شگفتی های تنظیم بیان ژن

پروتئین ها که کلید معماری آنها در دست ژن ها است دارای نقش های حیاتی متنوع و فراوانی هستند. به طور نمونه، این مولکول ها از یک سو به عنوان «مصالح ساختاری» در مجموعه های حیاتی برای گردهمایی سلول یا برپایی موجود زنده وارد هستند و از دیگر سو به مثابه معمار این مجموعه ها ایفای نقش می کنند. و از طرفی با ماموریت هایی مانند پیام رسانی و گیرندگی پیام «بین معمار و مصالح»، وظیفه خطیر تنظیم و کنترل فرآیندهای حیاتی سلول مانند بیان ژن ها و چگونگی این بیان را نیز برعهده دارند. به علاوه، آنزیم ها که خود از جمله مهمترین پروتئین ها به حساب می آیند، تمام واکنش های شیمیایی را کاتالیز و امکان پذیر می سازند.  
آنچه مسلم است روابط بین DNA، RNA و پروتئین بسیار حساب شده و پیچیده است و مستلزم همکاری تنگاتنگ، سازماندهی همه جانبه و دقتی شگرف است.
شایان تاکید است که بین مقدار یک پروتئین ویژه در یک سلول معین و میزان mRNA موجود در آن سلول، رابطه مستقیمی وجود دارد. نیز در موارد نسبتاً زیادی، یک ژن منفرد ممکن است رموز ژنتیکی بیش از یک پروتئین را دارا باشد یعنی از اطلاعات ژنتیکی محدود و مشخصی، چندمنظوره استفاده شود. این امر به ویژه نیازمند سلسله عملیات متفاوتی است که در مسیر پردازش و ویرایش - رونوشت اولیه RNA (hnRNA) - اینگونه ژن ها رخ می دهد. اندکی تامل در این رخدادها به روشنی نشان می دهد که چنین ماموریت هایی تا چه اندازه باید حساب شده باشد. به بیان دیگر، در این موارد، اینکه کدام پروتئین در کدام زمان، و در کدام سلول ایجاد شود، رویکردی است که براساس مکانیسم های تنظیم سلولی و مبتنی بر مقتضیات و نیازهای (کوتاه مدت، میان مدت و درازمدت) سلول شکل می گیرد. این رخدادها، به نوبه خود، نیز ویژگی های متفاوت سلول های یک موجود منفرد را به روشنی تبیین می کند.
تاکید می نماید که تنظیم ژنی در واقع موجب تخصصی شدن سلول ها می شود و حدود ۲۵۰ سلول مختلف که از نظر ساختاری و عملکردی با هم تفاوت دارند، در بدن آدمی شکل می گیرد و چنین است که یک سلول کبد هرگز سلول ماهیچه ای نمی شود (و برعکس). بنابراین برای تعیین هویت و سرنوشت هر سلول، در رخداد تمایز نیز نمایشی شگرف از همکاری حساب شده، پیچیده و تنگاتنگ ژن ها به صورت آبشاری از رخدادهای مرحله ای و پلکانی حضور و نمودی ممتاز دارد. در این مسیر اگرچه هنوز بی خبری های قابل توجهی داریم، اما شمار فراوانی از ژن های تنظیم کننده و پروتئین های دخیل در آن شناسایی شده است.
پژوهش های بسیار گسترده نشان داده است که اکثریت بسیار بالایی از تصمیمات، ویژه بافتی است که مقرر می دارد در هر بافتی، پروتئین های معینی تولید می شود. این سطح از تنظیم در محدوده رونویسی است و تنظیم در این سطح است که ظاهراً بیشترین اثر را بر روی فنوتیپ فرد می گذارد. این سخن نافی رویکردهای تنظیمی در سطوح متعدد پس از رونویسی نیست. درک دقایق و جزئیات چگونگی این انتخاب و تصمیم سازی ها در گرو به بار نشستن پژوهش های وسیع در دست انجام است.
اینکه برخی از فرآورده های ژنی در تمام طول حیات سلول ضروری است و چنین ژن هایی باید همواره بیان شوند و به اصطلاح تعطیل بردار نیستند، اینکه عملکرد شماری از ژن ها در عموم سلول ها مشاهده می شود، اینکه بسیاری از ژن ها نقش تخصصی تری دارند و در واقع، حسب ضرورت، در زمان های معینی در سلول- برای یک بار و یا به طور متناوب _ بیان می شوند و... همه و همه بر نظمی شگرف و هدفدار در عملکرد ژن ها و سلول ها تاکید دارد.
بنابراین سطوح یا مکانیسم های کنترل بیان ژن، در یکی از اصلی ترین کارکردهای خود، کنترل کننده مقدار فرآورده مورد نیاز سلول است که میزان آن دست کم به دو عامل کلیدی وابسته است: میزان ساخته شدن (یعنی چند مولکول از فرآورده ژن در واحد زمان مورد نیاز است) و تجزیه و تخریب (یعنی چند مولکول در واحد زمان شکسته می شود، این میزان ظاهراً نسبتاً ثابت باقی می ماند). برآیند و نتیجه این کارکرد شگرف، یک تراکم یا غلظت پایدار اما متفاوت برای هر فرآورده ژنی در سلول ایجاد می کند. رخداد تنظیم ژنی به طور مشخص در موجودات یوکاریوت، این امکان را نیز فراهم می آورد که در بسیاری از موارد یک ژن به منظور بهینه کاری از انعطاف پذیری فوق العاده ای برخوردار باشد. به طور مثال، برحسب نیازها و مقتضیات زمانی و مکانی سلول، با حذف متفاوت اینترون ها از یک ژن واحد، شکل های متفاوتی از mRNA ایجاد شود که طبیعتاً فرآورده های متفاوتی در پی خواهد داشت. به طور مثال، رونوشت اولیه ژن کالسی تونین دارای ۶ اگزون است که به دو صورت پیرایش می شود: اگزون های ۴-۱ در تیروئید، کالسی تونین را تولید می کند و تمام اگزون ها (به استثنای اگزون ۴) در هیپوتالاموس، پروتئین شبه کالسی تونین را ایجاد می کند. همچنین با رخداد فوق العاده دقیق ویرایش RNA، راهکاری ارزشمند برای تولید دو یا بیشتر پروتئین متفاوت از یک ژن در اختیار مدیریت اقتصاد سلول قرار می گیرد.
ژن های موجودات پیشرفته به طور کلی از ردیف های بازی با عملکردهای متفاوت ساخته شده اند که به طور یک در میان در طول ژن قرار دارند. بخش هایی که به نام اگزون ( Exon) خوانده می شوند، در واقع اطلاعات لازم برای سنتز پروتئین را در خود دارند و بخش هایی که اینترون (Intron) نامیده می شوند (و قسمت اعظم ردیف های بازی یک ژن را شامل هستند)، به ندرت رمزی برای سنتز پروتئین ندارند و ظاهراً به طور معمول در مولکولmRNA رونویسی نمی شوند. جزئیات این مطلب، نیازمند فرصت مستقلی است. کشف اینترون ها در بهار ۱۹۷۷ به کمک روش ها و فنون مهندسی ژنتیک، زیست شناسان مولکولی را کاملاً شگفت زده کرد. این کشف، درک آدمی از ساختار و عملکرد ژن در موجود پیشرفته را به طور بنیادی متحول ساخت و بر آنچه که تا پیش از آن زمان پذیرفته شده بود در پهنه وسیعی خط بطلان کشید.
طبیعتاً چنین سیما و ماهیت مولکولی از ژن، نیازمند عملیات پیچیده، ماهرانه و بسیار دقیق از تنظیم، ویرایش و پردازش است. زیرا هرگونه اشتباه هرچند ناچیز حتی در یک نوکلئوتید ممکن است موجب شود پروتئینی که سرانجام حاصل می شود فاقد هرگونه کارایی طبیعی باشد و در صورتی که این پروتئین از اهمیت راهبردی و حیاتی برخوردار باشد، حتی می تواند مرگ موجود را در پی داشته باشد. اگرچه که تنظیم در این سطح مهم ترین و ابتدایی ترین سطح تنظیم به شمار می آید، اما سطوح متعدد تنظیم دیگر نیز وجود دارد.