الأحياء الجامعية — السنة الأولى · Bachelor Year 1

20التحكم في التعبير المورّثي

بكتيريا نامية على الغلوكوز تحمل خمسة جزيئات من الإنزيم الذي يهضم اللاكتوز؛ أعطها لاكتوزًا فتحمل، في دقائق، خمسة آلاف. وخلية كبدية وعصبون يحملان المورّثات العشرين ألفًا نفسها ويصنعان مجموعتين من البروتينات مختلفتين اختلافًا يكاد يكون تامًا، ولن يصنع أحدهما ما يصنعه الآخر أبدًا. ولا شيء في الفصل 19 يفسّر هذا: فآلة التعبير واحدة لكل مورّثة. وإنما يختلف الأمر في: هل تُقرأ المورّثة، وكم مرة، وإلى متى — وهي قرارات تُتخذ عند المروّج ببروتينات ترتبط بجزيء DNA، وبعده بمصير الرسول والبروتين. ويصف هذا الفصل كيف تشغّل البكتيريا مورّثاتها وتطفئها استجابة لغذائها، وكيف تتحكم حقيقيات النواة في مورّثاتها بالصبغين والمعزِّزات البعيدة وتوليفات العوامل، وكيف يصنع التحكم نفسه، مطبَّقًا على مورّثات مختلفة في خلايا مختلفة، جسمًا من مورثوم واحد.

20.1 لماذا يُتحكم في المورّثات وأين

قضية 20.1 (التعبير منظَّم، على كل مستوى)

بعض المورّثات بنيوية — أي معبَّر عنها دائمًا، بمستوى ثابت، لأن نواتجها مطلوبة دائمًا (بروتينات الريبوزوم، وإنزيمات تحلل السكر). وأكثرها منظَّم: لا يُعبَّر عنه إلا في بعض الشروط، وبعض الخلايا، وبعض اللحظات. ويعمل التحكم عند كل خطوة من مسار المعلومة — وأولها بدء الاستنساخ، وهو أرخص موضع للقرار، ولكن أيضًا عند معالجة الرسول وتصديره وثباته وترجمته، وعند تعديل البروتين وهضمه — وتتراوح أزمنة الاستجابة من ثوانٍ (بروتين يُعدَّل) إلى دقائق (مورّثة بكتيرية تُشغَّل) إلى أيام (حالة صبغين تتغير).

مثال 20.2 (صنع الإنزيمات عند الحاجة وحدها)

إنزيم $\beta$ -غالاكتوزيداز، الذي يشطر اللاكتوز، رباعي من أربع سلاسل من $1024\,$ بقية: فخمسة آلاف نسخة منه هي $3\,\%$ من بروتين الخلية وتكلف $8 \times 10^{7}\,$ ATP في الجيل. وبكتيريا تصنعها ولا لاكتوز لتهضمه تنمو أبطأ بنحو واحد في المئة من منافسة لا تصنعها، وتصير في بضع مئات من الأجيال أقل عددًا. فالتنظيم منتخَب لأن التعبير باهظ.

20.2 أوبرون اللاكتوز

تعريف 20.3 (الأوبرون، والكابح، والمُشغِّل)

الأوبرون مجموعة من المورّثات البكتيرية تُستنسخ معًا من مروّج واحد في رسول واحد، فيُتحكم فيها معًا. وأوبرون اللاكتوز في E. coli يضم ثلاث مورّثات لاستعمال اللاكتوز — lacZ ( $\beta$ -غالاكتوزيداز)، وlacY (نافذة اللاكتوز التي تدخله)، وlacA — خلف مروّج ومُشغِّل، وهو تسلسل قصير يتراكب مع المروّج. ومورّثة منفصلة، هي lacI، تصنع كابح اللاكتوز، وهو بروتين يرتبط بالمُشغِّل ويحجب البوليميراز. واللاكتوز، المحوَّل في الخلية إلى ألولاكتوز، هو المحرِّض: يرتبط بالكابح ويغيّر شكله ويجعله يفلت من المُشغِّل. فالأوبرون إذن مطفأ ما لم يكن اللاكتوز حاضرًا — أي تحكم سالب يرفعه التحريض.

أوبرون اللاكتوز. بلا لاكتوز يجلس الكابح على المُشغِّل ولا يستطيع البوليميراز أن يبدأ؛ ومع اللاكتوز يسحب المحرِّض الكابحَ وتُستنسخ المورّثات الثلاث في رسول واحد.

قضية 20.4 (نموذج الأوبرون)

يُتحكم في مورّثات اللاكتوز بكابح منتشر يعمل على موقع مجاور للمورّثات: فالتحكم سالب، والكابح يعمل منتشرًا (من أي مكان في الخلية)، والمُشغِّل يعمل موضعيًا (على المورّثات المجاورة له وحدها).

شواهد. استدل جاكوب ومونو (1959–1961) من الطافرات. فالسلالات الطافرة في lacI ( $I^-$ ) تصنع الإنزيم بلاكتوز أو بغيره (بنيويًا)؛ وإدخال مورّثة lacI سليمة على نسخة ثانية من المنطقة يعيد التنظيم، فناتج المورّثة إذن كابح منتشر يفتقر إليه الطافر. والسلالات الطافرة في المُشغِّل ( $O^c$ ) بنيوية هي أيضًا، لكن مُشغِّلًا سليمًا ثانيًا على نسخة أخرى لا يعيد التنظيم — فالمُشغِّل لا يتحكم إلا في المورّثات الملتصقة به فيزيائيًا، فهو موقع لا ناتج. وصنف ثالث ( $I^s$ ) لا يمكن تحريضه البتة، وهو سائد: أي كابح لم يعد يرتبط بالمحرِّض. وفي تجربة باجامو (1959) أطفأت مورّثةُ lacI سليمةٌ نُقلت بالاقتران إلى خلية $I^-$ تخليقَ الإنزيم في دقائق: فالكابح يعمل سريعًا، ويعمل على الاستنساخ — وقد تبيّن لاحقًا أن عمر النصف للرسول دقائق. ∎

تعريف 20.5 (التحكم الموجب: CAP وAMP الحلقي)

مروّج اللاكتوز ضعيف: فحتى بلا كابح لا يبدأ البوليميراز إلا نادرًا ما لم يرتبط بروتين ثانٍ، هو CAP (بروتين تنشيط الهدم)، أعلى المجرى منه مباشرة، فيثني DNA ويمسك البوليميراز في مكانه. ولا يرتبط CAP بجزيء DNA إلا وهو حامل AMP الحلقي، الذي يهبط مستواه في الخلية حين يكثر الغلوكوز. فالأوبرون إذن لا يشتغل اشتغالًا تامًا إلا حين يكون اللاكتوز حاضرًا والغلوكوز غائبًا: أي إشارتان، سالبة وموجبة، تتكاملان عند مروّج واحد. وإذا أُعطي السكران معًا أكلت E. coli الغلوكوز أولًا، ثم توقفت ريثما يرتفع AMP الحلقي وتُصنع إنزيمات اللاكتوز، ثم أكلت اللاكتوز — وهو منحني النمو ذو الطورين المسمى النمو الثنائي الطور، الذي وصفه مونو سنة 1941 وقاده إلى الأوبرون.

النمو الثنائي الطور في E. coli على الغلوكوز مع اللاكتوز. تنمو المزرعة على الغلوكوز وحده، وتتوقف حين ينفد، وتستأنف على اللاكتوز بعد نصف الساعة الذي يستغرقه تحريض أوبرون اللاكتوز. — النمو الثنائي الطور في *E. coli* على الغلوكوز مع اللاكتوز. تنمو المزرعة على الغلوكوز وحده، وتتوقف حين ينفد، وتستأنف على اللاكتوز بعد نصف الساعة الذي يستغرقه تحريض أوبرون اللاكتوز.

أوبرون اللاكتوز مرئيًا: مستعمرات على طبق فيه X-gal، وهو ركيزة عديمة اللون يزرقّها -غالاكتوزيداز. فالمستعمرات الزرقاء تعبّر عن lacZ؛ والبيضاء تحمل مورّثة معطوبة — وهو المبلِّغ المستعمل في ألف تجربة. — أوبرون اللاكتوز مرئيًا: مستعمرات على طبق فيه X-gal، وهو ركيزة عديمة اللون يزرقّها $\beta$ -غالاكتوزيداز. فالمستعمرات الزرقاء تعبّر عن *lacZ*؛ والبيضاء تحمل مورّثة معطوبة — وهو المبلِّغ المستعمل في ألف تجربة.

طريقة 20.6 (التنبؤ بنمط ظاهري في أوبرون اللاكتوز)

اكتب النمط الوراثي لكل نسخة من المنطقة: $I$ و $P$ و $O$ و $Z$ ( $^+$ سليم، و $^-$ معطل، و $O^c$ مُشغِّل بنيوي، و $I^s$ كابح فائق).
الكابح يعمل منتشرًا: فوجود $I^+$ واحد في أي مكان يكبح كل مُشغِّل سليم؛ و $I^s$ يكبح مهما يكن المحرِّض.
والمُشغِّل والمروّج يعملان موضعيًا: فالطافر $O^c$ لا يحرر إلا $Z$ الذي على DNA نفسه؛ و $P^-$ لا يُسكت إلا مورّثاته هو.
اسأل، مع المحرِّض وبدونه، أتُستنسخ كل مورّثة $Z^+$ أم لا؛ فيكون النمط الظاهري محرَّضًا أو بنيويًا أو غير قابل للتحريض تبعًا لذلك. ثم أضف الغلوكوز: فبلا AMP الحلقي مع CAP يكون الاستنساخ منخفضًا مهما يفعل الكابح.

مثال 20.7 (ثنائيا صيغة جزئيان)

$I^-\,O^+\,Z^+ / I^+\,O^+\,Z^-$ : النسخة $I^+$ تصنع كابحًا يرتبط بالمُشغِّل $O^+$ المجاور للمورّثة $Z^+$ ؛ فالنمط محرَّض — أي إن الطفرة قد كُمّلت. و $I^+\,O^c\,Z^+ / I^+\,O^+\,Z^-$ : فالمورّثة $Z$ الوحيدة العاملة تقع خلف مُشغِّل لا يستطيع الكابح أن يرتبط به؛ فالنمط بنيوي — ولا يغني المُشغِّل السليم في النسخة الأخرى، إذ لا يتحكم إلا في $Z$ المعطوب.

20.3 استراتيجيات بكتيرية أخرى

قضية 20.8 (الكبت والتوهين وعوامل سيغما)

أوبرونات التخليق الحيوي يُتحكم فيها بالمعنى المعاكس: ذلك أن أوبرون التربتوفان، وهو خمس مورّثات لصنع التربتوفان، يُستنسخ ما لم يكن التربتوفان حاضرًا — إذ يرتبط الحمض الأميني بكابح التربتوفان ويمكّنه من الارتباط بالمُشغِّل (فهو كابح مساعد). وثمة تحكم ثانٍ أدق، هو التوهين، يستعمل اقتران الاستنساخ بالترجمة في البكتيريا: فبداية الرسول تشفّر ببتيدًا قصيرًا فيه تربتوفانان متتاليان؛ فإن كثر RNA الناقل المحمّل بالتربتوفان ترجمه ريبوزوم سريعًا وانطوى RNA خلفه في دبوس شعر منهٍ يوقف البوليميراز قبل المورّثات؛ وإن ندر التربتوفان تعثّر الريبوزوم عند كودوني التربتوفان وانطوى RNA انطواءً مختلفًا يدع الاستنساخ يمضي. وتبدّل البكتيريا كذلك مجموعات كاملة من المورّثات بتغيير الوحدة الفرعية $\sigma$ في بوليميرازها: فعامل $\sigma$ الخاص بالصدمة الحرارية يوجهه إلى مروّجات مورّثات البروتينات المرافقة؛ وعامل $\sigma$ الخاص بالتبوغ إلى مروّجات تكوين الأبواغ.

20.4 التحكم في حقيقيات النواة

تعريف 20.9 (عوامل الاستنساخ والمعزِّزات)

في حقيقيات النواة لا يبدأ البوليميراز وحده أبدًا: فالعوامل العامة عند المروّج (الفصل 19) تستقدمه، وتحدد السرعةَ عوامل استنساخ مرتبطة بمواقع هي تسلسلات منظِّمة — بعضها قرب المروّج، وكثير منها في معزِّزات قد تقع على بعد آلاف من أزواج القواعد، أعلى المجرى أو أسفله أو في إنترون، بأي اتجاه، وتعمل عن طريق انثناء DNA حتى تلامس العواملُ المرتبطة بها معقدَ المروّج عبر بروتينات وسيطة. وعامل الاستنساخ نمطي البنية: فيه نطاق ارتباط بجزيء DNA يتعرف تسلسلًا قصيرًا (عائلات لولب-دوران-لولب، وإصبع الزنك، وسحّاب اللوسين)، ونطاق تنشيط أو نطاق كبت يستقدم الآلة أو يحجبها. وتُقرأ المورّثة حين تحضر التوليفة الصحيحة من العوامل: فبضع مئات من العوامل، في توليفات، تتحكم في عشرين ألف مورّثة.

عمل المعزِّز. المنشِّطات المرتبطة بمعزِّز بعيد يجلبها انثناء DNA إلى المروّج، وينقل معقد وسيط إشارتها إلى البوليميراز.

قضية 20.10 (الصبغين جزء من التحكم)

مورّثة ملفوفة في نويصمات مرصوصة في صبغين متغاير لا يمكن قراءتها: فالعوامل لا تصل إليها. والمنشِّطات تستقدم إنزيمات تؤستل الهستونات فترخي قبضتها على DNA وتسم المنطقة بأنها مفتوحة؛ والكوابح تستقدم إنزيمات تنزع زمر الأستيل وتضيف وسومًا تضغط الصبغين. وزمر الميثيل المضافة إلى سيتوزينات مروّج تُسكته إسكاتًا دائمًا، وتُنسخ الوسوم عند التضاعف، حتى إن نمط المورّثات المفتوحة والمغلقة في خلية ترثه بناتها — وهي الذاكرة التي تبقى بها بنات الخلية الكبدية خلايا كبدية (ويتناول كتاب السنة الثالثة هذه الآليات فوق المورّثية بعمق).

شواهد. في الصبغيات عديدة الخيوط العملاقة في يرقات الذباب (ألف نسخة من كل صبغي جنبًا إلى جنب، مخططة) تظهر المورّثات التي تُستنسخ انتفاخات حيث انفرد الصبغين؛ وهرمون الإكديزون، الذي يطلق الانسلاخ، يجعل مجموعة بعينها من الانتفاخات تظهر في دقائق وأخرى بعد ساعات، في تتابع ثابت — أي استنساخ يُرى مباشرة، وتبدّله إشارة. والمورّثات التي تنقلها إعادة ترتيب صبغية إلى جوار الصبغين المتغاير تُسكت في بعض الخلايا دون بعض، وترث بناتها الحالة نفسها. ∎

صبغي عديد الخيوط من غدة لعابية لذبابة: مخطط، وفيه انتفاخان حيث انفتح الصبغين للاستنساخ. وتظهر الانتفاخات وتزول مع تشغيل المورّثات وإطفائها.

مثال 20.11 (إشارة تصير نمط تعبير)

يدخل الكورتيزول خلية كبدية ويرتبط بمستقبله، وهو عامل استنساخ يُبقى خاملًا في العصارة الخلوية؛ فيدخل المعقد النواة، ويرتبط بتسلسل من خمس عشرة قاعدة حاضر قرب مئة مورّثة — منها مورّثات استحداث السكر (الفصل 16) — ويستقدم الأستيلازات والوسيط: فتُصنع في غضون ساعة إنزيمات تخليق الغلوكوز. والهرمون نفسه في لمفاوية، صبغينها المفتوح يعرض مجموعة أخرى من تلك التسلسلات، يشغّل مورّثات تقتل الخلية. أي إشارة واحدة، ومستقبل واحد، واستجابتان: والفرق هو أي المورّثات كانت في المتناول.

20.5 بعد الاستنساخ، وصنع الجسم

قضية 20.12 (التحكم بعد المروّج)

تقرر الخلية حقيقية النواة أيضًا كيف تُشذَّب النسخة (فالتشذيب البديل يعطي العضلة والدماغ بروتينات مختلفة من مورّثة واحدة)، وهل تُصدَّر، وكم تدوم (أعمار نصف من دقائق لرسائل البروتينات المنظِّمة إلى أيام لرسالة الهيموغلوبين، تحددها تسلسلات في المناطق غير المترجمة ترتبط بها بروتينات وأنواع RNA منظِّمة صغيرة)، وهل تُترجم (فالخلايا الجائعة إلى الحديد تحجب ترجمة رسالة الفيريتين ببروتين يرتبط بنهايتها $5'$ ، وتحرره حين يحضر الحديد). والبروتين، بعد صنعه، يُتحكم فيه بالتعديل والهضم (الفصل 13). وكل مستوى لاحق أسرع وأشد موضعية من سابقه، وأبهظ منه: فالاستنساخ يقرر ما تستطيع الخلية فعله، والمستويات اللاحقة تقرر ما تفعله الآن.

قضية 20.13 (التعبير التفاضلي يصنع جسمًا)

كل خلية في كائن عديد الخلايا تحمل المورثوم نفسه؛ وإنما تختلف الخلايا لأنها تعبّر عن مجموعات جزئية مختلفة منه. فمورّثات الصيانة — وهي بضعة آلاف للاستقلاب والريبوزوم والهيكل الخلوي — مشتغلة في كل خلية؛ وسائرها يُشغَّل في بعض الخلايا ويُطفأ في بعضها بتوليفات عوامل الاستنساخ التي تحملها كل خلية وحالات الصبغين التي ورثتها. فسلف الكرية الحمراء يشغّل الغلوبين ويطفئ كل شيء آخر تقريبًا؛ والعصبون يشغّل قنواته ولا ينقسم بعدها أبدًا. والتمايز هو اكتساب نمط تعبير ثابت، والنمو (كتاب السنة الثانية) هو المسار الذي تضبط به الإشارات بين الخلايا تلك الأنماط في مواضعها الصحيحة.

شواهد. نواة مأخوذة من خلية ضفدع متمايزة وموضوعة في بويضة نُزعت نواتها تستطيع أن توجه نمو شرغوف كامل (غوردون، 1962؛ المستعاد من كتاب المرحلة الثانوية): فالخلية المتمايزة لم تفقد مورّثات، بل أطفأتها فحسب، وأعاد سيتوبلازم البويضة ضبط المفاتيح. وبروتينات نمط خلوي، مفصولة على هلام، تختلف عن بروتينات نمط آخر؛ ورسائله، بعد تسلسلها، مجموعة جزئية من المورثوم خاصة به؛ وحفنة من عوامل الاستنساخ تُدخل في خلية جلدية تستطيع إعادة برمجتها إلى خلية جذعية أو عصبون. ∎

مثال 20.14 (مورّثة تُقرأ في عضوين)

مورّثة الإنزيم الذي يصنع الغلوكوز من غلوكوز-6-فوسفات يُعبَّر عنها في الكبد والكلية ولا في أي نسيج آخر: فمروّجها يحمل مواقع لعوامل لا تحضر إلا هناك، وفي الخلايا الأخرى يكون مروّجها مُمثيلًا وصبغينها مغلقًا. والعضلة، وهي تحمل المورّثة سليمة، لا تستطيع تحرير الغلوكوز في الدم (الفصل 16) — لا لغياب المورّثة بل لأنها لا تُقرأ. فالمورثوم واحد؛ والتعبير هو العضو.

20.6 تمارين

تمرين 20.1 ★

سمّ عناصر أوبرون اللاكتوز وأعطِ حالة الأوبرون مع اللاكتوز وبدونه، ومع الغلوكوز وبدونه.

حل

حل التمرين 20.1.

lacI (مورّثة الكابح)، والمروّج، والمُشغِّل، وlacZ، وlacY، وlacA، وموقع CAP. بلا لاكتوز: مطفأ (الكابح مرتبط). ومع اللاكتوز والغلوكوز: مشتغل بالكاد (الكابح منفصل، لكن لا AMP حلقي مع CAP). ومع اللاكتوز بلا غلوكوز: مشتغل تمامًا. وبلا السكرين: مطفأ.

تمرين 20.2 ★

فسّر الفرق بين ناتج مورّثة يعمل منتشرًا وموقع يعمل موضعيًا، مع مثال واحد على كل منهما من الأوبرون.

حل

حل التمرين 20.2.

الناتج الذي يعمل منتشرًا جزيء ينتشر ويستطيع أن يعمل على أي نسخة من هدفه في الخلية: وهو الكابح. والموقع الذي يعمل موضعيًا تسلسل من DNA لا يؤثر إلا في المورّثات المرتبطة به فيزيائيًا: وهو المُشغِّل.

تمرين 20.3 ★

من شكل النمو الثنائي الطور، اقرأ مدة الركود وزمني التضاعف على كل سكر.

حل

حل التمرين 20.3.

الركود نحو $36\,\mathrm{min}$ (من $2\,\mathrm{h}$ إلى $2.6\,\mathrm{h}$ )؛ والتضاعف $20\,\mathrm{min}$ على الغلوكوز و $30\,\mathrm{min}$ على اللاكتوز.

تمرين 20.4 ★

عرّف المعزِّز وعامل الاستنساخ ومورّثة الصيانة.

حل

حل التمرين 20.4.

المعزِّز: تسلسل منظِّم، بعيد غالبًا، يرفع استنساخ مورّثة حين ترتبط به عوامل. وعامل الاستنساخ: بروتين فيه نطاق ارتباط بجزيء DNA ونطاق تنشيط أو كبت ينظّم الاستنساخ. ومورّثة الصيانة: مورّثة يُعبَّر عنها في كل خلية بمستوى ثابت.

تمرين 20.5 ★★

أعطِ النمط الظاهري (محرَّض أو بنيوي أو غير قابل للتحريض) لكل من: $I^-$ ؛ و $O^c$ ؛ و $I^s$ ؛ و $I^-\,O^+\,Z^+ / I^+\,O^+\,Z^+$ ؛ و $I^s\,O^+\,Z^+ / I^+\,O^+\,Z^+$ ؛ و $I^+\,O^c\,Z^- / I^+\,O^+\,Z^+$ .

حل

حل التمرين 20.5.

$I^-$ : بنيوي. و $O^c$ : بنيوي. و $I^s$ : غير قابل للتحريض. و $I^-/I^+$ : محرَّض (الكابح $I^+$ يعمل منتشرًا). و $I^s/I^+$ : غير قابل للتحريض ( $I^s$ سائد). و $I^+\,O^c\,Z^- / I^+\,O^+\,Z^+$ : محرَّض — فالمورّثة $Z$ الوحيدة العاملة خلف مُشغِّل سليم.

تمرين 20.6 ★★

قارن بين أوبرون اللاكتوز وأوبرون التربتوفان: ماذا يفعل الجزيء الصغير بالكابح في كل منهما، ولماذا يكون المنطق معاكسًا.

حل

حل التمرين 20.6.

اللاكتوز: السكر (المحرِّض) يرتبط بالكابح ويحرره من المُشغِّل — فتُصنع الإنزيمات حين تحضر ركيزتها. والتربتوفان: الحمض الأميني (الكابح المساعد) يرتبط بالكابح ويمكّنه من الارتباط — فتُصنع الإنزيمات حين يغيب ناتجها. فالمسالك الهدمية تُشغَّل بمدخلها، والبنائية تُطفأ بمخرجها.

تمرين 20.7 ★★

طافر لا يستطيع صنع AMP الحلقي. تنبأ بنموه على الغلوكوز، وعلى اللاكتوز وحده، وعليهما معًا، وبمستوى $\beta$ -غالاكتوزيداز في كل حالة.

حل

حل التمرين 20.7.

على الغلوكوز: نمو طبيعي (فالغلوكوز لا يحتاج إلى CAP). وعلى اللاكتوز وحده: لا نمو تقريبًا — فبلا AMP حلقي لا يستطيع CAP تنشيط مروّج اللاكتوز، فيبقى الإنزيم عند بضعة في المئة من مستوياته المحرَّضة حتى مع تحرر الكابح. وعليهما معًا: نمو على الغلوكوز ثم توقف؛ ولا طور ثانيًا. والإنزيم منخفض في كل حالة.

تمرين 20.8 ★★

فسّر لماذا يستحيل التوهين في حقيقيات النواة، انطلاقًا من بنية الخلية حقيقية النواة.

حل

حل التمرين 20.8.

يقتضي التوهين أن يكون الريبوزوم مترجمًا الرسولَ والبوليميراز ما يزال يستنسخه، حتى يشكّل موضع الريبوزوم RNA خلف البوليميراز. وفي حقيقيات النواة يكون الاستنساخ في النواة والترجمة في العصارة الخلوية، ولا يُترجم الرسول حتى يُعالَج ويُصدَّر.

تمرين 20.9 ★★

معزِّز يُنقل من $5\,\mathrm{kb}$ أعلى المجرى من مورّثته إلى $5\,\mathrm{kb}$ أسفل المجرى ويُقلب؛ والمورّثة ما تزال معبَّرًا عنها. فسّر ما يبيّنه هذا عن كيفية عمل المعزِّزات.

حل

حل التمرين 20.9.

تعمل المعزِّزات من بعيد، بأي اتجاه وعلى أي جانب، فلا يمكن أن تعمل بأن تُقرأ أو بأن تضع البوليميراز مباشرة؛ وإنما تعمل بربط عوامل تلامس المروّج عبر عروة من DNA، ولا تهم فيها المسافة والاتجاه إلا قليلًا.

تمرين 20.10 ★★★

خمسة آلاف رباعي من $\beta$ -غالاكتوزيداز من $4096\,$ بقية: كم ATP تكلف (أربعة لكل بقية)؟ وميزانية الخلية في الجيل نحو $1 \times 10^{10}\,$ ATP. احسب الغبن في النمو الذي يلحق طافرًا بنيويًا، وعدد الأجيال اللازم لأن تهبط حصته من جمهرة مختلطة من النصف إلى جزء من مئة.

حل

حل التمرين 20.10.

$5000\times 4096\times 4 = 8.2 \times 10^{7}$ ATP: أي $0.8\,\%$ من الميزانية. ومعدل النمو أدنى بمقدار $0.8\,\%$ : ففي كل جيل تهبط حصة الطافر بالمعامل $2^{-0.008} = 0.9945$ . ومن $1:1$ إلى $1:99$ : $0.9945^n = 1/99$ ، أي $n = \ln 99/0.00555 = 830$ جيلًا — أي بضعة أسابيع من الزرع المتصل.

تمرين 20.11 ★★★

تُقارن خلية كبدية وعصبون من الشخص نفسه: المورثوم واحد، والبروتينات مختلفة، وكل انقسام للخلية الكبدية يعطي خلايا كبدية. فسّر، بالصبغين والعوامل وتوريث الوسوم، كيف يُصنع هذا الفرق وكيف يُحفظ.

حل

حل التمرين 20.11.

كل نمط خلوي يحمل مجموعة خاصة من عوامل الاستنساخ، ترتبط بمعزِّزات مورّثاته وتستقدم أستيلازات تفتح صبغينها، بينما تكون مورّثات الأنماط الأخرى مُمثيلة ومرصوصة في صبغين متغاير لا يبلغه عامل. وتحفظ العوامل تعبير بعضها بعضًا (شبكة ذات حالات ثابتة)، وتُنسخ وسوم الصبغين عند التضاعف، فترث البنات العوامل والمناطق المفتوحة والمغلقة معًا. فالمورثوم واحد؛ أما المورثوم المتاح فليس واحدًا، وعدم الإتاحة موروث.

تمرين 20.12 ★★★

«البكتيريا تقرأ بيئتها؛ وخلية الجسم تقرأ تاريخها.» ناقش في فقرة نوعي التحكم، وإشاراتهما، وسلّمي زمنهما، وقابليتهما للانعكاس.

حل

حل التمرين 20.12.

تحكم البكتيريا مضبوط على الوسط: فسكر أو حمض أميني أو حرارة يرتبط بكابح أو بعامل سيغما، وتتم الاستجابة في دقائق وتنعكس بمجرد زوال الإشارة — أي إن التعبير يتعقب البيئة. وخلية الجسم تستجيب هي أيضًا لإشارات، لكن قراراتها الكبرى اتُّخذت في أثناء النمو وأُقفلت في الصبغين: فما تستطيع التعبير عنه حددته العوامل التي ورثتها والوسوم على DNA فيها، ولا يتغير إلا بالانقسام وهو غير قابل للانعكاس غالبًا. فالبكتيريا قارئة للحاضر؛ والخلية المتمايزة ذات ذاكرة هي هويتها.

20.7 مسألة: النمو الثنائي الطور

مسألة 20.1

مسألة نهاية الأسبوع — منحني مونو ذو الطورين يُعاد بناؤه خلية خلية: نفاد الغلوكوز، وتحريض اللاكتوز، وعدّ الإنزيمات، والتنبؤ بالطافرات وحساب كلفة التنظيم، وختامًا معامل تحريض $\beta$ -غالاكتوزيداز

تبدأ مزرعة من E. coli عند $10^7$ خلية لكل ميليلتر في وسط فيه $0.5\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ من الغلوكوز و $1.0\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ من اللاكتوز. وعلى الغلوكوز تتضاعف الخلايا كل $20\,\mathrm{min}$ ، وعلى اللاكتوز كل $30\,\mathrm{min}$ ؛ وتحتاج الخلية إلى $1.5 \times 10^{-12}\,\mathrm{g}$ من السكر لكل انقسام ( $180\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ للغلوكوز؛ واللاكتوز، $342\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ، يُحسب غلوكوزين). والخلايا غير المحرَّضة تحمل 5 جزيئات من $\beta$ -غالاكتوزيداز؛ والمحرَّضة تمامًا $5000$ . ويستغرق التحريض $30\,\mathrm{min}$ . والإنزيم رباعي من $4\times 1024$ بقية؛ وتكلف كل بقية 4 ATP؛ وميزانية الخلية من ATP هي $10^{10}$ لكل انقسام وبروتينها $1.5 \times 10^{-13}\,\mathrm{g}$ ( $110\,\mathrm{Da}$ لكل بقية).

الجزء الأول — طور الغلوكوز.

احسب الغلوكوز المتاح لكل ميليلتر، بالغرامات.
كم انقسامًا لكل ميليلتر يستطيع أن يعيل؟
انطلاقًا من $10^7$ خلية، كم خلية تكون حين ينفد الغلوكوز؟ (الانقسام يعطي خلية جديدة واحدة.)
كم تضاعفًا هذا، وكم يدوم طور الغلوكوز؟
في أثناء هذا الطور، ما حالة أوبرون اللاكتوز، ولماذا، بلغة الجزيئات (الكابح وCAP)؟

الجزء الثاني — التبديل.

حين ينفد الغلوكوز، ما الذي يرتفع داخل الخلايا وبماذا يرتبط؟
كان اللاكتوز حاضرًا طوال الوقت. فلماذا كان الأوبرون مع ذلك مطفأً تقريبًا في طور الغلوكوز؟
في أثناء الركود الذي يدوم $30\,\mathrm{min}$ تصنع كل خلية إنزيماتها $5000$ . احسب جزيئات الإنزيم المصنوعة في الثانية لكل خلية، والبقايا في الثانية.
تحمل الخلية $20\,000$ ريبوزوم بسرعة $20\,$ بقية في الثانية. فأي كسر من ترجمتها يُكرَّس لإنزيم $\beta$ -غالاكتوزيداز في أثناء الركود؟
احسب كتلة $5000$ رباعي والكسر الذي تمثله من بروتين الخلية.
احسب معامل التحريض.
لماذا تكون النافذة (lacY) ضرورية للنمو على اللاكتوز ضرورة الإنزيم نفسه، وماذا يحدث لطافر lacY $^-$ يُعطى لاكتوزًا؟

الجزء الثالث — طور اللاكتوز.

احسب اللاكتوز المتاح لكل ميليلتر بمكافئات الغلوكوز، بالغرامات.
كم انقسامًا إضافيًا يعيل، وما عدد الخلايا النهائي؟
كم يدوم طور اللاكتوز؟
ضع الخط الزمني: طور الغلوكوز، والركود، وطور اللاكتوز، والمجموع.
فسّر لماذا يطول زمن التضاعف على اللاكتوز (لسببين: أحدهما عن خطوة الإنزيم والآخر عن النافذة).

الجزء الرابع — الطافرات والكلف.

طافر $I^-$ : صف منحني نموه على الوسط نفسه ومستوى إنزيمه طوال الوقت.
طافر CAP $^-$ : صف منحنيه ومستوى إنزيمه.
طافر $O^c$ في وسط فيه لاكتوز وحده: أثمة فرق عن النمط البري؟ وفي وسط فيه غلوكوز وحده؟
احسب كلفة ATP في الجيل لصنع $5000$ رباعي، والكسر الذي تمثله من ميزانية الخلية.
إذا أطال هذا الكسر زمن الجيل بالكسر نفسه، فبكم يتخلف معدل نمو الطافر $I^-$ عن معدل النمط البري على الغلوكوز؟
انطلاقًا من عددين متساويين، بعد كم جيل على الغلوكوز يصير الطافر عُشر الجمهرة؟ ( $r^n = 0.1/0.9$ حيث $r$ نسبة معدلي النمو في الجيل، أي $2^{-\delta}$ لتخلف $\delta$ من التضاعفات.)
فسّر لماذا تشيع مع ذلك الطافرات $I^-$ في السلالات المخبرية المرباة على اللاكتوز.
اذكر النتيجة: معامل تحريض $\beta$ -غالاكتوزيداز، وكلفة صنعه بلا داع ككسر من ميزانية ATP، والزمن الكلي لتجربة النمو الثنائي الطور.

حل

حل المسألة 20.1.

1. $0.5\times 10^{-3}\times 180 = 0.09\,\mathrm{g}/\mathrm{L} = 9 \times 10^{-5}\,\mathrm{g}/\mathrm{mL}$ . 2. $9\times 10^{-5}/1.5\times 10^{-12} = 6 \times 10^{7}$ انقسام. 3. $10^7 + 6 \times 10^{7} = 7 \times 10^{7}$ خلية لكل mL. 4. $7 = 2^n$ : أي $n = 2.8$ تضاعفًا، و $56\,\mathrm{min}$ . 5. مطفأ: فاللاكتوز (الألولاكتوز) حرر الكابح، لكن الغلوكوز يبقي AMP الحلقي منخفضًا، فلا يرتبط CAP ويكاد المروّج يسكت؛ ثم إن النافذة نادرة، فلا يدخل من اللاكتوز إلا قليل. 6. يرتفع AMP الحلقي ويرتبط ببروتين CAP، الذي يرتبط بالمروّج. 7. رُفع التحكم السالب لكن التحكم الموجب كان غائبًا: فمروّج ضعيف بلا CAP نادرًا ما يبدأ (كبت الهدم). 8. $5000/1800 = 2.8$ رباعي في الثانية؛ و $2.8\times 4096 = 11\,400$ بقية في الثانية. 9. السعة $20\,000\times 20 = 4 \times 10^{5}$ بقية في الثانية: أي $3\,\%$ من الريبوزومات. 10. $5000\times 4096\times 110\times 1.66\times 10^{-24} = 3.7 \times 10^{-15}\,\mathrm{g}$ : أي $2.5\,\%$ من بروتين الخلية. 11. $5000/5 = 1000$ . 12. لا يستطيع اللاكتوز عبور الغشاء بلا نافذة؛ فالطافر lacY $^-$ عنده الإنزيم ولا ركيزة له في الداخل، ولا ينمو على اللاكتوز (ولا يتحرض جيدًا، لأن المحرِّض يُصنع من اللاكتوز داخل الخلية). 13. $1.0\times 10^{-3}\times 342 = 0.342\,\mathrm{g}/\mathrm{L}$ ، تساوي $2\times 180 = 360\,\mathrm{g}$ من الغلوكوز لكل مول، أي $0.36\,\mathrm{g}/\mathrm{L}$ $= 3.6 \times 10^{-4}\,\mathrm{g}/\mathrm{mL}$ . 14. $3.6\times 10^{-4}/1.5\times 10^{-12} = 2.4 \times 10^{8}$ انقسام؛ والنهائي $7 \times 10^{7} + 2.4 \times 10^{8} = 3.1 \times 10^{8}$ لكل mL. 15. $3.1/0.7 = 4.4 = 2^n$ : أي $n = 2.1$ تضاعفًا، و $64\,\mathrm{min}$ . 16. الغلوكوز $56\,\mathrm{min}$ ، والركود $30\,\mathrm{min}$ ، واللاكتوز $64\,\mathrm{min}$ : أي $150\,\mathrm{min}$ في المجمل. 17. يجب حلمأة اللاكتوز أولًا، وهي خطوة إنزيمية زائدة تحد سرعتُها إمداد الغلوكوز؛ ثم إن النافذة تستعمل تدرج البروتونات لإدخاله، وهي كلفة لا يدفعها نقل الغلوكوز. 18. $I^-$ : الإنزيم عند $5000$ طوال الوقت (بنيوي، متى نفد الغلوكوز؛ وعلى الغلوكوز يظل CAP يحدّه، فيكون المستوى وسطًا)؛ وركوده أقصر أو معدوم، فيُظهر المنحني توقفًا أصغر؛ وتبطئه الكلفة قليلًا على الغلوكوز. 19. CAP $^-$ : ينمو على الغلوكوز إلى $7 \times 10^{7}$ ثم يتوقف: فأوبرون اللاكتوز لا يمكن تنشيطه، ويبقى الإنزيم قرب 5 جزيئات، ولا يُستعمل اللاكتوز أبدًا. 20. على اللاكتوز وحده: لا فرق في مستوى الإنزيم متى تحرّض (كلاهما مشتغل تمامًا) ولا فرق يذكر في النمو؛ وإنما ينقص $O^c$ تأخيرَ التحريض. وعلى الغلوكوز وحده: يصنع $O^c$ الإنزيم بلا داع (بقدر ما يسمح CAP)، والنمط البري لا يصنعه. 21. $5000\times 4096\times 4 = 8.2 \times 10^{7}$ ATP: أي $0.8\,\%$ من $10^{10}$ . 22. زمن الجيل أطول بمقدار $0.8\,\%$ : فمعدل النمو أدنى بمقدار $0.8\,\%$ ، أي $\delta = 0.008$ تضاعف في الجيل. 23. $r = 2^{-0.008} = 0.99447$ ؛ و $r^n = 0.111$ : أي $n = \ln 0.111/\ln 0.99447 = 2.20/0.00555 = 400$ جيل. 24. على اللاكتوز يكون الإنزيم مطلوبًا على كل حال، فلا يدفع الطافر شيئًا ويكسب الركود: فلا يُنتخب ضده بل يُنتخب له أحيانًا؛ ثم إن السلالات المخبرية تُربى للراحة لا للتنافس. 25. معامل التحريض 1000 (من 5 إلى $5000$ جزيء)؛ والتخليق بلا داع يكلف $0.8\,\%$ من ميزانية ATP؛ وتدوم التجربة نحو ساعتين ونصف.

المصطلحات المعرَّفة في هذا الفصل

عرض كل المصطلحات (479) في المسرد