تويت
النوية هي البنية الأبرز في نواة الخلية. إنها موقع نسخ الحمض النووي الريبوزي الريبوسومي ومعالجة المادة التي تسبق تكون الحمض النووي الريبوزي الريبوسومي وتجميع الوحدة الريبوسومية. النوية هي بنية ديناميكية تتجمع حول مجموعات من جينات الحمض النووي الريبوزي الريبوسومي والتي تتكرر خلال الطور المتأخر للانقسام الخلوي، وتستمر طوال الطور البيني ثم تتفكك مع دخول الخلايا إلى الانقسام. نظرًا للاختلاف في الكثافة بين النوية والمادة النووية المحيطة بها، يمكن رؤيتها بسهولة في الخلايا الحية أو الميتة المثبتة على الشريحة المجهرية التي يتم عرضها بواسطة التباين التمايزي أو التداخل التبايني. بفضل ظهور تقنية البروتين الفلوري يمكن أيضًا اكتشاف النويات عن طريق الفحص المجهري لصفوف الخلايا والتي تُظهر البروتينات النووية المرتبطة بالبروتين الفلوري.
مثل جميع التراكيب النووية الأخرى، فإن النوية ليست محاطة بغشاء، ولكن مزيج كثافتها الفريد وهيكلها القوي يجعلها واحدة من أكثر الهياكل الخلوية ملائمة للتنقية، لذلك عندما تتعرض أنوية خلايا الثدييات للتمزق في محلول بتركيز ملحي قليل، تظل النويات سليمة حتى في ظل الظروف التي تؤدي إلى تفكك معظم البُنى النووية الدقيقة الأخرى. وبالتالي يمكن عزل النوية بشكل نقي باستخدام جهاز الطرد المركزي وباستعمال وسط كثيف.
تكون النوية المعزولة سليمة، وهي متشابهة في الحجم والتشكل مع نويات الخلايا الحية الأخرى، كما وإنها قد تحتفظ بقابليتها على النسخ إلى حد ما.
بفضل القدرة على عزل كميات كبيرة من النويات النقية، قامت الدراسات الحديثة بتحليل تركيبة البروتين النووي بتفصيل كبير باستخدام تقنيات عالية الإنتاجية وعالية الكثافة الطيفية المستندة على التقنيات البروتينية.
على سبيل المثال، أسفرت الدراسات البروتينية الأولية لنوية خلية هيلا عن تحديد أكثر من 400 بروتين. إن التحسينات مستمرة في طرق فصل البروتين قبل استخدام التقنيات الطيفية عالية الكثافة، وحساسية هذه التقنية، تستمر في زيادة عدد البروتينات النووية المحددة.
تتوفر الآن قاعدة بيانات على الإنترنت تصف ما يقارب من 700 من البروتينات البشرية المكتشفة في النوية المنقاة. www.lamondlab.com/Nopdb))
أحد الاكتشافات البارزة من هذه الدراسات البروتينية هو أن ما يصل إلى 30 ٪ من البروتينات النووية مشفرة بواسطة جينات لم يتم اكتشافها من قبل.
يشير هذا إلى أنه على الرغم من الأبحاث السابقة المستفيضة حول النوية الممتدة على مدار قرنين تقريبًا، لا يزال هناك الكثير من الأشياء لمعرفتها حول تركيبتها ووظيفتها. علاوة على ذلك، وبعد توفر البروتينات النووية البشرية والنباتية، بدأت الدراسات المعلوماتية الحيوية فعليًا بالكشف عن رؤى جديدة بشأن العناصر الشائعة الموجودة في البروتينات النووية وتطور هذا العضي النووي.
يوفر فحص البروتين نظرة سريعة على التعقيد الوظيفي للنوية. ويؤكد دورها المركزي في التخليق الحيوي للريبوسوم من خلال وجود العديد من البروتينات (أكثر من ثلث البروتين النووي) التي تشارك في خطوات مختلفة في نسخ الحمض النووي الريبوزي الريبوسومي، ومعالجته وتعديله، وكذلك بروتينات الريبوسوم الكبيرة والصغيرة نفسها.
ومع ذلك، هناك أيضًا العديد من البروتينات التي ليس لها علاقة واضحة بهذه العمليات النووية الكلاسيكية. على سبيل المثال، تم اكتشاف العديد من البروتينات المتعلقة بتنظيم دورة الخلية (حوالي 3.5٪ من البروتين المحدد) وإصلاح تلف الحمض النووي الريبوزي منقوص الأوكسجين (حوالي 1٪) وبروتينات مسؤولة عن العمليات التي تسبق معالجة الحمض النووي الريبوزي الناقل (حوالي 5٪) في النواة المعزولة.
وهذا يتفق مع فكرة أن النوية تؤدي أدوارًا إضافية عدا تصنيع وحدات بناء الريبوسوم. تشمل الأمثلة الحديثة للأنشطة الخلوية المرتبطة بالنوية تعديل الحمض النووي الريبوزي، وإصلاح تلف الحمض النووي الريبوزي منقوص الأوكسجين، وأيضًا القسيم الطرفي (النهاية الطرفية للكروموسوم)، ومعالجة الحمض النووي الريبوزي النقال وتنظيم استقرار البروتين.
تمت دراسة البنية الداخلية للنواة بالتفصيل من خلال كل من المجهر الإلكتروني الماسح والمجهر الإلكتروني النافذ. على سبيل المثال، يوفر تحليل المجهر الإلكتروني الماسح ذو الانبعاث المجالي لنواة هيلا المعزولة عرضًا عالي الدقة (1 نانومتر) للشكل الثلاثي الأبعاد لسطح النوية والسطح البيني بين النوية والهيكل النووي.
تم الكشف عن البنية الداخلية للنواة بواسطة المجهر الإلكتروني النافذ بواسطة مقطع رقيق مقطوع عبر النوية. استنادًا إلى الشكل الذي كشفته صور المجهر الإلكتروني النافذ هذه، تم تحديد ثلاثة أجزاء فرعية داخل النوية. وتشمل هذه الأجزاء مراكز ليفية، تحيط بها مكونات ليفية كثيفة، وتكون مطمورة في المكون الحبيبي.
تُظهر التجارب المناعية –تحت المجهر الالكتروني- أن العديد من البروتينات النووية تتراكم في واحد أو اثنين من هذه الأجزاء الفرعية، ما يوحي بأن لكل منهما تركيبة ووظائف بروتينية مميزة.
كشفت البيانات الحديثة أيضًا أن بعض العوامل الموجودة في النوية يتم توطينها في منطقة من النوية لا ترتبط بدقة بأي من الأجزاء الفرعية الثلاثة المعروفة، ما يشير إلى أن النوية أكثر تعقيدًا من مجرد مجموع ثلاثة أجزاء فرعية. النوية عبارة عن هيكل يتم من خلاله إجراء وتنسيق تفاعلات بين عدد كبير من البروتينات مع الـحمض النووي الريبوزي.
أثناء التخليق الحيوي للوحدات البنائية للريبوسوم، يتم نسخ شفرات الـحمض النووي الريبوزي الريبوسومي بواسطة أنزيم بلمرة الـحمض النووي الريبوزي 1 من المجموعات المتكررة من جينات الحمض النووي الريبوزي منقوص الأوكسجين. تتجلى هذه العملية بوضوح عند تورم الخلايا حقيقية النواة وانتشارها في محلول منخفض التركيز وقلوي في وجود المنظفات.
في ظل هذه الظروف، يتم مد شريط الحمض النووي الريبوزي منقوص الأوكسجين بالكامل، وعلى طول هذا المحور المركزي للحمض النووي، يمكن رؤية نصوص الحمض النووي الريبوزي الريبوسومي الناشئة حديثًا من كل وحدة من وحدات الحمض النووي. مع استمرار النسخ من نقطة البدء، تصبح نسخ الحمض النووي الريبوزي الريبوسومي أطول بشكل متزايد، مكونة ما يشبه “شجرة عيد الميلاد”.
ليس من الواضح كيف يتم تجميع هذه البنية المعقدة في النوية. من المحتمل أن يحدث بدء النسخ إما داخل المراكز الليفية أو عند الحدود بينها وبين المكونات الليفية الكثيفة. تظهر نسخ الحمض النووي الريبي الريبوسومي التي تسبق تكوين الريبوسومات في منطقة المكونات الليفية الكثيفة، إذ يتم تقطيعها وتعديلها بواسطة الأنزيمات المعالجة.
تبدأ قطع الحمض النووي الريبي الريبوسومي أيضًا مسار التجميع مع بروتينات الريبوسوم في منطقة المكونات الليفية الكثيفة وتستمر في ذلك لأنها تمر عبر المكون الحبيبي ويتم تصديرها إلى السيتوبلازما.
يمكن إظهار الحركة المتسلسلة للحمض النووي الريبي الريبوسومي عبر الأجزاء الفرعية للنوية، المراكز الليفية والمكونات الليفية الكثيفة والمكون الحبيبي عندما يتم تصنيف الخلايا بنبض قصير من النوكليوتيدات المهلجنة، والتي تكشف عن موجة من الحمض النووي الريبي الريبوسومي الناشئ الذي ينتشر من مجمعات المراكز الليفية والمكونات الليفية الكثيفة إلى مناطق المكون الحبيبي، ويظهر هذا في ثلاث مراحل في لوحة تسمى “النسخ النووي”.
على الرغم من التقدم الكبير في السنوات الأخيرة، لا يزال هناك العديد من الأسئلة المهمة التي يجب الإجابة عنها حول النوية. على سبيل المثال، لا تزال ماهية المكونات التي توفر السلامة الهيكلية للنوية غير واضحة. من غير المعروف أيضًا كيف يتم تنظيم الانقسام والاندماج النوويين أثناء الانقسام الخلوي، وما زال هناك الكثير لتعلمه بشأن المجموعة الكاملة من العمليات البيولوجية التي تحدث إما داخل النوية أو تنظم من قبلها.
وبالمثل، هناك حاجة إلى صورة أوضح على المستوى الجزيئي بين الهيكل دون النووي والوظائف المحددة. على الرغم من ظهور وصف مفصل لمحتوى البروتين في النوية، ما زلنا لا نعرف ما هي الوظائف التي تؤديها الكثير من هذه البروتينات ولا يُعرف الكثير عن الطيف الكامل للحمض النووي الريبوزي وتسلسل الحمض النووي الريبوزي منقوص الأوكسجين الذي يرتبط بالنوية. لذلك من المرجح أن تظل النوية مصدرًا لاكتشافات جديدة مثيرة للاهتمام، ومن دون شك بعض المفاجآت الأخرى في المستقبل المنظور.
مثل جميع التراكيب النووية الأخرى، فإن النوية ليست محاطة بغشاء، ولكن مزيج كثافتها الفريد وهيكلها القوي يجعلها واحدة من أكثر الهياكل الخلوية ملائمة للتنقية، لذلك عندما تتعرض أنوية خلايا الثدييات للتمزق في محلول بتركيز ملحي قليل، تظل النويات سليمة حتى في ظل الظروف التي تؤدي إلى تفكك معظم البُنى النووية الدقيقة الأخرى. وبالتالي يمكن عزل النوية بشكل نقي باستخدام جهاز الطرد المركزي وباستعمال وسط كثيف.
تكون النوية المعزولة سليمة، وهي متشابهة في الحجم والتشكل مع نويات الخلايا الحية الأخرى، كما وإنها قد تحتفظ بقابليتها على النسخ إلى حد ما.
بفضل القدرة على عزل كميات كبيرة من النويات النقية، قامت الدراسات الحديثة بتحليل تركيبة البروتين النووي بتفصيل كبير باستخدام تقنيات عالية الإنتاجية وعالية الكثافة الطيفية المستندة على التقنيات البروتينية.
على سبيل المثال، أسفرت الدراسات البروتينية الأولية لنوية خلية هيلا عن تحديد أكثر من 400 بروتين. إن التحسينات مستمرة في طرق فصل البروتين قبل استخدام التقنيات الطيفية عالية الكثافة، وحساسية هذه التقنية، تستمر في زيادة عدد البروتينات النووية المحددة.
تتوفر الآن قاعدة بيانات على الإنترنت تصف ما يقارب من 700 من البروتينات البشرية المكتشفة في النوية المنقاة. www.lamondlab.com/Nopdb))
أحد الاكتشافات البارزة من هذه الدراسات البروتينية هو أن ما يصل إلى 30 ٪ من البروتينات النووية مشفرة بواسطة جينات لم يتم اكتشافها من قبل.
يشير هذا إلى أنه على الرغم من الأبحاث السابقة المستفيضة حول النوية الممتدة على مدار قرنين تقريبًا، لا يزال هناك الكثير من الأشياء لمعرفتها حول تركيبتها ووظيفتها. علاوة على ذلك، وبعد توفر البروتينات النووية البشرية والنباتية، بدأت الدراسات المعلوماتية الحيوية فعليًا بالكشف عن رؤى جديدة بشأن العناصر الشائعة الموجودة في البروتينات النووية وتطور هذا العضي النووي.
يوفر فحص البروتين نظرة سريعة على التعقيد الوظيفي للنوية. ويؤكد دورها المركزي في التخليق الحيوي للريبوسوم من خلال وجود العديد من البروتينات (أكثر من ثلث البروتين النووي) التي تشارك في خطوات مختلفة في نسخ الحمض النووي الريبوزي الريبوسومي، ومعالجته وتعديله، وكذلك بروتينات الريبوسوم الكبيرة والصغيرة نفسها.
ومع ذلك، هناك أيضًا العديد من البروتينات التي ليس لها علاقة واضحة بهذه العمليات النووية الكلاسيكية. على سبيل المثال، تم اكتشاف العديد من البروتينات المتعلقة بتنظيم دورة الخلية (حوالي 3.5٪ من البروتين المحدد) وإصلاح تلف الحمض النووي الريبوزي منقوص الأوكسجين (حوالي 1٪) وبروتينات مسؤولة عن العمليات التي تسبق معالجة الحمض النووي الريبوزي الناقل (حوالي 5٪) في النواة المعزولة.
وهذا يتفق مع فكرة أن النوية تؤدي أدوارًا إضافية عدا تصنيع وحدات بناء الريبوسوم. تشمل الأمثلة الحديثة للأنشطة الخلوية المرتبطة بالنوية تعديل الحمض النووي الريبوزي، وإصلاح تلف الحمض النووي الريبوزي منقوص الأوكسجين، وأيضًا القسيم الطرفي (النهاية الطرفية للكروموسوم)، ومعالجة الحمض النووي الريبوزي النقال وتنظيم استقرار البروتين.
تمت دراسة البنية الداخلية للنواة بالتفصيل من خلال كل من المجهر الإلكتروني الماسح والمجهر الإلكتروني النافذ. على سبيل المثال، يوفر تحليل المجهر الإلكتروني الماسح ذو الانبعاث المجالي لنواة هيلا المعزولة عرضًا عالي الدقة (1 نانومتر) للشكل الثلاثي الأبعاد لسطح النوية والسطح البيني بين النوية والهيكل النووي.
تم الكشف عن البنية الداخلية للنواة بواسطة المجهر الإلكتروني النافذ بواسطة مقطع رقيق مقطوع عبر النوية. استنادًا إلى الشكل الذي كشفته صور المجهر الإلكتروني النافذ هذه، تم تحديد ثلاثة أجزاء فرعية داخل النوية. وتشمل هذه الأجزاء مراكز ليفية، تحيط بها مكونات ليفية كثيفة، وتكون مطمورة في المكون الحبيبي.
تُظهر التجارب المناعية –تحت المجهر الالكتروني- أن العديد من البروتينات النووية تتراكم في واحد أو اثنين من هذه الأجزاء الفرعية، ما يوحي بأن لكل منهما تركيبة ووظائف بروتينية مميزة.
كشفت البيانات الحديثة أيضًا أن بعض العوامل الموجودة في النوية يتم توطينها في منطقة من النوية لا ترتبط بدقة بأي من الأجزاء الفرعية الثلاثة المعروفة، ما يشير إلى أن النوية أكثر تعقيدًا من مجرد مجموع ثلاثة أجزاء فرعية. النوية عبارة عن هيكل يتم من خلاله إجراء وتنسيق تفاعلات بين عدد كبير من البروتينات مع الـحمض النووي الريبوزي.
أثناء التخليق الحيوي للوحدات البنائية للريبوسوم، يتم نسخ شفرات الـحمض النووي الريبوزي الريبوسومي بواسطة أنزيم بلمرة الـحمض النووي الريبوزي 1 من المجموعات المتكررة من جينات الحمض النووي الريبوزي منقوص الأوكسجين. تتجلى هذه العملية بوضوح عند تورم الخلايا حقيقية النواة وانتشارها في محلول منخفض التركيز وقلوي في وجود المنظفات.
في ظل هذه الظروف، يتم مد شريط الحمض النووي الريبوزي منقوص الأوكسجين بالكامل، وعلى طول هذا المحور المركزي للحمض النووي، يمكن رؤية نصوص الحمض النووي الريبوزي الريبوسومي الناشئة حديثًا من كل وحدة من وحدات الحمض النووي. مع استمرار النسخ من نقطة البدء، تصبح نسخ الحمض النووي الريبوزي الريبوسومي أطول بشكل متزايد، مكونة ما يشبه “شجرة عيد الميلاد”.
ليس من الواضح كيف يتم تجميع هذه البنية المعقدة في النوية. من المحتمل أن يحدث بدء النسخ إما داخل المراكز الليفية أو عند الحدود بينها وبين المكونات الليفية الكثيفة. تظهر نسخ الحمض النووي الريبي الريبوسومي التي تسبق تكوين الريبوسومات في منطقة المكونات الليفية الكثيفة، إذ يتم تقطيعها وتعديلها بواسطة الأنزيمات المعالجة.
تبدأ قطع الحمض النووي الريبي الريبوسومي أيضًا مسار التجميع مع بروتينات الريبوسوم في منطقة المكونات الليفية الكثيفة وتستمر في ذلك لأنها تمر عبر المكون الحبيبي ويتم تصديرها إلى السيتوبلازما.
يمكن إظهار الحركة المتسلسلة للحمض النووي الريبي الريبوسومي عبر الأجزاء الفرعية للنوية، المراكز الليفية والمكونات الليفية الكثيفة والمكون الحبيبي عندما يتم تصنيف الخلايا بنبض قصير من النوكليوتيدات المهلجنة، والتي تكشف عن موجة من الحمض النووي الريبي الريبوسومي الناشئ الذي ينتشر من مجمعات المراكز الليفية والمكونات الليفية الكثيفة إلى مناطق المكون الحبيبي، ويظهر هذا في ثلاث مراحل في لوحة تسمى “النسخ النووي”.
على الرغم من التقدم الكبير في السنوات الأخيرة، لا يزال هناك العديد من الأسئلة المهمة التي يجب الإجابة عنها حول النوية. على سبيل المثال، لا تزال ماهية المكونات التي توفر السلامة الهيكلية للنوية غير واضحة. من غير المعروف أيضًا كيف يتم تنظيم الانقسام والاندماج النوويين أثناء الانقسام الخلوي، وما زال هناك الكثير لتعلمه بشأن المجموعة الكاملة من العمليات البيولوجية التي تحدث إما داخل النوية أو تنظم من قبلها.
وبالمثل، هناك حاجة إلى صورة أوضح على المستوى الجزيئي بين الهيكل دون النووي والوظائف المحددة. على الرغم من ظهور وصف مفصل لمحتوى البروتين في النوية، ما زلنا لا نعرف ما هي الوظائف التي تؤديها الكثير من هذه البروتينات ولا يُعرف الكثير عن الطيف الكامل للحمض النووي الريبوزي وتسلسل الحمض النووي الريبوزي منقوص الأوكسجين الذي يرتبط بالنوية. لذلك من المرجح أن تظل النوية مصدرًا لاكتشافات جديدة مثيرة للاهتمام، ومن دون شك بعض المفاجآت الأخرى في المستقبل المنظور.