معلومة

22: الملحق ب - مراجعة علم الوراثة الجزيئية - علم الأحياء


تملي الاختلافات الجينية بين الميكروبات ذات الصلة العديد من الاختلافات الملحوظة في الكيمياء الحيوية والفوعة. على سبيل المثال ، بعض سلالات بكتيريا Escherichia coli هي أعضاء غير ضارة من الكائنات الحية الدقيقة الطبيعية في الجهاز الهضمي البشري. سلالات أخرى من نفس النوع لها جينات تمنحها القدرة على التسبب في المرض. في البكتيريا ، لا يتم توريث هذه الجينات عن طريق التكاثر الجنسي ، كما هو الحال في البشر. في كثير من الأحيان ، يتم نقلها عبر البلازميدات ، وهي قطع دائرية صغيرة من الحمض النووي مزدوج الشريطة يمكن تبادلها بين بدائيات النوى.

  • 22.1: استخدام علم الأحياء الدقيقة لاكتشاف أسرار الحياة
    تم اكتشاف الحمض النووي وتمييزه قبل فترة طويلة من فهم دوره في الوراثة. لعب علماء الأحياء الدقيقة أدوارًا مهمة في إثبات أن الحمض النووي هو المعلومات الوراثية الموجودة داخل الخلايا. في الخمسينيات والستينيات من القرن التاسع عشر ، أجرى جريجور مندل تجارب على بازلاء الحديقة ذات التكاثر الحقيقي لإثبات إمكانية توريث سمات محددة يمكن ملاحظتها. في عام 1869 ، عزل فريدريش ميشر مركبًا غنيًا بالفوسفور وتنقيته من نوى خلايا الدم البيضاء. أطلق على مركب النوكلين.
  • 22.2: هيكل ووظيفة الحمض النووي
    تتكون الأحماض النووية من نيوكليوتيدات ، يحتوي كل منها على سكر بنتوز ومجموعة فوسفات وقاعدة نيتروجينية. تحتوي ديوكسي ريبونوكليوتيدات داخل الحمض النووي على ديوكسيريبوز مثل سكر البنتوز. يحتوي الحمض النووي على بيريميدين سيتوزين وثايمين ، وبيورينات الأدينين والجوانين. ترتبط النيوكليوتيدات ببعضها البعض عن طريق روابط فوسفو دايستر بين مجموعة 5ʹ فوسفات لنيوكليوتيد واحد ومجموعة 3ʹ هيدروكسيل من أخرى.
  • 22.3: هيكل ووظيفة الحمض النووي الريبي
    عادةً ما يكون حمض الريبونوكلييك (RNA) منفردًا ، ويحتوي على الريبوز كسكر البنتوز و uracil بيريميدين بدلاً من الثايمين. يمكن أن يخضع حبلا الحمض النووي الريبي (RNA) لإقران أساسي داخل الجزيء لتكوين بنية ثلاثية الأبعاد. هناك ثلاثة أنواع رئيسية من الحمض النووي الريبي ، وكلها تشارك في تخليق البروتين. يعمل Messenger RNA (mRNA) كوسيط بين DNA وتخليق منتجات البروتين أثناء الترجمة.
  • 22.4: هيكل ووظيفة الجينوم الخلوي
    المحتوى الجيني الكامل للخلية هو جينومها. ترمز الجينات للبروتينات ، أو جزيئات الحمض النووي الريبي المستقرة ، كل منها يؤدي وظيفة محددة في الخلية. على الرغم من أن النمط الجيني الذي تمتلكه الخلية يظل ثابتًا ، إلا أن التعبير عن الجينات يعتمد على الظروف البيئية. النمط الظاهري هو الخصائص التي يمكن ملاحظتها لخلية (أو كائن حي) في نقطة زمنية معينة وينتج عن تكملة الجينات المستخدمة حاليًا.

الصورة المصغرة: في المختبر ، يمكن تغيير طبيعة اللولب المزدوج إلى الحمض النووي أحادي الجديلة من خلال التعرض للحرارة أو المواد الكيميائية ، ثم إعادة تشكيله من خلال التبريد أو إزالة المواد الكيميائية المُمَوِّلة للتشوه للسماح لخيوط الحمض النووي بالتجدد. (الائتمان: تعديل العمل بواسطة Hernández-Lemus E ، Nicasio-Collazo LA ، Castañeda-Priego R)


تدريس اختبار التذبذب في السيليكو باستخدام mutate: برنامج للتمييز بين فرضيات الطفرات التكيفية والعفوية

Mutate هو برنامج تم تطويره لأغراض التدريس لنقل فصل معمل افتراضي للطلاب الجامعيين في علم الوراثة في علم الأحياء. يحاكي البرنامج ما يسمى باختبار التذبذب الذي يهدف إلى التمييز بين فرضيات الطفرات العفوية والتكيفية في البكتيريا. تتمثل الخطة في تدريب الطلاب على جوانب رئيسية متعددة التخصصات لعلم الوراثة الحالي مثل قواعد بيانات التسلسل ، وطفرات الحمض النووي ، واختبار الفرضيات ، مع تقديم اختبار التقلبات. أجريت هذه التجربة الأساسية في الأصل للدراسة الإشريكية القولونية مقاومة العدوى بالعاثية T1. بدأ اختبار التذبذب علم الوراثة البكتيري الحديث الذي بشر بعد 25 عامًا بعصر الحمض النووي المؤتلف. في الوقت الحاضر نحن نعلم أن بعض عمليات الحذف في الجين المسؤول عن fhuA بكتريا قولونية مستقبلات الغشاء T1 ، يمكن أن تسبب ه. القولونية مقاومة هذه العاثية. من أجل البساطة ، سنقدم افتراض أن طفرة واحدة تولد مقاومة T1. أثناء التطبيق العملي ، يستخدم الطلاب البرنامج لتنزيل بعض التسلسلات الجينية fhuA ، وإدخال بعض طفرات توقف الكودون يدويًا ، وتصميم اختبار تذبذب للحصول على بيانات للتمييز بين فرضيات الطفرات التكيفية (التلقائية) والمستحثة (التكيفية). يمكن تشغيل البرنامج من متصفح أو ، إذا كان مفضلاً ، يمكن تنزيل ملفه القابل للتنفيذ من http://webs.uvigo.es/acraaj/MutateWeb/Mutate.html. يتطلب Java 5.0 (أو أعلى) Runtime Environment (متاح مجانًا على http://www.java.com).

برنامج Mutate هو برنامج لمحاكاة اختبار التذبذب [1]. تم تطويره لأغراض التدريس من أجل تقديم فصل معمل افتراضي للطلاب الجامعيين في علم الوراثة. الفكرة الأساسية هي تدريب الطلاب في بعض الجوانب الرئيسية متعددة التخصصات لعلم الوراثة الحالي مثل قواعد بيانات التسلسل ، وطفرات الحمض النووي ، واختبار الفرضيات ، مع تقديم اختبار التذبذب. أثناء التطبيق العملي ، يمكن للطلاب تنزيل بعض التسلسلات مثل تسلسل الجين fhuA المسؤول عن مستقبلات الغشاء للعاثية T1 في الإشريكية القولونية، وإدخال بعض طفرات إيقاف الكودون ، وتصميم اختبار تذبذب ، باستخدام قيم المعلمات المناسبة لعدد البكتيريا لكل سنتيمتر مكعب (بكتيريا / سم مكعب) في الثقافة ، وعدد الصفائح ، ومعدل الطفرة ، وعدد التكرارات التجريبية ، للحصول على بيانات للتمييز بين فرضيات الطفرات التكيفية المسبقة والمباشرة (التكيفية). في هذه المرحلة ، يُطلب من الطلاب أيضًا إكمال بعض التمارين المتعلقة بالبيانات التي تم الحصول عليها والفرضية التي قد تفسرها.

من المفيد أن تكون قد ألقيت بالفعل محاضرة سابقة حول أهمية اختبار التذبذب وسياقه التاريخي بناءً على قراءة R.J. مقدمة روبنز 2001 عن إعادة التحرير الإلكتروني لورقة Luria and Delbrück الأصلية [1]. يُلاحظ أيضًا أن Luria و Delbrück لم يحلوا فقط معضلة وجود طفرة جينية في البكتيريا ، بل قدموا أيضًا تقديرًا لمعدل الطفرات في البكتيريا لأول مرة. يجب أن يفهم الطلاب أن تجربة Luria و Delbrück وتحليلها فتحت الطريق لعلم الوراثة البكتيرية الحديثة التي أدت بعد 25 عامًا إلى عصر الحمض النووي المؤتلف.

في العمل الأصلي لـ Luria و Delbrück ، تم إجراء تجربتين مختلفتين. في الحالة الأولى ، يتم تقسيم مزرعة واحدة ، على سبيل المثال ، 10 9 بكتيريا / سم مكعب بالتساوي على سلسلة من العينات واختبارها بشكل منفصل لمقاومة الملتهمة. النتيجة المتوقعة هي نفسها تحت كل من الفرضيات التكيفية والعفوية. نتوقع عددًا من المستعمرات المقاومة موزعة بين الصفائح بمتوسط ​​يساوي التباين. تُستخدم هذه التجربة كعنصر تحكم بحيث لا ينتج عن الطلاء وأخذ العينات المتوازي أي تباين أو تأثير تذبذب في حد ذاته [1].

التجربة الثانية تتناول اختبار التقلب نفسه. يتم تطوير أعداد مختلفة من الثقافات بشكل مستقل حتى تصل إلى العدد المطلوب من البكتيريا / سم مكعب. ثم يتم اختبار الثقافات لمقاومة العاثيات. تتنبأ فرضية التكيف (الطفرة المستحثة) مرة أخرى بأعداد البكتيريا المقاومة بمتوسط ​​وتباين متساويين. في المقابل ، تتنبأ فرضية ما قبل التكيف (الطفرة التلقائية) بوجود تباين أعلى بكثير من المتوسط ​​لأن الطفرات في الثقافات المنفصلة لن تتم مزامنتها ، وبالتالي ستظهر في لحظات مختلفة من تاريخها التطوري [1] (الشكل 1) . ومع ذلك ، سيعتمد التباين أيضًا على عوامل مثل معدل الطفرة ، وعدد البكتيريا في كل لوح ، وعدد الصفائح ، وعوامل الطلاء المسبق الأخرى مثل الملاءمة المتحولة [2] وكفاءة الطلاء [3]. تقوم حزمة برامج Mutate بإجراء كلا النوعين من التجارب مما يسمح للمستخدم بتعيين قيم مختلفة للمعلمات المذكورة أعلاه. إذا رغبت في ذلك ، يمكن للطلاب أداء حالات مختلفة ومحاولة شرح النتائج بطريقة متسقة.

مقارنة بين ثلاث مكررات للحث (أ) مقابل العفوية (ب) فرضيات الطفرات. يمثل الشريط المظلل وقت التعرض للعاثية. [يمكن الاطلاع على الشكل الملون في الإصدار الموجود على الإنترنت والمتوفر على wileyonlinelibrary.com.]


الملخص

SbtA هو ناقل بيكربونات عالي التقارب يعتمد على الصوديوم موجود في ثاني أكسيد الكربون السيانوبكتيري2- آلية التركيز (CCM). تشكل SbtA معقدًا مع SbtB ، بينما ينظم SbtB نشاط النقل لـ SbtA من خلال الارتباط مع نيوكليوتيدات الأدينيل. الآلية الأساسية للنقل وتنظيم SbtA غير معروفة إلى حد كبير. في هذه الدراسة ، قمنا بالإبلاغ عن الهياكل ثلاثية الأبعاد للبكتيريا الزرقاء متزامن ص. PCC 6803 SbtA-SbtB في وجود وغياب HCO3 - و / أو AMP بدقة 2.7 و 3.2. يكشف تحليل الحالة المواجهة للداخل لبنية SbtA عن HCO3 - / موقع ربط Na + ، يوفر دليلًا على الوحدة الوظيفية كأداة تقليم. وجدت مقارنة هيكلية أن SbtA تتبنى آلية مصعد لنقل البيكربونات. كشف تحليل قائم على الهيكل أن التثبيط الخيفي لـ SbtA بواسطة SbtB يحدث بشكل أساسي من خلال الحلقة T من SbtB ، والتي ترتبط بالمجال الأساسي ومجال السقالة لـ SbtA وتغلقها في حالة مواجهة للداخل. يتم تثبيت تشكيل الحلقة T عن طريق ربط جزيئات AMP في واجهات قاطع SbtB ويمكن تعديلها بواسطة نيوكليوتيدات أدينيل أخرى. تجعل الآلية التنظيمية الفريدة لـ SbtA بواسطة SbtB من المهم دراسة أنظمة امتصاص الكربون غير العضوي في CCM ، والتي يمكن استخدامها لتعديل التمثيل الضوئي في المحاصيل.


نقلا عن المقالات (50)

* ما مجموعه 186 مريضًا و 627 عنصر تحكم (404 عينة من أشخاص من أصل أوروبي [باستثناء الفنلنديين] من مشروع 1000 جينوم و 223 عنصر تحكم زائف (تم إنشاؤه من الكروموسومات التي لم تنتقل إلى الطفل المصاب من 254 ثلاثيًا بين الوالدين والطفل كاملة بيانات النمط الجيني) وفقًا لعدد أليلات خطر الإصابة بمرض هيرشسبرونج الموجودة في ريت تعدد الأشكال أحادي النوكليوتيدات (SNPs) rs2435357 و rs7069590 و rs2506030 و سيما 3 SNP rs11766001. كان لدى جميع المرضى أليل خطر واحد على الأقل.

† أشارت نسبة الأرجحية إلى ارتباط كبير (محسوب باختبار فيشر الدقيق على الوجهين) بمعدل خطأ عائلي يبلغ 0.05 ، بعد التصحيح لإجراء ستة اختبارات.

* على الرغم من أن الاختلافات لم تكن كبيرة ، إلا أن نسب الأرجحية عند الذكور كانت أكبر باستمرار من تلك الموجودة في الإناث (الجدول S10 في الملحق التكميلي).

يبلغ الخطر المجتمعي الذي يمكن أن يعزى لجميع الفئات الثلاثة من الأليلات المسببة للأمراض ، في ظل افتراض التأثيرات المستقلة ، 61.9٪ لجميع المواقع الـ 24 المعروفة والجديدة و 53.7٪ للمواقع الـ 18 المعروفة.

‡ لوحظت خمسة متغيرات مرضية شائعة أو أكثر في 90 من 186 مريضًا و 107 من 627 مجموعة تحكم.

§ تم تحديد متغيرات تسلسل التشفير النادرة في 66 من 190 مريضًا وفي 37 من 740 مجموعة تحكم.

¶ متغيرات رقم النسخ (CNV) التي اعتبرت مسببة للأمراض ، كما ورد في هذا الجدول وفي جميع تحليلاتنا الأخرى للمخاطر ، تم تحديدها سريريًا (على سبيل المثال ، حذف تثلث الصبغي 21 أو 22q) أو حذف أكثر من 500 كيلو بايت أو تكرار أكثر من 1000 كيلو بايت ، بتردد أقل من 1٪ بين عناصر التحكم ، والتي كانت مرتبطة سابقًا بشكل كبير باضطراب في النمو. تم التعرف على CNVs في 21 من 185 مريضًا وفي 40 من 19584 عنصر تحكم.

‖ كان المتغير الوحيد لرقم النسخ الذي كان معروفًا في السابق أنه مرتبط بمرض هيرشسبرونج هو التثلث الصبغي 21.

* تم تقييم عينات الأمعاء الجنينية البشرية في المرحلة 22 من كارنيجي ، وتم تقييم عينات الأمعاء الجنينية للفأر في اليوم الجنيني 10.5.

† يشير NT إلى أن الجين لم يتم اختباره بسبب عدم وجود أخصائي تقويم يمكن التعرف عليه من أسماك الزرد.

كان عدد الأليلات الممرضة المتميزة مهمًا بعد التصحيح متعدد الاختبارات لـ 4027 جينًا.

* يتم عرض المنطقة الأصغر المقدرة المحددة على أساس النمط النووي أو تسلسل exome أو مجموعة بيانات SNP. يشير الاختصار chr إلى الكروموسوم.

† تم اكتشاف المتغيرات عن طريق التنميط النووي أو تسلسل exome أو كليهما ، مع التحقق من صحة مجموعة SNP ، بما في ذلك مريضان مصابان بالتثلث الصبغي 21 لم يكن لدينا نمط نووي مقدم لهما.

بيانات التحكم مأخوذة من دراسة Coe et al. 17 ومع ذلك ، فإن الأرقام الخاصة بالمتغير 47 ، XX ، + der (15) t (4:15) هي للنسختين المضاعفتين في موقع النقل ، وليس للانتقال ، وأرقام التحكم لم تكن متاحة وغير متوقعة لـ 10q24.3-q26.13 الانقلاب.

§ كان للمتغير دليل سابق على الإمراضية في اضطراب تنموي آخر.

تم تقدير العدد من بيانات السكان (الجدول S8 في الملحق التكميلي).

كانت قيمة P معنوية بعد التصحيح متعدد الاختبارات.

** يتم حذف 13q21.33-q31.1del CNV EDNRB.

* تم تحديد كل فئة من فئات المخاطر على أساس مزيج من أنواع المتغيرات المسببة للأمراض الموجودة (+) والغائبة (-).

† تم حساب نسب الأرجحية مع المرضى الذين يعانون من مرض هيرشسبرونج والذين لم يكن لديهم متغيرات مرتبطة بالمرض يمكن اكتشافها تستخدم كمجموعة مرجعية.

تم حساب الوقائع السكانية بافتراض إجمالي حدوث 15 حالة من مرض هيرشسبرونغ لكل 100،000 ولادة حية. الأرقام المرصودة للفئات المتغيرة (50 و 53 و 27 و 29 و 20) قريبة من الأرقام المتوقعة المقدرة من الارتباط العشوائي لمتغيرات المرض (53.44 و 50.12 و 28.40 و 26.64 و 20.41 χ 2 = 0.67 1 df P = 0.41).

§ يصنف مرض هيرشسبرونج على أنه قصير أو طويل أو كلي على أساس طول جزء الأمعاء المصاب.

¶ الحالة البسيطة هي حالة لا يوجد فيها أفراد عائلة معروفون للمريض بالمرض.

‖ الفئة تشمل المرضى الذين يعانون من خمسة أو أكثر من أليلات الخطر غير المشفرة الشائعة في ريت (rs2435357 و rs2506030 و rs7069590) و SEMA3D (rs11766001).

** تم اعتبار متغير الترميز موجودًا إذا كان لدى المريض على الأقل متغير واحد نادر وضار موجود في أي من جينات القابلية للإصابة بمرض هيرشسبرونغ البالغ عددها 24.

†† تم تحديد التنوعات في عدد النسخ التي اعتبرت مسببة للأمراض ، كما ورد في هذا الجدول وفي جميع تحليلاتنا الأخرى للمخاطر ، تعديلات تم تحديدها سريريًا (على سبيل المثال ، حذف تثلث الصبغي 21 أو 22q) أو حذف أكثر من 500 كيلو بايت أو تكرار أكثر من 1000 كيلو بايت ، بتردد أقل من 1٪ بين عناصر التحكم ، والتي ارتبطت سابقًا باضطراب في النمو. تم تجميع جميع المرضى الذين يعانون من CNVs في فئة واحدة ، بالنظر إلى التردد المنخفض لهذا النوع من المتغيرات.

‡‡ تم حساب النسب المئوية مع 179 مستخدمًا كمقام (أي المرضى الذين لديهم بيانات كاملة لجميع فئات الطفرات الثلاثة).

§ § تُحسب القيم المتوقعة من تكرارات كل فئة من فئات المخاطر بين الضوابط (انظر الجدول 2).


شاهد الفيديو: الوراثة الجزيئية - تجربة غريفيث (كانون الثاني 2022).