رونویسی ( ژنتیک ) | زیست دوازدهم

بر اساس زیست دوازدهم، واحد سازنده مولکول DNA نوکلئوتید است و دستورالعمل ساخت پلی پپتیدها نیز روی همین مولکول قرار دارد، در حالی که پلی پپتیدها از آمینواسیدها ساخته می شوند. پس باید بین نوکلئوتیدهای یک ژن در DNA و آمینواسیدهای پلی پپتید حاصل از آن، رابطه ای وجود داشته باشد. به بیان ساده تر، DNA نوع و ترتیب آمینواسیدهای هر پلی پپتید را تعیین می کند.

در مولکول DNA چهار نوع نوکلئوتید وجود دارد که تفاوتشان تنها در نوع باز آلی است، در حالی که پلی پپتیدها از 20 نوع آمینواسید ساخته می شوند. برای پوشش دادن این تفاوت، توالی های سه تایی از نوکلئوتیدهای DNA است که هر کدام بیانگر یک نوع آمینواسید هستند. با چهار نوع نوکلئوتید می توان 64 توالی سه نوکلئوتیدی متفاوت ساخت که رمز ساخت پلی پپتیدهایی با 20 نوع آمینواسید را در خود دارند.

نکته کنکوری: از تقسیم 64 کدون بر 20 آمینواسید نتیجه می شود که اغلب آمینواسیدها بیش از یک کدون دارند، یعنی رمز ژنتیکی افزونه است. این افزونگی، دقیقاً همان نکته ای است که در طراحی تست های ترکیبی روی جهش های خاموش به کار می رود.

پلی پپتیدها بر اساس اطلاعات DNA و توسط ریبوزوم ها در سیتوپلاسم ساخته می شوند. در سلول های هسته دار، چون ریبوزوم ها درون هسته وجود ندارند اما اطلاعات DNA در هسته قرار دارد، به یک مولکول واسطه نیاز است که این اطلاعات را از هسته به سیتوپلاسم منتقل کند و آن مولکول RNA است. به فرایند ساخته شدن مولکول RNA از روی بخشی از یک رشته مولکول DNA، رونویسی گفته می شود. در این فرایند، متناسب با نوکلئوتیدهای رشته DNA، نوکلئوتیدهای مکمل در زنجیره RNA در حال ساخت قرار می گیرند و به هم متصل می شوند.

رونویسی یک ژن می تواند در هر چرخه سلولی، بارها تکرار شود و چندین رشته RNA از روی آن ساخته شود. این فرایند به کمک آنزیم هایی از خانواده RNA پلیمراز انجام می شود. در پروکاریوت ها، ساخت همه انواع RNA بر عهده یک نوع RNA پلیمراز است، اما در یوکاریوت ها چند نوع RNA پلیمراز وجود دارد که هر کدام مسئول ساخت نوع خاصی از RNA هستند: برای مثال mRNA (پیک) توسط RNA پلیمراز نوع 2، tRNA (ناقل) توسط RNA پلیمراز نوع 3 و rRNA توسط RNA پلیمراز نوع 1 ساخته می شود.

مراحل رونویسی

رونویسی در واقع فرایندی پیوسته است، اما برای فهم بهتر آن را به سه مرحله تقسیم می کنند: آغاز، طویل شدن و پایان.

مرحله آغاز

در این مرحله، RNA پلیمراز به DNA متصل می شود و با شکستن پیوندهای هیدروژنی، دو رشته آن را از هم باز می کند. برای این که رونویسی از محل درستی آغاز شود، در DNA توالی های نوکلئوتیدی ویژه ای به نام راه انداز وجود دارند که توسط RNA پلیمراز شناسایی می شوند. با شناسایی راه انداز، رونویسی از محل دقیق خود آغاز می شود و یک رشته کوتاه RNA ساخته می شود.

در طول این کار، آنزیم متناسب با هر نوکلئوتید رشته الگوی DNA، نوکلئوتید مکمل آن را روبه رو قرار می دهد و آن را با پیوند فسفودی استر به نوکلئوتید قبلی زنجیره RNA متصل می کند.

نکته کنکوری: در رونویسی، نوکلئوتید یوراسیل دار به عنوان مکمل نوکلئوتید آدنین دار قرار می گیرد، نه نوکلئوتید تیمین دار. فراموش کردن همین یک نکته، رایج ترین اشتباه دانش آموزان در تست های مربوط به توالی RNA ساخته شده است.

خلاصه مرحله آغاز: اتصال آنزیم به راه انداز، شکستن پیوندهای هیدروژنی بین دو رشته DNA در جلوی راه انداز و ساخت یک رشته کوتاه RNA.

مرحله طویل شدن

در این مرحله، ساخت RNA ادامه پیدا می کند و رشته آن طویل تر می شود. همچنان که مولکول RNA پلیمراز روی DNA پیش می رود، دو رشته DNA در جلوی آن باز می شوند و در چند نوکلئوتید عقب تر، RNای تازه ساخته شده از رشته الگو جدا می شود (شکستن پیوند هیدروژنی) و دو رشته DNA دوباره به هم متصل می شوند (تشکیل پیوند هیدروژنی). در محل رونویسی و نواحی مجاور آن، حالتی شبیه یک حباب ایجاد می شود که به سمت انتهای ژن پیش می رود.

• جلوی آنزیم: شکستن پیوند هیدروژنی بین دو رشته DNA.
• داخل حباب: تشکیل پیوند هیدروژنی بین نوکلئوتیدهای مکمل و تشکیل پیوند فسفودی استر در RNA در حال ساخت.
• پشت آنزیم: شکستن پیوند هیدروژنی بین RNA و رشته الگو و تشکیل دوباره پیوند هیدروژنی بین دو رشته DNA.

مرحله پایان

در DNA توالی های ویژه ای وجود دارند که پایان رونویسی توسط RNA پلیمراز را رقم می زنند. در این محل ها، آنزیم از مولکول DNA و از RNای تازه ساخته شده جدا می شود و دو رشته DNA دوباره به هم متصل می شوند.

نکته کنکوری: اندازه حباب رونویسی در طول فرایند تقریباً ثابت می ماند، در حالی که حباب همانند سازی DNA (که در فصل یک زیست دوازدهم بررسی شده) پیوسته بزرگ تر می شود. این تفاوت، یک نکته ترکیبی محبوب طراحان تست است. همچنین طول RNای ساخته شده همواره با طول ژن مربوط به آن برابر است و از آنجا که پیوند کووالانسی قابلیت چرخش دارد، تنها یکی از دو رشته DNA در هر ژن رونویسی می شود.

رشته الگو و رشته رمزگذار

برای هر ژن مشخص، همیشه و فقط یکی از دو رشته DNA رونویسی می شود. به آن رشته ای که مکمل RNای رونویسی شده است، رشته الگو گفته می شود و به رشته مکمل همین بخش، یعنی رشته ای که توالی نوکلئوتیدی اش شبیه به RNای ساخته شده است (با این تفاوت که به جای یوراسیل، تیمین دارد)، رشته رمزگذار می گویند. رشته مورد رونویسی یک ژن ممکن است با رشته مورد رونویسی ژن مجاور آن یکسان یا متفاوت باشد، اما رشته های الگوی ژن هایی که روی یک رشته DNA قرار دارند، همواره در یک جهت رونویسی می شوند.

در امتداد یک مولکول DNA، امکان دارد دو راه انداز در مجاورت هم قرار بگیرند و امکان دارد دو ژن، بدون هیچ راه اندازی میان آن ها، کنار هم باشند. در سلول های یوکاریوتی، RNای ساخته شده در جریان رونویسی، معمولاً با RNای موجود در سیتوپلاسم متفاوت است، چون بعد از رونویسی دستخوش تغییراتی می شود.

تغییرات mRNA پس از رونویسی: پیرایش

RNA پیک (mRNA) می تواند در حین رونویسی یا پس از آن دچار تغییراتی شود. یکی از رایج ترین این تغییرات در یوکاریوت ها، حذف بخش هایی از مولکول است. در بسیاری از ژن ها، توالی های معینی از RNای ساخته شده جدا و حذف می شوند و بخش های باقی مانده به هم متصل می شوند تا یک RNA یکپارچه بسازند. به این فرایند پیرایش می گویند.

این فرایند زمانی شناخته شد که پژوهشگران یک RNای سیتوپلاسمی را با رشته الگوی همان ژن در DNA در کنار هم قرار دادند و دریافتند بخش هایی از DNA با RNای رونویسی شده، دو رشته مکمل تشکیل می دهند، اما بخش هایی نیز بدون مکمل باقی می مانند. این بخش های بدون مکمل، به شکل حلقه هایی بیرون از مولکول دو رشته ای قرار می گیرند و اینترون نام دارند. اینترون ها در DNA وجود دارند، اما رونوشت آن ها از mRNA سیتوپلاسمی حذف شده است. به بخش هایی از DNA که رونوشتشان حذف نمی شود، اگزون می گویند.

RNای رونویسی شده در ابتدا حاوی رونوشت اینترون ها نیز هست، به این RNA، RNای اولیه یا نابالغ می گویند. پس از حذف رونوشت اینترون ها و پیوستن بخش های باقی مانده به هم، RNای بالغ ساخته می شود.

نکته کنکوری: ژن همیشه با اگزون شروع می شود و همیشه با اگزون تمام می شود، بنابراین در هر ژن، تعداد اینترون ها همیشه یکی کمتر از تعداد اگزون هاست. این رابطه ساده، یکی از پرتکرارترین نکات محاسباتی مبحث پیرایش در کنکور است.

شدت و میزان رونویسی

میزان رونویسی از یک ژن، به میزان نیاز سلول به فراورده آن بستگی دارد. برای مثال ژن سازنده rRNA در سلول های تازه تقسیم شده بسیار فعال است تا تعداد زیادی از این نوع RNA ساخته شود. در چنین ژنی، همزمان تعداد زیادی مولکول RNA پلیمراز در حال رونویسی هستند و چون هر کدام از آن ها در لحظه ای مشخص، در مرحله متفاوتی از رونویسی قرار دارند، زیر میکروسکوپ الکترونی، رشته های RNA ساخته شده از کوتاه تا بلند در کنار هم دیده می شوند و ساختاری شبیه پر ایجاد می کنند.

نمونه تست های کنکوری این مبحث

تست یک. در ساختار پرمانند بالا که از رونویسی همزمان چندین RNA از روی یک ژن حاصل شده، کدام گزینه درست است؟

1. از هر دو رشته ژن رونویسی انجام می گیرد.
2. به تعداد رشته های پلی نوکلئوتیدی، آنزیم های RNA پلیمراز فعال اند.
3. ریبونوکلئیک اسیدها از نظر تعداد پیوند فسفودی استر با هم متفاوت اند.
4. به تعداد مولکول های RNA، آنزیم هلیکاز مشغول شکستن پیوند هیدروژنی در DNA هستند.

پاسخ درست، گزینه سه است: طول RNAهای در حال ساخت با هم متفاوت است، در نتیجه از نظر تعداد پیوند فسفودی استر نیز با هم تفاوت دارند. توجه شود در فرایند رونویسی، آنزیم هلیکاز به کار نمی رود، باز شدن دو رشته DNA کار خود RNA پلیمراز است.

تست دو. طی فرایند رونویسی درون هسته یاخته های یوکاریوتی، در کدام مرحله، به طور حتم کدام رویداد رخ می دهد؟

1. طویل شدن: بین ریبونوکلئوتیدهای RNای در حال ساخت، پیوند فسفودی استر ایجاد می شود.
2. آغاز: دو رشته مولکول DNA درون جایگاه فعال بسپارازی آنزیم RNA پلیمراز مورد استفاده قرار گرفته اند.
3. طویل شدن: مولکول RNای در حال ساخت، در تمام طول خود متصل به رشته الگو است.
4. پایان: با جدا شدن RNA پلیمراز، توالی حاصل از رونویسی به رشته غیرالگو اتصال می یابد.

پاسخ درست، گزینه یک است: در مراحل آغاز و طویل شدن رونویسی، بین ریبونوکلئوتیدهای جدید و RNای در حال ساخت پیوند فسفودی استر ایجاد می شود، با این توضیح که بیشتر طول نهایی مولکول RNA، در مرحله طویل شدن ایجاد می شود، نه در مرحله آغاز. گزینه دو نادرست است، چون رونویسی فقط از روی رشته الگو انجام می شود و فعالیت بسپارازی RNA پلیمراز فقط با همین یک رشته در ارتباط است، نه هر دو رشته DNA. گزینه سه نیز نادرست است، چون همچنان که RNA پلیمراز پیش می رود، دو رشته DNA در جلوی آن باز می شوند و در چند نوکلئوتید عقب تر، RNA از رشته الگو جدا می شود. گزینه چهار هم نادرست است، چون پس از جدا شدن RNA پلیمراز، این رشته الگو است که به رشته غیرالگو متصل می شود، نه رشته حاصل از رونویسی که خود RNA است.

منبع تکمیلی: رونویسی ژنتیک در ویکی پدیا