین rho، اتصال این پروتئین به توالی در RNA رونویسی شده رخ می‌دهد. این توالی در پایین‌دست کدون‌های توقف ترجمه قرارگرفته و به پروتئین rho اجازه اتصال به RNA و حرکت در امتداد رونوشت را می‌دهد، که این حرکت یک فعالیت وابسته به ATP است. هنگامی‌که پروتئین رو به آنزیم RNA پلیمراز متوقف‌شده برخورد کند، به آنزیم اتصال یافته و باعث جدا شدن رونوشت و عوامل وابسته به رونویسی مرتبط با آن از DNA می‌شود.
مرحله خاتمه رونویسی دنا در سلولهای یوکاریوتی بسیار کمتر شناخته‌شده است و این مرحله در یوکاریوتها بیشتر با تغییرات پس از رونویسی و پردازشی که قبل از انتقال RNA بالغ به سیتوپلاسم انجام می‌شود، در ارتباط است.
انواع رونوشت‌های RNA
به‌طورکلی، رونوشت‌های RNA را به سه نوع تقسیم می‌کنند، شامل:
- RNA پیام‌رسان یا mRNA
- RNA انتقال‌دهنده یا tRNA
- RNA ریبوزومی یا rRNA
هر سه رونوشت ارتباط نزدیکی با سنتز پروتئین دارند، به‌این‌ترتیب که mRNA تعیین توالی اسیدهای آمینه را انجام می‌دهد، tRNA و rRNA در فرآیند ترجمه کدهای mRNA بسیار اهمیت دارند.
مطلب مرتبط: RNA چیست؟ – به زبان ساده
آر ان ای پیک mRNA
RNA پلیمراز II پلیمریزاسیون mRNA از DNA دارای ژن‌‌های کد کننده پروتئین را کاتالیز می‌کند. گاهی اوقات، پروتئین‌‌هایی که در کنار هم استفاده می‌شوند، به‌صورت یک مولکول mRNA طولانی رونویسی شده که به‌خصوص در بین پروکاریوتها متداول است. جایگاه‌‌های اتصال‌دهنده برای فاکتورهای رونویسی دنا و همچنین عوامل کنترل‌کننده آن، در DNA بالادست توالی کدگذاری قرار دارند که زمان و مقدار فعالیت رونویسی دی ان ای را تنظیم می‌کنند. سپس mRNA اصلاح و پردازش‌شده تا رونوشت نهایی که برای فرآیند ترجمه استفاده می‌شود را فراهم کند.
آر ان ای ریبوزومی rRNA
تقریباً 50% از مقادیر RNA یک سلول را RNA ریبوزومی تشکیل داده و توسط RNA پلیمراز I در نواحی خاصی از هسته به نام هستک رونویسی می‌گردد. rRNAهای پروکاریوتی سه نوع مختلف دارند، درحالی‌که در سلولهای یوکاریوتی RNAهای ریبوزومی از چهار نوع rRNA تشکیل‌شده‌اند و بزرگ‌ترین این ریبوزومها حاوی بیش از 5000 نوکلئوتید است. این مولکولهای RNA ساختار سه‌بعدی ریبوزومها را مشخص می‌کنند.
نکته: هستک‌ها در اطراف مکان‌هایی که برای rRNA کدگذاری می‌کنند، به‌صورت ساختار‌های متراکم کروی قرار می‌گیرند.
آر ان ای انتقال دهنده tRNA
رونویسی از پیش ساز‌های tRNA در هسته توسط RNA پلیمراز III کاتالیز می‌شود. توالی‌های پروموتر کنترل‌کننده بیان ژن tRNA می‌توانند اینتراژیک باشند و درون توالی رمزگذاری ژن قرار گیرند. پیش ساز‌های tRNA تحت تغییرات گسترده‌ای ازجمله پیرایش قرار می‌گیرند.
tRNAهای پروکاریوتی فعالیت کاتالیزوری خود را حفظ کرده و توانایی فعالیت پیرایشی بر روی خود را دارند، درحالی‌که در یوکاریوتها تغییرات پس از رونویسی tRNAها توسط آنزیم‌‌های مخصوص اندونوکلئاز انجام می‌شود. این اندونوکلئاز‌ها موتیف ساختاری خاصی را در tRNA شناسایی کرده و سپس توالی هدف برای فرایند پیرایش را تشخیص می‌دهند.
علاوه بر این سه نوع RNA، که بالاتر به آن‌ها اشاره شد، سلول دارای تعدادی RNAهای کوچک‌تر بوده که در فعالیت‌های مختلف سلولی ایفای نقش می‌کنند مثل:
تنظیم ژن: ژن‌ها توسط میکرو RNA یا micro RNA و توالی‌هایی در نواحی غیرقابل ترجمه ‘۵ از رونوشت mRNA، تنظیم می‌شوند.
اصلاح پس از رونویسی: این اصلاح توسط عملکرد RNA هسته‌ای کوچک (Small Nuclear RNA) و RNA هستکی کوچک (Small Nucleolar RNA) صورت می‌گیرد.
دفاع ژنوم: به‌وسیله فعالیت‌های RNA برهمکنش کننده با پی وی (Piwi-interacting RNA) و کریسپر انجام می‌شود.
حفظ ساختار ژنومی: ساختار ژنومی توسط تلومر‌ها و رونوشت‌های RNA ای که کروموزوم‌های X را غیرفعال می‌کنند، حفظ می‌شود.
رونویسی دی ان ای در موجودات پروکاریوت و یوکاریوت شباهت‌ها و تفاوت‌هایی دارد که در ادامه به آن‌ها می‌پردازیم.
رونویسی در موجودات پروکاریوت و یوکاریوت
در پروکاریوت و یوکاریوت، جریان ژنتیکی در رونویسی از DNA به RNA است و هر دو از RNA پلیمراز برای کمک به این فرآیند استفاده می‌کنند. بااین‌حال، یوکاریوتها دارای سه نوع RNA پلیمراز (I، II و III) و پروکاریوتها فقط یک نوع دارند.
درحالی‌که رونویسی دنا در سیتوپلاسم پروکاریوتها اتفاق می‌افتد، این عمل در هسته یوکاریوتها انجام می‌شود. اگر رونوشت RNA حاوی بخش کد کننده DNA باشد، هسته را به‌عنوان mRNA برای ترجمه در محل ریبوزومی ترک می‌کند.
در باکتری‌ها، mRNA قبل از ترجمه تحت پردازش قرار نمی‌گیرد. بنابراین، mRNA باکتری فاقد کلاهک و دم پلی A است. برعکس، در یوکاریوتها، mRNA با افزودن یک کلاهک و یک دم پلی A و پیرایش قبل از ترجمه پردازش می‌شود.
تفاوت عمده دیگر این است که در باکتری‌ها رونویسی دی ان ای و ترجمه آن می‌توانند به‌طور هم‌زمان اتفاق بیفتند. در یوکاریوتها، پیش از ادامه ترجمه، ابتدا باید رونویسی دنا کامل شود.
mRNA تولیدشده توسط پروکاریوتها پلی‌سیسترونیک است، به این معنی که یک mRNA منفرد می‌تواند حاوی بیش از یک ژن باشد. در مقابل، mRNA یوکاریوتها مونوسیسترونیک است، زیرا یک mRNA منفرد می‌تواند تنها یک ژن را حمل کند.
تفاوت رونویسی و همانند سازی
رونویسی دی ان ای و همانندسازی آن، هر دو فرآیندهای بیولوژیکی تولید یک کپی از DNA هستند. بااین‌حال، خروجی همانندسازی یک کپی دقیق از DNA است درحالی‌که در رونویسی دنا خروجی یک کپی دقیق نیست، بلکه یک رونوشت mRNA است که در آن تیمین‌ها با یوراسیل‌ها جایگزین می‌شوند.
در همانندسازی، جفت بازهای مکمل شامل جفت باز آدنین- تیمین (AT) و گوانین-سیتوزین (GC) می‌باشند ولی در رونویسی، جفت بازها آدنین-اوراسیل (AU) و گوانین-سیتوزین (GC) هستند.
در همانندسازی، آنزیم درگیر DNA پلیمراز است درحالی‌که در رونویسی دنا آنزیم RNA پلیمراز است.
هم همانندسازی و هم رونویسی دی ان ای در جهت ‘3 → ‘5 پیش می‌روند. اما برخلاف همانندسازی DNA، رونویسی دنا برای شروع فرآیند نیازی به آغازگر یا پرایمر ندارد.
در پروکاریوتها، هر دوی آن‌ها در سیتوپلاسم ولی در یوکاریوتها، هر دو در هسته رخ می‌دهند. درحالی‌که همانندسازی یک مرحله مقدماتی برای تقسیم سلولی مانند میتوز است، رونویسی مرحله اولیه بیان ژن و سنتز پروتئین است.
تفاوت رونویسی و ترجمه
رونویسی و ترجمه هر دو مراحل بیوسنتز پروتئین هستند. بااین‌حال، رونویسی دنا ابتدا قبل از ترجمه اتفاق می‌افتد. رونویسی mRNA را تولید کرده که حامل کدی است که باید به یک پروتئین (یا پلی‌پپتید) خاص ترجمه شود. کد یک کپی از بخش کد کننده DNA است و توالی خاصی از اسیدهای آمینه را مشخص می‌کند. بنابراین، جریان اطلاعات ژنتیکی در رونویسی دنا از DNA → mRNA است درحالی‌که در ترجمه جریان از اسیدآمینه یا پروتئین → mRNA است.
هر دو فرآیند به کمک آنزیم‌هایی انجام می‌شوند، RNA پلیمراز به رونویسی دنا کمک می‌کند درحالی‌که ریبوزیم در ترجمه ایفای نقش می‌کند.
در پروکاریوتها، رونویسی دی ان ای در سیتوپلاسم اتفاق می‌افتد درحالی‌که در یوکاریوتها در هسته رخ می‌دهد. در مورد ترجمه، در سیتوپلاسم جایی که ریبوزومها در سلولهای پروکاریوتی و یوکاریوتی قرار دارند انجام می‌شود.
جمع‌بندی
همان‌طور که اشاره شد فرآیند رونویسی دی ان ای، تولید یک کپی یا رونوشت از دستورالعمل‌های ژنتیکی ذخیره‌شده در یک رشته DNA به‌صورت یک رشته مکمل RNA به نام RNA پیام‌رسان یا mRNA است. این فرآیند با کمک RNA پلیمرازها رخ می‌دهد. جریان اطلاعات ژنتیکی در رونویسی دی ان ای از DNA → mRNA است و در پروکاریوتها، این فرآیند در سیتوپلاسم و در یوکاریوتها در داخل هسته اتفاق می‌افتد. ازآنجایی‌که رونویسی دی ان ای مرحله اولیه بیان ژن و سنتز پروتئین است، برای سلول بسیار حائز اهمیت می‌باشد.
سوالات متداول رونویسی mRNA
1- مراحل رونویسی دی ان ای در یوکاریوتها چیست؟
شامل شروع، فرار پروموتر، طویل شدن، خاتمه است.
2- تفاوت رونویسی دی ان ای در یوکاریوتها و پروکاریوتها چیست؟
یوکاریوتها دارای سه نوع RNA پلیمراز (I، II و III) و پروکاریوتها فقط یک نوع دارند. رونویسی دنا در سیتوپلاسم پروکاریوتها اتفاق می‌افتد، ولی این عمل در هسته یوکاریوتها انجام می‌شود. در باکتری‌ها، mRNA قبل از ترجمه تحت پردازش قرار نمی‌گیرد. بنابراین، mRNA باکتری فاقد کلاهک و دم پلی A است. برعکس، در یوکاریوتها، mRNA با افزودن یک کلاهک و یک دم پلی A و پیرایش قبل از ترجمه پردازش می‌شود. در باکتری‌ها رونویسی دنا و ترجمه می‌توانند به‌طور هم‌زمان اتفاق بیفتند ولی در یوکاریوتها، پیش از ادامه ترجمه، ابتدا باید رونویسی دی ان ای کامل شود. mRNA تولیدشده توسط پروکاریوتها پلی‌سیسترونیک است، در مقابل، mRNA یوکاریوتها مونوسیسترونیک است.
3- مرحله پایان رونویسی دنا چگونه انجام می‌شود؟
در طی این مرحله، پیوندهای هیدروژنی مارپیچ RNA-DNA شکسته می‌شود. در یوکاریوتها، رونوشت mRNA از طریق پلی‌آدنیلاسیون، کلاهک‌گذاری و پیرایش دچار پردازش بیشتری می‌شود. مکانیسم خاتمه به کار گرفته‌شده توسط پروکاریوتها ممکن است وابسته به rho یا مستقل از rho باشد. در یوکاریوتها، خاتمه شامل سیگنال پلی A و توالی پایان‌دهنده پایین‌دست است.
