كيف يعمل تخليق البروتين: النسخ والترجمة والطفرات

من الجين إلى البروتين

الجين امتداد من الـ DNA يحدد تسلسل قواعده بروتينًا. ولا تقرأ الخلية الـ DNA مباشرة لتصنع البروتين. بل تنسخ الجين أولًا إلى RNA رسول (النسخ)، ثم تقرأ الريبوسومات الـ mRNA لتربط الأحماض الأمينية بالترتيب الصحيح (الترجمة). ويُسمى هذا التدفق للمعلومات، من الـ DNA إلى الـ RNA إلى البروتين، العقيدة المركزية في البيولوجيا الجزيئية.

النسخ

يرتبط إنزيم RNA بوليميراز بمحفّز أمام الجين، ويفك امتدادًا قصيرًا من اللولب المزدوج (فقاعة النسخ، نحو 14 زوج قواعد) ويتقدم عبرها. يقرأ إحدى السلسلتين، السلسلة القالب، ويبني سلسلة RNA مكمّلة، مضيفًا النيوكليوتيدات إلى الطرف ′3 للـ RNA، الذي ينمو بذلك من ′5 إلى ′3. لذا يحمل الـ RNA تسلسل سلسلة الـ DNA الأخرى، السلسلة المرمِّزة، مع اليوراسيل (U) بدل الثايمين (T). وخلف البوليميراز ينغلق الـ DNA من جديد.

في البكتيريا يُستخدم الـ mRNA فورًا. أما في حقيقيات النوى فيُعالج أولًا: تُضاف قلنسوة إلى الطرف ′5 وذيل بولي-A إلى ′3، وتُقطع الإنترونات (التضفير) قبل أن يغادر الـ mRNA النواة.

الشفرة الوراثية

يُقرأ الـ mRNA ثلاث قواعد في كل مرة. وكل ثلاثية كودون. أربع قواعد تعطي 4³ = 64 كودونًا: 61 منها ترمّز الأحماض الأمينية العشرين و3 ‏(UAA وUAG وUGA) تعني التوقف. ويرمّز AUG الميثيونين ويحدد البداية أيضًا. ولمعظم الأحماض الأمينية عدة كودونات، تختلف غالبًا في القاعدة الثالثة، فالشفرة متكررة (منحلّة). وتستخدم كل الكائنات الحية تقريبًا الشفرة نفسها، باستثناءات صغيرة.

الترجمة

1. البدء: ترتبط الوحدة الصغرى للريبوسوم بالـ mRNA وتبحث عن كودون البدء AUG؛ ويقترن به أول RNA ناقل، محمّلًا بالميثيونين، ثم ترتبط الوحدة الكبرى.
2. الاستطالة: يجلب tRNA يقترن كودونه المضاد بالكودون التالي الحمضَ الأميني التالي؛ فيربطه الريبوسوم بالسلسلة النامية برابطة ببتيدية ويتقدم كودونًا. تضيف الريبوسومات البكتيرية نحو 15 إلى 20 حمضًا أمينيًا في الثانية؛ وريبوسوماتنا نحو 5.
3. الإنهاء: عند كودون التوقف لا يناسب أي tRNA؛ بل يرتبط عامل تحرير، فتنفصل السلسلة المكتملة ويتفكك الريبوسوم.

ترتيب الكودونات يحدد ترتيب الأحماض الأمينية، وذلك التسلسل يقرر كيف تنطوي السلسلة إلى بروتين فعّال.

مثال محلول: بيتا-غلوبين

يبدأ جين بيتا-غلوبين البشري (HBB)، نصف جزيء الهيموغلوبين، هكذا:

ATG GTG CAT CTG ACT CCT GAG GAG AAG …

1. الـ mRNA: ‏AUG GUG CAU CUG ACU CCU GAG GAG AAG …
2. الكودونات: AUG = Met، ‏GUG = Val، ‏CAU = His، ‏CUG = Leu، ‏ACU = Thr، ‏CCU = Pro، ‏GAG = Glu، ‏GAG = Glu، ‏AAG = Lys.
3. البروتين: Met-Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys…، أو MVHLTPEEK بشفرة الحرف الواحد.

الطفرات

• صامتة: استبدال يحوّل كودونًا إلى آخر للحمض الأميني نفسه. ‏GTG إلى GTC في الكودون 2 يبقى فالينًا.
• تغيير المعنى: الكودون الجديد يرمّز حمضًا أمينيًا آخر. في فقر الدم المنجلي يتحول الكودون 7 من GAG إلى GTG، فيصبح الغلوتامات فالينًا. والفالين الكاره للماء يجعل جزيئات الهيموغلوبين تلتصق في ألياف حين ينقص الأكسجين ويشوّه خلايا الدم الحمراء إلى مناجل. وبعض تغييرات المعنى غير ضارة؛ وبعضها يدمّر البروتين.
• عديمة المعنى: يتحول الكودون إلى توقف. تغيير القاعدة 19 في HBB من G إلى T يحوّل GAG إلى TAG، فيتوقف البروتين بعد ستة أحماض أمينية. وطفرات كهذه تسبب ثلاسيميا بيتا، الشائعة في حوض البحر المتوسط والخليج.
• إزاحة الإطار: إدخال أو حذف عدد من القواعد ليس من مضاعفات الثلاثة يزيح إطار القراءة، فتتغير كل الكودونات التالية. حذف القاعدة 20 من HBB يعطي MVHLTPGRSLPLLPCGAR ثم توقفًا: بروتين قصير عديم النفع. وإدخال ثلاث قواعد أو حذفها يضيف حمضًا أمينيًا أو ينزعه بلا إزاحة، كما في أشيع طفرات التليف الكيسي، التي تحذف فينيل ألانين.

كيف تستخدم المحاكاة

في محاكي تخليق البروتين: النسخ والترجمة، أشياء تجربها:

• شاهد بيتا-غلوبين يُنسخ ثم يُترجم؛ وقارن الـ mRNA في النتائج بالسلسلة المرمِّزة.
• اختر «استبدال» عند القاعدة 20 بـ T: طفرة الخلية المنجلية، التي تظهر كتغيير معنى E7V.
• القاعدة 19 إلى T: عديمة المعنى. القاعدة 6 إلى C: صامتة.
• «حذف» عند القاعدة 20: إزاحة إطار، ويضطرب منحنى الكراهية للماء بعد الكودون 7.
• في المثال القصير يأتي كودون البدء بعد قواعد قليلة: يتخطاها الريبوسوم ويتوقف عند TGA.
• اكتب تسلسلًا بلا ATG: لا يُصنع أي بروتين.

ما يفترضه النموذج

• الشفرة الوراثية القياسية، مقروءة من أول ATG في التسلسل، في ذلك الإطار، حتى أول كودون توقف أو نهاية التسلسل.
• تسلسل مرمِّز بلا إنترونات: ما تكتبه يُعامل كتسلسل الـ mRNA، بلا محفّز ولا تضفير ولا قلنسوة ولا ذيل.
• بوليميراز واحد وريبوسوم واحد في كل مرة، بسرعات ثابتة؛ والجينات الحقيقية تنسخها بوليميرازات كثيرة ويقرأ كل mRNA ريبوسومات كثيرة معًا (بوليسوم).
• الكتل من متوسط كتل البقايا مع جزيء ماء واحد، بلا تعديلات؛ ويُحتفظ بالميثيونين الأول.
• الكراهية للماء بمقياس كايت-دوليتل، بمتوسط على نوافذ من خمس بقايا.

الحالات الحدية

• بلا كودون بدء: لا بروتين. والطفرة في ATG نفسه تُفقد البداية؛ فتترجم المحاكاة حينها من ATG التالي، الذي قد يكون في إطار آخر.
• بلا كودون توقف: يخرج الريبوسوم من نهاية التسلسل. وفي الخلايا تُكتشف هذه الـ mRNA «عديمة التوقف» وتُدمّر.
• الطفرات قبل البدء أو بعد التوقف تترك البروتين كما هو، وإن كانت في الجينات الحقيقية قد تؤثر في الكمية المصنوعة منه.
• استبدال قاعدة بالقاعدة نفسها لا يغير شيئًا.

أين يتوقف النموذج عن الصلاحية

• الصامتة ليست دائمًا غير ضارة. قد تغيّر التبديلات المرادفة إشارات التضفير، أو انطواء الـ mRNA، أو سرعة قراءة كودون، فتغيّر كمية البروتين المصنوعة أو طريقة انطوائه.
• التحلل بوساطة الطفرات عديمة المعنى. في حقيقيات النوى، كثيرًا ما يُدمّر mRNA فيه توقف مبكر قبل أن يُصنع منه بروتين مبتور كثير.
• كودونات البدء في سياقها. تمسح ريبوسومات حقيقيات النوى الـ mRNA من القلنسوة وتفضّل AUG في سياق جيد (تسلسل كوزاك، مثل GCCACCAUGG)؛ وتستخدم البكتيريا تسلسل شاين-دالغارنو قبله مباشرة. ولا يُستخدم أول ATG دائمًا.
• بعد الترجمة. كثيرًا ما يُزال الميثيونين الأول، ولهذا تُسمى طفرة الخلية المنجلية Glu6Val؛ وتُقطع البروتينات، وتنطوي بمساعدة المرافقات، وتُزيَّن بالسكريات والفوسفات.
• شفرات أخرى. تقرأ الميتوكوندريا وبعض الميكروبات كودونات قليلة بطريقة أخرى؛ ففي ميتوكوندريا الإنسان يرمّز UGA التريبتوفان.

أدوات ذات صلة

ترجم أي تسلسل في الإطارات الستة بـ ترجمة DNA إلى بروتين، وابحث عن أطر القراءة المفتوحة بـ باحث ORF، وأجرِ طفرات نقطية بـ طفر DNA، وزِن النتيجة بـ الوزن الجزيئي للبروتين. ويمر دليل كيف تترجم DNA إلى بروتين على الشفرة يدويًا، ويعرض عارض طي DNA وRNA الجزيء نفسه.