«مشاهدهقطره آبی كه من در زیر میكروسكوپ می بینم و دورترین ستاره ای كه با تلسكوپتماشا می كنم، مرا به حیرت و اعجاب وامی دارد، به قدری نظم و ترتیب درعالم طبیعت وجود دارد كه ممكن است برای آن قوانین محكم و ثابت وضع كرده وحكم هر پدیده را قبل از حدوثش بیان نمود. اینكه بشر عمر خود را برای كشفقوانین طبیعی صرف می كند فقط از این جهت است كه به وجود و صحت آن قوانینمطمئن است و بدون این اطمینان تفحصات علمی بی فایده می شدند. اگر فرض كنیمكه پیدایش پدیده تابع قوانین طبیعی نبوده و تابع تصادف باشند همه تجربه هابی فایده خواهند شد. زیرا در تكرار تجربه ای معین، نتایج مختلف به دستخواهد آمد و به معلومات بشر چیزی افزوده نخواهد شد. پس در پشت این نظمباید قادر متعالی باشد چون بدون یك حكمت عالیه، وجود نظم و ترتیب امكانپذیر نیست. در همه جا قدرت خدایی مشهود است و هر قانون طبیعی كه كشف میشود با صدای بلند می گوید: «خدا واضع من است و بشر كاشف من.» » «دكترسیسیل بویس هامان (زیست شناس)».
هر یك از سلول های بدن هر موجود پیشرفته و از جمله آدمی در درون هسته خودحاوی دستورالعمل خارق العاده ای است كه ژنوم (Genome) نامیده می شود وفعالیت آن را رقم می زند. ژنوم كه از الفبای چهار حرفی آدنین (A)،گوانین(G)، سیتوزین (C) و تیمین (T) تشكیل شده و در شكل یا تركیبنوكلئوتیدها نوشته شده است دربردارنده عموم نشان ویژگی های فیزیكی وبسیاری از خصوصیات رفتاری هر فرد است كه از نظر زیست شناختی جایگاه تك تكافراد را در میان آدمیان متمایز می سازد.
هر موجود زنده به طور معمول در اثر فرآیندهای تنظیم كننده تمایز، از یكسلول تخم نخستین بر اثر تقسیمات متوالی و بی شمار میتوزی ایجاد می شود. ازلحظه شكل گیری این سلول، تا مراحل بلوغ و سرانجام مرگ زیستی موجود، سلولهای جاندار از جنبه های متعدد و متنوع مانند شكل شناسی، فیزیولوژی،بیوشیمیایی و تقسیم كار متمایز می شوند و تفاوت های شكلی، عملی و رفتاریبرجسته ای را نشان می دهند. ایجاد تمایز و تخصص در سلول ها در شرایطی استكه به طور معمول در هسته تمام سلول های یك جاندار، تمام ژن های فرد وجوددارد. مسیری را كه اطلاعات وراثتی و هریك از ژن ها در شرایط طبیعی طی میكنند تا- با همكاری عامل های فراوان- فنوتیپ یك جاندار را رقم زنند، مسیریبسیار پیچیده، فوق العاده دقیق و كاملاً حساب شده است.
كنترل و تنظیم بیان ژن یا میزان تولید یك فرآورده ژنی در سطوح مختلف مانندرونویسی و ترجمه، عملكردی پایه ای و ضروری برای تمام موجودات به شمار میآید. این فرآیند كلیدی، بسیار دقیق و پیچیده، به عنوان یك پیش نیاز (مقدمهواجب) برای تولید و ابقا یا نگاهداری (نسبی) انواع فراوان تیپ های متفاوتبافتی و سلولی، برای یك موجود ضروری است. تنظیم بیان ژن، در دو دستهموجودات (پروكایوت ها و یوكاریوت ها)، به رغم شباهت های اساسی، تفاوت هایمتعدد نیز دارد.
گرچه هر سلول سوماتیك دارای دستور كار یكسانی است، اما انواع مختلف سلولها _ مانند پوست، كبد و ریه- با مكانیسم های تنظیمی بسیار دقیق و ظریف،برای تعیین و انجام عملكردهای فرد، بخش های متفاوتی از این دستورالعمل رابه كار می برند. به بیان دیگر در هر زمانی تمام ژن های موجود در هسته سلولیك جاندار _ كه در انسان رقمی در حدود۳۰ هزار ژن ساختاری برآورد شده استفعال نیست. بلكه در هر بافت درصد ناچیزی از ژن های مشخصی فعالیت دارند.بنابراین صرف نظر از ژن های ویژه _ مانند ژن های مربوط به ایجاد rRNA ها وtRNAها- كه به دلایلی روشن باید در همه سلول ها فعال شوند درصد بسیاربالایی از ژن ها در بافت های مختلف به شیوه ای متفاوت- از جمله برای دورهكوتاهی از زمان و در مرحله ویژه ای از زندگی موجود- فعال می گردند. نكاتمورد اشاره در بالا و تاكید دوباره بر این نكته مهم كه ژن های بی شمارموجود در هسته سلول های یك فرد، فعالیت ها، عملكردها و رفتارهای بسیارمتنوع از خود بروز می دهند، به صراحت بر حضور یك سیستم بسیار منظم، دقیق،منسجم، هماهنگ و در عین حال پیچیده از تنظیم ژنتیكی در خلال دوره زندگی یكموجود دلالت می كنند.
اطلاعات موجود در دستور كار یا ژنوم كه به یك تخمك لقاح یافته این امكانرا می دهد كه بتواند مراحل مختلف جنینی را سپری كرده و به یك نوزاد و سپسیك فرد بالغ تبدیل شود، در واقع یكی از برجسته ترین رویدادهای زیست شناسیسلولی و مولكولی به حساب می آید. در این باره بیشتر توضیح می دهیم:
یك ژن _ ساختاری _ ناحیه ویژه ای از DNA با طولی مشخص از نوكلئوتیدها استكه اطلاعات لازم را برای تولید یك پروتئین معین دارا است. سلول ها هزاراننوع پروتئین مختلف می سازند. بیان ژن فرآیندی است كه در خلال آن اطلاعاتموجود در DNA در فرآیندی پیچیده، دقیق و زمان بندی شده به پروتئین تبدیلمی شود. بر فرآیند بیان ژن شبكه های تنظیمی دقیق و كنترل بسیار شدید،هماهنگ و منسجمی حاكم است. یادآوری می نماید كه چنین كنترل انتخابی و حسابشده بیان ژن هاست كه موجودات پرسلولی (پیشرفته) را به تمایز و دارا بودنسلول ها و بافت های مختلف قادر می سازد، زیرا كه به طور كلی تمام سلول هایبدنی (سوماتیك) یك فرد دارای اطلاعات ژنتیكی یكسانی هستند. این مكانیسمهای كنترلی به موجودات ابتدایی نیز اجازه می دهند تا خود را با تغییراتمحیط پیرامون خود به سرعت وفق دهند.
چگونگی بیان هریك از ژن های بی شمار ساختاری و در نتیجه تولید پروتئین هایمتنوع از جمله عناصر كلیدی است كه به طور مثال موجب تشخیص یك سلول مغزی ازیك سلول ماهیچه ای _ با وظایف متفاوت- می شود.
برای بهتر نشان دادن پیچیدگی تنظیم عملكرد ژن ها، ارائه نمونه هایی _ بهعنوان مشتی از خروار- خالی از فایده نیست: در برخی از موارد پروتئین هایتنظیم كننده نقش بازدارندگی دارند. این پروتئین های ویژه با اتصال به مكانیا مكان های خاصی از یك ژن، بیان آن را سد می كنند و در مواردی دیگر بهمثابه افزایش دهنده، بیان ژن را تشدید می نمایند. هر پروتئین تنظیمی نیزدارای ژن خاص خود است و چنین است كه یك ژن بر بیان ژنی دیگر تاثیر میگذارد.
از این منظر، شناسایی دقیق تمام عامل های كنترلی، نقش هر یك و چگونگیمدیریت سلول در تنظیم بیان ژن از جمله اصلی ترین صحنه های تلاش هیجانانگیز زیست شناسان مولكولی را تشكیل داده است. در واقع مكانیسم های تنظیمكنندگی بیان ژن، نیازمند انواع فراوانی از ردیف های خاص نوكلئوتیدی و نیزپروتئین های فراوانی برای تشخیص این ردیف ها است.
● مولكول DNA، مركز ثقل علوم زیستی
برای درك بهتر مفاهیم اساسی تنظیم عملكرد ژن ها، اشاره ای گذرا بركالبدشكافی برخی از رخدادهای كلیدی كه به عنوان مقدمات واجب مطرح هستندخالی از فایده نیست: تمام نشان ویژگی های موجود زنده بر ماده وراثتی آنمتكی است و به زبان زیست شناسی هیچ ماده ای به این اهمیت وجود ندارد.مولكول DNA مركز ثقل و قلب تپنده علوم زیستی است. این ماده است كه ویژگیهای بیوشیمیایی، فیزیولوژیكی، تشریحی و رفتارهای زیستی خاصی را در جاندارپدید می آورد. تاثیر ژنتیك در سراسر قلمرو زندگی جانداران موجب شده است كهاین رشته شیرین و جالب از اهمیت راهبردی برخوردار شود. مولكولDNA براساسبرنامه ریزی همه جانبه، منسجم و منظم علاوه بر دارا بودن كلید معماریپروتئین ها یعنی تعیین دقیق ساختار و عملكرد آنها و از جمله آنزیم ها،دربردارنده تمام دستورالعمل های مربوط به اعمال حیاتی و فرآیندهای زیستیموجود زنده مانند رشد، تمایز، تقسیم و تولید مثل است. در پژوهش هایراهبردی مهندسی ژنتیك نیز اسیدهای نوكلئیك و به ویژه مولكولDNA دارای نقشكلیدی و مركزی است.
اطلاعات ژنتیكی موجود در مولكول DNA، طی فرآیندی به نام رونویسی بهمولكولRNA انتقال می یابد. در این فرآیند فوق العاده دقیق، دركنار دیگرشرایط و عوامل لازم، دسته ای از آنزیم ها به نام RNA پلیمرازها به طورحساب شده ایفای نقش می كنند. برخی از RNA های حاصله-rRNA ها و tRNAها-دارای نقش ساختاری و عملكردی مشخص به خود هستند. اما بسیاری از آنها بهصورت mRNA بوده و تولید تمام پروتئین های سلولی را برعهده دارند. mRNAهادر واقع بین مولكولDNA و پروتئین ها نقش واسط دارند. به بیانی دیگر وظیفهرهبریDNA و ژن ها در تولید پروتئین ها را برعهده دارند.
در موجودات پیشرفته، مولكول های اولیه RNA واقع در هسته سلول باید ردیفیاز عملیات خاص، دقیق، متوالی و پیچیده را پشت سر نهند و مورد تغییراتمتنوع شیمیایی قرار گیرند تا سرانجام مولكول mRNA در شكل بالغ و كامل خودبا مهاجرت از هسته به سیتوپلاسم سنتز پروتئین را آغاز كند. چگونگی سنتزپروتئین نیز فرآیندی دقیق و پیچیده است و اجزا و عوامل ضروری متعددی درتحقق آن مشاركت دارند به نحوی كه فقدان یا كاستی در هریك از آنها، انجامفرآیند ترجمه را با دشواری مواجه ساخته یا ناممكن می نماید.
● از شگفتی های تنظیم بیان ژن
پروتئین ها كه كلید معماری آنها در دست ژن ها است دارای نقش های حیاتیمتنوع و فراوانی هستند. به طور نمونه، این مولكول ها از یك سو به عنوان«مصالح ساختاری» در مجموعه های حیاتی برای گردهمایی سلول یا برپایی موجودزنده وارد هستند و از دیگر سو به مثابه معمار این مجموعه ها ایفای نقش میكنند. و از طرفی با ماموریت هایی مانند پیام رسانی و گیرندگی پیام «بینمعمار و مصالح»، وظیفه خطیر تنظیم و كنترل فرآیندهای حیاتی سلول مانندبیان ژن ها و چگونگی این بیان را نیز برعهده دارند. به علاوه، آنزیم ها كهخود از جمله مهمترین پروتئین ها به حساب می آیند، تمام واكنش های شیمیاییرا كاتالیز و امكان پذیر می سازند.
آنچه مسلم است روابط بین DNA، RNA و پروتئین بسیار حساب شده و پیچیده استو مستلزم همكاری تنگاتنگ، سازماندهی همه جانبه و دقتی شگرف است.

شایان تاكید است كه بین مقدار یك پروتئین ویژه در یك سلول معین و میزانmRNA موجود در آن سلول، رابطه مستقیمی وجود دارد. نیز در موارد نسبتاًزیادی، یك ژن منفرد ممكن است رموز ژنتیكی بیش از یك پروتئین را دارا باشدیعنی از اطلاعات ژنتیكی محدود و مشخصی، چندمنظوره استفاده شود. این امر بهویژه نیازمند سلسله عملیات متفاوتی است كه در مسیر پردازش و ویرایش -رونوشت اولیه RNA.
(hnRNA)_ اینگونه ژن ها رخ می دهد. اندكی تامل در این رخدادها به روشنینشان می دهد كه چنین ماموریت هایی تا چه اندازه باید حساب شده باشد. بهبیان دیگر، در این موارد، اینكه كدام پروتئین در كدام زمان، و در كدامسلول ایجاد شود، رویكردی است كه براساس مكانیسم های تنظیم سلولی و مبتنیبر مقتضیات و نیازهای (كوتاه مدت، میان مدت و درازمدت) سلول شكل می گیرد.این رخدادها، به نوبه خود، نیز ویژگی های متفاوت سلول های یك موجود منفردرا به روشنی تبیین می كند.
تاكید می نماید كه تنظیم ژنی در واقع موجب تخصصی شدن سلول ها می شود وحدود ۲۵۰ سلول مختلف كه از نظر ساختاری و عملكردی با هم تفاوت دارند، دربدن آدمی شكل می گیرد و چنین است كه یك سلول كبد هرگز سلول ماهیچه ای نمیشود (و برعكس). بنابراین برای تعیین هویت و سرنوشت هر سلول، در رخدادتمایز نیز نمایشی شگرف از همكاری حساب شده، پیچیده و تنگاتنگ ژن ها بهصورت آبشاری از رخدادهای مرحله ای و پلكانی حضور و نمودی ممتاز دارد. دراین مسیر اگرچه هنوز بی خبری های قابل توجهی داریم، اما شمار فراوانی ازژن های تنظیم كننده و پروتئین های دخیل در آن شناسایی شده است.
پژوهش های بسیار گسترده نشان داده است كه اكثریت بسیار بالایی از تصمیمات،ویژه بافتی است كه مقرر می دارد در هر بافتی، پروتئین های معینی تولید میشود. این سطح از تنظیم در محدوده رونویسی است و تنظیم در این سطح است كهظاهراً بیشترین اثر را بر روی فنوتیپ فرد می گذارد. این سخن نافیرویكردهای تنظیمی در سطوح متعدد پس از رونویسی نیست. درك دقایق و جزئیاتچگونگی این انتخاب و تصمیم سازی ها در گرو به بار نشستن پژوهش های وسیع دردست انجام است.
اینكه برخی از فرآورده های ژنی در تمام طول حیات سلول ضروری است و چنین ژنهایی باید همواره بیان شوند و به اصطلاح تعطیل بردار نیستند، اینكه عملكردشماری از ژن ها در عموم سلول ها مشاهده می شود، اینكه بسیاری از ژن ها نقشتخصصی تری دارند و در واقع، حسب ضرورت، در زمان های معینی در سلول- براییك بار و یا به طور متناوب _ بیان می شوند و... همه و همه بر نظمی شگرف وهدفدار در عملكرد ژن ها و سلول ها تاكید دارد.
بنابراین سطوح یا مكانیسم های كنترل بیان ژن، در یكی از اصلی ترینكاركردهای خود، كنترل كننده مقدار فرآورده مورد نیاز سلول است كه میزان آندست كم به دو عامل كلیدی وابسته است: میزان ساخته شدن (یعنی چند مولكول ازفرآورده ژن در واحد زمان مورد نیاز است) و تجزیه و تخریب (یعنی چند مولكولدر واحد زمان شكسته می شود، این میزان ظاهراً نسبتاً ثابت باقی می ماند).برآیند و نتیجه این كاركرد شگرف، یك تراكم یا غلظت پایدار اما متفاوت برایهر فرآورده ژنی در سلول ایجاد می كند. رخداد تنظیم ژنی به طور مشخص درموجودات یوكاریوت، این امكان را نیز فراهم می آورد كه در بسیاری از مواردیك ژن به منظور بهینه كاری از انعطاف پذیری فوق العاده ای برخوردار باشد.به طور مثال، برحسب نیازها و مقتضیات زمانی و مكانی سلول، با حذف متفاوتاینترون ها از یك ژن واحد، شكل های متفاوتی از mRNA ایجاد شود كه طبیعتاًفرآورده های متفاوتی در پی خواهد داشت. به طور مثال، رونوشت اولیه ژنكالسی تونین دارای ۶ اگزون است كه به دو صورت پیرایش می شود: اگزون های۴-۱ در تیروئید، كالسی تونین را تولید می كند و تمام اگزون ها (به استثنایاگزون ۴) در هیپوتالاموس، پروتئین شبه كالسی تونین را ایجاد می كند.همچنین با رخداد فوق العاده دقیق ویرایش RNA، راهكاری ارزشمند برای تولیددو یا بیشتر پروتئین متفاوت از یك ژن در اختیار مدیریت اقتصاد سلول قرارمی گیرد.