DNA PACKAGING یا بسته بندی ژنوم

DNA PACKAGING یا بسته بندی ژنوم در رابطه با با سازماندهی ژنوم است و در این مطلب قرار است که پیرامون سازماندهی ژنوم و چگونگی انجام این فرآیند صحبت کنیم.

همانطور که می‌دانید DNA انسان به صورت مولکول های مختلف، در کروموزوم های مختلف ما قرار دارد. در جدول زیر مشاهده می‌کنید که طول ژنوم انسان به‌طور تقریبی چیزی قریب به 1.8 متر است.

با توجه به طویل بودن ژنوم موجودات و کوچک بودن قطر هسته، سلول یا اندازه ویروس، نیاز داریم که ژنوم بسته بندی شود. البته در رابطه با ویروس و باکتری ها این ژنوم طویل، باید داخل سلول قرار بگیرد (زیرا این موجودات فاقد هسته می‌باشند). بنابراین در همه موجودات دارای DNA نیاز به بسته بندی ژنوم یا به عبارتی DNA PACKAGING  داریم تا این موجودات بتوانند ژنوم طویل خود را در هسته سلول های یوکاریوتی، سلول باکتریایی و یا ویروسی جا دهند.

در باکتریوفاژ ها و ویروس های یوکاریوتی، ماده ژنتیکی کل حجم ویروس را اشغال می کند. در باکتری ها و یوکاریوتی ها، ماده ژنتیکی بخشی از کل را اشغال می کند. به عنوان مثال، DNA در یوکاریوت ها، بخشی از هسته را که خود بخشی از سلول می‌باشد را اشغال می کند و همچنین DNA در باکتری ها بخشی از سلول باکتریایی را اشغال می کند نه کل فضای سلولی را.

ماده ژنتیکی که در باکتری‌ها وجود دارد را نوکلئوئید و ماده ژنتیکی موجود در یوکاریوت‌ها در زمان اینترفاز (بخشی از چرخه سلولی) کروماتین می‌گویند.

باتوجه به توصیف‌ها تا الان ماده ژنتیکی یا DNA ای که فشرده است و در داخل محفظه قرار گرفته چه در باکتری ها چه در یوکاریوت ها چگالی بالایی دارد و یک حالت ژلی با ویسکوزیته‌ای بالایی دارد.

بیشتر بخوانید: آشنایی با پروتکل‌های PCR

آشنایی با ژنوم ویروسی 

ژنوم ویروس، تمام حجم آن محفظه‌ای را که در آن قرار می گیرد را پر می کند. در واقع ژنوم ویروس در مقایسه با ژنوم سلول های باکتریایی و یوکاریوتی دارای محدودیتی است که این محدودیت ساختمان پوشش پروتئینی آن است که تعیین می کند که سایز ژنوم چقدر باشد و چه مقدار از ژنوم یا ماده ژنتیکی وارد ویروس شود.

اجزای یک ویروس:

اسید نوکلئیک (DNA یا RNA) که این داخل یک پوشش پروتئینی به نام کپسید قرار گرفته است. این کپسید از یک یا چند پروتئین تشکیل شده است که این پروتئین‌ها نیز از ژنوم ویروس کد می‌شوند. حجم درونی کپسید به ندرت از حجم اسید نوکلئیکی که قرار است به داخل آن وارد شود بیشتر است. یعنی به عبارتی حجم داخل کپسید با حجم ژنومی که به آن وارد می‌شود برابر است و به ندرت ممکن است که حجم کپسید بیشتر از حجم اسید نوکلئیک باشد.

این کپسید می‌تواند به شکل و صورتی باشد که ویروس ما حالت فیلامنتوس یا رشته‌ای یا میله مانند باشد یا می‌تواند به صورت پوسته‌ای باشد که حالت کروی یا چند وجهی دارند.

علاوه بر نوکلئیک اسید و کپسید یک سری ساختارهای پروتئینی دیگری هم وجود دارند که جز ساختارهای متصل به کپسید هستند یا در درون کپسید قرار گرفته‌اند. به عبارتی یک ساختارهای متصل به کپسید یا درون کپسید هستند که خودشان از پروتئین‌های مجزایی تشکیل شده‌اند و برای عفونت سلول میزبان ضروری‌اند.

دو حالت برای تشکیل ساختار وجود دارد. حالت اول این که ابتدا کپسید ساخته می‌شود و بعد اسیدنوکلئیک وارد آن می‌شود و بعد موقع وارد شدن اسیدنوکلئیک، فشردگی ژنوم صورت می‌گیرد. حالت دوم این است که اسید نوکلئیک وجود دارد و پروتئین‌های کپسید، که از یک یا چند نوع پروتئین هستند، در اطراف اسیدنوکلئیکی که وجود دارد دور اسید نوکلئیک مونتاژ می‌شوند و همزمان که پروتئین‌ها دارند مونتاژ می‌شوند فشردگی ژنوم ویروس هم صورت می‌گیرد.

در مورد ویروس‌هایی که ژنوم آن ها از نوع RNA باشد و تک رشته ای باشند، می‌توان گفت که این ویروس‌ها از حالت دوم پیروی می‌کنند که کپسید دور ژنوم ساخته می‌شود و موقعی که کپسید دور ژنوم در حال ساخته شدن است، ژنوم فشرده می‌شود. ویروسی که می‌توان در این باره مثال زد، ویروس TMV(ویروس موزائیک تنباکو) است که ژنوم آن به شکل RNA ای است و پروتئین‌های کپسید از یک ناحیه از این ژنوم شروع به مونتاژ شدن می‌کنند. مستقیم ژنوم با این پروتئین‌ها ارتباط برقرار می‌کند و اتصال پیدا می‌کند و فشردگی ژنوم هم در این حین انجام می‌شود. به عبارتی از یک ناحیه خاص از روی ژنوم شروع می‌کند به مونتاژ شدن پروتئین‌ها، روی این ژنوم.

تصاویری که در بالا مشاهده می‌شود RNA ویروس TMV را نشان می‌دهد که چطور در بین پروتئین‌های ویروس قرار می‌گیرد. همانطور که مشاهده می‌شود یک ساختمان دیسکی مانند دولایه‌ای وجود دارد که این ها در اطراف ژنوم قرار می‌گیرند و هر لایه از 17 تا زیرواحد پروتئینی یکسان تشکیل شده که ساختاری که در تصاویر بالا مشاهده می‌شود را ایجاد می‌کند.

حالت اول که ابتدا کپسید خالی ساخته می‌شود و بعد ژنوم داخل آن قرار می‌گیرد در مورد ویروس‌های DNA دار داریم. مثالی از این ویروس‌های DNAدار مانند ویروس Lambda یا ویروس T4. در این  ویروس ابتدا یک کپسید به صورت پوسته خالی ساخته می‌شود و بعد ژنوم وارد آن می‌شود. همزمانی هم که وارد ان می‌شود فشردگی ژنوم هم صورت می‌گیرد و البته یک تغییر ساختاری کوچک در کپسید نیز به‌وجود می‌آید.

پروتئین‌های کپسید، در عین حال که مونتاژ می‌شوند، ژنوم فشرده می‌شود. در دو شکل بالا کپسید TMV  نشان داده شده است، یعنی این تصاویر پروتئین‌هایی را نشان می‌دهد که کپسید را در نهایت ایجاد می‌کنند. همانطور که در تصویر نیز مشخص است این ها یک ساختار دیسک مانند دارند که از 17 زیرواحد پروتئینی یکسان تشکیل شدند، بعد این ها پشت سر هم مونتاژ می‌شوند تا در نهایت ساختمان استوانه‌ای که در شکل مشخص است، تشکیل می‌شود. همچنان که این دیسک‌ها روی هم قرار می‌گیرند و ساختمان کپسید را ایجاد می‌کنند، RNA درون این ساختمان در حال فشرده شدن است. این فشرده شدن به صورت تصویر بالا است که نشان داده شده است. هر چه تعداد دیسک های بیشتری اضافه می‌شوند، فشردگی ژنوم هم بیشتر می‌شود تا در انتهای RNA هم فشردگی صورت بگیرد. توجه شود که RNA و دیسک‌ها با هم اتصال دارند.

ژنوم RNA ویروس TMV، در یک جای به صورت یک ساختمان hairpin قرار میگیرد و از همین جا است که مونتاژ شدن پروتئین‌ها صورت می‌گیرد. این hairpin درون منفذی که در شکل بالا مشخص است، قرار می‌گیرد و فشردگی را در نهایت انجام می‌دهد. به عبارتی، هر دیسکی که به این ساختار اضافه می‌شود، یک بخشی از RNA را به سمت مرکز دیسک هل می‌دهد و RNA در یک مرکز مارپیچ مانندی که در شکل بالا مشخص است، فشرده می‌شود.

در مورد فاژ لاندا ورود ژنوم در طی دو مرحله صورت می‌گیرد. یک مرحله اولیه translocation است که به آن جابه جایی می‌گویند. یک مرحله condensation یا فشردگی است. هر دو مرحله نیاز به انرژی دارند.

در تصویر بالا ژنوم ویروس لامبدا مشاهده می شود که در مرحله translocate می‌باشد.

بیشتر بخوانید: مقدمه‌ای بر بیوانفورماتیک

مرحله translocate یا جابه جایی:

آنزیمی وجود دارد به نام آنزیم ترمیناز. ورود ژنوم به وسیله این آنزیم ترمیناز و هیدرولیز ATP انجام می‌شود. آنزیم ترمیناز به شکل بنفش در تصویر بالا مشاهده می‌شود. در ابتدا یکی از زیرواحدهای آنزیم ترمیناز میاد و به یک جایگاه خاص از ژنوم ویروس متصل می‌شود. این جایگاه خاص را COS sites یا جایگاه‌های COS می‌گویند. COS مخفف cohesive end site است. cohesive یعنی چسبنده و  cohesive end site یعنی انتهای چسبنده. به این دلیل می‌گویند انتهای چسبنده چراکه انتهای یک DNA که به صورت دو رشته ای است می‌تواند انتهایش صاف و به یک اندازه باشد و یا می‌تواند انتهایش یک رشته بلندتر و یک رشته کوتاه‌تر باشد. این حالت دوم که یک رشته بلندتر و یک رشته کوتاه‌تر است، را می‌گویند انتهای چسبنده. آنزیم ترمیناز یکی از زیرواحدهایش ابتدا به جایگاه COS site متصل می‌شود که جایگاه مشخصی است و توالی آن هم مشخص است. این COS site ها نواحی‌ای هستند که دو کپی ژنوم لامبدا از این ناحیه به هم متصل‌اند.

در ویروس لامبدا درحال همانندسازی، کپی‌های متعدد از این ژنوم به هم متصل‌اند و در محل این COS site ها هم به هم متصل هستند. یک زیر واحد از آنزیم ترمیناز می‌آبد و دقیقا در محل اتصال دو تا کپی که محل COS site است به آن متصل می‌شود. وقتی که اتصال برقرار کرد، سپس زیرواحد دوم آنزیم به آن ملحق می‌شود. پس آنزیم ترمیناز اولا به DNA متصل می‌شود و بعد از اتصال و ملحق شدن DNA را برش می‌دهد. برشی را که ایجاد می‌کند به صورت تصویر بالاست. یعنی برشی که ایجاد می‌کند به این صورت است که انتهای چسبنده ایجاد می‌کند. به عبارتی COS end ایجاد می‌کند. در این برش انتهای یک رشته بیرون زده که در تصویر مشاهده می کنید که حدود 12 جفت باز است در ژنوم لامبدا.

بیشتر بخوانید: باکتریوفاژ | تعریف، چرخه سلولی، تحقیقات

آنزیم ترمیناز بعد این که کپی DNA را برش زد به همان رشته کپی و ژنوم لامبدا متصل می‌ماند. خود همین آنزیم در یک کمپلکسی با پروتئین میزبان به اسم پروتئین IHF قرار می‌گیرد و بعد به کبپسید متصل می‌شود و هیدرولیز ATP هم انجام می‌شود و ژنوم وارد پوشش پروتئینی می‌شود و سپس در آن قرار می‌گیرد. به عبارتی آنزیم، هیدرولیز ATP را انجام می‌دهد و بعد ژنوم translocate می‌کند به داخل کپسید یا جابه جا می‌شود به داخل کپسید و در آن قرار می‌گیرد.

مرحله فشردگی یا condensation:

در مورد فشردگی DNA در کپسید اطلاعات زیادی وجود ندارد اما مشاهده شده علاوه بر DNA ای که در کپسید قرار می‌گیرد یک سری internal protein یا پروتئین‌های داخلی هم وجود دارند و احتمالی که وجود دارد این است که این پروتئین‌ها یک اسکلت و داربستی را تشکیل می‌دهند که DNA روی آن فشرده می‌شود.

شکل بعد، بلوغ فاژ لامبدا را نسان می‌دهد. در این بلوغ اولین حالتی که وجود دارد در مورد کپسید یک پوسته کروی است که به Prohead 1 می‌گویند و بعد Prohead 2 است که پوسته حالت چند وجهی پیدا می‌کند و خالی است و بعد DNA وارد آن می‌شود. وقتی ژنوم وارد این پوسته خالی می‌شود تا یک مقداری این پوسته بزرگ می‌شود اما از یک حدی بزرگ‌تر امکان پذیر نیست بشود. این تغییری ساختاری است که در پوسته خالی ایجاد می‌شود. یعنی این تغییر ساختاری این است که این پوسته تا حدی بزرگ‌تر می‌شود و تا جایی بزرگ‌تر می‌شود که به آن فول سایز خود می‌رسد. بعد از آن که به فول سایز رسید و ژنوم هم وارد پوسته شده، بعد از آن قسمت انتهایی دم است که به فاژ متصل می‌شود و در انتها فاژ کامل شکل می‌گیرد.

فاژ لامبدا برای همانندسازی ژنوم خود می‌آید و روی سطح باکتری قرار می‌گیرد و بعد ژنوم که در داخل کپسید قرار دارد را فقط آن ژنوم را وارد سلول باکتریایی می‌کند. اما ژنوم ویروس اطلاعات لازم برای تشکیل پوشش پروتئینی خود را دارد. این ژنوم در عین حال که همانندسازی را در داخل باکتری انجام می‌دهد و تکثیر می‌شود، در عین حال هم از ژنوم ویروس بیان صورت می‌گیرد و پروتئین‌های پوشش کپسید ویروس ساخته می‌شود و کپسید شکل می‌گیرد.

آشنایی با ژنوم باکتریایی:

ژنوم باکتری‌ها ساختارهای خاص کروموزوم‌های یوکاریوتی را ندارند ولی این ژنوم باکتری هم به صورت اجسام خاصی سازماندهی شده‌اند. باتوجه به شکل پایین کلاف آبی رنگ ژنوم باکتری است. به عبارتی ژنوم باکتری به‌صورت یک کلاف فشرده‌ای یا مجموعه‌ای از کلاف‌ها است که در داخل سلول قرار گرفته و یک سوم حجم سلول باکتری را اشغال کرده و در مرکز سلول قرار گرفته است. در شکل زیر بخش سفید رنگی که در مرکز قرار گرفته ژنوم باکتری است. این ماده ژنتیکی باکتری را نوکلئوئید می‌گویند و این کلاف آبی رنگ همان نوکلئوئید است.

این نوکلئوئیدها فقط شامل DNA نیست و 80 درصد جرم آن DNA است. بقیه آن یک سری پروتئین‌هایی هستند. بنابراین نوکلئوئید مجموعه‌ای از DNA و یک سری پروتئین‌‌ها است.

با توجه به شکل زیر، سلول باکتری را وقتی لیز می‌کنند و دیواره آن کمی تخریب می‌شود؛ ژنوم این باکتری از باکتری بیرون زده و به صورت لوپ‌هایی به بیرون آمده است. این رشته‌هایی که در شکل است همان نوکلئوئید هستند. این لوپ‌ها DNA هایی هستند که توسط پروتئین فشرده شده‌اند. این پروتئین‌ها متصل شونده به DNA هستند. این پروتئین‌های متصل شونده به DNA را NAP می‌گویند. در شکل زیر NAP ها را مشاهده می‌کنید. NAP ها پروتئین‌های مختلفی هستند که در شکل زیر لوپ‌های DNA و NAP ها مشاهده می‌شوند که باعث می‌شوند DNA به‌صورت فشرده در بیاید.

تعداد زیادی از این NAP ها شناسایی شده اما برخی از آن ها را در جدول تصویر بالا مشاهده می‌کنید. مثلا HU در آغاز همانندسازی در باکتری نقش خمیدگی در DNA دارد و در DNA خمیدگی ایجاد می‌کند. وجودش ضروری نیست اما برای خمیدگی در DNA و به آغاز همانندسازی در باکتری‌ها کمک می‌کرد. این پروتئین‌های NAP مانند پروتئین‌های کروموزوم‌های یوکاریوتی هستند. بنابراین این NAP ها هیستون‌ها هستند. نوکلئوئید هم مجموعه از DNA هست به علاوه این NAP ها که از جنس پروتئین هستند. اغلب این‌ها خاصیت این را دارند که به DNA متصل می‌شوند.

NAP ها نقش خود را همانطور که در شکل بالا مشاهده می‌شود بدین صورت ایفا می‌کنند که یا باعث خمیدگی (bending) در DNA می‌شوند و یا باعث پیچ (wrapping) می‌شوند و یا باعث پل (bridging) می‌شود. تمام این عوامل اثر می‌گذارند و باعث می‌شوند شکل فضایی DNA در داخل سلول شکل بگیرد. به عبارتی این عوامل در سازماندهی DNA در سلول تاثیر دارند.

مدلی که برای نوکلئوئید باکتری به کار می‌بریم مدل لوله شیشه شور(bottle brush) است. یک بخش مرکزی نسبتا حجیم دارد که لوپ‌ها به آن متصل است و لوپ‌ها سوپر کویل‌اند. نوکلئوئید در باکتری حدود 400 تا لوپ یا 400 دومن سوپرکویل منفی مستقل دارد و هر لوپ 10kb طولش است. هر کدام از لوپ‌ها به صورت سوپرکویل است.

پروتئین H-NS که H آن مخفف  Histon like است و NS آن مخفف Nucleoid structure است. این پروتئین‌ها تمایل دارند به توالی‌هایی که غنی از آدنین و گوانین هستند و ایجاد پل در DNA می‌کنند و یک لوپ در DNA ایجاد می‌کند. این پروتئین روی فعالیت پروموتر و ساختار نوکلئوئید به‌طور همزمان اثر دارد. در تمام مراحل رشد سلول، این پروتئین وجود دارد و با پروتئین‌های دیگر برهمکنش می‌دهد و همین برهمکنش احتمالا باعث می‌شود 100 ها ژن را خاموش می‌کند. این پروتئین حتی می‌توان نقش DNA coating را ایفا کنند و سطح DNA را پوشش دهد.

پروتئین HU علاوه بر وظایفی که قبلا گفته شده باعث پیچچ هم می‌شود و در انعطاف پذیری DNA نقش دارد.

نقش NAP به طول کلی در ساختار نوکلئوئید هستند و در تنظیم ژن هم می‌توانند نقش دارند. یعنی می‌توانند همزمان هر دو تا نقش را داشته باشند یا یکی از این نقش‌ها را ایفا کنند.

سوپر کویلی که در DNA و ژنوم باکتری ایجاد می‌شود به‌طور عمده نتیجه فعالیت توپوایزومرازها است اما در هر ناحیه‌ای یعنی به صورت local و ناحیه‌ای، آنزیم‌های DNA و RNA پلی مراز، خود NAP ها و حتی پروتئین‌های دیگری که ممکن است متصل شوند به DNA می‌توانند به صورت ناحیه‌ای میزان سطح سوپرکویلی که در DNA هست را به نوعی محدود کنند و تغییر دهند. این پروتئین‌ها که می‌توانند به صورت ناحیه‌ای همراه شوند با DNA در یک ناحیه خاص یا نواحی مختل، سطح سوپرکویل را می‌توانند کمتر از آن حدی که هست بکنند. به‌طور عمده سوپرکویلی که ایجاد می‌شود نتیجه فعالیت توپوایزومراز ها است. این NAP ها در هر 100 جفت باز، یک پروتئین NAP وجود دارد.

پروتئین H-NS خاموش کننده رونویسی به‌صورت عمومی استو روی صدها ژن تاثیر بگذارد. این ها در محل‌های پروموتر قرار بگیرند و پروموتر مهار شود رونویسی هم دیگر انجام نمی‌گیرد.