سازمان و بیان ژن در یوکاریوت ها

سلول های یوکاریوتی دارای سه سیستم ژنتیکی عمل عمل کننده هستند که عبارتند از : ژنوم هسته ، ژنوم کلروپلاست و ژنوم میتوکندری . کلروپلاست و میتوکندری اجسامی نیمه مستقل با ویژگیهای سازمانی و کارکرد ویژه می باشند . اما تمامی نیازهایشان را سنتز نمی کنند . ژنوم هسته ای نقش مهمی در اندامک زایی دارد . ژنوم عبارت است از سری کامل کروموزوم های هسته یک گونه که شمال تمام مواد ژنتیکی آن می شود .

مهمترین تفاوت بین بیان ژن در پروکاریوت ها و یوکاریوت ها این است که mRNAدر سلول یوکاریوتی باید از هسته به سیتوپلاسم برود تا ترجمه شود . مسیرهای فرآروی پیچیده ای در هسته برای پیش ساز RNA وجود دارد و MRNA سیتوپلاسمی از نظر ساختمانی با mRNA پروکاریوتی تفاوت دارد . سه نوع RNA پلیمراز مختلف ، نوع I  و II و III دریوکاریوت ها وجود دارد .

RNA پلیمراز I در درون هسته قرار دارد و سنتز RNA را کاتالیز می کند . RNA پلیمراز II و III در نوکلئوپلاسم ( خارج از نوکلئوس ) قرار دارند . RNA پلیمراز III ژنها مربوط به RNAهای کوچک هسته ای و tRNAها را رونویسی می کند . جایگاه های اتصال این آنزیم ترجیحا در داخل ژنها نسبت به جایگاه های 5’ یا فرادست ژن ها قرار دارند .

RNA پلیمراز II اکثر ژنهای ساختمانی هسته ای را رونویسی می کند ، این آنزیم مسئول سنتز mRNA اولیه است . از مقایسه توالی های راه اندازی یا جایگاههای اتصال RNA پلیمراز II بالغ بر 200 ژن یوکاریوتی مشخص شده که توالیهای هماهنگ به ترتیب در حدود 25 و 75 جفت نوکلئوتید قبل از جایگاه آغاز رونویسی واقع شده اند . توالی هماهنگ برای (( توالی 25- )) ( که به آن جعبه هاگنس و جعبه TATA نیز می گویند ) عبارت است از TATAAAA و برای توالی 75- ( که به آن جعبه CAAT نیز می گویند ) GGCCAATCT می باشد . جعبه TATA ممکن است جایگاه اولیه پایان را با نقشی که به عنوان جایگاه اتصال RNA پلیمراز II بازی می نماید مشخص کند .

در پروکاریوت ها همه ژنهای شناسایی شده ، از توالی های پیوسته ای از جفت نوکلئوتید ها تشکیل شده اند ، در صورتی که در یوکاریوت ها توالی های رمز گردان ژنها ( موسوم به اگزون  یعنی توالی های بیان شونده ) معمولا ( امل نه همیشه ) به وسیله توالی های میانی غیر رمزگردان یا اینترون ها قطع می شوند توالی های رمز گردان به توالی هایی گفته می شود که محصول عملکردی ژن ، پروتئین یا RNA را مشخص می کنند . به mRNA هایی که از روی هر دو توالی های اگزون و اینترون رونویسی شده اند RNA هسته ای ناهمگن یا hn RNA گویند و به چنین ژنهایی ، ژنهای منقطع گویند .

mRNA های یوکاریوتی ساخته شده به وسیله رونویسی اولیه از روی ژنها متحمل تغییراتی می شوند که عبارتند از :

• افزودن کلاهک 7-متیل گوآنوزین به انتهای 5’ ، mRNA ( جایگاه کلاهک ) انتهای 5’ ، mRNA  ها به وسیله حضور نوکلئوتیدهای متیله شده ، مانند 7-متیل گوآنوزین مشخص می شود . ارتباط فضایی بین جایگاه کلاهک و ATP ، سطح بیان ژن را مشخص می کند ، کلاهک ممکن است به عنوان جایگاه اتصال تنظیم کننده آغاز یا تثبیت ترجمه عمل کند .

به نظر می رسد که mRNA  های کلروپلاست و میتوکندری فاقد کلاهک باشند .

• افزودن نوکلئوتیدهای پلی آدنیله شده به انتهای 3’ رشته mRNA ( پلی آدنیلاسیون )
• پیرایش mRNA به منظور حذف اینترون ها mRNA پیدایش شده سپس برای تشکیل پروتئین ترجمه می شود .

ژن های یوکاریوتی به وسیله راه اندازهایی که در فرادست ( انتهای 5’ ) جایگاه های اولیه ترجمه قرار دارند تنظیم می شوند ، همانند تنظیم ژنی که در پروکاریوت ها رخ می دهد هر چند که این راه اندازها ممکن است با چند جایگاه اتصال پروتئین تنظیمی همراه باشند علاوه بر راه اندازهای نزدیک ، تعداد زیادی از ژنهای یوکاریوتی به وسیله عناصر Cis-acting که عوامل افزایش دهنده و خاموش کننده نامیده می شوند و در فاصله دورتری قرار دارند تنظیم می شوند افزایش دهنده ها سبب افزایش ترجمه ولی خاموش کننده ها سبب کاهش ترجمه ژنهای تنظیم شده می شوند . افزایش دهنده ها با راه انداز تفاوت دارند چنان که :

• افزایش دنده های می توانند از فواصل نسبتا زیاد ، تا چندین هزار جفت نوکلئوتید بر ژن تنظیم شده اثر کنند .
• افزایش دهنده های مستقل از جهت می باشند ، آنها می توانند در جهت طبیهی و جهت معکوس به خوبی اثر کنند .
• افزایش دهنده های مستقل از مکان می باشند ، آنها اگر در فرادست ( 5’ ) یا فرودست ژن باشند و یا حتی اگر در داخل اینترون باشند ، قادرند به خوبی عمل کنند . افزایش دهنده ها عناصر نسبتا بزرگی هستند که تا چند صد جفت نوکلئوتید طول دارند . آنها گاهی اوقات شامل توالیهای تکرار شده می باشند که نقش جزعی افزایش دهنده برای خودشان دارند . افزایش دهنده ها و راه اندازها می توانند به صورت مشترک فعالیت کنند .

بیشترین مطالعات بر روی افزایش دهنده ها در سیمیان ویروس 40 ( SV 40 ) صورت گرفته ، SV40  یک ویروس میمون است که قابل مطالعه در محیط کشت می باشد . وارد ساختن افزایش دهنده SV40 به درون یک ژن ساختاری ، سبب افزایش سرعت واکنش می شود .