ماجرای پسر رئیس جمهور ( فصل 3 بخش g)

Jefferson, Alleged Sons and Microsatellites

 

مدت زیادی بود که اشاره می شد آیا رئیس جمهور توماس جفرسون ممکن است پدر استون همینگ باشد ، آخرین فرزند جفرسونها سالی همینگ را اسیر کرده بود. اعضای خانواده وود سان ادعا کردند که آنها اولاد رئیس جمهور جفرسون می باشند. بعد از آن تعداد تکرارها در هر کدام از 11 میکرو ستلایت از کروموزوم Y اولاد ذکور نشان داد که پسر رئیس جمهور زنده نمی باشد. بنابراین از این مطالعه برای اولاد عموی رئیس جمهور استفاده شد .

(Foster, E.A. et al. 1998. Nature, 396:27-28)

اولاد عموی رئیس جمهور  

15, 12, 4, 11, 3,  9, 11, 10, 15, 13, 7

 

اولاد استون همینگ 

15, 12, 4, 11, 3,  9, 11, 10, 15, 13, 7.

 

اولاد توماس وود استون

14, 12, 5, 11, 3, 10, 11, 13, 13, 13, 7

 

این نتایج نشان داد که استون همینگ و جفرسون از نظر ژنتیکی وابسته می باشند اما توماس  وود استون یک جفرسون نسیت. برای اطلاعات بیشتر در این باره بهReport by Thomas Jefferson (Memorial Foundation (January, 2000.  مراجعه نمایید.

 

تکرارهای پشت سر هم (فصل 3 بخش D)

تکرارهای پشت سر هم

 

Tandem repeat ها یا تکرارهای پشت سرهم آرایه ای از تکرارهای پی در پی می باشد. آنها دارای 3 زیر گروه می باشند. ماهواره ها (satellites) ، ماهوارکها (minisatellites) و microsatellites .

اسم ماهواره "satellite " از طیف نوری آنها آمده است.

 

 

شکل 3-g-1 . توضیح باندهای ماهواره ها . شیب چگالی شناور سازی نیروی گریز از مرکز (centrifugation) ، قطعات DNA با ترکیب متفاوت معنی دار جدا شده و بعد طیف جذبی آن توسط نور ماورای بنفش مشخص می گردد . باند اصلی نشان دهنده حجم کلی DNA می باشد. و باندهای ماهواره ها از تکرارهای پشت سر هم منشا می گیرند.

 

ماهواره ها (satellites)

 

اندازه DNA ماهواره ها از 100kp تا 1 Mb میباشد.در انسان مثال شناخته شده آن Alphoid DNA می باشد که در سنترومر تمامی کروموزومها جای گرفته است.بخش تکرار شونده آن 171bp بوده و منطقه تکراری آن 3 تا 5 درصد DNA در هر کروموزوم را تشکیل می دهد. دیگر ماهواره ها دارای بخش تکرار شونده کوچکتری می باشند . اکثر ماهواره ها در انسان و در دیگر ارگانیسمها در سنترومر قرار گرفته اند.

 

Minisattelites (ماهوارک)

 

اندازه minisatellite  ها بینb  1k و 20kb می باشد. یک نوع مینی ستلایک variable number of tandem repeats (VNTR) می باشد. بخش تکراری آن از 9 جفت باز تا 80 جفت باز می باشد. آنها در منطقه  کد نشونده قرار دارند. تکرارها در هر مینی ستلایت معین ممکن است متفاوت باشد. این ویژگی بر اساس انگشت نگاری DNA یا DNA fingerprinting  می باشد. دیگر انواع ماهوارکها تلومرها می باشند . در سلول نطفه انسان اندزه تلومر 15kb می باشد. در سلولهای سوماتیک پیر شده تلومر کوتاهتر می شود (هم اکنون تحقیقات وسیعی در این زمینه در حال انجام است :م) تلومرها از توالیهای پشت سر هم تکراری GGGTTA تشکیل شده اند.

 

Microsatellites  

میکرو ستلایتها را تکرارهای پشت سر هم کوتاه (short tandem repets (STR)) نیز می نامند. چراکه بخش تکرار شونده از 1 تا 6 جفت باز تشکیل شده است و کل منطقه تکرار شونده به کمتر از 150 جفت باز می رسد. همانند مینی ستلایتها تعداد تکرارها برای هر میکرو ستلایت ممکن است فرق کند. بنابراین ، از میکرو ستلایتها هم می توان در انگشت نگاری DNA استفاده نمود. بعلاوه ، الگوهای میکرو و مینی ستلایتها می توانند اطلاعاتی را راجع به صفات پدری در اختیار ما قرار دهند مشهورترین مورد آن در لینک زیر می باشد.

President Thomas Jefferson and His Alleged Sons

عبارت "پلی مرفیسم " مربوط به  اشکال گوناگون درون یک جمعیت می باشد ، برای مثال : تفاوت در تعداد تکرارهای پشت سر هم یا (tandem repeat) . این پلی مرفیسمها نتیجه همانند سازی DNA  در طی میوز می باشند (فصل 8 بخش D) . پلی مرفیسم میکروستلایت می تواند به علت لغزش در همانندسازی (replication slippage ) رخ دهد . (فصل 7 بخش F).

 

 

سایت:

Short Tandem Repeat Database

 

 

مقاله:

 

Beyond the Qs in the polyglutamine diseases - Genes and Development, 2001

 

تکرارهای پراکنده(interspersed repeats) (فصل 3 بخش g )

تکرارهای پراکنده(interspersed repeats)

تکرارهای پراکنده توالیهای تکراری DNA می باشند که  در مناطق  پراکنده  ژنمی جای گرفته اند. آنها را mobile element  یا transposable elements می نامند. همانطور که در فصل 8 بخش D گفته شده ، توالی DNA ممکن است در یک جایگاه متفاوت در هنگام همانندسازی DNA کپی  شده باشد. بعد از نسلهای متمادی این توالیها (بخش تکراری) می توانند به مناطق گوناگون  انتشار یابند. Mobile element ها اولین بار توسط Barbara McClintock در سال 1940 در مطالعات  بر روی ذرت کشف شد. سپس آنها در تمام ارگانیسمها کشف شدند. در پستانداران ، معمولترین mobile element ها LINEs و SINEs هستند.

 

جدول3-g-1 . مثالی از mobile element ها

 

LINEs

 

LINEs خلاصه (long Interspersed Nuclear Elements ) عناصربلند پراکنده شده هسته ای می باشد. سازماندهی آن در زیر نشان داده شده است.

 

 

شکل3-g-2  . سازماندهی اصلی LINEs . ORF1 و ORF2 هر دو open reading frame می باشند. پروتینی که محصول ORF1 است p40 نامیده می شود. که عمل آن معلوم نمی باشد. ORF2 آنزیم ریورس ترانسکریپتاز(reverse transcriptase)   را کد می کند که جهت  تکثیر دیگر عناصر در جاهای دیگر ضروری می باشد. مناطقی که با رنگ قرمز نشان داده شده است Dierct repeat ها می باشند . تمامی  mobile element ها دارای direct repeat  می باشند که در فصل 8 توضیح داده خواهد شد.

 

 

 

شکل3-g-3  . مقایسه بین تکرارهای مستقیم (direct repeat) و تکرارهای معکوس  (inverted repeat) . تکرارهای مستقیم دارای توالی یکسان در جهت یکسان می باشند. تکرارهای معکوس دارای دارای توالی مکملی در جهت مخالف می باشند.

 

رایجترین LINE ها در انسان خانواذه L1 می باشند. ژنوم انسان از 60000 تا 100000  عنصر L1 تشکیل شده است.

 

SINEs

 

SINE خلاصه (Short intersperspered Nuclear Element) عناصر کوتاه پراکنده شده هسته ای  می باشد.

طول آنها 300 جفت باز می باشد. در انسان فراوانترین SINE ها خانواده Alu می باشند. ژنوم انسان دارای 700000 تا 1000000 مکان Alu می باشد. گرچه اکثر LINE ها و  SINE ها در مناطق extragenic  هستند برخی از آنها در اینترونها جای دارند. برای مثال ، ژن رتینوبلاستومای انسانی (RB gene) 180 کیلو جفت باز است و از 27 آکسون تشکیل شده است. اینترونهای آن از تعداد زیادی Alu و تعداد کمی L1 تشکیل شده است.

 

سایت:

Barbara McClintock and Jumping Genes - From Cold Spring Harbor Lab

Alu Insertion Polymorphism - From Cold Spring Harbor Lab

 

 

توالیهای تکراری DNA (فصل 3 بخش g )

توالیهای تکراری DNA

یک تکه ازتوالی  DNA به صورت ممتد اغلب چندین بار در DNA کل سلول تکرار می شود. برای مثال دنباله توالی DNA تنها یک قسمت کوچک از تلومر می باشد که در انتهای هر کروموزوم انسانی وجود دارد.

کل تلومر ، 15 کیلوباز است که ترکیبی از هزاران توالی تکراری “GGGTTA” می باشد.

 

به صورت تجربی ، تعداد کپیهای  تکرار شده را می توانند بر اساس کینتیکهای باز تشکیل DNA

(DNA reassociation kinetics) طبقه بندی نمود.

DNA کل در ابتدا به صورت تصادفی به  قطعاتی با سایز  متوسط 1000 جفت باز بریده می شود. بعد ازآن ، به آنها حرارت داده می شود تا رشته های  مکمل هر قطعه جدا شوند. سپس ، دما کاهش داده می شود تا رشته ها باز تشکل یابند. اگر قطعه ای دارای یک توالیی باشد که چندین بار در DNA کل تکرار شده باشد ، شانس زیادتری  در یافتن یک رشته مکمل برای آن وجود دارد و سریعتر از دیگر رشته ها که کمتر تکرار شده اند باز تشکیل میابد.

 

بر اساس درجه باز تشکیل ، توالیهای DNA به سه کلاس تقسیم می شوند:

 

• توالیهای تکرار بالا (Highly repetitive) : 10 تا 15 درصذ از توالیهای DNA را تشکیل می دهد که بسیار سریع باز تشکیل میابند.
• توالیهای تکرار متوسط (Moderately repetitive) : تقریبا 25 تا 40 درصد DNA پستانداران را تشکیل می دهد که باز تشکیل آن به طور میانه می باشد. این کلاس دارای تکرارهای پراکنده می باشد.
• توالی تک کپی (single copy) ( یا با کپیهای بسیار پایین) : این کلاس 50 تا 60 درصد از DNA پستانداران را تشکیل می دهد.

 

 

تکرارهای پشت سرهم - ستلایتها (ماهوارها) ، مینی ستلایتها (ماهوارکها) و میکروستلایتها ---(satellite)

تکرارهای پراکنده – LINEs و SINEs

 

ژن (فصل 3 بخش f)

ژن

طبق تعریف یک ژن تمام توالی نوکلئیک اسیدی می باشد که برای تولید محصولات آن (پپتید یا RNA ) مورد نیاز است. این توالی می تواند به دو منطقه تنظیمی و منطقه رونویسی تقسیم شود. منطقه تنظیمی می توان نزدیک یا دورتر از منطقه رونویسی باشد. منطقه رونویسی از اینترونها و اگزونها تشکیل شده است. اگزونها پپتید یا RNA عملکردی را کد می کنند. اینترونها بعد از رونویسی حذف می شوند. (فصل 5 بخش A را ببینید).

همانطور که در شکل نشان داده شده است ، یک مولکول DNA معمولی شامل ژنها ، ژنهای کاذب (psedogenes ) و منطقه خارج ژنی (extragenic region) می باشد. ژنهای کاذب ژنهای غیر عملکردی می باشند. آنها غالبا از جهش در ژنهای همانند سازی شده منشا می گیرند. به این خاطر که ژنهای همانند سازی شده دارای تعداد زیادی کپی می باشند ، حتی اگر تعدادی از آنها هم غیر فعال شوند موجود می تواند زنده بماند.

 

شکل 3-F-1 . سازماندهی کلی توالی DNA . تنها اگزونها پپتید یا RNA عملکردی را کد می کنند. منطقه کد شونده تنها %3  از کل DNA را در یک سلول انسانی تشکیل می دهد.

 

 

ژن β گلوبین و خانواده ژنی

ژنهای همانند سازی شده

ژنهای همانندسازی شده (فصل 3 بخش f)

ژنهای همانندسازی شده

 

یسیاری از پروتئینها به ژنهای همانندسازی شده احتیاج ندارند ، چراکه مولکول mRNA از یک ژن رونویسی شده است که می تواند به کپیهای زیادی از محصول پروتئینی ترجمه شده باشد . به هر حال ، rRNA و tRNA محصولات نهایی ژنی هستند. به علت تسریع در فرایند تولید ، همه گونه ها دارای یک آرایه از ژنهای  RNA تکراری پشت سر هم هستند. محدوده تکرارها نزدیک به 24000 می باشد.

 

جدول 3-F-1 . تعداد ژنهای RNA.

 

 

• کروموزوم X مگس سرکه دارای 250 کپی از rRNA اولیه است ، کروموزوم Y دارای 150 کپی می باشد.

 

 

چهار نوع از rRNA در سلوهای پستانداران وجود دارد. در ژنوم انسانی ، s 28  ، s 5.8  و s 18  در کنار هم دسته شده اند. آنها به فرم یک بخش رونویسی هستند که بوسیله آنزیمهای خاصی بعد از رونویسی جدا می شوند. "rRNA اولیه"  به پیش ماده (precursor) گفته می شود. در انسان بخش تکراری rRNA اولیه 40 کیلو باز طول دارد که 12 کیلو باز مربوط به بخش رونویسی و 27 کیلوباز مربوط به منطقه رونویسی نشده است. بخش رونویسی از سه فضای : ETS  ، 1ITS و ITS2 تشکیل شده است. آنها در هنگام پردازش RNA حذف می شوند.

 

ژن بتا گلوبین و خانواده ژنی (فصل 3 بخش f)

ژن بتا گلوبین و خانواده ژنی

 

ل

 

شکل 3-F-2 . تصویر گرافیکی از ژن بتا گلوبین ، که از سه اگزون و دو اینترون با طول کلی 1.6 کیلو باز تشکیل شده است. این شکل از NCBI تهیه شده است.

 

خانواده ژنی

 

"خانواده ژنی" به دسته ای از ژنها با توالیهای همولوگ گفته می شود.برای مثال ، H2A ، H2B ، H3 و H4 در یک خانواده ژنی هیستونی هستند. محصولات آنها از نظر عملکرد و ساختار یکسان می باشند. مثال دیگر خانواده ژنی بتا گلوبین است که در کروموزوم 11 قرار گرفته است.

 

ل

 

شکل 3-F-3. خانواده ژنی بتا گلوبین β ، δ ،ΑΎ  ،GΎ و ε می باشند. ψ یک سدوژن یا ژن کاذب است  HS1 و HS4 عناصر تنظیمی می باشند.

 

مقالات:

 

The human b-globin locus control region - Euro. J. Biochem., 2002

 

mRNA

mRNA

 

mRNA از DNA رونویسی می شود و اطلاعات مربوط به سنتز پروتئین را حمل می کند. سه نوکلئوتید متوالی در mRNA آمینواسیدها یا یک سیگنال پایانی برای سنتز پروتئین را کد می کنند (کد ژنتیکی را بینید) . این سه نوکلئوتید را کدون می نامند.

 

 

شکل 3-E-3 . توالی DNA ، mRNA و پروتئین کد شده . توالی RNA مکمل رشته DNA الگو  (DNA template starnd ) می باشد و بنابراین مشابه رشته رمزگردان (DNA coding starnd) است با این تفاوت که به جای T دارای U است.

 

مقالات:

 

Curbing the nonsense: the activation and regulation of mRNA surveillance - Genes and Development, 2001.

 

فصل 3 بخش e (کد ژنتیکی)

 

کد ژنتیکی

 

سنتز پروتئین بر اساس توالی mRNA میباشد که از نوکلئوتیدها تشکیل شده است و پروتئینها از آمینو اسیدها. باید یک رابطه مخصوصی بین توالی نوکلئوتیدی و آمینواسیدی وجود داشته باشد. این رابطه کد ژنتیکی نامیده می

شود که بوسیله Marshall Nirenberg و همکارانش در 1960  کشف شد. یک از یافته های آنها در شکل 3-E-2 نشان داده شده است. مشخص شده که سه نوکلئوتید (یک کدون) یک آمینو اسید را کد می کنند که در شکل زیر نشان داده شده است.

 

شکل3-E-1 : رشته کد ژنتیکی . سنتز یک پپتید همیشه از متیونین (Met) آغاز می شود که با AUG کد می شود. کدون پایان یا stop codon (UAA,UAG,UGA ) علامت پایان پپتید است. این جدول مربوط به توالی mRNA می باشد. برای DNA ، U یا یوراسیل باید با T یا تیمین جابه جا شود. در یک مولکول DNA ، از توالی آغاز تا توالی پایان ،   open reading frame)ORF )  نامیده می شود که معمولا (نه همیشه) یک پروتئین یا پلی پپتید را به رمز در می آورد.

 

ترتیب انجام کار کد ژنتیکی

کدهای غیر رشته ای ژنتیکی

 

سایت:

 

 - From NCBI ORF (Open Reading Frame) Finder  

 

 

 

فصل 3 بخش e (شکستن کد ژنتیکی)

شکستن کد ژنتیکی

 

 

شکل3-E-2  . یافته مارشال نیرنبرگ و همکارانش در شکستن کد ژنتیکی.

 

1)      سنتز یک توالی سه نوکلئوتیدی (برای مثال UUU) که تقلیدی از یک کدون در mRNA می باشد.

2)      تهیه انواع گوناگونی از آمینواسیل-tRNA ، برای مثال : Thr-tRNA , phe-tRNA , Lys-tRNA و غیره.

3)      نشاندار کردن آمینواسیل- tRNA بوسیله رادیواکتیو که می تواند دارای آنتی کدون تری نوکلئوتید یا سه نوکلئوتیدی سنتز شده باشد.

4)      قرار دادن توالی سه نوکلئوتیدی ، آمینواسیل- tRNA ،و ریبوزوم در یک فیلتر نیترو سلولوز.

 

 

توالی سه نوکلئوتیدی و آمینواسیل-tRNA به تنهایی می توانند از فیلتر عبور کنند اما ریبوزوم بسیار بزرگ بوده و نمی تواند. بنابر این اگر آمینواسیل-tRNA حاوی آنتی کدون برای توالی سه نوکلئوتیدی باشد ، می تواند به توالی سه نوکلئوتیدی و ریبوزوم در فیلتر متصل شود. در این مورد فعالیت رادیو اکتیوی را می توان در فیلتر شناسایی نمود و آمینو اسید موجود در tRNA احتمالا آمینو اسیدی اسد که بوسیله توالی سه نوکلئوتیدی کد شده است. اگر هیچ فعالیت رادیو اکتیوی دیده نشود توالی سه نوکلئوتیدی برای آمینواسید دارای کدون نمی باشد. اکثر 64 آمینو کدون ممکن بوسیله این فرایند تشخیص داده شدند.

فصل 3 بخش e (کد های ژنتیکی غیر رشته ای)

کد های ژنتیک غیر رشته ای

 

کد ژنتیکی استاندارد برای اکثریت به کار می رود اما نه برای همه موارد. استثنائات در DNA میتوکندری اکثر ارگانیسمها و در DNA هسته ای ارگانیسمهای پستتر دیده می شود. برخی از مثالها در جدول زیر داده شده است.

 

جدول3-E-1 . مثالهایی از کدهای ژنتیکی غیر رشته ای .

 

 

• سلولهای گیاهی در میتوکندری و هسته از کدهای ژنتیکی استانداردد استفاده می کنند.

 

 

برای اطلاعات بیشتر:

 

The Genetic Codes - From NCBI

 

 

فصل 3 بخش e (ترتیب انجام کار کد ژنتیکی)

ترتیب انجام کار کد ژنتیکی

کد ژنتیکی به صورت تصادفی تعیین نشده است. اگر یک آمینواسید با چندین کدون کد شود ، این کدونها در اولین و دومین حرفشان مشترکند و در سومین حرف متفاوت می با ند. این گمارش با طراحی حالت وابل (wobble) انجام شد ، اما سیر تکاملی آن که تبدیل به کد شد ناشناخته مانده است . لینک پایین را ببینید.

 

Aminoacyl-tRNA Synthetases, the Genetic Code, and the Evolutionary Process - Microbiology and Molecular Biology Reviews, 2000.

 

 

 

در شکل بالا ، ما می بینیم که امینواسیدهایی با خصوصیات فیزیکی نزدیک به هم دارای کدونهای مشابه می باشند. برای مثال آسپاراژین و گلوتامین دارای بار منفی می باشند. تمامی کدونهای آنها دارای "GA " در دو حرف اول می باشند. خصوصیات فیزیکی سرین و ترئونین نیز بسیار به هم شبیه است . و آنها با UCN و ACN (N هر اسید آمینه ای می تواند باشد) کد می شوند.

یکی از مزیتهای این گمارش این است که بدین وسیله میزان خطاهای تکراری یا دیگر موتاسیون ها کاهش میابد. برای مثال ، اگر سومین نوکلئوتید کدون سرین جهش یابد آمینو اسید ساخته شدهه باز سرین خواهد بود. اگر اولین نوکلئوتید کدون سرین به A جهش یابد ، ترئونین ایجاد می شود که مشابه سرین است . این گونه جهشها اثر معنی داری در ساختار و فعالیت پروتئین ندارند. فرض کنید سرین با GUA ، GCU ، GAG و UGG کد شده باشد ؛ ترئونین با UUU ، AGU ، AAA و CCC کد شده است. بعد هر جهشی می تواند باعث ایجاد یک آمینو اسید غیر از سرین و ترئونین شود.

 

 

                                     

فصل 3 بخش D

هیستونها و نوکلئوزوم

 

یک کرو موزوم از 5 نوع هیستون تشکیل شده است : H1 (یا H5) ، H2A ، H2B ، H3 و H4 . H1 و پروتئین هومولوگ آن H5 در ساختارهای درجه بالا شرکت دارند. چهار هیستون دیگر به صورت فرم نوکلئوزومی وابسته به DNA می باشند. H1 (یا H5) دارای 220   اسید آمینه می باشند. دیگر انواع هیستونها کوچکتر می باشند ، که هر کدام از 150-100  اسید آمینه تشکیل شده اند.

 

شکل 3-D-2 . هر نوکلئوزوم از  DNA 146bp و 8 هیستون تشکیل شده است : دو کپی از H2A ، H2B ، H3 و H4 . DNA به دور هسته هیستونی پیچیده می شود که در هر نوکلئوزوم نزدیک به 2 دور می شود.

 

 

شکل3-D-3  . توالی H4 گاو. رزدیو لیزین (رنگ قرمز) در انتهای N نقش اصلی را در تنظیم رونویسی ژن بر عهده دارد.

 

خصیصه مهم هیستونها این می باشد که آنها دارای لیزین( K ) کمی در انتهای N خود می باشند. در حالت نرمال سلولی ، گروه R  لیزین دارای بار مثبت است که می تواند به گروه فسفات DNA که دارای بار منفی است متصل شود. مشخص شده که چنین مکانیزمی نقش اصلی را در تنظیم رونویسی ژن ایفا می کند. (فصل 4 بخش G ).

 

مقالات:

Origin of H1 linker histones - FASEB J., 2001.

 

 

فصل 3 بخش D

ترکیب فیبر کروماتینی

 

ساختار یک فیبر کروماتینی  به صورت پویا تغییر میابد. در حالت فشرده ، هر نوکلئوزوم وابسته به یک H1 (یا H5) است که ساختار سلونوئیدی را می سازد . H1 و H5 هیستونهای پیوند دهنده (Linker Histones) نامیده می شوند. آنها جهت پایدارسازی ساختار سلونوئیدی ضروری می باشند. این موضوع را می توان با استخراج کروماتین فشرده شده  در غلظت پایین نمک نشان داد ، که در آن H1 یا H5 رها می شوند. بعد ، ترکیب  " گردنبند مروارید" (beads-on-a-string) را می توان بوسیله میکروسکوپ نیروی اتمی مشاهده نمود.(لینک اینترنتی) .

 

 

شکل3-D-4 . ترکیب گدنبند مروارید کروماتین و ساختار سلونوئید.

 

 

فصل 3 بخش D

ساختار کروماتین

کروماتین ماده ای است که به صورت کروموزومها در هنگام تقسیم سلولی مرئی می شود. جزء اصلی آن نوکلئوزوم می باشد ، از DNA 146 جفت بازی و 8 پروتئین هیستون تشکیل شده است. ساختار کروماتین به صورت پویا تغییر می یابد، حد اقل تا یک اندازه ، که به لزوم رونویسی وابسته است (فصل 4 بخش G را ببینید) . در مرحله متافاز تقسیم سلولی ،  کروماتین با انقباض به صورت کروموزومهای مرئی در می آید. در مواقع دیگر کروماتین دارای فشردگی کمتری می باشد ، با بخشهایی که به شکل ساختار گردنبند مروارید است.

 

 

شکل 1-D-3. ساختار فشرده کروماتین.

a)      ساختار nm 30 فیبرهای کروماتین که به صورت حلقه یا loop است وابسته به پروتئینهای اسکافولد (scaffold proteins) (به طور برجسته توپوایزومراز II ) می باشد. هر حلقه از 75kb DNA تشکیل شده است. پروتئینهای اسکافولد در مکانهای خاصی به DNA متصل می شوند که scaffold attachment regions (SARs) نام دارد، که غنی از آدنین و تیمین می باشد.

b)      فیبر کروماتین پروتئین های اسکافولد وابسته به صورت ساختار مارپیچ می پیچند که ممکن است به صورت کروموزوم دیده شوند. G band جفت بازهای نوکلئوتیدی A-T را نشان می دهد و  R band جفت بازهای غنی از C-G.

 

 

مقالات:

 

Chromatin assembly - European J. Biochem., 2002.

 

The double life of HMGB1 chromatin protein: architectural factor and extracellular signal - EMBO J., 2001.

فصل 3 بخش C

ریبوزیم

ریبوزیمها مولکولهای RNA یی هستند که دارای خاصیت کاتالیزی هستند. آنها در اوایل 1980 بوسیله توماس کچ و سیدنی آلتمن بندگان جایزه نوبل 1989در شیمی کشف شد.

 

مقالات:

 

Recent developments in the hammerhead ribozyme field - Nuclei Acids Research, 1998.

Nucleic Acid Therapeutics: State of the Art and Future Prospects - Blood, 1998.

 

سایت:

The RNA World - by Brig Klyce

Discussing the possibility that ribozymes could be the origin of life.

 

فصل 3 بخش C

mRNA و DNA

mRNA از DNA ترجمه شده است ، که اطلاعات لازم جهت سنتز پروتئین را حمل می کند. سه نوکلئوتید پی در پی در mRNA یک آمینو اسید یا یک سیگنال پایانی برای سنتز پروتئین را کد می کند.(کد ژنتیکی را در بخش E ببینید). این سه نوکلئوتید به اسم کدون شناخته می شوند.

 

 

شکل3-E-3  . رابطه بین DNA ، RNA و پپتیدهای کد شده. توالی mRNA مکمل رشته الگوی DNA است و بنابر این همانند رشته کد شونده DNA است با این تفاوت که به جای T دارای U می باشد.

 

مقالات:

Curbing the nonsense: the activation and regulation of mRNA surveillance - Genes and Development, 2001.

 

 

فصل 3 بخش C

مولکولهای RNA  کوچک

 

انواع اصلی:

RNA های کوچک هسته ای (snRNA) در پیرایش mRNA (mRNA splicing) دخیلند

RNA های کوچک هستکی (snoRNA) اصلاح RNAهای ریبوزومی را بر عهده دارد.

میکرو RNA ها (miRNA) بیان ژن را تنظیم می کند.

 

miRNA دارای تنها 25-20 نوکلئوتید طول می باشد. و ممکن است دارای دو زیر گونه باشد: RNA مداخله گر کوچک small interfering RNA (siRNA) و RNA موقتی تننظیم شده کوچک small temporally    regulated RNA (stRNA) باشد. siRNA ها واسطه ای برای RNA های مداخله گر (RNAi) می باشند که به طور وسیعی در ژنومیکس استفاده می شود و همچنین دارای قابلیتهای درمانی می باشد.

 

مقالات:

 

RNA interference - BMJ 2004.

 

RNA Interference in Biology and Medicine - Pharmaco. Rev., 2003.

 

RNA Interference: Biology, Mechanism, and Applications - Microbiology and Molecular Biology Reviews, 2003.

 

Antisense technologies - Euro. J. Biochem., 2003.

 

The dsRNA binding protein family: critical roles, diverse cellular functions - FASEB J., 2003.

 

RNA-guided Nucleotide Modification of Ribosomal and Other RNAs - J. Biol. Chem., 2003.

 

Micro-RNAs : small is plentiful - J. Cell Biol., 2002.

 

Why do miRNAs live in the miRNP? - Genes and Developme

 

Small Nuclear RNA Genes: a Model System to Study Fundamental Mechanisms of Transcription - J. Biol. Chem., 2001.

 

Small nucleolar RNA-guided post-transcriptional modification of cellular RNAs - EMBO J., 2001.

 

RNA interference: 2001 - Genes and Development, 2001.

 

فصل 3 بخش C

سختار tRNA

 

نقش اصلی مولکولهای tRNA ترجمه توالی mRNA به توالی آمینواسیدی است. مولکول tRNA از 80 – 70 نوکلئوتید تشکیل شده است.ساختار دوم و سوم آن در شکل 3-c-2 و 3-c-3 به ترتیب  نشان داده شده است. برخی از نوکلئوتیدها در tRNA تغییر کرده اند ، از جمله آنها : دی هیدرویوریدین (D ) ، سدو یوریدین ) Ψ) ، و اینوزین (I) است. در دی هیدرو یوریدین ، اتم هیدروژن به C5 و C6 یوراسیل اضافه شده است. در سدو یوریدین به C5 ریبوز اضافه شده است ، به جای N1 . اینوزین نقش مهمی را در شناسایی کدون ایفا می کند. بعلاوه در این تغییرها برخی نوکلئوتیدها متیله شده اند.

 

 

شکل3-C-2. دومین ساختار tRNA . رنگهای آبی نمایانگر نوکلئوتیدهای تغییر شکل یافته اند ، که اگر دارای m باشند یعنی متیله شده اند. آنتی کدون مجموعی از سه کدون است که مکمل کدون موجود در mRNA  است.

 

 

شکل 3-c-3  . سااختار سوم tRNA  . PDB ID = 1TN2

 

مقالات:

tRNA transfers to the limelight - Genes and Development, 2003

 

 

فصل 3 بخش c

ساختار RNA و فعالیت آن

 

اکثر مولکولهای RNA تک رشته اند. آنها می توانند به صورت ساختارهای دومی از قبیل ساقه-حلقه (stem-loop) یا سنجاق سری (hairpin ) باشند.

 

 

شکل 3-c-1 . ساختار دوم RNA . a) ساقه-حلقه b) سنجاق سر

 

نقش اصلی RNA شرکت در سنتز پروتئین می باشد. بر این اساس سه نوع RNA موجود می باشد.

RNA پیامبر (mRNA )

RNA ناقل ( tRNA)

RNA ریبوزومی (rRNA)

 

دیگر انواع RNA شامل:

ریبوزیم

مولکولهای RNA کوچک

(RNA های اینترفرنس و غیره)

 

 

 

ساختار سه بعدی DNA : فرم B ، فرم A و فرمZ (فصل 3 بخش B)

ساختار سه بعدی DNA  : فرم B ، فرم A و فرمZ  

 

در یک مولکول DNA ، دو رشته یه صورت موازی نیستند ، اما دور یکدیگر پیچیده شده اند. هر رشته شبیه یک مارپیچ (helix) است. دو رشته ساختار "دابل هلیکس" (double helix) را ایجاد می کنند ، که اولین بار توسط واتسون و کریک در سال 1953 کشف شد. در این ساختار که به فرم B نیز معروف است ، مارپیچ به اندازه 3.4nm پیچ می خورد و فاصله بین دو جفت باز همسایه 0.34nm می باشد. بنابر این در هر دور 10 جفت باز وجود دارد. رشته های پیچیده شده دو نوع شیار از نظر پهنا را ایجاد می کنند که شیار بزرگ major groove  و شیار کوچک minor groove نام دارد که باعث تسهیل در اتصال به پروتئینها می شوند.

 

شکل 3-B-3 . یک مارپیچ دوگانه راست گردDNA که به فرم B شناخته می شود.

 

در محلولهای حاوی نمک بالا یا حاوی الکل ، ساختار DNA به فرم A تغییر می کند که راست گرد می باشد اما هر  2.3nm یک دور میزند و در هر دور دارای 11 جفت باز است.

فرم دیگر DNA فرم Z نام دارد زیرا بازها به شکل زیگزاگ هستند.   Z-DNA چپ گرد می باشد. هر دور آن 4.6 nm می باشد که از 12 جفت باز تشکیل شده است . مولکولهای DNA دارای توالی های C-G در الکل و محلولهای دارای نمک بالا به این فرم هستند.

شکل 3-B-4. مقایسه بین فرم B و فرم Z

 

معرفی سایت:

The Nucleic Acid Database - From Rutgers.

 

ساختار DNA (فصل 3 بخش B)

 

شکل1-B-3 مدل کامپیوتری از جفت شدن باز ها در DNA . در یک مولکول نرمال DNA ،آدنین (A) با تیمین (t) تیمین ، گوانین (g) با سیتوزین (c) جفت می شوند. یوراسیل (u) موجود در RNA نیز می تواند با آدنین (A) جفت شود.این تفاوت T و U در این است که در U گروه متیل در سمت دیگر پیوند هیدروژنی قرار دارد.

 

یک مولکول DNA دارای دو رشته می باشد که از طریق پیوند هیدروژنی بین بازها به هم پیوسته اند. همانگونه که در شکل بالا نشان داده شده آدنین می تواند دو پیوند هیدروژنی با تیمین داشته باشد و سیتوزین سه پیوند هیدروژنی با گوانین تشکیل می دهد. اگرچه دیگر جفت بازها (برای مثال : (G:T) و (C:T) ) بویسله پیوند هیدروژنی تشکیل می شوند ، قدرت آنها از (C:G) و (A:T) که یه صورت طبیعی در مولکول DNA یافت می شوند کمتر است.

 

شکل بعدی نشان دهنده مثالی از جفت شدن بازها بین رشته های DNA می باشد.

شکل 3-B-2 شکل شماتیکی از دو رشته DNA

 

به علت طرز خاص جفت شدگی بازها ، دو رشته DNA مکمل یکدیگر هستند . بنابر این توالی نوکلئوتیدی یک رشته توالی رشته دیگر را تشخیص می دهد. برای مثال در شکل 3-B-2 توالیهای دو رشته می تواند به صورت

 

                                                                   

 

نوشته شود که از قانون جفت شدن (A:T) و (C:G) پیروی می کند. اگر ما توالی یک رشته را بدانیم ، می توانیم توالی رسته دیگر را استنباط کنیم. برای این منظور ، دیتابیس (database) DNA ما باید دارای حداقل توالی یک رشته از DNA باشد. به طور قرار دادی توالی موجود در دیتابیس DNA به توالی رشته  5` به 3` گفته می شود (چب به راست).

ساختار سه بعدی DNA : فرم B ، فرم A و فرم Z

 

ریبوزوم (فصل 3 بخش بخش C)

 

در پروکاریوتها, RNA ریبوزومی(rRNA ) سه نوع است: 23S,5S و 16S می باشد.در پستانداران , چهار نوع  rRNA یافت می شود: 28S,5.8S,5S و 18S. " S" مخفف کلمه Svedberg می باشد که مقیاس اندازه گیری میزان ته نشینی می باشد. بعد از اینکه مولکولهای rRNA در هسته تولید شدند آنها به سیتوپلاسم انتقال داده می شوند , جایی که با دهها پروتئین مخصوص ترکیب شده تا ریبوزوم را تشکیل دهند. در پروکاریوتها اندازه ریبوزم 70s می باشد که از دو زیر واحد تشکیل شده است: 50S و 30S . اندازه ریبوزوم سلولهای پستانداران 80S است که دارای زیر واحدهای 60S و 40S است. پروتئین زیرواحد بزرگ از L1,L2,L3 و... تشکیل شده (L=large) . در زیرواحد کوچکتر , پروتئینها با S1,S2,S3 و ... نشان داده می شود.

 

 

شکل3-c-4: ترکیب ریبوزومها

 

در هنگام سنتز پوتئین , ریبوزوم به mRNA و tRNA به صورتی که در شکل نشان داده شده وصل می شود.tRNA حاوی آنتی کدون است که با کدونهای mRNA متصل به ریبوزوم جفت می شود.

 

شکل3-c-5

کمپلکس mRNA – ریبوزوم – tRNA در طی سنتز پروتئین.

 

 

مقالات موروری:

5S rRNA: structure and interactions - Biochem. J., 2003

 

زنجيره اسيد نوكلئيك (فصل 3 بخش A)

 

 

در زنجيره اسيد نوكلئوتيد ، دو نوكلئوتيد بوسيله يك پيوند فسفوديستر به هم متصل شده اند ، كه توانايي ايجاد يك واكنش تراكمي را دارند.(شكل 3-A-5) كه مشابه آرايش پیوندهای پپتیدی است. در سلولها اين فرآيند در چسبيدن دو تكه نوكلئيك اسيد وجود دارد. تمام زنجيره نوكلئيك اسيد معمولا بوسيله RNA پليمراز يا DNA پليمراز سنتز مي شود.

 

 

شكل 3-A-5 . آرايش پيوند فسفوديستر با واكنش تراكمي

 

 

همانند زنجيره پپتيدي ، يك زنجيره نوكلئوتيدي داراي جهت مي باشد : انتهاي’5  داراي يك گروه فسفات آزاد و انتهاي '3 داراي يك يك گروه هيدروكسيل آزاد است. فرآيند سنتز نوكلئيك اسيد از ' 5 به ' 3  انجام مي شود. بنابر اين بدون اينكه چيز ديگري تعيين شود ، زنجيره نوكلئيك اسيد از ' 5 به ' 3 نوشته مي شود. (چپ به راست).

 

 

شكل  3-A-6 . يك زنجيره اسيد نوكلئيك. انتهاي’5  داراي يك گروه فسفات آزاد است. انتهاي '3 داراي يك يك گروه هيدروكسيل آزاد است.

 

 

در DNA يا RNA ، زنجيره اسيد نوكلئيك رشته (strand) نيز ناميده مي شود. يك مولكول DNA معمولا داراي دو رشته در حالي كه بيشتر مولكولهاي RNA داراي يك رشته مي باشند.

 

طول زنجيره نوكلئوتيدي به تعداد بازها بستگي دارد. در مورد نوكلئيك اسيد دو رشته اي ، بازها در دو رشته جفت مي شوند. بنابراين ، طول آنها با تعداد جفت بازها (bp ) تعيين مي شود. kb = 10001 باز يا جفت باز ،  1Mb برابر با يك ميليون جفت باز است. اليگو نوكلئوتيدها به زنجيره هاي اسيد نوكلئوتيدي گفته مي شود كه داراي كمتر از 50 جفت باز هستند و پلي نوكلئوتيدها داراي زنجيره بلندتري هستند.

 

مقالات مروري:

Antisense Oligonucleotides: Basic Concepts and Mechanisms - Mol. Cancer Therap., 2002.

 

 

 

نوكلئوتيدها و نوكلئوزيدهاي سلولي (فصل 3 بخش A)

 

در سلولها ، نوكلئوتيدهاي آزاد داراي يك ، دو يا سه گروه فسفات مي باشند. حامل انرژي ATP (آدنوزين تري فسفات) داراي سه گروه فسفات است ، ADP (آدنوزين دي فسفات) دراي دو و AMP (آدنوزين مونو فسفات ) داراي يك گروه فسفات مي باشد. ساختار آنها در شكل زير نمايش داده شده است.

 

 

شكل 3-A-4

a) مدل كامپيوتري از AMP . b) ساختار شيميايي آدنوزين ، ADP و ATP . تفاوت آنها در تعداد گروه فسفات آنها مي باشد.

 

 

اگر تمام گروههاي فسفات آنها حذف شود. نوكلئوتيد نوكلئوزيد مي شود از قبيل آدنوزين. جدول زير نوكلئوزيدها و نوكلئوتيدهاي گوناگون را نمايش مي دهد.

 

 

 

جدول 3-A-1 . نوكلئوتيدها و نوكلئوزيدهاي سلولي

 

NMP = نوكلئوزيد مونو فسفات

NDP = نوكلئوزيد دي فسفات

NTP = نوكلئوزيد تري فسفات

dNMP = دي اكسي نوكلئوزيد مونو فسفات

dNDP = دي اكسي نوكلئوزيد دي فسفات

dNTP = دي اكسي نوكلئوزيد تري فسفات

 

(نوكلئوزيد = ريبونوكلئوزيد ؛ دي اكسي نوكلئوزيد = دي اكسي ريبونوكلئوزيد)

 

 

عناصر اصلي – نوكلئوتيد (فصل 3 بخش A)

 

يك نوكلئوتيد از سه بخش تشكيل شده است: قند پنتوز، باز آلي و گروه فسفات . در ‌DNA يا RNA ، قند پنتوز از تنها از يك گروه فسفات تشكيل شده است ، اما نوكلئوتيد آزاد سلولي (از قبيل ATP ) مي تواند از بيش از يك گروه فسفات نيز تشكيل شده باشد. اگر تمام گروه هاي فسفات برداشته شوند نوكلئوتيد به نوكلئوزيد تبديل مي شود.

 

نوکلئوتیدهای سلولی و نوکلئوزیدها

زنجیره اسید نوکلئیک

 

 

شكل 3-A-1 : ساختار اصلي نوكلئوتيدها. چپ: مدل كامپيوتري. راست: نماي ساده شده.

 

پنتوز:

 

 

شكل 3-A-2 . ساختار شيميايي پنتوز كه از 5 اتم كربن تشكيل شده است ، كه با C1 تا C5 مشخص شده است. پنتوز در RNA ريبوز و در DNA دي اكسي ريبوز ناميده مي شود، زيرا پنتوز موجود در DNA فاقد اتم اكسيژن در C2 مي باشد. به خاطر بياوريم كه RNA مخفف ريبو نوكلئيك اسيد و DNA مخفف دي اكسي ريبو نوكلئيك اسيد مي باشد.

 

بازها:

پنج نوع باز در اينجا  وجود دارد  ، كه با يك حرف مشخص مي شوند و در اينجا در پرانتز آمده است:

آدنين (A) ، سيتوزين (C) ، گوانين   (G) ، تيمين (T) ، و يوراسيل (U) .

 

در ميان آنها:

A ، C ، G و T در DNA مي باشند و A ،  ‍‍C ،  G و U در RNA مي باشند.

 

ساختار مولكولي آنها در شكل زير آورده شده است . A و G داراي يك حلقه اضافي مي باشند كه به نام باز پورين طبقه بندي مي شوند. C ،  T و U تنها داراي يك حلقه مي باشند و به نام بازهاي پريميدين طبقه بندي مي شوند.

 

 

 

شكل 3-A-3 . سختار شيميايي بازها در RNA وDNA . نقاط قرمز به پنتوز متصل شده اند.

 

 

ساختار يوراسيل از تيمين ساده تر است. اين نشان دهنده دليلي است كه چرا RNA از يوراسيل به جاي تيمين استفاده مي كند. اما چرا DNA از تيمين استفاده مي كند؟ مهمترين نيازمندي در طراحي بازهاي DNA اين است كه آنها بايد به صورت جفت در بيايند. اما آدنين به خوبي تيمين مي تواند با يوراسيل جفت شود (بخش B را ببينيد)

بنابر اين چرا DNA باز پيچيده تر را انتخاب مي كند؟ اين سوال محققان را براي سالها گيج كرده بود تا اينكه آنها به مكانيزم ترميم DNA پي بردند.(فصل 7 بخش  F را ببينيد).