بیان ژن (Gene expression) فرآیندی است که طی آن اطلاعات رمز گذاری شده در یک ژن فعال شده و شروع به کار می‌کند. بیان ژن از طریق رونویسی مولکول‌های RNA که پروتئین‌ها را کد می‌کنند یا مولکول‌های RNA غیر کدکننده انجام می‌گیرد. به عبارتی ساده‌تر بیان ژن به عنوان یک کلید روشن/خاموش برای کنترل زمان و مکان ساخت مولکول‌های RNA و پروتئین‌ها در نظر گرفته میشود. با این مقاله از آزمایشگاه فوق تخصصی سیتوژنوم همراه باشید تا اطلاعات کامل‌تری در مورد این فرآیند کسب نمایید.
بیان ژن به چه معناست؟
بیان ژن (Gene Expression) از مهم‌ترین اصول در تکامل و تمایز صفات جانداران تک سلولی (پروکاریوتها) و پرسلولی (یوکاریوت‌ها) در بین گونه‌های خود می‌باشد. کد ژنتیکی که از بازهای آلی A، T، C و G ساخته شده است، حاوی اطلاعات رمزگذاری شده‌ای می‌باشد که طی یک فرایند باید اطلاعات آن استخراج شود. این اطلاعات در نهایت مشخص می‌کنند که چه صفت یا ویژگی‌ای در آن موجود زنده باید به وجود بیاید. علاوه بر این، بیان ژن قدرت کنترل زمان بروز صفات را دارد، به این معنا که می‌تواند بروز یک ویژگی را به تاخیر یا جلو بیندازد. به عنوان مثال برخی از بیماری‌های ارثی ممکن است در یک فرد از خانواده حدود سن 50 سالگی بروز کند و در فردی دیگر در سن 30 سالگی. به هر حال تنظیم زمان، مکان و مقدار ژن می‌تواند در عملکرد ژن‌های درون سلولی و یا عملکرد کلی بدن موجود پرسلولی تاثیر چشمگیری داشته باشد. لازم به ذکر است که این فرآیند، توسط فرآیند پیچیده دیگری تحت عنوان تنظیم بیان ژن کنترل میشود. به طور کلی بیان ژن دارای چند مرحله است که در ادامه به آن‌ها اشاره خواهیم کرد.
اهمیت بیان ژن چیست؟
ژن‌ها، پروتئین ها را کد می‌کنند و پروتئین‌ها عملکرد سلول را تعیین می‌نمایند. بنابراین هزاران ژن بیان شده در یک سلول خاص تعیین می‌کند که آن سلول چه کاری می‌تواند در بدن انجام دهد. در واقع بیان ژن یک فرایند دقیق تنظیم شده است که به سلول اجازه می‌دهد در محیط‌های مختلف از خود واکنش نشان دهد. این فرایند را به عنوان کلید روشن/خاموش کردن ژن نیز می‌شناسند که هدفش کنترل زمان ساخت پروتئین‌ها، کنترل حجم یا میزان تولیدی پروتئین های مورد نیاز بدن و افزایش یا کاهش آن‌ها است. در واقع این بیان ژن است که تعیین می‌کند هر موجود زنده چه صفاتی داشته باشد؛ همچنین علت اصلی تمایز بین افراد مختلف همین بیان ژن است و با عنوان “عامل گوناگونی” نیز آن را می‌شناسند.
مراحل بیان ژن چیست؟
دو مرحله کلیدی را می‌توان برای بیان ژن در نظر گرفت؛ رونویسی و ترجمه:
- رونویسی (Transcription): رونویسی به پروسه‌ای گفته میشود که طی آن DNA موجود در یک ژن، برای ساخت نوعی RNA (به نام RNA پیام رسان یا mRNA) از خود یک کپی می‌سازد. این کپی گیری توسط آنزیمی به نام RNA پلیمراز انجام میشود و از بازهای موجود در هسته سلول برای تشکیل mRNA استفاده می‌نماید. RNA از نظر ساختار و خواص شبیه به DNA است، اما تفاوت این دو ماده در این است که RNA فقط یک رشته دارد (در حالی که DNA دو رشته ای است) و همچنین در RNA به جای تیمین (T) ، باز آلی به نام اوراسیل (U) وجود دارد. فرآیند رونویسی در پروکاریوتها توسط “یک” پلی مراز صورت می‌گیرد اما در یوکاریوت ها (پرسلولی هایی مثل انسان) به وسیله 3 RNA پلی مراز مختلف انجام میشود که به ترتیب آن‌ها را با RNA پلیمراز I، II و III نشان می‌دهند. آر ان آ پلی مراز I مخصوص رونویسی ژن های rRNA است، آر ان آ پلی مراز II برای رونویسی ژن های mRNA (یا آر ان آ پیام رسان) و برخی RNA های کوچک استفاده میشود و پلیمراز III در رونویسی ژن‌های tRNA و برخی RNA های کوچک کاربرد دارد. در نهایت، فرایند رونویسی پس از رسیدن به یک توالی مشخص که به آن‌ها کدون های پایان می‌گویند، خاتمه می‌یابد. کدون‌های پایان عبارت هستند از: UAA، UAG و UGA.
- ترجمه (Translation): پس از آن که RNA پیام رسان (mRNA) پیام خود را از DNA به ریبوزوم‌ها (کارخانه های تولید پروتئین در سلول) منتقل کند، مرحله ترجمه در فضای سیتوپلاسمی شروع میشود. پیام منتقل شده mRNA، توسط یک مولکول حامل به نام RNA انتقال دهنده (یا tRNA) خوانده میشود و طبق آن و به طور همزمان کدهای ژنتیکی (یا همان کدون ها) ردیف می‌شوند. هر کدون باعث ساخته شدن اسید آمینه خاصی میشود؛ به عنوان مثال سه باز “GGU” اسید آمینه‌ای به نام گلیسین (Gly) را کد می‌کنند. از آنجا که تنها 20 آمینو اسید با 64 ترکیب کدونی وجود دارد، یک یا چند کدون می‌توانند اسید آمینه یکسانی را کد نمایند؛ به عنوان مثال کدون‌های “GGU” و “GGC” هر دو باعث ساخته شدن گلیسین می‌شوند. هر اسید آمینه به طور خاص به مولکول tRNA خود متصل است و هنگامی که توالی mRNA خوانده میشود، هر مولکول tRNA، اسید آمینه خود را به ریبوزوم می‌رساند که موقتاً به کدون مربوطه در مولکول mRNA متصل میشود. به محض اتصال tRNA، اسید آمینه خود را آزاد می‌کند و اسیدهای آمینه مجاور همگی به یکدیگر متصل می‌شوند و یک زنجیره بلند به نام پلی پپتید می‌سازند و این روند تا تشکیل پروتئین ادامه می‌یابد. پروتئین‌ها بیشتر عملکردهای فعال سلول را انجام می‌دهند.
چگونه بیان ژن تنظیم می شود؟
مقدار و انواع مولکول‌های mRNA در یک سلول عملکرد آن سلول را مشخص می‌کند. در حقیقت، هزاران متن در هر ثانیه در هر سلول تولید میشود که با توجه به این آمار، جای تعجب نیست که نقطه کنترل اولیه برای بیان ژن (در ابتدای فرآیند تولید پروتئین) شروع رونویسی باشد. رونویسی RNA یک مرکز کنترل کارآمد ایجاد می‌کند زیرا بسیاری از پروتئین‌ها توسط یک مولکول mRNA ساخته می‌شوند. محصولات ناشی از رونویسی باید وارد سیتوپلاسم سلول (مایعی که فضای بین اندامک‌های سلول را پر می‌کند) شوند. با این حال در یوکاریوت‌ها قبل از آنکه مرحله ترجمه شروع شود، کپی‌های رونویسی شده در ناحیه هسته اصلاح و ویرایش می‌شوند. طی تنظیم بیان ژن، فقط بخشی از ژن‌های یک سلول در هر زمان بیان (روشن) می‌شوند و بسته به این که هر ژن چقدر از اطلاعات خود را بیان می‌کند، “تنوع پروفایلی بیان ژن” و به دنبال آن “سلول‌های متفاوت” به وجود می‌آید. به طور کلی سلول‌ها دارای مجموعه‌های تنظیم کننده رونویسی هستند که برخی از این تنظیم کننده‌ها در جهت افزایش و برخی دیگر کاهش میزان رونویسی کار می‌کنند. در این بین، گروهی از تنظیم کننده‌های بیان ژنی وجود دارند که از رونویسی جلوگیری می‌کنند یا آن را سرکوب می‌نمایند.
نویسنده و مترجم: دکتر سارا فرخی مشاور ژنتیک
