بیان ژن در گیاهان و اهمیت آن برای انسان

تفاوت DNA و RNA

مقایسه DNA و RNA آسان نیست. اما تفاوت را می توان از همان ابتدا متوجه شد. هردو شامل مونوساکاریدها هستند ولی آنها برای هر اسید متفاوت است.

تفاوت های بین DNA و RNA عبارتند از:

• در ساختار RNA به جای تیمین، از اوراسیل (u) استفاده شده است.
• ساختارRNA مارپیچی نیست و فقط از یک رشته تنها ساخته شده است، در حالیکه DNA مارپیچ دو رشته ای است.
• مولکول RNA کوتاهتر بوده و وزنی کمتر ازDNA دارد؛ درصورتی کهDNA بلندتر است و وزن مولکولی بیشتری دارد.
• ساختار DNA متراکم تر و سخت تر است. اگر بخواهیم میزان تراکم آن را بیان کنیم، باید بگوییم تصور کنید برج ایفل را در یک قوطی کبریت بفشاریم.
• محل سکونت DNA در هسته، کلروپلاست، میتوکندری است درحالیکه محل سکونت RNA در هسته، کلروپلاست، میتوکندری، ریبوزوم، سیتوپلاسم است.
• از مشخصات DNAقادر به تکثیر بودنش است در حالی که RNA حساس است و نمی تواند دوبرابر شود.
• قندی که در ساختمان RNA موجود است ریبوز است ولی قند موجود در ساختمان DNA دئوکسی ریبوز است. قند دئوکسی ریبوز پایدارتر از ریبوز است و همین امر باعث پایداری بیشتر DNA می شود.
• برخلاف RNA، ساختار DNA در محلول قلیایی پایدارتر است.
• آر ان ای به خاطر داشتن شیار های متعددی در ساختار سه بعدی نسبت به DNA بیشتر مستعد حمله آنزیم های مخرب است و پایداری آن در برابر آنزیم ها کمتر است.
• تعداد DNA در سلول مشخص بوده و ثابت است ولی RNA تعداد متغیری در بدن دارد.
• ساختار DNA مستعد آسیب UV است ولی RNA در مقابل آسیب اشعه ماوراء بنفش نسبتاً مقاوم است.

ساختار RNA به عنوان یک کاتالیزور بیولوژیکی

ریبوزوم ها آنزیم هایی اند که از مولکول های RNA تشکیل شده اند. اگرچه در سال های متمادی جست و جو درباره این که RNA چیست بسیار بود، اعتقاد این بود که فقط پروتئین ها می توانند آنزیم باشند؛

اما با گذشت زمان معلوم شد که مولکول های خاص RNA که ساختار سوم پیچیده ای دارند هم مانند آنزیم عمل می کنند.

به عنوان مثال، مولکول های rRNA می توانند به عنوان ریبوزوم در طول ترجمه عمل کنند؛

یعنی زمانیکه اسیدآمینه ها تولید می شوند rRNA ها در طول مولکول mRNA حرکت می کنند و در تشکیل پروتئین نقش دارند.

آر ان ای ها نقش مهمی در هر مرحله از بیان ژن دارند. در مرحله اول ، مولکول DNA حاوی ژن ، به RNA رونویسی می شود. در مرحله بعد این دستورالعمل ها به صورت RNA پیام رسان (mRNA) از هسته به داخل سیتوپلاسم خارج می شوند. در مرحله آخر، RNA با تطبیق اسید آمینه های صحیح با توالی کدون RNA (سه جفت باز) به پروتئین مبدل می شود. رونویسی RNA توسط آنزیم RNA پلیمراز از DNA انجام می شود. تفاوت آنزیم RNA پلیمراز با DNA پلیمراز از این جهت است که ، این آنزیم باز U را با باز A جفت می کند. مولکول RNA رونویسی شده ، تحت پردازش وسیعی مانند جدا کردن اینترون ها (مناطق غیر کد کننده ای که اگزون ها را از یکدیگر جدا می کنند) قرار می گیرد طوری که فقط اگزون ها (مناطقی که پروتئین را کد می کنند) باقی می مانند. علاوه بر این ، ساختار آن توسط یک دم بلند متشکل از بازهای A مکرر به نام دم پلی آدنیلاسیون (Poly A) تثبیت می شود که از تجزیه مولکول توسط پروتئین های موجود در سیتوپلاسم به نام RNases جلوگیری می کند. mRNA، شکل پردازش شده RNA است و شکلی از RNA را نشان می دهد که می تواند از هسته به سیتوپلاسم سلول منتقل شود. هنگامی که mRNA در سیتوپلاسم قرار می گیرد ، به ریبوزوم متصل می شود. ریبوزوم اندامکی با اندازه 10 تا 20 نانومتر است و از پروتئین و RNA ساخته شده است RNA موجود در ریبوزوم، RNA ریبوزومی (rRNA) نامیده می شود. سپس آمینو اسیدهای خاص توسط نوع دیگری از RNA به نام RNA انتقالی (tRNA)، با توالی mRNA مربوطه یا کدون تطبیق داده می شوند. tRNA ها ، اسیدهای آمینه خاصی را در طول سنتز پروتئین از mRNA ، روی ریبوزوم ها منتقل می کنند.

ژن‌ها توالی‌های کشیده شده‌ای از DNA است که اطلاعات ژنتیکی را در خود نگه می دارد که به وسیله کدهای ژنتیکی ذخیره شده‌اند. هر مولکول DNA شامل دو رشته است که هر کدام دو سر ۳’، ۵’ دارند. مناطق کدینگ شامل اطلاعات ژنتیکی هستند و قسمت‌های که اطلاعات ژنتیکی ندارند در تولید RNAها کمک می‌ کنند. تولید یک کپی RNA از روی DNA را رونویسی می نامیم، این فرایند به وسیله RNA polymerase انجام می‌شود که در هر لحظه یک نوکلئوتید RNA را به رشته RNA در حال تولید، اضافه می‌کند. رشته RNA تولید شده مکمل رشته DNA ایست که از روی آن رونویسی انجام شده تنها با این فرق که در آن در مقابل باز آدنین (A)، به جای تیمین (T) از یوراسیل (U) استفاده می‌شود. عمل رونویسی در پروکاریوت‌ها به کمک یک پلی‌مراز انجام می‌شود. اما در یوکاریوت‌ها این عمل به وسیله سه RNA پلی مراز مختلف صورت می پذیرد که پلی مراز اول برای رونویسی ژن های rRNA است و پلی مراز دوم برای رونویسی ژن های mRNA و برخی RNA های کوچک استفاده می‌شود و پلیمراز سوم در رونویسی ژن های tRNA و برخی RNA های کوچک کاربرد دارد. عمل رونویسی پس از رسیدن به یک توالی مشخص(توالی پایان)خاتمه می یابد.

اهمیت پردازش واصلاحRNA در گیاهان

عملکرد RNA پیام رسان (mRNA) ، غالبا به عنوان یک کپی از اطلاعات موجود در یک ژن ارائه می شود (مرحله ای میانی در مسیر ساخت پروتئین از DNA) . با این حال، در طول رونویسی، مولکول‌های mRNA نارس (pre-mRNA) تحت رویدادهای پردازشی زیادی قرار می‌گیرند تا mRNA‌ های بالغ را شکل دهند که عبارتند از اتصال اگزون ها و اینترون ها ، انتخاب محل های شروع `5 و انتهای `3 و افزودن یک دم پلی (A) که می تواند از نظر طول متفاوت باشد. انتخاب های انجام شده در طول پردازش قبل از mRNA ، می تواند بر سرنوشت mRNA ها موثر باشد. با افزودن یا حذف عناصر تنظیمی، که می توان پروتئین ها را به آن ها متصل نمود، سرنوشت mRNA ها قابل تغییراست. در گیاهان، پردازش RNA در تنظیم مسیرهای اصلی رشد مهم است. به عنوان مثال، گیاهان باید چندین نشانه محیطی مانند طول روز و دما را برای انتخاب زمان تولید گل ادغام کنند. بسیاری از پروتئین‌هایی که این فرآیند متعادل را تنظیم می‌کنند، این کار را با تغییر در پردازش mRNA‌های کدکننده فاکتورهای رونویسی اصلی انجام می‌دهند. با پردازش و اصلاح RNA در گیاهان می توان به نتایج مثبت فراوانی رسید و از گیاهان بیشترین بهره را برد.

استخراج RNA از گیاهان

استخراج RNA از مراحل مهم در مطالعات مولکولی است و نتایج کارهایی چون Real-time PCR، RACE و غیره به کمیت و کیفیت آن بستگی دارد. روشهای مختلفی برای استخراج RNA از گیاهان وجود دارد. با این حال استخراج RNA از گیاهانی که واجد مقادیر بالای کربوهیدرات و متابولیتهای ثانویه چون پلی فنلها هستند به سختی صورت میگیرد. کارلا از جمله گیاهان دارویی ارزشمند به عنوان آنتی HIV و ضد دیابت، واجد سطوح متفاوتی از متابولیت های ثانویه است. تاکنون روش مناسبی جهت استخراج RNA کل از این گیاه، به منظور آنالیز بیان ژن MAP30 که در درمان بیماریهای مذکور نقش دارد معرفی نشده است.

روش های استخراج RNA

چندین روش برای استخراج RNA وجود دارد که در ادامه به بخشی از آن اشاره می شود:

1. روش فنل _ کلروفرم ۱

چندین روش برای استخراج RNA موجود است که مهمترین آن فنل _ کلروفرم است. این روش، استخراج مایع - مایع بوده که برای خالص سازی اسیدهای نوکلئیک، حذف پروتئین‌ها و لیپیدها کاربرد دارد.

2. روش فنل _ کلروفرم ۲

در این روش بافت‌ های هموژن، سلول‌های لیز شده و نمونه‌های محلول با حجم مساوی از فنل و کلروفرم ترکیب شده، پس از سانتریفوژ دو فاز مجزای آبی و آلی تشکیل می شود.

پروتئین و لیپیدهای هیدروفوب در فاز آلی پایینی قرار می‌گیرند و در فاز آبی (بالایی) اسیدهای نوکلئیک و دیگر آلاینده‌ ها مانند نمک، قند و… قرار دارند. هنگام پیپت کردن و جداسازی فاز آبی باید نهایت دقت انجام گیرد تا از فاز آلی‌، خصوصا قسمت فوقانی آن که حاوی پروتئین است وارد فاز آبی نشود.

3. روش فنل _ کلروفرم ۳

مقدار PH محلول برای خالص سازی RNA از DNA تعیین کننده است. در شرایط اسیدی DNA به فاز آلی انتقال پیدا می کند و RNA در فاز آبی می‌ ماند، در شرایط بازی هر دو در فاز آبی باقی خواهند ماند.

4. روش فنل _ کلروفرم ۴

با استفاده از ایزوپروپانول، RNA رسوب داده می‌ شود و در مرحله‌ آخر با اتانول ۷۰%-۸۰% شستشو و خالص‌سازی انجام می شود. در نهایت رسوب حاصل از RNA در حجم معینی از آب فاقد RNase حل می‌شود.