نکات بیولوژی سلولی مولکولی

در ادامه ۴۰ نکته کاملاً تخصصی از حوزه بیولوژی سلولی و مولکولی ارائه می‌شود که مباحث پیشرفته‌ای مانند تنظیم چرخه سلولی، ترانسکریپتومیکس، کنترل کیفی پروتئین و مسیرهای پیام‌رسانی را پوشش می‌دهد.

 

چرخه سلولی و مرگ برنامه‌ریزی‌شده

 

1. پیش‌نیاز چرخه سلولی: سلول تنها در صورت داشتن اندازه کافی، منابع مغذی و DNA سالم، می‌تواند از checkpoint G1/S عبور کند. این checkpoint تحت کنترل p53 و Rb است.

2. کمپلکس پیش‌برنده تقسیم (APC/C): یک E3 ubiquitin ligase که با اضافه کردن زنجیره‌های ubiquitin به سیکلین B و سکورین، آن‌ها را برای تخریب پروتئازومی علامت‌گذاری می‌کند. این کار خروج از متافاز را امکان‌پذیر می‌سازد.

3. مکانیسم جداسازی کروماتیدهای خواهری: آنزیم سپاراز (Separase)، کوئزیون کوهِسین را که کروماتیدهای خواهری را در کنار هم نگه می‌دارد، می‌شکند. فعالیت سپاراز توسط سکورین مهار می‌شود.

4. اپوپتوز بیرونی (Extrinsic): این مسیر با اتصال لیگاند (مثلاً FasL) به رسپتور مرگ (مثلاً Fas) روی غشا آغاز می‌شود. این اتصال منجر به تشکیل کمپلکس القای مرگ (DISC) و فعال شدن کاسپاز-۸ می‌شود.

5. اپوپتوز درونی (Intrinsic): در پاسخ به استرس داخلی (مثلاً آسیب DNA)، نفوذپذیری غشای میتوکندری افزایش یافته و سیگنال‌های ضد-اپوپتوز مانند Bcl-2 مهار می‌شوند. این امر منجر به آزادسازی سیتوکروم c و تشکیل آپوپتوزوم و فعال شدن کاسپاز-۹ می‌شود.

6. اتوفاژی به عنوان یک مکانیسم بقا: در شرایط گرسنگی، مسیر mTOR مهار شده و اجازه آغاز اتوفاژی را می‌دهد. کمپلکس ULK1 فعال شده و فسفریلاسیون Beclin-1 منجر به تشکیل فاگوفور می‌شود.

 

تنظیم رونویسی و اپی ژنتیک

 

1. ساختار نوکلئوزوم: هر نوکلئوم از ۱۴۶ جفت باز DNA که حول یک هیستون اکتامر (دو عدد از هر H2A, H2B, H3, H4) پیچیده شده، تشکیل شده است. هیستون H1 به عنوان هیستون "لینکر" عمل می‌کند.

2. نقش مهارکننده‌ها (Corepressors): مهارکننده‌ها مانند SIN3 و N-CoR، آنزیم‌های تغییردهنده هیستون مانند هیستون داستیلاز (HDAC) را به فاکتورهای رونویسی متصل می‌کنند تا کروماتین را به حالت متراکم و غیرفعال تبدیل کنند.

3. اصلاح هیستون‌ها: فسفریلاسیون سرین-۱۰ روی هیستون H3 (H3S10ph) یک نشانه اپی ژنتیک کلیدی برای شروع میتوز است. این مارک با کروماتوزوم‌های بسیار فشرده (کندنسد) مرتبط است.

4. ساختار سیتوزینی در هایپررمز:

   · متیلاسیون DNA: آنزیم‌های DNMT گروه متیل را به کربن-۵ سیتوزین در زمینه dinucleotide CpG اضافه می‌کنند.

   · دمتیلاسیون: فرآیند دمتیلاسیون می‌تواند به صورت غیرفعال (در طی رونویسی) یا فعال (توسط آنزیم‌های TET) انجام شود.

5. رگولاتورهای کلیدی رشد سلول: فسفریلاسیون Rb توسط CDKها، باعث آزادسازی فاکتور رونویسی E2F می‌شود. E2F فعال شده، رونویسی ژن‌های مورد نیاز برای ورود به فاز S (مانند DNA پلیمراز) را تحریک می‌کند.

 

پردازش RNA

 

1. سنتز پروتئین ریبوزومی: RNA پلیمراز I، rRNAهای بزرگ (۲۸S, ۱۸S, ۵.۸S) را در نوکلئولوس رونویسی می‌کند. این رونوشت اولیه (۴۷S pre-rRNA) پس از پردازش گسترده (برش و اصلاح) به rRNAهای بالغ تبدیل می‌شود.

2. اسپلایسوزوم: این کمپلکس ریبونوکلئوپروتئینی از پنج snRNP (U1, U2, U4, U5, U6) تشکیل شده است. U1 به جایگاه ۵' اسپلایس و U2 به جایگاه برانش (شاخه) متصل می‌شود.

3. تنوع آنتی بادی: آنزیم AID سیتوزین را در DNA ژن آنتی‌بادی به یوراسیل تبدیل می‌کند. سپس، سیستم تعمیر DNA (با مشارکت آنزیم UNG) این نوکلئوتیدهای تغییر یافته را حذف کرده و منجر به جهش‌های سوماتیک و تبدیل کلاس می‌شود.

4. کنترل کیفی mRNA: مسیر Nonsense-Mediated Decay (NMD) mRNAهایی را که دارای کدون خیلی زودرس (PTC) هستند، شناسایی و تخریب می‌کند. این شناسایی اغلب در طی اولین دور ترجمه و با کمک کمپلکس EXON JUNCTION COMPLEX (EJC) انجام می‌شود.

 

ترجمه و کنترل کیفی پروتئین

 

1. فعال‌سازی اسید آمینه: آنزیم‌های آمینوآسیل-tRNA سنتتاز، اسیدهای آمینه را به tRNAهای اختصاصی متصل می‌کنند. این آنزیم‌ها دارای اثبخ خوانی (Proofreading) هستند تا از اتصال اسید آمینه اشتباه جلوگیری کنند.

2. کدون شروع: در یوکاریوت‌ها، کدون شروع (AUG) معمولاً در زمینه توالی کوزاک (GCC(A/G)CCAUGG) رخ می‌دهد. این توالی به شناسایی صحیح کدون شروع توسط ریبوزوم کمک می‌کند.

3. فاکتورهای elongation: eEF1A (مشابه EF-Tu در باکتری)، آمینوآسیل-tRNA را به سایت A ریبوزوم می‌آورد. eEF2 (مشابه EF-G) مسئول جابجایی (Translocation) ریبوزوم روی mRNA است.

4. اتصال‌های دی سولفیدی: آنزیم پروتئین دی سولفید ایزومراز (PDI) در شبکه آندوپلاسمی به تشکیل و ایزومریزاسیون صحیح پیوندهای دی سولفیدی در پروتئین‌ها کمک می‌کند.

5. اتصال‌های گلیکوزیله: الیگوساکاریدهای از پیش ساخته شده در غشای شبکه آندوپلاسمی به باقیمانده آسپاراژین (در توالی N-X-S/T) پروتئین‌های در حال سنتز متصل می‌شوند.

6. کنترل کیفی در شبکه آندوپلاسمی: پروتئین‌های misfolded توسط چاپرون‌هایی مانند BiP شناسایی شده و برای بازیابی به مسیر UPR فرستاده می‌شوند. در صورت عدم موفقیت، این پروتئین‌ها از شبکه آندوپلاسمی خارج شده و در سیتوزول تحت اتوفاژی‌- وابسته به ubiquitin یا تخریب پروتئازومی قرار می‌گیرند (ERAD).

 

مسیرهای پیام‌رسانی

 

1. گیرنده‌های tyrosine kinase: فعال شدن این گیرنده‌ها منجر به اتوفسفریلاسیون در باقیمانده‌های تیروزین می‌شود. پروتئین‌های adaptor مانند Grb2 (از طریق دامنه SH2 خود) به این فسفوتیروزین‌ها متصل شده و مسیر Ras/MAPK را فعال می‌کنند.

2. فعال‌سازی Ras: فاکتور تبادل گوانین نوکلئوتید (GEF) مانند SOS، با جایگزینی GDP با GTP، Ras را فعال می‌کند. فعالیت GTPازی ذاتی Ras (GAP-assisted) باعث غیرفعال شدن آن می‌شود.

3. آمپلیفیکاسیون در مسیر cAMP: یک مولکول اپی‌نفرین می‌تواند منجر به فعال شدن چندین مولکول آدنیلات سیکلاز شود. هر مولکول آدنیلات سیکلاز نیز می‌تواند صدها مولکول cAMP تولید کند.

4. مسیر PI3K/Akt: فسفویونوزیتید-۳-کیناز (PI3K)، PIP2 را به PIP3 تبدیل می‌کند. PIP3 به عنوان یک سکوی اتصال برای کینازهای وابسته به لیپید مانند PDK1 و Akt عمل می‌کند. Akt فسفریله شده، مسیرهای بقای سلولی و سنتز پروتئین را از طریق مهار BAD و TSC2 فعال می‌کند.

5. مسیر Wnt/β-catenin: در حالت عادی (بدون Wnt)، β-catenin در "کمپلکس تخریبی" شامل Axin, APC, GSK-3β و CK1 فسفریله شده و توسط پروتئازوم تخریب می‌شود. فعال شدن گیرنده Frizzled توسط لیگاند Wnt، این کمپلکس را مهار کرده و اجازه تجمع β-catenin در هسته و فعال کردن رونویسی را می‌دهد.

6. مسیر JAK-STAT: اتصال سیتوکین (مانند اینترفرون) به گیرنده، باعث فعال شدن کینازهای JAK متصل به گیرنده می‌شود. JAKها، فاکتورهای رونویسی STAT را فسفریله می‌کنند. STATهای فسفریله شده دیمر شده و به هسته رفته و رونویسی ژن‌های هدف را فعال می‌کنند.

 

سایر فرآیندهای سلولی

 

1. تشخیص کروموزوم در میتوز: کروموزوم‌ها از طریق کمپلکس KMN (شامل پروتئین‌های Knl1, Mis12, Ndc80) به رشته‌های دوک متصل می‌شوند. این اتصال برای جداسازی صحیح کروموزوم ضروری است.

2. تشخیص و ترمیم شکستگی دو رشته‌ای DNA (DSB):

   · NHEJ (اتصال انتهای غیرهمولوگ): به رهبری کمپلکس Ku70/Ku80، مستقیماً انتهای شکسته DNA را به هم متصل می‌کند. این روش ممکن است همراه با حذف یا اضافه شدن نوکلئوتید باشد.

   · HR (ترمیم همولوگ): نیاز به کروماتید خواهری به عنوان الگو دارد. نو recombination توسط پروتئین Rad51 کاتالیز می‌شود.

3. سنتز تلومر: آنزیم تلومراز (یک ریبونوکلئوپروتئین) با استفاده از RNA الگوی خود (TERC)، توالی‌های تکراری تلومر را به انتهای '۳ کروموزوم اضافه می‌کند. این کار از کوتاه شدن پیشرونده کروموزوم‌ها در هر دور تقسیم جلوگیری می‌کند.

4. انتقال بین هسته و سیتوزول: پروتئین‌های حاوی توالی NLS (مانند توالی غنی از لیزین کلاسیک) توسط کمپلکس ایمپورتین-α/β شناسایی شده و از طریق منفذ هسته‌ای به داخل هسته منتقل می‌شوند.

5. تشخیص و ترمیم خطاهای replication: سیستم MMR (Mismatch Repair) نوکلئوتیدهای ناجور را تشخیص داده و آن‌ها را جایگزین می‌کند. در باکتری‌ها، پروتئین MutS ناجوری را تشخیص داده و MutL برش را فعال می‌کند.

6. ساختار و عملکرد پروتئازوم: پروتئازوم ۲۶S از یک بخش ۲۰S (کاتالیتیک) و دو کلاهک ۱۹S (تنظیمی) تشکیل شده است. کلاهک ۱۹S، پروتئین‌های نشاندار شده با ubiquitin را شناسایی کرده، زنجیره ubiquitin را جدا کرده و پروتئین را به بخش کاتالیتیک منتقل می‌کند.

7. میکروتوبول‌ها و موتورهای مولکولی: کینزین‌ها معمولاً بارها را به سمت "انتهای مثبت" (پریفرال) میکروتوبول‌ها منتقل می‌کنند، در حالی که داینئین‌ها به سمت "انتهای منفی" (مرکز سلول) حرکت می‌کنند.

8. تشکیل وزیکول: پروتئین کلاترین با پلیمریزه شدن، یک ساختار قفس‌مانند را روی غشا تشکیل می‌دهد که به خم شدن غشا و تشکیل وزیکول کمک می‌کند. دینامین با ایجاد گره زنی در گردن وزیکول، آن را از غشا مادر جدا می‌کند.

9. کنترل ورود به میتوز: کمپلکس MPF (فاکتور ترویج‌کننده میتوز) که از سیکلین B و CDK1 تشکیل شده است، فسفریلاسیون گسترده‌ای را انجام می‌دهد که منجر به کندانس شدن کروموزوم‌ها، تخریب پوشش هسته و تشکیل دوک میتوز می‌شود.

10. مکانیسم عملکرد آنتی‌بیوتیک‌ها: پورومایسین (شبیه به آمینوآسیل-tRNA) وارد سایت A ریبوزوم شده و باعث قطع زنجیره نوپپتید می‌شود. اکسیتراسایکلین از اتصال آمینوآسیل-tRNA به سایت A ریبوزوم باکتری جلوگیری می‌کند.

11. ساختار کروماتین باز و بسته: نواحی فعال رونویسی با مارک‌های اپی‌ژنتیکی مانند H3K4me3 (در پروموتر) و H3K36me3 (در بدنه ژن) مشخص می‌شوند. در مقابل، نواحی غیرفعال با H3K9me3 و H3K27me3 علامت‌گذاری می‌شوند.

12. مکانیسم پیرایش ژن (RNA Editing): در برخی از mRNAها، آنزیم ADAR آدنین را به اینوزین تبدیل می‌کند (که سلول آن را گوانین می‌خواند). این تغییر می‌تواند باعث ایجاد کدون STOP جدید یا تغییر اسید آمینه در پروتئین نهایی شود.

13. سیستم CRISPR-Cas9: RNA راهنما (gRNA)، کمپلکس Cas9 را به توالی DNA هدف هدایت می‌کند. Cas9 یک شکستگی دو رشته‌ای در DNA ایجاد می‌کند که سپس می‌تواند از طریق NHEJ (منجر به حذف/اضافه) یا HDR (با استفاده از الگو، منجر به اصلاح دقیق) ترمیم شود.