🍀 ↗️ 💏 شبكات الجينات التي تتحكم في بنية جسم الحيوانات 👃🏿 🥛 🗣️

كيفية استخدام البيضة لتحويل بيضة إلى يرقة ثم ذبابة بالغة؟ الذبابة ، مثل الحشرات الأخرى ، تتكون من أجزاء. يتم دمج الشرائح في ثلاث مجموعات - الرأس والصدر والبطن. قد يكون للقطعة زوج من الأطراف. هناك ثلاثة أجزاء في الصدر ، لكل منها زوج من الأرجل. يحتوي الجزء الصدري الثاني أيضًا على أجنحة ، والثالث - الخنفساء الأرضية (أجنحة ذيل صغيرة ، غير مرئية تقريبًا بدون عدسة مكبرة). يتكون البطن من ثمانية أجزاء ولا توجد أطراف عليها. في البداية ، كان هناك ستة أجزاء في الرأس ، ولكن خلال تطور الحشرات تم مسح الحدود بينهما تمامًا. أطرافهم عبارة عن هوائيات يشم بها الذباب ويشعر به ، وثلاثة أزواج من أطراف الفم. بالنسبة للحشرة أو الصرصور ، سيكون الفك السفلي ، الفك العلوي والشفة السفلية ، بينما بالنسبة للذبابة ، يندمجون جميعًا في خرطوم.

من أجل أن تكون جميع الأعضاء في مكانها ، يجب أن تعرف كل خلية مكانها في الجنين. لذلك ، في المراحل الأولى من تطور الجنين ، عندما لا يكون هناك أعضاء فيه حتى الآن وتبدو جميع الخلايا متشابهة ، تظهر فيها "شبكة إحداثيات بيوكيميائية" مع المحاور الأمامية الخلفية ، والبطن الظهري والبطن الأيسر الأيمن. يمكن لطفرات الجينات التي تشكل شبكة الإحداثيات تغيير مظهر الحيوان بسهولة وسرعة - نقل الأعضاء إلى مكان آخر ، وتغيير عددها ، وما إلى ذلك. لذلك ، هذه الجينات مهمة لتطور الحيوانات ويتم دراستها بنشاط كبير. ربما تكون الشبكة الجينية لتمييز جنين ذبابة ذبابة الفاكهة ، اللعبة المفضلة لعلماء الوراثة ، هي الأكثر دراسة بين شبكات الجينات الحيوانية.

إن خوارزمية وضع علامة على بيضة على طول المحور الأمامي الخلفي بسيطة في الأساس:

1) تحديد نهاية البويضة التي ستكون الرأس ، والذيل
2) يقسم الجنين على طول المحور الأمامي الخلفي إلى 17 قطعة
3) يقسم كل جزء إلى الأمام ، الأوسط والظهر
4) ضع علامة على الرأس (6 أجزاء) والصدر (3 أجزاء) والبطن (8 أجزاء)
5) حدد الاختلافات الفردية للأجزاء.

شبكة الجينات التي تتعامل مع هذا تحتوي على جهاز معياري. تقوم كل وحدة بالخطوة الخاصة بها من الخوارزمية العامة. تبين أن ذبابة ذبابة الفاكهة كائنًا مناسبًا جدًا لدراسة شبكات تطوير الجينات ، لأنها تحتوي على تشوهات وراثية مشرقة جدًا وكاشفة. على سبيل المثال، antennapedia الطفرة التي يتم تحويل هوائيات في الساقين أو ~~VROTMNENOGI~~خرطوم ، عندما يتحول جزء من خرطوم إلى أرجل. تعطي طفرة bithorax ذبابة بأربعة أجنحة ، والتي ، بالإضافة إلى الأجنحة المعتادة في الجزء الصدري الثاني ، لديها زوج ثان من الأجنحة في الجزء الصدري الثالث.

الصورة

تسمى هذه الطفرات ، حيث يصبح جزء من الجسم مشابهًا جدًا لجزء آخر ، بـ "التجانس". بدءًا من هذه المسوخ ، قام علم الوراثة في نهاية المطاف بفك رموز شبكة الجينات بأكملها التي تتحكم في تطور الذبابة. حصل هذا العمل على جائزة نوبل في عام 1995.

يبدأ كل شيء بجينات قطبية البيض - البيكويد والنانو. وهي تعمل حتى قبل إخصاب البويضة ، بينما تنضج في مبيض ذبابة الأم. تقع الخلايا المساعدة ، التي تضخ المغذيات في البويضة ، على جانب واحد من البويضة ، لذا فإن البويضة لها نهايتان مختلفتان منذ البداية. ماتريكس بيكويد RNA يتراكم في الطرف الأمامي للبيضة ، حيث يتم إرفاقها ولا يمكنها السباحة بعيدًا. يتم تثبيت nanos mRNA أيضًا في النهاية الخلفية. بعد التخصيب ، يبدأ تخليق البروتينات باستخدام هذه mRNAs. تنتشر جزيئاتها في جميع أنحاء البيضة. نظرًا لأن تخليق بروتينات bicoid و nanos يحدث في أحد طرفي البيضة ، ويتحلل في كل مكان ، ينخفض تدرج بروتين bicoid ، وينخفض من الطرف الأمامي للجنين إلى الخلف ، وينحدر nanos من الخلف إلى الطرف الأمامي.

الصورة

إذا تم إدخال مرنا بيكويد في مكان مختلف في البيضة باستخدام ماصة صغيرة ، فسوف ينمو الرأس الثاني هناك. إذا تم إيقاف مرنا بيكويد بشكل مصطنع ، يتم الحصول على جنين بدون رأس وبحمارين.
علاوة على ذلك ، تتضمن بروتينات bicoid و nanos جينات الجنين نفسه ، أي تبدأ قراءة mRNA جديدة منها). جينات الفجوة هي أول من بدأ العمل ، من فجوة اللغة الإنجليزية ، الفجوة. الجينان الأولين من هذه المجموعة - الحدباء والذيلية - يشكلان تدرجات من الرأس إلى الذيل (الحدباء) ومن الذيل إلى الرأس (الذيلية). لكن تدرجاتهم أكثر سلاسة من تلك الخاصة بالبيكويد والنانو.

لماذا تسمى الجينات بغرابة؟

. . , hunchback — «», tailless — «», kruppel - — «», bithorax – « ». Sonic hedgehog , .

تشكل الجينات الأربعة المتبقية من مجموعة الفجوة كل واحد أو نطاقين عريضين (أكثر من قطعة واحدة) بحدود واضحة إلى حد ما. يتم دمجها بواسطة منتجات بروتينية ذات جينات أعلى (بيكويد ، نانو ، الحدباء والذيلية). إن الإغلاق الكامل لأحد جينات هذه المجموعة يعطي جنينًا قصيرًا ، يفتقر إلى عدة أجزاء ، تلك التي يعمل فيها هذا الجين بشكل طبيعي.

الصورة

مجالات نشاط جينات كتلة الفجوة

لماذا يتبين أن أربعة جينات كتلة فجوة (kruppel ، عملاق ، knirps و tailless) تقسم الجنين إلى نطاقات ، حيث يعمل أحد الجينات الأربعة؟

أولاً ، كلهم يقمعون نشاط بعضهم البعض. في خلية واحدة ، تكون الحالة مستقرة حيث يعمل جين واحد من هذه المجموعة بنشاط ويقمع جميع الآخرين (الزناد). لكن بيضة الذباب النامية أكثر تعقيدًا. في هذه اللحظة ، يطفو الآلاف من نوى الخلية الفردية في السائل الكلي داخل الخلايا (السيتوبلازم). حجم البويضة كبير بما يكفي بحيث يمكن مقارنة معدل اضمحلال البروتينات التنظيمية بمعدل انتشارها مع الطرف الآخر من البويضة. مع مزيج من الانتشار والقمع المتبادل ، تظهر حالة مستقرة أخرى عندما تنقسم البيضة إلى عدة نطاقات ، يعمل في كل منها جين واحد من المجموعة. كلما كان انتشار البروتينات أبطأ أو كلما كان الانهيار أسرع ، كلما كانت هذه الخطوط أو البقع أصغر.تم توقع مشاركة مثل هذه الأنظمة (يطلق عليها رد فعل الانتشار) في وسم جسم الحيوانات من قبل آلان تورينج (نعم ، الذي اخترع "آلة تورينج") في عام 1952. في ذلك الوقت ، لم يكن يُعرف الكثير عن الجينات والبروتينات ، لكن المعادلات التي تصف الهياكل المخططة والمرقطة تم استنتاجها بشكل صحيح بواسطة تورينج.هنا أو هنا ، يمكنك اللعب بنموذج رد فعل بسيط من مادتين وتشعر كيف يمكن أن تتصرف.

الصورة

الروابط بين جينات الفجوة وجينات قطبية البيض. Bcd - bicoid، hb - hunchback، cad - caudal، Kr - Kruppel، kni - knirps، gt - giant، tll - tailless.

إن كبت جينات بعضها البعض وحده سيميز الجنين في بعض الخطوط ، لكن موقع نطاقات النشاط للجينات الأربعة بالنسبة لبعضها البعض ونهايات الجنين ستكون متغيرة جدًا. من أجل أن تكون الشرائط في مكانها دائمًا (على سبيل المثال ، للسكاكين - شريط واحد في الرأس ، والآخر في النصف الخلفي بين kruppel والشرائط العملاقة) ، نحتاج إلى إشارة تحكم ثانية - تدرجات بيكويد وبروتينات قطبية البيض الأخرى. إن وظائف الإدخال لجينات الفجوة لهؤلاء المنظمين لها حد أقصى عند مستويات مختلفة من إشارة الإدخال (لقد اشتقنا وظيفة الإدخال هذه في نهاية المقالة الثانية ). لذلك ، يتم تشغيل كل جينات فجوة من خلال مستوى البروتينات بيكويد ، الحدباء والذيلية ، وتقع مناطق نشاطها بشكل طبيعي من الرأس إلى ذيل الجنين.

بعد أن جعلت جينات الفجوة علامة تقريبية للجنين في 7 نطاقات (لا تتطابق مع الأجزاء أو الرأس والصدر والبطن) ، يتم تشغيل الوحدة التالية - قاعدة الزوج ("قواعد قاعدة الزوج"). يقسم الجنين بالفعل إلى أجزاء ، والتي يجب أن تكون 17. تتكون وحدة القاعدة الزوجية من خمسة جينات ، وكلها ، كما كنت قد خمنت ، قمع بعضها البعض. يعمل كل من هذه الجينات إما في جميع القطاعات الزوجية أو الفردية - حيث تتفكك البروتينات التي يتم تشفيرها بها بشكل أسرع من بروتينات مجموعة الفجوة ، والشرائط ، على التوالي ، أضيق. إن إيقاف جزء من جينات هذه المجموعة يعطي جنينًا قصيرًا تختفي فيه جميع الأجزاء الفردية أو الفردية.

مناطق نشاط الجينات من مجموعة القواعد الزوجية. تحتوي الصورة على اليمين على 14 شريطًا وليس 17 ، لأن أنظمة العلامات الثلاثة الأخرى تعمل في الأجزاء الثلاثة الأولى من الرأس.

يمكن لوحدة القاعدة الزوجية نفسها ، دون مشاركة الفجوة والبيكويد ، وضع علامة على الجنين في شرائط ضيقة ، لكن عدد هذه الشرائط سيكون غير مستقر: يمكن أن تكون المقاطع 12 و 18 وحتى 20. عادة ، من الصعب التحكم في جينات القواعد الزوجية فجوة الجينات ، ويساعد الترميز الخشن الأول (لسبع مناطق) على جعل الترميز النهائي بدقة وموثوقية (لقطاعات 14 + 3).

النقطة التالية في الخوارزمية هي تحديد الجزء الأمامي والوسطى والخلفي من كل جزء. يتم ذلك عن طريق جينات قطبية القطبية. كما أنها تمنع بعضها البعض ويتم تشغيلها بواسطة وحدات أعلى من شبكة الجينات (قاعدة الزوج والفجوة). يتم اختيار معلمات الانتشار وتحلل منتجاتها فقط بحيث تكون الشرائط رقيقة جدًا - نصف قطعة. قمعها مع بعضها البعض أضعف وأكثر تنظيما من جينات القواعد الزوجية. لذلك ، تتداخل شرائط نشاطها جزئيًا وفي كل جزء يتم الحصول على "خط" متكرر من الشرائط المتداخلة بشكل مختلف.

عادة لا يؤدي إيقاف جينات قطبية المقطع إلى تقصير الجنين وفقدان أجزائه (كما هو الحال بالنسبة للفجوة وقاعدة الزوج) ، ولكن إلى تأثيرات أكثر دقة. عادة ، في هذه الحالة ، يتحول نصف كل جزء كان من المفترض أن يعمل فيه هذا الجين إلى صورة مرآة للنصف الآخر. هذا واضح للعيان ، لأن يرقة الذباب لديها صفوف من الأشواك الصغيرة موجهة للخلف - من أجل راحة الزحف. المسوخ في جينات قطبية المقطع لها صفوف من الأشواك موجهة للأمام.

وأخيرًا ، يأتي الدور إلى الجينات الأكثر شهرة واكتشافًا لأول مرة في هذه الشبكة - وحدة hox. يعطي عملهم الأجزاء الفردية بحيث تنمو الهوائيات وخرطوم على أجزاء الرأس ، وتنمو الأرجل والأجنحة على أجزاء الصدر. جينات hox ، على عكس الوحدات السابقة ، لا تمنع نشاط بعضها البعض ويمكن أن تعمل معًا في نفس جزء الجنين. خاصية غريبة لجينات hox لم يتم شرحها بعد: فهي موجودة على الكروموسوم في مجموعة ضيقة ، وبنفس الترتيب الذي تعمل فيه في جسم الجنين.

الصورة

يعتمد وضع علامة على الجنين على مبدأ "أبعد من الصدر ، والمزيد من جينات hox وأكثر نشاطًا": يبدأ نشاط الجين البطني- A من الجزء البطني الثاني ، وينمو إلى كامل 4 ويستمر عند الحد الأقصى في جميع الأجزاء اللاحقة ؛ يعمل جين البطن B من الجزء الخامس إلى الثامن من البطن ، مما يزيد من النشاط في كل جزء لاحق. يتم تضمين الجين ultrabithorax في نصف القوة في الجزء الصدري الثالث وبسعة كاملة في جميع أنحاء البطن. عندما يتم إيقاف تشغيله في طفرات bithorax ، لا تعرف خلايا الجزء الصدري 3 أنها الجزء الصدري 3 ، ولديها نفس مجموعة جينات hox كما في 2 الصدري (أي antenapedia فقط) ويستمر تطوير الجزء الصدري 3 على طول برنامج 2 الصدر - مع أجنحة بدلا من الخنافس المطحونة والعضلات الطائرة القوية.

إذا قمت بإيقاف تشغيل جميع جينات hox في جزء منفصل ، فسوف يتحول إلى قبيح ، ولكنه سيبدو على الأغلب مثل صندوق واحد ، مع أرجل وبدون أجنحة. هذا لأن الأسلاف البعيدة للحشرات كانت مثل ثلاثية الفصوص أو الديدان. كان لديهم العديد من الأجزاء المتطابقة مع الساقين. في وقت لاحق ، تم تقصير أجسامهم ، وفقد الجزء الخلفي من الساقين ، وأصبح البطن ، وانضمت العديد من الأجزاء الأمامية إلى الرأس وأصبحت أرجلهم أجزاء من الجهاز الفموي (الفك السفلي ، الفك العلوي والشفة السفلية).

النماذج الرياضية للشبكة الوراثية لتمييز الأجنة

في حالة منطوق اللاكتوز وحلقات الارتباط المباشر في Escherichia coli ، من الممكن إنشاء نماذج رياضية بسيطة إلى حد ما مع عدد معتدل من المعلمات التي تتنبأ بسلوك الجينات لأي إشارات إدخال. بالنسبة لبروتين اللاكتوز ، يكفي:

- أربعة ثوابت ملزمة (مكبّر ومُنشط مع DNA ، اللاكتوز مع مكبّر ، cAMP مع المنشط)
- أربعة معلمات قياس العناصر (4 اللاكتوز لكل 1 مكبّر ، 2 منشط cAMP 1 ، 1 مكبّر ومُنشّط لكل مُعامِل)
- اثنين من معلمات التنظيم (تأثير المكثف والمنشط على احتمالية هبوط RNA polymerase)
- المستوى الأساسي لنشاط الأوبرون (عندما لا يكون هناك مكبّر أو منشط)
- التأخير النسخي
إجمالي 12 معلمة.

دعونا الآن نلقي نظرة على المناطق التنظيمية لجينات Hox. في الرسم البياني أدناه ، إحدى الكتل التنظيمية لجين البطن B.

الصورة

تشير الأشرطة الملونة إلى مواقع ربط البروتين التنظيمية. يبلغ حجم هذه الكتلة بأكملها حوالي 1700 نيوكليوتيدات - 10 مرات أطول من المنطقة التنظيمية لأوبرون اللاكتوز. لديها 39 موقعًا لزرع 7 بروتينات تنظيمية مختلفة من جميع الكتل المتفوقة في شبكة الجينات هذه. والبطن- B لديه أربع كتل تنظيمية من هذا القبيل. يتم تشغيلها بالتتابع من الجزء الخامس إلى الثامن من البطن ويخلق زيادة تدريجية في مستوى البروتين في البطن في هذه الأجزاء. أي أنه بالنسبة لنموذج هذا الجين وحده ، وبطريقة جيدة ، فأنت بحاجة إلى أكثر من 100 ثوابت ملزمة ، نفس العدد من معلمات التنظيم ، وعدد غير معروف من المعلمات لوصف التفاعل بين المدخلات المختلفة - في أسوأ الحالات ، ما يصل إلى 1500 تفاعل زوجي بين جميع مواقع هبوط البروتين في واحد الوحدة التنظيمية.أي أن النموذج الكامل لشبكة الجينات هذه سيكون له بالتأكيد أكثر من ألف معلمة. وهذه هي المشكلة الرئيسية: ليس هناك الكثير من إشارات الخرج التي يمكننا قياسها في التجربة - في الواقع ، فقط مستويات كل بروتينات 25 وتوزيعها على طول الجنين. لذلك ، لم يحاول أحد حتى محاكاة هذه الشبكة بنفس الدقة التي يتمتع بها أوبرا اللاكتوز.

يمكنك محاولة تبسيط المهمة ووصف تأثير كل بروتين تنظيمي على الجين من خلال ثلاث معلمات فقط (مُلزم ، قياس العناصر المتكافئة ومعلمة التنظيم). يمكنك تحديد هذه المعلمات (على سبيل المثال ، باستخدام سلاسل ماركوف) بحيث يقوم النموذج بإعادة إنتاج الشرائط الحقيقية للنشاط الجيني بدقة. بالنسبة للكتلتين الأوليين من الشبكة (جينات قطبية البيض وجينات الفجوة) يتم عمل مثل هذه النماذج ( على سبيل المثال ).

تكمن المشكلة في أن البدايات المختلفة لخوارزمية الاختيار تعطي معلمات نموذجية مختلفة - لكنها تعمل بشكل صحيح وتعيد إنتاج نشاط الجينات في برعم ذبابة حقيقي! تحتوي هذه النماذج على ميزات مشتركة (على سبيل المثال ، تقوم جميع جينات الفجوة بقمع بعضها البعض ويتم تنشيطها بواسطة البروتينات الأم) ، ولكن لا توجد اختلافات أقل من أوجه التشابه.

وبما أن المحاولات المختلفة للنمذجة تعطي نتائج مختلفة ، فمن غير المحتمل أن تتوافق واحدة منها على الأقل مع الواقع. الأسوأ من ذلك ، أن هذه النماذج تعيد إنتاج العملية الطبيعية ، لكنها تفوت الكثير في التنبؤ بنتائج الطفرات.

في الجزء التالي ، سنتحدث عن سبب كون هذه المشاكل مع دراسة شبكات الجينات أمرًا لا مفر منه في علم الأحياء (وشبكة تعليم جنين ذبابة الفاكهة هي واحدة من أبسط الدراسات!) ، ما الذي يمكن القيام به حيال ذلك ، وما يجب أن يتعلمه المهندسون من علماء الأحياء.

شبكات الجينات التي تتحكم في بنية جسم الحيوانات

النماذج الرياضية للشبكة الوراثية لتمييز الأجنة

More articles: