معلومة

4.6: الكود الجيني - علم الأحياء


كيف تنتقل من أربعة أحرف إلى 20 حمضًا أمينيًا؟

أنت بحاجة إلى رمز. والشفرة التي تغير المعلومات المضمنة في DNA و RNA إلى أحماض أمينية وبروتينات مرتبة هي الشفرة الجينية. وكل كائن حي يستخدم نفس الشفرة الجينية.

الكود الجيني

كيف يتم ترميز المعلومات في الجين؟ الجواب هو الشفرة الجينية. ال وراثي الشفرة يتكون من تسلسل قواعد النيتروجين- A ، C ، G ، U- في سلسلة mRNA. تشكل القواعد الأربع "أحرف" الشفرة الجينية. يتم الجمع بين الأحرف في مجموعات من ثلاثة لتكوين "كلمات" رمز يسمى الكودونات. يرمز كل كودون إلى (يشفر) حمض أميني واحد ، إلا إذا كان يرمز إلى إشارة البدء أو التوقف.

هناك 20 من الأحماض الأمينية الشائعة في البروتينات. هناك 64 كودونًا محتملاً ، وهو أكثر من كافٍ لترميز الأحماض الأمينية العشرين. يظهر الكود الجيني في شكل أدناه. لمعرفة كيفية فك العلماء للشفرة الجينية ، انتقل إلى هذا الرابط: http://www.dnalc.org/view/16494-Animation-22-DNA-words-are-three-letters-long-.html.

الكود الجيني. للعثور على الحمض الأميني لكودون معين ، ابحث عن الخلية في الجدول للقاعدتين الأولى والثانية من الكودون. ثم ، داخل تلك الخلية ، ابحث عن الكودون ذي القاعدة الثالثة الصحيحة. على سبيل المثال ، أكواد CUG لـ leucine ، و AAG code for lysine ، و GGG code for glycine.

قراءة الكود الجيني

كما هو موضح في شكل أعلاه ، رموز AUG للكودون ميثيونين الأحماض الأمينية. هذا الكودون هو أيضًا ابدأ الكودون التي تبدأ الترجمة. يؤسس كودون البداية إطار قراءة الرنا المرسال. ال إطار القراءة هي طريقة تقسيم الحروف إلى أكواد. بعد كود البدء AUG ، تتم قراءة الأحرف الثلاثة التالية على أنها الكودون الثاني. تتم قراءة الأحرف الثلاثة التالية بعد ذلك على أنها الرمز الثالث ، وهكذا. هذا موضح في شكل أدناه. تتم قراءة جزيء الرنا المرسال ، الكودون بواسطة الكودون ، حتى أ وقف الكودون تم الوصول إليه. UAG و UGA و UAA كلها رموز توقف. هم لا يرمزون لأي أحماض أمينية. تُعرف أكواد الإيقاف أيضًا باسم أكواد الإنهاء.

قراءة الكود الجيني. تتم قراءة الشفرة الجينية ثلاث قواعد في وقت واحد. الكودونات هي كلمات الكود الخاصة بالشفرة الجينية. ما هو الحمض الأميني الذي يمثله الكودون 2 في الرسم؟

خصائص الكود الجيني

يحتوي الكود الجيني على عدد من الخصائص المهمة.

  • الكود الجيني عالمي. تستخدم جميع الكائنات الحية المعروفة نفس الشفرة الجينية. هذا يدل على أن جميع الكائنات الحية تشترك في تاريخ تطوري مشترك.
  • الشفرة الجينية لا لبس فيها. كل كودون لحمض أميني واحد فقط (أو ابدأ أو توقف). ماذا يمكن أن يحدث إذا قامت الكودونات بتشفير أكثر من حمض أميني؟
  • الشفرة الجينية زائدة عن الحاجة. يتم ترميز معظم الأحماض الأمينية بأكثر من كودون واحد. في شكل أعلاه ، كم عدد الكودونات للحمض الأميني ثريونين؟ ما هي ميزة وجود أكثر من كودون واحد لنفس الأحماض الأمينية؟

ملخص

  • يتكون الكود الجيني من تسلسل القواعد في DNA أو RNA.
  • مجموعات من ثلاث قواعد تشكل الكودونات ، وكل كودون يرمز إلى حمض أميني واحد (أو البدء أو التوقف).
  • تتم قراءة الكودونات بالتسلسل بعد رمز البدء حتى يتم الوصول إلى كودون الإيقاف.
  • الشيفرة الجينية عالمية ، لا لبس فيها ، وزائدة عن الحاجة.

استكشاف المزيد

اكتشف المزيد I

استخدم هذا المورد للإجابة على الأسئلة التالية.

  • الكود الجيني على الموقع http://www.nature.com/scitable/definition/genetic-code-13.
  1. ما هو الكود الجيني؟
  2. كم عدد النيوكليوتيدات التي تصنع الكودون؟
  3. ما هو أول كودون تم فك شفرته في الشفرة الجينية؟ ما الأحماض الأمينية التي يرمز لها هذا الكودون؟
  4. كم عدد مجموعات الكودون الممكنة الموجودة في الشفرة الجينية؟
  5. كم عدد إشارات التوقف الموجودة في الشفرة الجينية؟
  6. الشيفرة الجينية متدهورة. اشرح هذا البيان.

إعادة النظر

  1. ما هو الكود الجيني؟
  2. ما هي الكودونات؟ كم عدد الكودونات هناك؟
  3. استخدم الكود الجيني لترجمة المقطع التالي من الحمض النووي الريبي إلى سلسلة من خمسة أحماض أمينية: GUC-GCG-CAU-AGC-AAG
  4. الشيفرة الجينية عالمية ، لا لبس فيها ، وزائدة عن الحاجة. اشرح ماذا يعني هذا.

ريتشارد دوكينز: كود الحمض النووي العالمي هو & # 039 Knockdown & # 039 Evidence of Evolution

19 أكتوبر 2009 - كان عالم الأحياء التطورية ريتشارد دوكينز على الأرض يوم الجمعة لمناقشة كتابه الجديد ، "أعظم عرض على الأرض: دليل التطور، "الذي يضع أكثر من اثني عشر سطرًا من الحجة والأدلة لدعم التطور. قدم دوكينز مقدمة سريعة لكل سطر من هذه السطور من الأدلة (كل منها يحصل على فصل في الكتاب) ، وتحدث إلى غرفة وقوف فقط الجمهور في قاعة Gilmer Hall Auditorium (تم إبعاد عشرات أخرى بعد أن امتلأت الغرفة).

أوضح دوكينز أن الدليل الأكثر إقناعًا على الإطلاق يأتي من البيولوجيا الجزيئية - حقيقة أن شفرة الحمض النووي عالمية بين جميع الكائنات الحية ، حيث تتشارك جميع الكائنات في أجزاء متطابقة من الكود.

ربما يكون دوكينز ، الذي تقاعد مؤخرًا من منصبه كأستاذ تشارلز سيموني للفهم العام للعلوم في جامعة أكسفورد ، هو الأكثر شهرة (والأكثر إثارة للجدل بالتأكيد) لكتابه الأكثر مبيعًا في عام 2006 بعنوان "وهم الإله". في ذلك ، يطرح قضية عدم احتمالية وجود كائن أعلى ، وبشكل أكثر استفزازية ، أن الدين ليس خطأ فحسب ، بل هو الشر ، وهو الموقف الذي يعرّف ما يسمى "الملحدين الجدد."

لكن يوم الجمعة ، تخطى دوكينز أي هجوم على الدين ، وتمسك بالموضوع في كتابه الأخير. ومع ذلك ، فقد عبر عن ازدراء واضح لأولئك الذين يعتقدون أن عمر الأرض أقل من 10000 عام ، وهو رأي يتفق معه 40 في المائة من الأمريكيين (و 28 في المائة من البريطانيين) ، وفقًا لاستطلاع جالوب دوكينز. استشهد.

قال دوكينز ، بما أن عمر الأرض في الواقع يبلغ 4.6 مليار سنة ، فإن حجم الخطأ في منظور الخلقي للأرض الفتية يعادل التفكير في أمريكا الشمالية بعرض 8 ياردات. مثل هذا القدر من الاعتقاد الخاطئ من شأنه أن يعيق عمليًا أي مجال آخر ، كما قال داوكينز ساخرًا ، مشيرًا إلى أن السباك لن يكون قادرًا على توصيل أنابيبه والقيام بعمله إذا كانت قياساته معطلة بمثل هذا العامل.

كتاب دوكينز الجديد هو محاولة لحشد أدلة التطور بشكل أفضل ، على أمل تغيير الرأي "المزعج" لبعض الذين يؤيدون وجهة النظر الخلقية. بينما أقر دوكينز بأنه لم يكن هناك فائدة تذكر في محاولة المجادلة مع أكثر الخلقيين مصبوغين (ردًا على طالب سأل عن أفضل السبل للانضمام إلى الكفاح ضد وجهة النظر الخلقية) ، اقترح أن التكتيك الأكثر إقناعًا هو للتخلي عن المشاكسة ومشاركة الطرق الرائعة التي يمكن للتطور أن يفسر بها العالم الطبيعي.

قام دوكينز بنفسه بفعل ذلك بمزيج من الفكاهة السخيفة والتقدير الواسع لقوة فكرة التطور.

أوضح دوكينز أن الدليل الأكثر إقناعًا للتطور يأتي من النظر في أوجه التشابه بين العديد من الكائنات الحية.

أوضح دوكينز أن تشارلز داروين نفسه كان مدركًا تمامًا لأوجه التشابه المذهلة في الهياكل العظمية للثدييات المختلفة ، مثل أجنحة الخفافيش وأصابع يد الإنسان. يتكون جناح الخفاش من خمس مجموعات من العظام التي تدعم اللحم الملفوف بينهما. قال دوكينز ، بالمقارنة مع البنية العظمية لليد البشرية ، فإن عظام الأجنحة الخمسة للخفافيش ممدودة تمامًا بما يتناسب مع جسمه ، ولكن هناك تشابهًا مذهلاً في عدد وترتيب العظام مما يجعلها سهلة. نسختين من نفس الشيء. يتضح نفس المخطط ذي الخمسة أصابع في الهيكل العظمي لديناصور مجنح ، الزاحف المجنح ، الذي عاش منذ أكثر من 65 مليون سنة.

بينما كان داروين مقتصرًا على مراقبة مثل هذا التشابه النوعي بين الأنواع ، فإن درسًا مشابهًا يكون أكثر وضوحًا في مقارنات الشفرة الجينية لمخلوقات مختلفة.

بادئ ذي بدء ، من المدهش أن كل أشكال الحياة ، من النباتات والحيوانات إلى البكتيريا والفيروسات والفطريات ، تعتمد على نفس آلية تشفير الحمض النووي لحمل التعليمات البيولوجية التي توجه كيفية تجميع المخلوق ، كما أشار دوكينز. ما يختلف من حيوان إلى آخر ليس بنية أو آلية الكود ، ولكن الجينات الفردية.

بفضل مشروع الجينوم البشري والمشاريع المماثلة التي كشفت عن التسلسل الجيني لحيوانات أخرى ، مثل الشمبانزي ، يمكن للعلماء الآن مقارنة الشفرة بين الأنواع المختلفة. يمكن مقارنتها نصيًا ، مثلما قد يقارن عالم الكتاب المقدس بين لفائف تحتوي على سفر التكوين. عندما تتم مقارنة كل حرف من تسلسل جيني ، يجد العلماء "جمل" و "فقرات" كاملة من "نص" الحمض النووي المتطابق.

في المستقبل ، نظرًا لأن قوة الحوسبة المتزايدة ستمكن من انتشار تسلسل الجينوم ، فسيكون العلماء قادرين على إجراء مقارنات تفصيلية للحمض النووي حول الارتباط التطوري لكل نوع من الأنواع مع بعضها البعض. قال دوكينز إن هناك بالفعل ما يكفي من أدلة مقارنة الحمض النووي لإثبات بما لا يدع مجالاً للشك أن جميع الكائنات الحية تشترك في النسب. هذا الدليل النصي على الأصل المشترك لجميع الكائنات الحية هو "دليل ضربة قاضية" للتطور.


ما هي الخلايا البدينة وكيف تعمل؟

الخلايا البدينة ، وهي نوع من الخلايا المحببة ، تحتوي على مواد كيميائية يحتاجها الجسم والاستجابة المناعية # 8217s. تعد خلايا الجهاز المناعي هذه مهمة لشفاء الجروح ، وإنشاء خلايا دم جديدة ، والتسامح المناعي ، ودفاع الجسم في خط المواجهة ضد مسببات الأمراض.

كما لخصت إحدى الدراسات ، فإن الخلايا البدينة هي & # 8216 جاك من جميع المهن & # 8217 خلايا مناعية.

تعد الخلايا البدينة جزءًا من نظام المناعة الفطري لدينا وهي حيوية لاستجابة أجسامنا للغزاة. كل الخير & # 8230 حتى تسوء الأمور.

عندما تحفز الخلايا البدينة بسهولة شديدة ، فإنها تتحلل وتطلق حمولة من الهيستامين والهيبارين والبروستاجلاندين والتريبتاز والسيتوكينات في الجسم بشكل متكرر. هذا يسبب مجموعة متنوعة من المضاعفات مع أعراض مفككة على ما يبدو.

الوظيفة الكلاسيكية للخلايا البدينة في جهاز المناعة:

سيشرح هذا القسم كيفية عمل الخلايا البدينة بشكل طبيعي داخل الجهاز المناعي (تخطي إلى الأمام إذا كنت تعرف بالفعل كل هذا & # 8230)

الخلايا البدينة هي خلايا مناعية مقيمة ، مما يعني أنها لا توجد عادة في مجرى الدم ولكنها تتواجد بدلاً من ذلك في الأنسجة ، مثل النسيج الضام. على سبيل المثال ، تظهر الخلايا البدينة في المناطق المجاورة للخلايا الظهارية (خلايا الجلد ، وبطانة الأمعاء ، والخلايا السطحية في الرئتين) أو بالقرب من الخلايا البطانية التي تشكل الأوعية الدموية.

تحتوي الخلايا الحبيبية ، وهو اسم آخر للخلية البدينة ، على حبيبات بداخلها عدة أنواع من الجزيئات. تشبه بالونات الماء الصغيرة ، يمكن للخلايا البدينة أن تتحلل بسرعة وتطلق جزيئات التهابية مختلفة في الأنسجة المحيطة.

يوجد أدناه صورة (رخصة المشاع الإبداعي [المرجع]) توضح مواقع الخلايا البدينة على طول جدار الوعاء الدموي. تُظهر الصورة الثانية الحبيبات الإفرازية في خلية سارية لم يتم تنشيطها.

الأجسام المضادة IgE والتفاعلات المناعية:

ستكون هذه نظرة عامة سريعة ، لتصل إلى النقاط البارزة في كيف تستجيب الخلايا البدينة لمسببات الأمراض:[المرجع]

تعرف المستقبلات باسم مستقبلات FcɛRI على سطح الخلايا البدينة. يلتزمون الأجسام المضادة IgE تم إنشاؤه بواسطة خلايا Th2 وتحفيز الخلايا البائية على التمايز وإنشاء IgE. عادة ، يحدث هذا بسبب عامل ممرض أو طفيليات.

بمجرد تكوين IgE ، فإنه يرتبط بمستقبل FcɛRI على الخلايا البدينة. هذه يهيئ الخلية البدينة للتفعيل بمجرد أن يرتبط النصف الآخر من IgE بمستضد (على عامل ممرض / طفيلي / مسبب للحساسية). مسمى عبر الارتباط ، يرتبط FcɛRI بـ IgE الذي يرتبط بعد ذلك بمستضد.

عندما تنشط الخلية البدينة من خلال الوسائل التقليدية لـ ارتباط المستضد بـ IgEيحدث رد فعل فوري ورد فعل متأخر.

أولا: ال رد فعل فوري يحدث بسرعة ، في غضون دقائق ، مما يتسبب في تحلل الخلايا البدينة وإطلاق حبيباتها المملوءة بالكيماويات في المنطقة المحيطة.

حبيبة واحدة في الخلايا البدينة الهيستامين، وهو سام للعديد من الكائنات الطفيلية. على الرغم من ذلك ، فإن الهستامين معروف أكثر بسبب أسبابه المباشرة للالتهاب وأعراض الحساسية. باختصار ، عندما يرتبط الهيستامين بمستقبلات الهيستامين في الخلية ، فإنه يسبب استجابة مناعية التهابية. على سبيل المثال ، عندما يرتبط الهيستامين بمستقبل على الخلايا البطانية (الأوعية الدموية) ، فإنه يتسبب في نفاذية الأوعية الدموية مما يؤدي إلى التورم والالتهاب. عندما يرتبط الهيستامين بمستقبلات الهيستامين في خلايا العضلات الملساء ، يمكن أن يتسبب في تقلص الخلايا. في الجهاز الهضمي ، يتسبب هذا في القيء والإسهال للتخلص من العامل الممرض. عن طريق تقلص العضلات حول الرئتين ، يسبب الهيستامين السعال والعطس والصفير للتخلص من العامل الممرض.

مكون آخر من حبيبات الخلايا البدينة هو البروتياز ، التي تكسر البروتينات. تتواجد الخلايا البدينة بشكل أساسي في النسيج الضام ، الذي يحتوي على الكثير من المصفوفات خارج الخلية المكونة من البروتينات التي تربط الأنسجة ببعضها البعض. يسمح تحطيم تلك المصفوفة خارج الخلية باستخدام البروتياز للسوائل بالدخول وطرد الجسم.

TNF- ألفا يوجد أيضًا في الخلايا البدينة. وهو عبارة عن مادة خلوية التهابية مرتبطة بالمستقبلات الموجودة على سطح الخلايا البطانية (الأوعية الدموية) ، مما يجعل الخلايا البطانية تقوم بتشغيل جزيئات الالتصاق وتجنيد المزيد من الخلايا المناعية & # 8230

ثانيا: هنالك أيضا استجابة لاحقة يحدث ذلك بعد ساعات من إزالة الحبيبات الأولية.

يمكن للخلايا البدينة تشغيل الجينات وصنع بروتينات مثل IL-4 ، مما يحفز إنتاج خلايا Th2. تنتج الخلايا البدينة أيضًا مواد كيميائية مثل CCL3 ، والتي تشير إلى جلب الخلايا الوحيدة والعدلات إلى المنطقة. يستهدف GM-CSF ، المصنوع في الخلايا البدينة ، الخلايا الجذعية لنخاع العظام ، ويطلب منهم التمايز إلى الخلايا القاعدية والخلايا الأحادية. في الأساس ، هذا يستدعي قوات الاحتياط للاستجابة المناعية لمواصلة محاربة مسببات الأمراض.

البروستاجلاندين والليوكوترين يتم تصنيعها أيضًا بواسطة الخلايا البدينة. هذه تسبب الالتهاب. الليكوترين أقوى بـ 100 من الهستامين ولكن له نفس المفعول. يسبب البروستاجلاندين التهابًا عن طريق توسع الأوعية ونفاذية الأوعية الدموية والمزيد من الخلايا المناعية لتنجذب لمحاربة العدوى. يسبب البروستاجلاندين أيضًا الألم عن طريق الارتباط بالخلايا العصبية الحسية. يتم تصنيع البروستاجلاندين من حمض الأراكيدونيك باستخدام انزيمات الأكسدة الحلقية (COX) ، ويمكنك تثبيط استجابة البروستاجلاندين عن طريق الأسبرين أو مضادات الالتهاب غير الستيروئيدية (مثل الإيبوبروفين).

بشكل عام ، الخلايا البدينة لديها 50 - 200 حبيبة في السيتوبلازم للخلية التي تخزن الهيستامين ، الهيبارين ، التريبتاز ، السيتوكينات ، إلخ.

الحساسية: (النوع الأول تفاعلات فرط الحساسية)

بالإضافة إلى التفاعل مع المستضدات على العامل الممرض ، مثل البكتيريا ، يمكن أيضًا تهيئة IgE للارتباط مع المستضدات الموجودة على البروتينات غير المسببة للأمراض. مسببات الحساسية. المواد المسببة للحساسية الشائعة هي حبوب اللقاح والقطط وعث الغبار والجوز ومنتجات الألبان والأسماك. عملية & # 8216becoming للحساسية تجاه شيء ما & # 8217 متضمنة تمامًا. لبدء العملية ، يجب أن تؤخذ البلاعم أو الخلايا التغصنية البروتين الشائع ، مما يتسبب في عرض مستضد على جزيئات معقد التوافق النسيجي الكبير II. يحدث هذا مع أنواع MHC II الموروثة & # 8211 أنواع معينة من HLA. عندما يتم تقديم هذه المستضدات ، يمكن أن تصطدم بمستقبل CD4 الذي ينشط خلايا CD4 T. هذا يمكن أن يهيئ الخلية T لتصبح خلية T مساعدة TH2 إذا كان IL-4 موجودًا. تفعل الخلايا البائية شيئًا هنا أيضًا & # 8230 إذا كانت تحتوي أيضًا على البروتين المسبب للحساسية الذي تمت بلعها وقدمت ثم الخلية البائية ترتبط بالخلية Th2 وتنتج IgE. يرتبط IgE بالخلايا البدينة.

إذا عادت المادة المسببة للحساسية ، فإنها ترتبط بـ IgE على الخلايا البدينة مسببة التحلل. يعتمد ما يحدث في الاستجابة التحسسية على مكان تنشيط الخلايا البدينة (الأمعاء ، مجرى الهواء ، الجلد ، إلخ). على سبيل المثال ، ترتبط المواد المسببة للحساسية المستنشقة في الهواء بـ IgE على الخلايا البدينة وتؤدي إلى استجابة. الأنف = التهاب الأنف التحسسي (تورم ، سوائل ، عطس) الرئتين & # 8211 الربو التحسسي ، السوائل والمخاط في أعماق الرئتين ، انقباض الشعب الهوائية ، السعال.

الفيروسات والخلايا البدينة:

بينما تذكر معلومات الكتاب المدرسي حول تنشيط الخلايا البدينة عادةً الطفيليات (الديدان) والبكتيريا والمواد المسببة للحساسية ، تظهر الأبحاث الحديثة ذلك تعمل الفيروسات أيضًا على تنشيط الخلايا البدينة. يُظهر بحث نُشر عام 2015 أن فيروس الإنفلونزا A ينشط الخلايا البدينة مباشرةً ، مما يتسبب في إطلاق السيتوكينات ويساهم في الاستجابة الالتهابية المفرطة في الرئتين. [المرجع] تُظهر الدراسات التي أجريت على الحيوانات أن هذا النمط من تنشيط الخلايا البدينة والاستجابة المفرطة ينطبق على سلالات عديدة من الأنفلونزا. بالإضافة إلى ذلك ، قللت مثبطات الخلايا البدينة بشكل كبير من آفات الرئة ومعدلات الوفيات الناجمة عن الأنفلونزا.

المواد الأخرى التي تنشط الخلايا البدينة:

ال تنشيط IgE هو مجرد طريقة واحدة تنشط الخلية البدينة أثناء وظيفتها الطبيعية في مكافحة العوامل الممرضة.

فيما يلي المشغلات المعروفة لتحلل الخلايا البدينة (بالإضافة إلى تنشيط IgG عن طريق مسببات الأمراض أو مسببات الحساسية): [المرجع] أستيل كولين ، شظايا مكملة (C3α ، C4α ، C5α) ، أدوية مختلفة ، ببتيدات (بما في ذلك الإندورفين ، اللبتين ، PTH ، والمزيد ) والظروف الفيزيائية (البرد والحرارة والضغط والإجهاد والاهتزاز).

بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يحدث تنشيط الخلايا البدينة عن طريق مجمعات IgG-antigen ، والأنماط الجزيئية المرتبطة بالعوامل الممرضة (PAMPS) ، والتلامس مع الخلايا الخلوية ، والهرمونات. [المرجع]


خلفية

عالم الحمض النووي الريبي هو فترة تطورية قديمة تتميز بعملية التمثيل الغذائي القائمة على الريبوزيم. يُعتقد أن الشفرة الجينية ، أو على الأقل سلائف المحولات الحديثة (أي الحمض الريبي النووي النقال ، الشكلان 1 و 2) ، قد تم إنشاؤها في تلك المرحلة [[1] ، الفصل. 5]. هناك العديد من النظريات التي تشرح التنظيم الحالي للشفرة من حيث المزايا الانتقائية ، والمتانة ضد الطفرات ، ونقل الجينات الجانبي ، والخصائص الكيميائية الحيوية والفيزيائية ، وما إلى ذلك. تستند معظم هذه الأفكار إلى افتراض وجود رموز سابقة ، وربما أقل دقة أو معقدة ، والتي تطورت عن طريق الاختيار على مبادئ تنظيمية مختلفة ، مما أدى إلى الشفرة الجينية الحديثة. في حين أن معظم النظريات تتعامل مع إعادة ترتيب الكود ، إلا أن القليل منها فقط يعالج بشكل مباشر مسألة كيفية ظهور هذا الرمز. إلى حد ما ، يمكن تفسير الارتباط المحدد بين بعض الأحماض الأمينية وكودوناتها من خلال تكوين مجمعات تساهمية من ثنائي النوكليوتيدات وسلائف الأحماض الأمينية [2]. الأفكار الأخرى التي حظيت باهتمام أكبر هي الحجج الفراغية الكيميائية (التقارب البنيوي بين الأحماض الأمينية وثلاثيات الترميز) [3-6]. علاوة على ذلك ، فقد تم اقتراح أن دور الأحماض الأمينية في عالم الحمض النووي الريبي هو تحسين النشاط التحفيزي للريبوزيمات [7] ، وهي وظيفة تتطلب الترميز ، لأن الريبوزيمات تحتاج إلى ربط الحمض الأميني كعوامل مساعدة بطريقة معينة.

الهيكل الأساسي لجزيء الحمض الريبي النووي النقال.

مراحل تطور جزيء الحمض الريبي النووي النقال. (أ) كان هذا يتألف في الأصل من ثلاثي النوكليوتيد مرتبط بحمض أميني (ب) الثلاثي ممدود إلى حلزون صغير ، ربما لأنه منح الاستقرار الهيكلي (C) استطالات أخرى للحلزون المصغر نتج عنها بنية الحمض الريبي النووي النقال الحديثة. تم تعيين هذا العمل في مرحلة كما في (ب). للحصول على تفاصيل حول الآليات الفعلية لتطور جزيء الحمض الريبي النووي النقال ، انظر [6].

أقترح أن وظيفة قديمة بديلة للأحماض الأمينية في عالم سابق من RNA كانت هي حصاد الطاقة. أقترح سيناريو يكون فيه الترميز مطلوبًا من أجل تنفيذ التحلل التقويضي للأحماض الأمينية ، والذي قد يكون نشأ بسهولة من التخصيصات العشوائية الأولية.

حجتي تأتي من ثلاث ملاحظات. أولاً ، يتم تقويض الأحماض الأمينية للحصول على الطاقة ، ويتم استخدام المستقلبات كسلائف للجزيئات الحيوية الأخرى ، وهو دور غالبًا ما يتم تجاهله بسبب الموقع البارز والمركزي للبروتينات في عملية التمثيل الغذائي. يشير هذا إلى أن الأحماض الأمينية كان من الممكن أن يكون لها في الأصل دور في الطاقة الحيوية ، وليس دور تحفيزي ، مع ظهور هذا الأخير لاحقًا. على وجه الخصوص ، بكتيريا الجنس المطثية من المعروف أنها تستخدم الأحماض الأمينية بشكل مباشر لحصاد الطاقة الأيضية. لا تستخدم بعض هذه اللاهوائية الملزمة الجلوكوز كمصدر للكربون ، ولكنها تخمر زوجًا من الجزيئات يعمل أحد الأحماض الأمينية كمانح للإلكترون ويعمل الآخر كمستقبل للإلكترون. رد الفعل العام ، يسمى التخمر العصي تطلق الطاقة التي تعمل على إنتاج ATP (الشكل 3). ركائز تفاعل Stickland هي أزواج محددة من الأحماض الأمينية. أي أن المواد المتفاعلة يجب أن تشتمل على حمض أميني واحد يمكن أن يتأكسد (عادةً ألانين ، فالين ، ليسين ، سيرين ، إيزولوسين أو ثريونين) ، وحمض أميني آخر يمكن تقليله (عادةً الجلايسين ، البرولين ، أو حمض الأسبارتيك ، انظر الجدول 1 ) [8 ، 9].

رد فعل Stickland. في الجنس المطثية، تخمير الأحماض الأمينية يتطلب خطوتين. (أ) نزع الأمين المؤكسد للحمض الأميني مع حالة الأكسدة الأعلى ينتج عنه α- حمض الكيتو والأمونيوم واثنين من البروتونات. على سبيل المثال ، إذا كان R.1 هي مجموعة الميثيل (-CH3) ، فإن الأحماض الأمينية المانحة هي ألانين ، ومنتج نزع الأمين المؤكسد سيكون البيروفات ، وهي مركبات مركزية لعملية التمثيل الغذائي الوسيط. (ب) يعلق الفوسفات غير العضوي عند طرف الكربوكسيل. يحل البروتون الثاني محل الراديكالي الأميني. ناتج هذا التفاعل هو أسيل فوسفات. على سبيل المثال عندما R2 هو هيدروجين (وبالتالي فإن الحمض الأميني المتقبل هو جلايسين) هذا المنتج يتوافق مع أسيتيل فوسفات. مركبا الفوسفات من A و B هما ركائز لتخليق ATP من ADP. بطبيعة الحال ، في كلوستريديوم النيابة. تحدث كل هذه التفاعلات بمساعدة هيدروجيناز (لمانحي الإلكترون) واختزال (لمستقبلات الإلكترون). يتم تحفيز تخليق ATP بواسطة كينازات. ومع ذلك ، في الأنظمة الكيميائية ذاتية التغذية ، فإن الأسيتيل الفوسفات هو بسهولة حامل الطاقة (انظر النص).

ثانيًا ، يتم إنتاج الأحماض الأمينية بسهولة في ظل العديد من السيناريوهات المحتملة للتوليف اللاأحيائي لبنات بناء الحياة. تستخدم تجربة ميلر الشهيرة [10] وتركيبات ميلر-أوري الأخرى [11-13] مصادر الطاقة لتوليد الأحماض الأمينية من الغازات. تستخدم نظرية "الحديد-الكبريت" الكيميائية الذاتية التغذية [14] ، والتي تتوافق مع ظروف الفتحات الحرارية المائية للمدخن الأسود (شديدة الحرارة وحمضية للغاية) ، القوة المختزلة للكبريتيدات ودرجات الحرارة المرتفعة لتكوين الجزيئات العضوية ، بما في ذلك الأميني. الأحماض ، عن طريق استرات ثيو. في الفتحات الحرارية المائية الدافئة والقلوية (المدخنون البيض) انخفاض مماثل في ثاني أكسيد الكربون2 بواسطة الكبريتيدات ، والتفاعلات التي تحدث مماثلة لمسار تكوين الأسيتات (Wood-Ljungdahl) ، حيث تؤدي فروع تثبيت النيتروجين إلى الأحماض الأمينية ، والتي بدورها تستخدم أيضًا كسلائف لتكوين النيوكليوتيدات [15].

في جميع السيناريوهات الثلاثة ، يتم تكوين العديد من "أزواج Stickland" بسهولة. على وجه الخصوص ، يمكن أن تشكل "أحماض ميلر الأمينية" [10] ذات أعلى إنتاجية (أساسًا الألانين والجليسين وحمض الأسبارتيك والفالين الشكل 4) أربعة أزواج من Stickland: ألانين + جلايسين ، ألانين + حمض الأسبارتيك ، فالين + جلايسين وفالين + حمض الأسبارتيك. وبالمثل ، في عالم الحديد والكبريت ، يتم تصنيع الجلايسين والسيرين وحمض الأسبارتيك بسهولة [16] ، حيث نجد أن الجلايسين + السيرين والجليسين + حمض الأسبارتيك هي أزواج تفاعلية من Stickland. أخيرًا ، إلى جانب الجلايسين والألانين ، تتشكل أيضًا أحماض الأسبارتيك والجلوتاميك في الفتحات الحرارية المائية القلوية [15] ، وتشكل أيضًا أزواج الألانين + الجلايسين والألانين + حمض الأسبارتيك وحمض الأسبارتيك + الألانين.

محصول الأحماض الأمينية في تجربة ميلر. يقاس العائد بـ ميكرومترتنتج منتجات مول من فوارة 336 ملمول من الميثان ، وهو ما يعادل إجمالي 1.55٪. البيانات من الجدول 1 من [13]. تمثل الأشرطة الرمادية والبيضاء الأحماض الأمينية التي هي مانحة للإلكترون ومتقبلات في تفاعل Stickland ، على التوالي. محور العائد هو مقياس لوغاريتمي.

الملاحظة الثالثة هي المضاد الحيوي الذي غالبًا ما يكون مكملًا للأحماض الأمينية التي تحتوي على أزواج Stickland مترافقة. هذا صحيح بشكل خاص بالنسبة للأحماض الأمينية "Miller" (وهي أبسط الأحماض) ، وينطبق أيضًا على anticodons التكميلية التي تتضمن أزواج G-U غير المتعارف عليها. العلاقة بين هذين الشكلين من التكملة (الأيضية أو تكملة Stickland ، ومكملات anticodon) ذات صلة لأنه في تطور المحولات الأولية ، لعبت مكملة الحمض النووي الريبي دورًا في تنويع مضادات الكودون [6 ، 17 ، 18].

تشير هذه الحقائق الثلاث المستقلة إلى أن تخمير الأحماض الأمينية كان من الممكن أن يلعب دورًا في إنشاء الشفرة الجينية. الغرض من هذه المقالة هو تطوير هذه الفكرة بمزيد من التفصيل ، لتوضيح الفرضية بطريقة قابلة للاختبار ، ولتحليل الآثار المترتبة على فهمنا الحالي لسياق التمثيل الغذائي المبكر والعوامل التي أسست الفرضية الترجمية. الات.

التولد التلقائي للأحماض الأمينية

في العشرينات من القرن الماضي ، اقترح أوبارين [19] وهلدان [20] أنه في ظل ظروف نقص الأكسجين ومع وجود مصادر طاقة مناسبة ، ستتشكل المادة العضوية تلقائيًا ، والتي ستكون أساس الأشكال الأولى للحياة. في وقت لاحق ، صنع ميلر [10] أحماض أمينية من مزيج من أربعة غازات أولية: الأمونيا (NH3) والميثان (CH4) ، ماء (H2O) وثاني أكسيد الكربون (CO2). يشكل هذا الخليط "جوًا اختزاليًا" ، مما يعني أن المركبات التي يتم تكوينها لديها إمكانية كبيرة للخضوع لتفاعلات الأكسدة والاختزال. تعتبر بعض المركبات مانحة جيدة للإلكترون ، مثل الأمونيا والميثان. ثاني أكسيد الكربون والأكسجين الجزيئي متقبلان قويان للإلكترون. يعد وجود مستقبلات الإلكترون أمرًا بالغ الأهمية بالنسبة للكائنات ، لأنها تسمح بأكسدة مصادر الكربون (مثل الجلوكوز) في الماء وثاني أكسيد الكربون ، ويتم استخدام ما يصاحب ذلك من إطلاق للطاقة الحرة لعمليات التمثيل الغذائي الحيوية. ومع ذلك ، يشير الفهم المعاصر إلى أن الميثان والأمونيا كانا غائبين عن الغلاف الجوي المبكر للهديان (منذ حوالي 4 مليارات سنة). بدلاً من ذلك ، يستخدم النيتروجين الجزيئي (N.2) وفيرة [21]. في هذا الجو "التقليل الضعيف" N2 هو مانح ضعيف للإلكترون ، مما يحد من تنوع وعائد المركبات التي يمكن تكوينها بشكل غير حيوي.

على أي حال ، فإن تطبيق الطاقة على هذه المخاليط المختزلة يصنع الأحماض الأمينية ذات الأهمية البيولوجية. هذا صحيح بالنسبة للعديد من المتغيرات لتجربة ميلر [11]. عادةً ما تعطي التجارب الشبيهة بميلر إنتاجية عالية نسبيًا من الجلايسين وحمض الأسبارتيك والألانين والفالين ، من بين أمور أخرى ، اعتمادًا على مصدر الطاقة والمزيج الأولي [11-13 ، 22]. يصور الشكل 4 الغلات النسبية للغلاف الجوي المختزل ، حيث يتم تصنيع بعض الأحماض الأمينية المهمة بسهولة.

ومع ذلك ، فإنه قابل للنقاش ، في ظل الظروف الجوية التي حدث فيها أصل الشفرة الجينية ، وبالتالي ما هي الأحماض الأمينية التي كانت ذات صلة بعملية التمثيل الغذائي المبكر. أحد الاحتمالات هو أن الكود الجيني تم إنشاؤه بعد نشأة الحياة مباشرةً ، في عالم ما قبل الحمض النووي الريبي في بيئة حساء البريبايوتيك ، في ظل جو مختزل بشكل ضعيف مع عوائد منخفضة من الجلايسين وحمض الأسبارتيك والألانين [11]. هذا احتمال غير محتمل لأن الأيض اللاأحيائي الذي يتضمن الأحماض النووية كان لا بد من وجوده. كما كانت الظروف الجيولوجية خلال هذه الفترة قاسية للغاية ، وتميزت بالنشاط البركاني المعادي ودرجات الحرارة المرتفعة. يُعتقد أن هذه الظروف معاكسة جدًا لإنشاء أشكال مبكرة من الحياة ، على الرغم من أنه ليس من الواضح ما إذا كان من الممكن أن تكون الأيضات ذاتية التغذية موجودة بالفعل. الاحتمال الآخر ، هو أن الكود الجيني قد تم إنشاؤه في عالم الرنا المتأخر ، بعد أن تغير الغلاف الجوي بالفعل ، ربما ليشمل الميثان والأمونيا المنتجين من استقلاب البروتوبيونات المولدة للميثان. هذا ، كما نفهمه ، حدث خلال العصر الأركي ، منذ حوالي 3.5 مليار سنة. هذا هو السيناريو الأكثر احتمالا لأنه في عملية التمثيل الغذائي الموجودة بالفعل ، سينتج رمز ناشئ من إعادة تنظيم العمليات القائمة. وبعبارة أخرى ، فإن التعديلات المسبقة التي كانت مطلوبة لإنشاء الكود الجيني تتوافق مع عمليات الأيض المبكرة.

لخص Wächtershäuser وأشار إلى عدة أسباب لعدم عمل "حساء البريبايوتك" لميلر كنموذج لتطور البريبايوتك [14]. على الرغم من أن هذه الأسباب قابلة للنقاش ، إلا أنه يجدر النظر في أن حساء البريبايوتيك قد لا يكون في الواقع السيناريو الأكثر ملاءمة. إحدى الحجج القوية هي أن تركيبة الغلاف الجوي البدائي [21] لن تتكون من الغازات اللازمة لتركيب الأحماض الأمينية البدائية ذات العائد الكافي. كبديل ، اقترح Wächtershäuser ما يسمى "البيتزا البدائية" [1 ، ص 32-33]. تفترض هذه النظرية أن تفاعلات البريبايوتك لا تحدث في المحلول ، ولكن على سطح البيريت ، المعادن الغنية بالحديد. يتم امتصاص الكاتيونات الحديدية (موجبة الشحنة) وأنيونات الكبريت (سالبة الشحنة) في سطح المعدن وتتفاعل لتكوين البيريت. رد الفعل هذا ، أي Fe 2+ + 2H2S → FeS2 + 4H + + 2e - يحرر إلكترونين وهو طارد للطاقة ، مما يجعل الطاقة متاحة بسهولة لحدوث تفاعلات كيميائية أخرى. من بين المسارات الكيميائية المحتملة ، يمكن أن تشكل التفاعلات السطحية أحماض أمينية. يمكن من حيث المبدأ تكوين معظم الأحماض الأمينية. ومع ذلك ، فإن الأحماض الأمينية الأولى التي سيتم تشكيلها على أسطح البيريت ، والتي ستكون أول من يتم تضمينها في الشفرة الوراثية القديمة ، من خلال ضمناً مبدئيًا ، هي حمض السيرين والأسبارتيك. يتم تقطيع السيرين على الفور لإنتاج الجلايسين [14]. في التوليفات التجريبية لنظرية Wächtershäuser ، تم الحصول بالفعل على بعض الأحماض الأمينية: الجلايسين ، والألانين والسيرين [16] ، والألانين ، وحمض الجلوتاميك ، والفينيل ألانين ، والتيروزين [23 ، 24].

سيناريو آخر كيميائي ذاتي التغذية يستحق المناقشة يحدث بالفعل في الفتحات الحرارية المائية القلوية [15]. يمكن القول أن هذا الإعداد يشتمل على نظرة شاملة لأصل استقلاب الطاقة. يعمل التركيب الجغرافي في قشرة الأرض على تقوية الثعابين: تتأكسد سيليكات المغنيسيوم والحديد بالماء وتنتج H2. يتم إطلاق هذا الهيدروجين الجزيئي لاحقًا في الفتحات الحرارية المائية ، حيث يتفاعل مع ثاني أكسيد الكربون2 وكبريتيد الحديد (FeS) ، مكونين ثيو استرات. هذه المركبات هي الأساس لتخليق العديد من المركبات والعوامل المساعدة ، وكذلك تقرن تنشيط الأسيتات بالفوسفات لإعطاء أسيتيل فوسفات ، والذي يمكن تحلله بالماء لينتهي به المطاف في الأسيتات (CH3COOH). كما هو الحال في سيناريو الحديد-الكبريت ، يمكن أن تحفز FeS أيضًا الأمينة المؤكسدة لـ α- أحماض كيتو ، وينتج عنها أحماض الألانين والجليسين والأسبارتيك والغلوتاميك. بشكل ملحوظ ، يمكن أيضًا تكوين البيورينات والبيريميدين من حمض الأسبارتيك والجليسين (وهو مسار يتضمن أسيل فوسفات) [25].

باختصار ، توفر هذه السيناريوهات المختلفة أطرًا سياقية تدعم تركيب الأحماض الأمينية. لا تزال مسألة إنتاج الأحماض الأمينية قائمة حتى لو كشفت هذه النظريات عن مسارات معقولة لـ من جديد تخليق الأحماض الأمينية ، أظهرت التقييمات التجريبية أن المحصول ضعيف إلى حد ما مقارنة بمتطلبات الكائنات الحية الحديثة. ولكن هل كان العائد اللاأحيائي المنخفض نسبيًا للأحماض الأمينية كافياً للحفاظ على البروتوبيونات بناءً على استقلاب الحمض النووي الريبي؟ تعتمد الإجابة على هذا السؤال بشدة على دور الأحماض الأمينية في الوقت الذي تم فيه إنشاء الشفرة الجينية.

رد فعل Stickland

يرتبط دور الأحماض الأمينية حتمًا بالطبيعة الهيكلية والحفازة للبروتينات. نظرًا لصغر حجمها ، سيكون من السخف اعتبار أن الأحماض الأمينية الحرة يمكن أن يكون لها دور هيكلي. ولكن بسبب خصائصها الفيزيائية والكيميائية ، يمكن للأحماض الأمينية الحرة المرتبطة بمهايئات الحمض النووي الريبي أن تساعد في التحفيز [7]. تجادل نظرية مقابض الإنزيم المساعد في الترميز (CCH) بأن الأحماض الأمينية كانت مرتبطة تساهميًا بثلاثي النيوكليوتيدات ، بطريقة تذكرنا بالعوامل المساعدة الأيضية ، مثل نيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد (NADH) أو ATP على سبيل المثال [7 ، 26]. كانت ثلاثي النوكليوتيدات بمثابة "مقابض" يتم من خلالها ربط الريبوزيمات غير التساهمية بالأحماض الأمينية. بهذه الطريقة ، يمكن إعادة استخدام الأحماض الأمينية للمساعدة في التحفيز [27]. أي ارتباط لا لبس فيه بين ثلاثة توائم وذخيرة الأحماض الأمينية من شأنه أن يضمن استخدام العوامل الحفازة الصحيحة لوظائف محددة. هذا يفترض أن مخزونًا متواضعًا من الأحماض الأمينية كان متاحًا بالفعل. إن تخليق معظم الأحماض الأمينية المهمة من الناحية التحفيزية معقد للغاية ، وعائدها اللاأحيائي ضئيل (باستثناء حمض الأسبارتيك) ، وهي حقيقة تؤجل بالضرورة الوظائف التحفيزية للأحماض الأمينية إلى مراحل تاريخية لاحقة.

دور أساسي آخر لعملية التمثيل الغذائي للبروتين والأحماض الأمينية هو التغذية. تتأكسد الأحماض الأمينية عبر دورة حمض الستريك وتتحول إلى يوريا (يتم التخلص منها) وبيروفات وأحماض كيتو أخرى لدورة حامض الستريك والتي تستخدم في تخليق مركبات أخرى. الأحماض الأمينية لها حالة أكسدة مماثلة لتلك الموجودة في الجلوكوز ، مما يشير إلى أنها يمكن أن تخضع للتخمير ، وفي الكائنات الحية الموجودة يعزز تحللها تخليق ATP.

هناك العديد من المسارات التقويضية لتدهور الأحماض الأمينية. من بين هذه ، تفاعل Stickland هو الأكثر فعالية ، عن طريق الجمع بين أكسدة حمض أميني مع اختزال آخر. تخضع الأحماض الأمينية المؤكسدة لعملية نزع الأمين بواسطة نازعات الهيدروجين من الأحماض الأمينية ، مما يؤدي إلى فقدان إلكترونين بالإضافة إلى بروتونيين [28-30] حمض الكيتو الناتج ثم يفقد كربونًا واحدًا إلى ثاني أكسيد الكربون2، ويؤدي إلى تخليق ATP عن طريق الفسفرة على مستوى الركيزة (الشكل 3 أ) [9 ، 29-31]. يقترن هذا التفاعل بعد ذلك بـ "الفرع الاختزالي" عن طريق نقل الإلكترونات والبروتونات إلى الأحماض الأمينية الأخرى ، والتي تخضع لنزع الأمين الاختزالي ، محفزًا بواسطة اختزال [32-35]. يحتوي حمض الكيتو المخفض على نفس عدد الكربون مثل الأحماض الأمينية المستقبلة. عادة ، لا يؤدي الفرع الاختزالي إلى ATP (ما لم تكن كلا الركيزتين جليكاين) ، (الشكل 3 ب) [36].

يختلف المقدار الإجمالي للطاقة الحرة وفقًا للزوج المحدد من الأحماض الأمينية التي تخضع للتخمير ، وقياس العناصر المتكافئة للتفاعل. على سبيل المثال ، يؤدي تخمير أربع مولات من الجلايسين إلى 3 مولات من ATP تخمير الجلايسين والألانين (بنسبة متكافئة 3: 1 مول) يؤدي إلى 1.7 مول من ATP. كلاهما ينتج عنه إنتاجية أقل من تخمير 2 مول من الجلوكوز ، مما يؤدي إلى 5 مولات من ثلاثي فوسفات الأدينوسين ، ولكنه لا يزال فعالاً عند مقارنته مع ناتج تخمير الكربوهيدرات الأخرى (على سبيل المثال ، 3 مولات من اللاكتات تعطي ناتجًا قدره 2.3 مول من ATP) [ [36 ، 37] ، الفصل. 12].

العائد النشط هو في الواقع كافٍ للحفاظ على الكائنات الحية التي تستخدم الأحماض الأمينية حصريًا كمصادر للطاقة. المثال الأكثر إقناعًا هو الجنس المطثية الذي يتألف من بكتيريا كيميائية التغذية ، اللاهوائية ، [38]. الأنواع المختلفة قد تستخدم أو يجب أن تستخدم الأحماض الأمينية كمصدر للكربون [9 ، 30 ، 35 ، 39 ، 40]. لكن الجنس المطثية ليست مجموعة أحادية النمط [40 ، 41] ، مما يشير إلى أن تفاعل Stickland قد يكون له أصول مستقلة (احتمال غير محتمل بسبب تشابه تسلسل نازعات الهيدروجين واختزاله [32]) ، أو فقد في أجناس أخرى ، أو تم الحصول عليه عن طريق النقل الجانبي. من بين الأنواع نجد المحبة للحرارة والقلوية ، وبعضها مرتبط بفتحات حرارية مائية [37 ، 38 ، 40 ، 42 ، 43]. هذا بالكاد يضع مسارات تفاعل Stickland الموجودة في فرع أسلاف عميق لشجرة الحياة ، ولكن من الممكن تصور أن الإصدارات المماثلة ، إن لم تكن متوارثة ، من مسارات تفاعل Stickland لم تكن موجودة فقط قبل إنشاء الكود ، ولكن كان من الممكن أيضًا أن تلعب دورًا دور في إنشاء الكود ، قبل تنفيذ الدور التحفيزي وتطور الترجمة.

تطور المحولات

مشكلة استخدام الأحماض الأمينية ليست سوى جانب واحد من العملة. الجانب الآخر هو كيف تم تخصيص الأحماض الأمينية لترميز ثلاثة توائم. حتى لو تم اعتبار دور الأحماض الأمينية أمرًا مفروغًا منه ، كما هو الحال مع CCH أو تخمر Stickland ، يبقى السؤال حول العوامل التي تحدد مثل هذه التخصيصات. على أي حال ، يمكن الافتراض أنه في مرحلة ما تضمنت المهمة رابطة تساهمية بين الأحماض الأمينية والمحولات الأولية. لقد نوقش ما إذا كانت المقابض تتكون من أكواد قديمة أو أنتيكودونات [5 ، 26] ، لكن الارتباطات الكيميائية الفراغية تفضل فكرة أن هذه كانت مضادات الكودونات [5 ، 6]. استطاعت هذه المقابض الإنزيمية لاحقًا لتشكيل حلزونات صغيرة. يمكن أن تمنح الهياكل الحلزونية الاستقرار الهيكلي للمحولات الأولية (سلائف الحمض النووي الريبي) ، ربما لوظائف الترميز. تفترض الأفكار المقدمة في هذه المقالة مرحلة حلزونية مصغرة للمحولات الأولية. تطورت الحلزونات المصغرة في النهاية عن طريق الازدواج المتتالي والمتكرر لتشكيل المحولات الحديثة ببنيتها الورقية البرسيمية ، الحمض الريبي النووي النقال (الشكل 2 ، [6]). تأسست هذه الفكرة في آلية مقترحة مؤخرًا. يجادل بأن سلف المحولات كان جينًا متناظرًا بدائيًا يتكون من 11 نيوكليوتيد. سيتكون دبوس الشعر الصغير هذا من تسلسلين كتلتين: ثلاثة تكويد ترميز (CCH ، على سبيل المثال ، GCC) ، وعلامة تكرار (شيء مثل تسلسل المروج) مع تسلسل 5'-DCCA-3 '(حيث يكون D إما A أو حرف U). إذا تم ربط ثلاثي الترميز المسبق بين العلامة والتسلسل التكميلي للعلامة ، يتم تشكيل دبوس صغير من 11 نيوكليوتيد: UGGDGCCdCCA (حيث تشير d إلى تكملة D). الآن ، تعد العلامة زائد ثلاثي (7 نيوكليوتيدات) مكملة لكتلة 11 نيوكليوتيد ، ويمكن ربطها في أحد نهاياتها وتشكيل 18 نيوكليوتيد دبوس شعر. إذا تم تكرار هذا النمط ، فيمكن بناء الجزيء الطويل البالغ 76 نيوكليوتيد ، الحمض الريبي النووي النقال ، [6]. والجدير بالذكر أنه في كل تكرار لآلية الاستطالة والازدواج هذه ، يتطور جزيئان من المحولات الأولية معًا (واحد في كل خيط) ، مما يدعم الفرضية طويلة الأمد القائلة بأن الأحماض الأمينية قد تم تضمينها في الكود في أزواج [6 ، 18 ، 44 - 47].

نظرًا لأن دبوس الشعر له تسلسل تكميلي في كلا الخيطين ، فإن زوجًا من المحولات الأولية مع anticodons التكميلية مكملان تمامًا.علاوة على ذلك ، يجب أن يكون هذا الحلزون المزدوج للحمض النووي الريبي متماثلًا (انظر الشكل 5). اللافت للنظر هو أن الأزواج الحديثة من الحمض النووي الريبي مع مضادات الكودونات التكميلية مكملة أيضًا في متواليات محددات الأحماض الأمينية في الجذع [6 ، 18 ، 45 ، 46]. يشير هذا إلى أن التسلسلات الموجودة في الجذع يجب أن تتوافق مع سلائف مضاد الكودون. يكون هذا الارتباط أقوى عندما يُسمح بالزوج غير المتعارف عليه G-U في الحلزونات [45 ، 48 ، 49]. المعنى الضمني ، كما هو مفصل أدناه ، هو أن تكرار الكود يمكن تفسيره من حيث التطور المشترك لسلائف anticodon [18 ، 45 ، 46]. أولاً ، من المفترض أن المحولات الأولية ذات الأكوام المضادة التكميلية عند التكرار ، تشكل حلزونات وسيطة مزدوجة تقطعت بهم السبل. أنتجت مُضاعفات الحمض النووي الريبي منخفضة الدقة مضادات أكودونات غير محددة ، ربما عن طريق الطفرات ، ولكن بشكل أساسي عن طريق استخدام الاقتران G-U [6]. ثانيًا ، تم تخصيص هذه الكودونات غير المعينة للأحماض الأمينية الجديدة بينما تم تخصيص مكملاتها ، التي تشبه المحول الأولي الأصلي ، إلى الأحماض الأمينية الأصلية [18 ، 45]. لنأخذ على سبيل المثال GCC ، وهو مضاد للشيخوخة مخصص للجليسين. يمكن أن ينتج هذا الكودون ثلاثيًا غير مخصص في البداية عن طريق تكرار القالب: GGU. هذا الأخير ، من خلال مطابقة Watson-Crick المناسبة ، ينتج ACC ، وهو مضاد آخر للجليسين. ثم تم تعيين المضاد الوسيط GGU لحمض أميني جديد (في هذه الحالة ، ثريونين). يمكن أن تمتد هذه الآلية لتشمل مضادات الكودونات الأخرى ، وتشرح بخس شديد دمج العديد من الأحماض الأمينية في أزواج ، على الرغم من أنها لا تفسر سبب تخصيص أزواج محددة (على سبيل المثال ، الجلايسين والثريونين) لزوج مضادات الأكودون ACC و GGU.

الجين المتناظر البدائي. يمكن أن تتكشف حلزونان مصغران لهما أضداد أكودونات تكميلية ولكنهما متماثلان ، ويتحولان إلى ديمر لتشكيل حلزون مزدوج من الحمض النووي الريبي. هذا الحلزون المزدوج هو متماثل.


مناقشة

قدمنا ​​نموذج MTSplice الذي يتنبأ كميًا بآثار المتغيرات الجينية البشرية على ربط الحمض النووي الريبي في 56 نسجًا. يحتوي MTSplice على مكونين. مكون واحد ، MMSplice ، نماذج متواليات تنظيمية التضفير التأسيسي. المكون الآخر ، TSplice ، نماذج متواليات تنظيمية للربط الخاص بالأنسجة. يتفوق النموذج المدمج MTSplice في الأداء على MMSplice في التنبؤ بالاختلافات الخاصة بالأنسجة في النسبة المئوية المرتبطة بالمتغيرات الجينية التي تحدث بشكل طبيعي في معظم أنسجة مجموعة بيانات GTEx. بتطبيق MTSplice على طفرات دي نوفو من العائلات البسيطة لاضطراب طيف التوحد [55] ، وجدنا عبئًا أكبر بكثير لمجموعة proband مقارنة بالأشقاء الضابطين ، خاصة في أنسجة المخ. تشير هذه النتائج إلى أنه يمكن تطبيق MTSplice لتسجيل المتغيرات ذات الدور الممرض الخاص بالأنسجة.

أشارت العديد من الأدلة إلى أن نموذجنا كان أفضل أداء لأنسجة المخ. قد يعكس هذا حقيقة أن أنسجة المخ ممثلة بشكل جيد في GTEx ولكن أيضًا أن التضفير البديل الخاص بالأنسجة يكون قويًا بشكل خاص في أنسجة المخ ، مما يعطي مزيدًا من التسلسلات المفيدة للتدريب عليها. دعمًا لذلك ، كشف تفسير النموذج أن عناصر التسلسل المعروفة بأنها مرتبطة بعوامل الربط الخاصة بالدماغ ساهمت في تنبؤات TSplice. بالنسبة للأنسجة الأخرى ، كانت التحسينات أكثر اعتدالًا لكنها متسقة. أحد الأنسجة الاستثنائية هي الخصية ، حيث لا تزال MMSplice لديها أفضل بكثير من RMSE من MTSplice لتنبؤات التأثير المتغير. لم نتمكن من تبرير تلك الملاحظة. ربما ، قد يكون هذا بسبب حالة النسخ الفريدة للخصية والتي قد تؤثر على التضفير بطريقة فشل النموذج في التعلم [57].

تم تدريب مكون TSplice من التضفير البديل الخاص بالأنسجة الذي لوحظ في مجموعة بيانات ASCOT. هذا النهج له حدان رئيسيان. أولاً ، يظهر فقط أقل من عشرة آلاف exons تضفيرًا بديلًا خاصًا بالأنسجة في مجموعة بيانات ASCOT. يحظر هذا القدر من البيانات تدريب نماذج أكثر تعقيدًا. في المقابل ، تم تدريب MMSplice باستخدام أكثر من مليوني تسلسل من مقايسة مراسل متوازية على نطاق واسع وأكثر من نصف مليون موقع لصق يحدث بشكل طبيعي. للتغلب على هذا القيد ، يمكن للمرء الاستفادة من البيانات التكميلية خاصة التعبير الخاص بالأنسجة عن بروتينات ربط الحمض النووي الريبي المرتبطة بالربط (RBPs) جنبًا إلى جنب مع ملفات تعريف ارتباط RBP على مستوى النسخ [58]. قدم Jha et al مثالاً على نهج التعلم بالنقل في هذا السياق. [59] ، الذي أظهر فوائد دمج بيانات CLIP-Seq للتنبؤ بالربط. القيد الثاني هو أن مجموعة بيانات ASCOT هي مجموعة بيانات رصد. قد تتعلم النماذج المدربة من بيانات الرصد مع التسلسل الجيني ميزات التسلسل المترابطة ولكنها ليست سببية ، مما يمنع النماذج من التنبؤ بشكل صحيح بتأثير المتغيرات الجينية. قد يؤدي هذا إلى أداء تنبئي محدود لنموذجنا الحالي.

تتمثل إحدى طرق التغلب على مشكلة بيانات المراقبة في إجراء فحوصات مراسل متوازية على نطاق واسع (MPRA) لأنواع مختلفة من الخلايا. تم إجراء MPRA للربط البشري في خلايا HEK293 [26 ، 28 ، 60-62] ، خلايا K562 [63 ، 64] ، خلايا HepG2 [63] ، وخلايا HELA و MCF7 [65]. توفر هذه البيانات موارد قوية لتدريب النماذج المعقدة على التضفير ، لكن تنوع الأنسجة ونوع الخلية لا يزال غير موجود. ستكون بيانات MPRA الخاصة بالأنسجة أيضًا ذات أهمية قصوى لنماذج القياس. هنا كان علينا الاعتماد على المتغيرات التي تحدث بشكل طبيعي في GTEx لقياس الأداء. يمكن أن يكون تغيير التضفير الخاص بالأنسجة نتيجة للاختلاف الجيني الذي يؤثر إما على (1) العناصر التنظيمية التأسيسية للربط من exons الخاصة بالأنسجة أو (2) العناصر التنظيمية الخاصة بالربط بين الأنسجة. كان عدد قليل جدًا من متغيرات GTEx من الفئة الأخيرة. ومن ثم ، فإن متوسط ​​اختلافات الخطأ التربيعي في GTEx بين MTSplice و MMSplice يمكن أن تكون خفيفة جدًا فقط. لم تجد تجربة MPRA السابقة ذات الخطين الخلويين تأثيرات متغيرة خاصة بالأنسجة بين خلايا K562 و HepG2 [63] ، ربما أيضًا لأن المتغيرات التي تم اختبارها تم اختيارها عشوائيًا. ومع ذلك ، يمكن أن تقوم MPRA المصممة بتصميم أشكال مختلفة من العناصر التنظيمية للربط الخاص بالأنسجة باستخدام المعرفة السابقة من أجل التحقيق بشكل أعمق في تأثير المتغيرات على تنظيم التضفير الخاص بالأنسجة. لذلك ، يمكن أن يكون توليد بيانات الاضطرابات الخاصة بنوع الخلية أو الأنسجة على نطاق واسع مفيدًا للتحقيق في العناصر التنظيمية الخاصة بالأنسجة ويمكن أن ينتج عنه معايير أكثر حساسية للنماذج التنبؤية. بخلاف التحسين في جانب بيانات التدريب ، قد تكون النماذج المستقبلية قادرة على تصميم بنية أفضل وتقنيات زيادة البيانات لزيادة تحسين الأداء. أخيرًا ، نظرًا لأن نهج التنبؤ بالتأثيرات المتغيرة الخاصة بالأنسجة من خلال الجمع بين MMSplice ونموذج التنبؤ على مستوى التضفير للأنسجة هو نهج عام ، فإن أي نموذج يُخرج سجلًا خاصًا بالأنسجة (Ψه ، ر) يمكن أن تحل محل TSplice ويمكن دمجه مع MMSplice للتنبؤ بتأثير متغير خاص بالأنسجة على الربط.


قراءة كتاب الحياة: نظرة عامة على القانون الجيني لحياة الإنسان من قبل العلماء

في إنجاز يمثل ذروة المعرفة الذاتية للإنسان ، قالت مجموعتان متنافستان من العلماء اليوم إنهما فكتا رموز النص الوراثي ، مجموعة التعليمات التي تحدد الكائن البشري.

& # x27 & # x27 اليوم نتعلم اللغة التي خلق الله بها الحياة ، & # x27 & # x27 قال الرئيس كلينتون في حفل بالبيت الأبيض حضره أعضاء الفريقين ، الدكتور جيمس د. الحمض النووي ، وعبر القمر الصناعي ، رئيس الوزراء البريطاني توني بلير. [مقتطفات ، الصفحة D8.]

أشاد الفريقان وقادة # x27 ، الدكتور جيه كريج فنتر ، رئيس سيليرا جينومكس ، والدكتور فرانسيس إس كولينز ، مدير المعهد القومي لبحوث الجينوم البشري ، بإسهامات بعضهم البعض وأشاروا إلى روح التعاون من الآن فصاعدًا ، على الرغم من أن المجهودين سيظلان مستقلين تمامًا.

يتكون الجينوم البشري ، وهو النص القديم الذي تم فك شفرته الآن ، من مجموعتين من 23 جزيءًا من جزيئات الحمض النووي العملاقة ، أو الكروموسومات ، مع كل مجموعة - واحدة موروثة من كل والد - تحتوي على أكثر من ثلاثة مليارات وحدة كيميائية.

يشهد فك التشفير الناجح لهذا الأرشيف الجيني الواسع على الوتيرة غير العادية للتقدم في علم الأحياء منذ عام 1953 ، عندما تم اكتشاف بنية الحمض النووي لأول مرة وينذر بعصر من التقدم السريع.

من المتوقع أن يؤدي فهم الجينوم البشري إلى إحداث ثورة في ممارسة الطب. يتوقع علماء الأحياء في الوقت المناسب تطوير مجموعة من التشخيصات والعلاجات بناءً عليها ومصممة خصيصًا للمرضى الفرديين ، والتي سيستغل بعضها آليات إصلاح الذات في الجسم.

يمكن أيضًا استخدام المعرفة في الجينوم بطرق ضارة ، لا سيما في الكشف عن المرضى & # x27 ميول للمرض إذا لم يتم حماية خصوصيتهم ، وفي التسبب في التمييز.

الإعلان المشترك هو نوع من زواج البندقية لأن نسخة الجينوم البشري لم تكتمل ، ولا يتفقان على حجم الجينوم & # x27s. لم يقم أي منهما بتسلسل - بمعنى تحديد ترتيب الوحدات الفرعية الكيميائية - الحمض النووي لبعض المناطق الهيكلية القصيرة من الجينوم ، والتي لا يمكن تحليلها بعد.

مع بقية الجينوم ، الذي يحتوي على الجينات البشرية وأشياء أخرى كثيرة ، يحتوي كلا الجانبين & # x27 على العديد من الفجوات الصغيرة ، على الرغم من أنه يعتقد أنها تحتوي على القليل من الجينات أو لا تحتوي على جينات. تعد إصدارات اليوم & # x27s تمثيلات كاملة فعالة للجينوم ولكنها تترك الكثير من العمل الذي يتعين القيام به.

تختلف المجموعتان حتى في حجم جزء الترميز الجيني من الجينوم. تقول سيليرا إن 3.12 مليار حرف من الحمض النووي للتحالف العام هو 3.15 مليار وحدة ، بفارق حرف 30 مليون. لا يمكن لأي جانب حتى الآن وصف الحجم الكامل للجينوم أو تحديد عدد الجينات البشرية.

وقد تخلف الاتحاد العام أيضًا إلى حد ما عن تحقيق هدفه المتمثل في تحقيق مسودة عمل يتم فيها تحديد تسلسل 90 في المائة من الجزء المحتوي على الجين من الجينوم. وصلت نسختها اليوم إلى 85 في المائة فقط ، مما يشير إلى أنها كانت تسير إلى جدول سيليرا & # x27s.

أعلن إعلان اليوم & # x27s هدنة غير متوقعة بين مجموعتي العلماء الذين كانوا يتسابقون لإنهاء الجينوم. بعيدًا عن احتمال تأكيد مزاعم النصر المتنافسة ، اختار الاثنان الإبلاغ في وقت واحد عن تحقيقهما للمعالم المختلفة في سعيهما.

حصلت Celera ، وهي وحدة تابعة لشركة PE Corporation ، على 3.12 مليار حرف من حروف الجينوم في شكل تسلسلات طويلة مستمرة ، معظمها حوالي مليوني حرف لكل منها ، ولكن مع العديد من الفجوات الصغيرة.

تم الإبلاغ عن نسخة أقل اكتمالًا من قبل مشروع الجينوم البشري ، وهو اتحاد من المراكز الأكاديمية مدعوم إلى حد كبير من المعاهد الوطنية للصحة و Wellcome Trust ، وهي مؤسسة خيرية طبية في لندن. قال الدكتور كولينز ، قائد الكونسورتيوم & # x27s ، إن علماءه قاموا بترتيب 85 في المائة من الجينوم في مسودة عمل & # x27 & # x27 ، مما يعني أنه سيتم ترقية دقته لاحقًا.

يلبي كلا الإصدارين من الجينوم البشري الهدف المهم المتمثل في السماح للعلماء بالبحث عن الجينات المرغوبة ، التعليمات الجينية المشفرة في الحمض النووي. بيانات الجينوم Consortium & # x27s متاحة الآن مجانًا. قالت سيليرا إنها ستجعل نسخة من تسلسل الجينوم الخاص بها متاحة مجانًا في وقت لاحق.

في ملاحظاتهما في البيت الأبيض ، سعى كل من الدكتور كولينز والدكتور فنتر إلى التقاط المعنى الأوسع لعملهما في تحديد التدفق اللامع للعين A & # x27s و G & # x27s و C & # x27s و T & # x27s ، أحرف في الجينوم & # x27s كود أربعة أحرف.

& # x27 & # x27 قال الدكتور كولينز لقد اكتشفنا اللمحات الأولى من كتاب التعليمات الخاص بنا ، والذي كان معروفًا من قبل فقط لله ، & # x27 & # x27. تحدث الدكتور فينتر عن اقتناعه برؤية أشخاص يموتون في فيتنام ، حيث عمل طبيباً ، بأن الروح البشرية تجاوزت علم وظائف الأعضاء الذي يتحكم فيه الجينوم.

تم الحصول على نسختين من الجينوم من خلال الجهود الهائلة التي بذلها كل جانب ، بما في ذلك الإدارة الماهرة لفرق العلماء الذين يعملون على مدار الساعة على حدود تكنولوجية جديدة.

كان الدافع وراء جهودهم هو الإغراء المتلألئ للجينوم كجائزة علمية ، والتنافس الذي تغذيه الاختلافات الشخصية والأجندات المتضاربة.

الدكتور فينتر ، رائد علم الجينوم الذي تعرضت أساليبه المبتكرة في بعض الأحيان للازدراء من قبل خبراء في معسكر الاتحاد ، غالبًا ما يصور نفسه ، وليس بدون سبب ، على أنه دخيل يقاتل مؤسسة معادية.

كان علماء الكونسورتيوم في منتصف الطريق من خلال برنامج ناجح مدته 15 عامًا لإكمال الجينوم البشري بحلول عام 2005 ، عندما أعلن الدكتور فنتر في مايو 1998 أنه كرئيس لشركة جديدة ، أطلق عليها لاحقًا اسم سيليرا ، سيحقق هدفهم لمدة 5 سنوات. .

تحول دخوله المفاجئ إلى سعيه الأكاديمي إلى سباق شرس. استجاب الدكتور كولينز بتحريك تاريخ الانتهاء إلى عام 2003 وتحديد هذا الشهر كهدف لمسودة 90 بالمائة.

& # x27 & # x27 لقد سحب هؤلاء الأشخاص جميع نقاط التوقف ، & # x27 & # x27 قال عن موظفيه في مقابلة الأسبوع الماضي. & # x27 & # x27 لقد حققوا زيادة تفوق أي شيء كان يمكن تخيله. & # x27 & # x27

تقدر تكلفة مشروع الجينوم البشري لمدة 15 عامًا ، والذي بدأ في عام 1990 ، بمبلغ 3 مليارات دولار ، ولكنه يتضمن العديد من النفقات العرضية. أنفق الكونسورتيوم 300 مليون دولار فقط على تسلسل الجينوم البشري منذ يناير 1999 ، عندما بدأت مرحلة الإنتاج الشامل. لم تفرج سيليرا عن تكاليفها ، لكن الدكتور فنتر قال قبل عام إنه يتوقع أن يتكلف الجينوم البشري لشركة Celera & # x27s ما بين 200 مليون دولار إلى 250 مليون دولار.

افتتح السباق بتنبؤات متبادلة بالهزيمة. توقع كبار العلماء في الكونسورتيوم في ديسمبر 1998 أن طريقة الدكتور فنتر لإعادة تجميع الأجزاء المتسلسلة من الحمض النووي الجينومي محكوم عليها بالفشل. في مايو 1999 ، لاحظ الدكتور فنتر ، الواثق من نجاح Celera & # x27s الوشيك ، أن المعاهد الوطنية للصحة و Wellcome Trust كانت & # x27 & # x27 تحصد أموالًا جيدة بعد السيئة. & # x27 & # x27

تم تقسيم المجموعات حسب الأجندات السياسية والفنية. أصر الكونسورتيوم والعلماء الرئيسيان ، الدكتور جون إي سولستون من مركز سانجر في إنجلترا والدكتور روبرت واترستون من جامعة واشنطن في سانت لويس ، على وجوب نشر بيانات الجينوم ليلاً ، وهي سياسة سخية بشكل غير عادي لأن العلماء عمومًا حصاد بيانات جديدة لاكتشافاتهم الخاصة قبل مشاركتها.

قام كل من القادة الإداريين في الكونسورتيوم ، الدكتور جيمس د. واتسون ، وخليفته ، الدكتور كولينز ، بالبحث عن شركاء دوليين حتى لا يشعر بقية العالم بأنهم مستبعدون من انتصار الجينوم. وهكذا على الرغم من أن المراكز في الولايات المتحدة وبريطانيا قد قامت بمعظم الرفع الثقيل ، فقد تم تقديم مساهمات مهمة في مسودة الجينوم في الاتحاد من قبل مراكز في ألمانيا وفرنسا واليابان والصين.

لقد شعر العلماء الأكاديميون ببعض الاستياء من أن مشروعًا إيثاريًا ومفتوحًا وناجحًا تقنيًا مثل مشروع الجينوم البشري يجب أن يتفوق عليه من قبل منافس تجاري تموله الشركة التي صنعت آلات تسلسل الحمض النووي.

ولكن على الرغم من أن سيليرا تسعى إلى الربح من خلال تشغيل قاعدة بيانات الجينوم ، إلا أن الدكتور فنتر يعتقد أيضًا أنه يمكن أن يجعل الجينوم وفوائده متاحين في وقت أقرب بكثير. لقد نجح في القيام بذلك ، وفي تحفيز الكونسورتيوم للتحرك بشكل أسرع.

تقدم الهدنة اليوم بين الفريقين العديد من المزايا. إن ادعاء سيليرا بالفوز على الكونسورتيوم من شأنه أن يخاطر بتنفير العملاء في المجتمع الأكاديمي. بالنسبة إلى الكونسورتيوم ، قد يبدو ضمان اختيار السحب الآن أفضل من مخاطر المطالبة بالنصر بجينوم كامل في وقت لاحق.

يعتمد إصدار الجينوم Celera & # x27s على بيانات الاتحاد & # x27s. ومن المحتمل أن يتم سد الفجوات الصغيرة العديدة في تسلسل Celera & # x27s من قبل علماء الاتحاد ، مما يضيف المزيد إلى مطالبهم بشأن الائتمان للمنتج النهائي.

الهدنة الحالية بين الجانبين تقتصر على إعلان اليوم والاتفاق على نشر تقاريرهما في نفس المجلة ، على الرغم من أن التفاصيل لا تزال بحاجة إلى العمل. ستعقد ورشة عمل مشتركة لمناقشة إصدارات الجينوم.

كانت نسخ الجينوم البشري التي أنتجها الفريقان في حالات مختلفة من الاكتمال بسبب الطرق المختلفة المستخدمة لتحديد ترتيب وحدات الحمض النووي في الجينوم.

اختار الكونسورتيوم أولاً تقسيم الجينوم إلى أجزاء كبيرة ، تسمى BAC & # x27s ، يبلغ طولها حوالي 150000 حرف DNA ، وتسلسل كل BAC على حدة. تتطلب إستراتيجية BAC by BAC أيضًا & # x27 & # x27mapping & # x27 & # x27 الجينوم ، أو تحديد تسلسل قصير من الحمض النووي الذي سيساعد في إظهار المكان الذي ينتمي إليه كل BAC في الكروموسوم الأصل ، جزيئات الحمض النووي العملاقة التي يتكون منها الجينوم.

يتم تجميع BAC & # x27s من آلاف قصاصات الحمض النووي ، يبلغ طول كل منها حوالي 500 حرف DNA. هذه هي أطول سلسلة أحرف DNA يمكن لآلات تسلسل الحمض النووي تحليلها. يقوم الكمبيوتر بتجميع المقتطفات من خلال البحث عن التطابقات في تسلسل الحمض النووي حيث يتداخل أحد المقتطفات مع الآخر.

لكن BAC & # x27s لا تتجمع بشكل نظيف من مقتطفات المكونات الخاصة بها. أحد الأسباب هو أن الحمض النووي البشري مليء بالتسلسلات المتكررة - نفس سلسلة الأحرف التي تتكرر مرارًا وتكرارًا - وهذه التكرارات تحير خوارزميات الكمبيوتر التي تم تعيينها لتجميع القطع.

المرحلة التي وصل إليها الكونسورتيوم الآن هي أن جميع BAC & # x27s تم تعيينها ، مما يجعل الجينوم بأكمله متاحًا في مجموعة متداخلة من ألغاز الصور المقطوعة الأصغر. لكن BAC & # x27s في مراحل متفاوتة من الإنجاز. إن BAC & # x27s التي تغطي أصغر كروموسومين بشريين ، العددين 21 و 22 ، مكتملة بشكل أساسي. لكن العديد من BAC & # x27s الأخرى في حالات تجميع أقل نقاء. يتكون العديد من قطع مجمعة لا يزيد طولها عن 10000 وحدة ، ولا يُعرف ترتيب هذه القطع داخل كل BAC.

يغطي مجموع القطع المجمعة في كل BAC الآن 85 بالمائة من الجينوم. مسودة العمل هذه ، كما يسميها الكونسورتيوم ، ربما ليست شيئًا من الجمال ولكنها ذات قيمة كبيرة للباحثين الباحثين عن الجينات وتمثل إنجازًا كبيرًا.

تم تجميع جينوم Celera & # x27s بطريقة مختلفة ، تسمى استراتيجية بندقية الجينوم الكاملة. باتباع مخطط اقترحه الدكتور يوجين مايرز والدكتور جيه إل ويبر ، تتخطى سيليرا مرحلة رسم الخرائط التي تستغرق وقتًا طويلاً وتقوم بتقسيم الجينوم بأكمله إلى مجموعة من الأجزاء يبلغ طولها 2000 و 10000 و 50000 حرف. يتم تحليل هذه الأجزاء بشكل منفصل ثم تجميعها في عملية تشغيل حاسوب عملاقة واحدة ، مع حفنة من الحيل الذكية لتخطي مناطق التسلسل المتكرر في الحمض النووي.

تطلب هذا النهج بشكل مثالي تسلسل 30 مليار وحدة من الحمض النووي - 10 أضعاف ذلك في جينوم واحد. يبدو أن الدكتور فنتر قد خاطر بشكل كبير ببدء تجميعه في نهاية شهر مارس من هذا العام عندما كان يمتلك تغطية ثلاثة أضعاف للجينوم. ومنذ ذلك الحين ، رفع إجمالي تغطيته إلى 4.6 أضعاف.

قد يكون القرار متأثرًا بمعدل الإنفاق الرأسمالي لشركة Celera & # x27s - تبلغ فاتورة الكهرباء للشركة وحدها 100000 دولار شهريًا - وبالحاجة إلى تسلسل جينوم الفأر بالإضافة إلى تقديم اثنين من الجينوم لعملاء قاعدة البيانات صفقة.من المتوقع أن يكون جينوم الفأر لا يقدر بثمن في تفسير الجينوم البشري ، وقال الدكتور فنتر اليوم أن سيليرا ستنتهي من تسلسله بحلول نهاية العام.

نظرًا لوجود القليل نسبيًا من البيانات الخاصة بها ، استفادت Celera من بيانات التسلسل المتاحة للجمهور من اتحاد & # x27s ، وبشكل غير مباشر ، من المعلومات الموضعية الواردة في مجموعة مجموعة BAC & # x27s المعينة من اتحاد & # x27s. يمكن للائتلاف أن يشارك بشكل مبرر في الفضل في إصدار Celera & # x27s من الجينوم ، وهو عامل مقنع آخر في منطق الهدنة اليوم.

سهم التكنولوجيا الحيوية صعود وهبوط

ارتفعت أسهم شركات التكنولوجيا الحيوية في وقت مبكر من يوم أمس بعد إعلان البيت الأبيض أن المسح الأول للجينوم البشري قد اكتمل ، لكن المستثمرين صرفوا بعض أرباحهم قبل انتهاء التداول ، مما تسبب في انخفاض العديد من المشكلات.

بلغت أسهم التكنولوجيا الحيوية ذروتها في مارس في موجة من المضاربة قبل أن تتراجع بشكل حاد. في الأسابيع الأخيرة ، قاموا مرة أخرى بنشر زيادات كبيرة تحسبا لإعلان الجينوم.

انخفضت وحدة Celera Genomics التابعة لشركة PE Corporation ، والتي شاركت في مشروع رسم الخرائط وكانت واحدة من أعلى المنشورات ، بقيمة 12.25 دولارًا أمريكيًا إلى 113 دولارًا أمريكيًا أمس. سجل سهم الشركة ، ومقرها روكفيل بولاية ميريلاند ، أعلى مستوى قياسي له عند 252 دولارًا للسهم في 25 فبراير. وعلى الرغم من أنه بعيد جدًا عن أعلى مستوى له ، إلا أن أسهم سيليرا لا تزال مرتفعة بنسبة 1400 بالمائة عن هذا الوقت من العام الماضي.


حول أصل الانحطاط في الشفرة الجينية

يعد انحطاط ترميز الأحماض الأمينية أحد أكثر الجوانب أهمية وإبهامًا في الشفرة الوراثية. تم تطوير نظريات مختلفة حول أصل الشفرة الجينية. ومع ذلك ، حتى الآن ، لا توجد فرضية شاملة حول الآلية التي قد تولد الانحطاط كما نلاحظه. هنا ، نقدم نظرية جديدة تشرح أصل الانحطاط القائم فقط على مبادئ التناظر. يسمح هذا النهج للمرء أن يصف بالضبط انحطاط الكود المبكر (سلف الشفرة الجينية لـ LUCA ، آخر سلف مشترك عالمي) الذي يُفترض أن يكون له نفس الانحطاط مثل الشفرة الوراثية للميتوكوندريا الحالية. تستند النظرية على كود tessera ، الذي يناسب كونه سلف الكود المبكر. علاوة على ذلك ، نصف بالتفصيل التحولات التطورية المحتملة التي تنطوي عليها نظريتنا. يتم دعم هذا النهج من خلال إطار رياضي موحد يفسر خصائص الانحطاط لكل من الشفرات الجينية النووية والميتوكوندريا. يوفر عملنا منظورًا جديدًا لفهم أصل الكود الجيني وأدوار مبادئ التناظر في تنظيم المعلومات الجينية.

1 المقدمة

يمكن النظر إلى الشفرات الجينية الموجودة على أنها رسم خرائط بين مجموعتين مختلفتين: 64 كودون mRNA ممكن و 20 حمضًا أمينيًا بالإضافة إلى إشارات التوقف اللازمة لتخليق البروتين. نظرًا لأن عدد العناصر الأساسية لمجموعة البداية من الكودونات (64) أكبر من عدد العناصر الأساسية لمجموعة الأحماض الأمينية القادمة (20 + 1) ، فإن التعيين يكون بالضرورة متدهورًا. بمعنى آخر ، يتم ترميز بعض الأحماض الأمينية بواسطة اثنين أو أكثر من الكودونات. الانحطاط هو مفهوم تم تقديمه أولاً في ميكانيكا الكم. يتدهور مستوى طاقة النظام الكمي إذا كان يتوافق مع حالتين أو أكثر من حالات الكم المختلفة بنفس الطاقة. يتم وصف الحالات الكمومية المتدهورة من خلال حلول مختلفة لمعادلة شرودنغر المرتبطة بتحويل التناظر أي أن الانحطاط الكمومي هو في الأساس نتيجة للتناظر. وبالتالي ، من الطبيعي أن نتساءل عما إذا كان انحلال الشفرة الجينية يمكن أن يكون مرتبطًا أيضًا بخصائص التناظر. على الرغم من طرح العديد من النظريات حول أصل الشفرة الجينية وترميز البروتين ، إلا أن أصل الانحطاط يظل مشكلة بعيدة المنال.

التناظر هو مبدأ ميتا يسود جميع فروع الفيزياء: من الميكانيكا الكلاسيكية إلى نظرية الكم ، من النسبية إلى فيزياء الجسيمات ، من المعروف أن مبادئ التناظر يتم استدعاؤها لشرح قوانين الحفظ. على سبيل المثال ، في الميكانيكا الكلاسيكية ، يرتبط الحفاظ على الطاقة بثبات هاميلتوني تحت الترجمة الزمنية أيضًا ، ويرتبط حفظ العزم الخطي والزاوي بثبات هاميلتوني في ظل الترجمات الفضائية ودورات الفضاء ، على التوالي. وفقًا للدور العالمي الذي تلعبه مبادئ التناظر في الفيزياء ، نعتقد أن هذا النهج يمكن أن يساهم في فهم بعض المشكلات البيولوجية المهمة التي لم يتم حلها.

تم تطوير عدة محاولات لوصف الشفرة الجينية من حيث خصائص التناظر ونظرية المجموعة [1-3]. لاحظ أن هذا النهج لم يتم قبوله دائمًا بشكل جيد من قبل علماء الأحياء ، ربما بسبب صعوبة تقديم تفسير بيولوجي للنماذج التي تلجأ إلى سلسلة غير محتملة من خطوات كسر التماثل في هذا الصدد ، نقد مادوكس [4] فيما يتعلق بهذه الجهود باعتبارها "ممارسة قيّمة في التصنيف" مطروحة بشكل جيد. ومع ذلك ، فإننا نجادل في أن التحليل القائم على خصائص التناظر أساسي لفهم أصل وبنية الشفرة الجينية. في هذا العمل ، نصف أصل الانحطاط باستخدام نهج جديد قائم على التناظر الذي يسمح بوصف كمي دقيق لبعض السمات الأساسية مثل توزيع الانحطاط. من بين الأعمال القليلة التي تتناول دراسة الانحطاط باستخدام خصائص التناظر [5-7]. لمزيد من الأعمال حول كسر التناظر والتناظر في الشفرة الجينية ، انظر من بين أمور أخرى [8-14].

لا يمكن إنكار أن الشكل الحالي للشفرة الجينية يرجع جزئيًا على الأقل إلى حوادث تاريخية. يمكننا أن نسأل أنفسنا: "إذا كانت الحياة على الأرض ستنشأ مرة أخرى ، فماذا سيكون هيكل جهاز تخليق البروتين (بافتراض أنه سيكون هناك واحد)؟ هل سيكون هناك رمز جيني عالمي ، يُظهر انحلالًا؟ '' على ما يبدو ، لا يمكن لأحد الإجابة على هذه الأسئلة ، لكن من المعقول افتراض بعض أوجه التشابه البنيوية مع الجهاز الموجود بسبب القيود التي تفرضها القوانين العالمية للكيمياء والفيزياء التي لا تزال قائمة. .

يمكن تصنيف النظريات المتعلقة بأصل الكود الجيني في خمس فئات مختلفة على الأقل. (1) الأصل الكيميائي المجسم: يعتمد على الفرضية القائلة بأن الكودونات (أو أيضًا الكودونات المضادة) يمكن أن ترتبط بشكل انتقائي بالأحماض الأمينية المخصصة عبر خصوصية كيميائية مجسمة [15 ، 16]. لاحظ أنه تم العثور على علاقة بين بعض الأحماض الأمينية والأبتاميرات التي تحتوي على أشكال الكودون / مضادات الكودون في [17] وهذا يجلب بعض الدعم لمثل هذه الفرضية. (2) نظرية التطور المشترك: تفترض أن تخصيص الكودون للأحماض الأمينية الجديدة يستمر من خلال وراثة جزء من مجموعة الكودون المتعلقة بالسلائف الأحماض الأمينية (الأحماض الأمينية التي تولد الأحماض الأمينية الجديدة عن طريق تعديل التخليق الحيوي) [18 ، 19] . انظر أيضًا [20] لمعرفة الترتيب الزمني للأحماض الأمينية. (3) الفرضية التكيفية: تفترض أن الضغط التطوري الرئيسي هو تقليل أخطاء الطفرات إلى أدنى حد ، علاوة على ذلك ، فإنها تعني أن الأحماض الأمينية المماثلة يتم ترميزها بواسطة أكواد مماثلة [21]. (4) الكود التشغيلي: يقترح رابطًا موروثًا بين الكود التشغيلي (الذي يحدد بشكل أساسي في المستقبِل التقارب مع الحمض الأميني المشابه) والشفرة الجينية (المنفذة مع الاقتران بين الكودون ومضاد كودون) [22-25] . (5) الحادث المجمد: يفترض أصلًا عشوائيًا لتخصيص الكودون للأحماض الأمينية وتطورًا متتاليًا بسبب ضغوط تطورية مختلفة ، حتى النقطة التي يصبح فيها أي تعديل آخر ضارًا (تحديد تجميد الكود) [16] . من اللافت للنظر أن أيا من الأساليب المذكورة أعلاه لا تركز على توزيع الانحطاط كميزة رئيسية. الانحلال هو نتيجة أكثر من كونه خاصية مرتبطة مباشرة بالأصل الفيزيائي والكيميائي للشفرة. نلاحظ استثناءين ، أي [5،7] ، ومع ذلك ، يشير الأخير إلى تفسير كيميائي حيوي لانحطاط الرموز الموجودة ، وبالتالي ، لا يرتبط ارتباطًا مباشرًا بتطور الكود

يمكن تقسيم المسار التطوري للشفرة الجينية إلى فترتين رئيسيتين ، أي الفترة القديمة ، من البداية إلى ظهور الكود الجيني الشامل لـ LUCA (آخر سلف مشترك عالمي) ، والفترة الحديثة ، من هذا الوراثة العالمية. رمز فصاعدا [26]. للاطلاع على مناقشة حديثة حول تعريف LUCA ، انظر [27]. وفقًا لـ [7] ، يمكن تقسيم الفترة القديمة إلى مزيد من التقسيم من خلال تضمين فترة ثالثة ، وسيطة ، تقع مباشرة قبل مقارنة الشفرة الجينية لـ LUCA. في هذه المرحلة ، خضع الكود لنوع من التحسين من خلال تطوير تعديلات ما بعد النسخ في القاعدة الأولى من anticodons. في [7] ، تم اقتراح وصف لتعديلات ما بعد النسخ التي تميز الشفرة الجينية لـ LUCA. فيما يتعلق بالرموز الموجودة ، في [5] يتم تقديم تفسير كيميائي حيوي لفرضية التمايل من خلال دراسة استقرار الحرف الثاني من المضاد في مركز الريبوسوم. لاحظ أنه في كل من [5] و [7] يمثل انتظام الشفرة الجينية المعروفة باسم تحول رومر جانبًا رئيسيًا. إنه تناظر عالمي للشفرة الجينية اكتشفه الفيزيائي النظري ي. رومر في الستينيات [29]. 1 وتجدر الإشارة إلى أن تناظر رومر يمكن وصفه بالضبط بأنه فئة ثنائية النواة من حيث الخصائص الكيميائية للنيوكليوتيدات الأولين لكودون [31–33].

في نهجنا ، نعيد العلاقة الأساسية بين التناظر والانحلال إلى الفترة التطورية القديمة للشفرة الجينية. لتحقيق هذا الهدف ، قمنا بتطوير نموذج للسلف المفترض للرمز الجيني لـ LUCA. في الأدبيات ، هناك بعض الاتفاق حول حقيقة أن توزيع الانحطاط لهذا الكود الجيني للسلف يجب أن يتطابق مع توزيع الشفرة الوراثية للميتوكوندريا الحالية للفقاريات [7،34]. في رأينا ، يجب أن يمتلك النموذج المرضي للشفرة المبكرة: (1) الوصف الكمي الدقيق لتوزيع الانحطاط و (2) تناظر Rumer الأساسي الذي ورثته LUCA والرموز اللاحقة. نحن نبني نموذجًا يلبي هذين المعيارين ، بناءً على التناظرات المجسمة الكيميائية للجزيئات الكيميائية القديمة ونظيرتها المعلوماتية كتسلسل من النيوكليوتيدات.

في الجزء الأول من العمل ، نصف بالتفصيل النموذج. من المثير للدهشة أن المعيار الأول المذكور أعلاه لا يمكن استيفائه إلا إذا أخذنا في الاعتبار مجموعة خاصة من 64 كودونًا رباعي القاعدة ، أي tesserae (من اليونانية tessera = أربعة) ، ومجموعة من المحولات المتماثلة القديمة [35] مع أضداد الكودونات من نفس الطول. الحل الذي يقدمه النموذج فريد من نوعه ووصف انحطاط الشفرة المبكرة يعني استخدام أكواد بطول أربعة. هذا يؤهل كود tessera باعتباره سلفًا مفترضًا للشفرة الجينية المبكرة ، أي الشفرة الجينية السابقة المبكرة. يتوافق هذا مع الفرضية القائلة بأن الشفرة نشأت برموز أطول من ثلاثة نيوكليوتيدات [36]. نخصص الجزء الثاني من العمل لتحليل معقولية التحولات التطورية التي ينطوي عليها النموذج.

2. التماثل والانحطاط

لإظهار العلاقة بين الانحلال والتناظر ، ضع في اعتبارك محولات الحمض الريبي النووي الريبي الافتراضية القابلة للانعكاس والتي تتبع قاعدة الاقتران التي تشبه Watson-Crick (لا يوجد وضع متذبذب) انظر الشكل 1. لاحظ أننا نطلب فقط أن يتم التعرف على tesserae- antitesserae عن طريق الاقتران التكميلي . في هذا الصدد ، ليس من الضروري أن يكون الارتباط الكيميائي باتسون-كريك بشكل صارم. في الواقع ، في الأشكال الحالية من mRNA و tRNA ، لا تسمح أزواج Watson-Crick بالتعرف على الكودونات في الاتجاه العكسي. ومع ذلك ، في أوقات ما قبل LUCA ، كان من الممكن أن تسمح الجزيئات القديمة التماثلية بالاعتراف ثنائي الاتجاه. على سبيل المثال ، تم اقتراح أن المادة الجينية الأولى تستخدم عمودًا فقريًا أبسط من الريبوز [37]. بالنسبة لمثل هذه الجزيئات ، ربما لا يكون اتجاه حبلا الاقتران مقيدًا كما هو الحال في جزيئات DNA / RNA الفعلية. في [38] ، تم اقتراح أن الأحماض النووية حيث تم استبدال R-ribose بـ L-ribose قد يتم تهجينها مع DNA الطبيعي و RNA وتبني شكل A متوازي تقطعت بهم السبل. في الكائنات الحية الموجودة ، يمكن أن تتبنى متواليات نوكليوتيد معينة اتجاهًا موازيًا يتضمن الاقتران الأساسي غير المتعارف عليه. على وجه الخصوص ، تم العثور على مناطق ذات توجه متوازي في البكتيريا (الإشريكية القولونية, ليستيريا إنوكوا) وجينومات الحشرات (ذبابة الفاكهة سوداء البطن) يفترض أن مثل هذه الهياكل غير العادية لها دور تطوري ملحوظ ، ولها تأثير كبير على العمليات البيولوجية [39].

الشكل 1. تمثيل تخطيطي لفك التشفير من خلال محولات الحمض الريبي النووي النقال العكسية البدائية التي يمكنها قراءة الكودونات في كلا الاتجاهين. يمكن إقران الحمض الريبي النووي النقال مع anticodon AUA (يسار) فقط مع codon UAU ، بينما يمكن إقران tRNA مع anticodon AUC (يمين) مع الكودونات GAU و UAG. ومن ثم ، فإن الأحماض الأمينية أأ 1 يحمله الحمض الريبي النووي النقال الأول انحلال 1 والذي يحمله الحمض الريبي النووي النقال الثاني (aa 2) سيتعرض للانحطاط 2. (نسخة إلكترونية ملونة.)

هناك حقيقة أخرى تدعم فرضية "التعرف العكسي" وهي أن الكودون ورمزه العكسي يرمز دائمًا للأحماض الأمينية المماثلة [40] ، وفي [6] تم اقتراح هذا كنوع من بقايا هذه العملية. هناك احتمال آخر مثير للاهتمام ، تم طرحه في [6] ، وهو أن المحولات القديمة ، مثل ما قبل الحمض النووي الريبي ، تفتقر إلى الحلقات D و T وبالتالي ، نظرًا لكونها متماثلة تقريبًا ، فقد تكون قادرة على الارتباط في كلا الاتجاهين. يشير التناظر العكسي للمهايئات القديمة إلى أنها تستطيع التعرف على الكودونات في اتجاهي 5 3 و 3 – 5. تم استكشاف مثل هذا الاحتمال في سياق مختلف لشرح أصل الكود الجيني باستخدام محولات بدائية عكوسة تقرأ اثنين فقط من القواعد الثلاثة للكودون وتتضمن نوعًا من الاقتران المتذبذب [6،28]. بشكل ملحوظ ، تؤدي قابلية انعكاس المحولات بشكل طبيعي إلى شكل من أشكال الانحطاط في التعرف على الكودون. على سبيل المثال ، يمكن إقران tRNA مع anticodon AUA فقط مع codon UAU. بدلاً من ذلك ، يمكن إقران tRNA مع anticodon AUC مع الكودونات GAU و UAG. ومن ثم ، فإن الحمض الأميني الذي يحمله الحمض الريبي النووي النقال الأول سيكون له انحطاط 1 ، في حين أن الحمض الأميني الذي يحمله الحمض الريبي النووي النقال الثاني سيكون له انحطاط 2 (الشكل 1). بشكل عام ، ترمز tRNAs مع anticodon المتناوب (أي غير متغير فيما يتعلق بالانعكاس) للأحماض الأمينية للانحلال 1 ، بينما رمز anticodon غير المتناوب للأحماض الأمينية المتحللة 2. بشكل غير متوقع ، كلما كان مضاد الكودون أكثر تناسقًا ، كلما قل تدهور الحمض الأميني المرتبط.

بناءً على الحجج الموضحة أعلاه ، نعرض كيفية بناء نموذج لانحطاط الكود المبكر. بادئ ذي بدء ، من السهل توضيح أنه إذا كان طول الكودونات ثلاثة ، فلن يكون هناك حل للمشكلة. في الواقع ، سنحصل على 16 كودونًا متماثلًا (متناظرًا) مرتبطًا بـ 16 حمضًا أمينيًا مع انحلال 1 و 48 كودون بدون تناظر ، مرتبطًا بـ 24 حمضًا أمينيًا مع انحلال 2. من الواضح أن قيم الانحلال هذه (إما 1 أو 2) لا تتطابق قيم الانحطاط للشفرة المبكرة (أي 2 أو 4). يمكن زيادة قيم الانحطاط من خلال النظر في المزيد من التناظرات. التناظرات الرئيسية المرتبطة بشكل طبيعي بجزيئات الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي هي التناظرات العكسية والتكميلية والعكسية التكميلية (بالإضافة إلى الهوية التافهة). 2 تظهر هذه التناظرات في متواليات حقيقية ، على سبيل المثال ، من خلال الانقلابات والتبديلات المعكوسة ، وقد تكون مسؤولة عن التوازن الجيني المعروف بقاعدة Chargaff الثانية [41]. 3 الآن ، إذا أخذنا في الاعتبار أن المحولات لها كل من التناظرات العكسية والتكميلية العكسية ، فإننا نحصل على توزيع الانحطاط التالي: 16 كودونًا مرتبطًا بثمانية أحماض أمينية مع انحلال 2 ، و 48 كودونًا مرتبطًا بـ 12 حمضًا أمينيًا مع انحلال 4. هذا يطابق قيم الانحطاط للشفرة المبكرة (أي 2 و 4) لكن توزيع الانحطاط مختلف: 32 كودون مرتبط بـ 16 حمض أميني مع انحلال 2 ، و 32 كودون مرتبط بثمانية أحماض أمينية مع انحلال 4. لاحظ أن لدينا ثمانية أمينية الأحماض ذات الانحلال 2 ، في حين أن الكود المبكر يحتوي على 16 من الأحماض الأمينية مع انحلال 2. وهذا يعني أن النموذج يحتاج إلى 32 كودونًا متماثلًا (ليس فقط 16) وهناك طريقة واحدة فقط لتحقيق الهدف ، وهي النظر في الكودونات التي تحتوي على أكثر من ثلاثة النيوكليوتيدات.

يتم توفير الحل الدقيق والفريد لهذه المشكلة من خلال رمز tessera (الجدول 1) ، وهي مجموعة خاصة من 64 كودونًا من أربعة قواعد يتم التعرف عليها بواسطة مجموعة من المحولات القديمة التي تمتلك كلًا من التناظرات المتناظرة والتكميلية العكسية (الشكل 2) ). قمنا ببناء مجموعة tessera المكونة من 64 كودون بطول أربعة من خلال استغلال خصائص التناظر المتعلقة بنظرية المجموعة ، مع مراعاة التحولات المتماثلة الأربعة للقواعد: الهوية (I: (A ، U ، C ، G) → (A ، U ، C ، G) )) قوي / ضعيف أو مكمل (SW: (A ، U ، C ، G) → (U ، A ، G ، C)) ، Pyrimidine / Purine (YR: (A ، U ، C ، G) → (G ، C ، U ، A)) و Keto / Amino (KM: (A ، U ، C ، G) → (C ، G ، A ، U)). هذه المجموعة من التحولات F = (جنبًا إلى جنب مع عامل التكوين) متماثل لمجموعة التناظر كلاين 4 (انظر المواد التكميلية الإلكترونية ، أ). نبدأ من أربعة نيوكليوتيدات مفردة: نطبق التحويلات الأربعة ونلحق النيوكليوتيدات الناتجة بالنيوكليوتيدات الأصلية. على سبيل المثال ، بدءًا من A والتطبيق F = يحصل المرء . تنتج هذه الخطوة الأولى 16 ثنائي نيوكليوتيد محتمل. الآن ، نطبق مرة أخرى التحولات الأربعة المحتملة على النوكليوتيدات الستة عشر ونلحقها بالتحولات الأصلية. على سبيل المثال ، بدءًا من AU والتطبيق F = ، يحصل المرء . تنتج هذه الخطوة الثانية مجموعة tessera المكونة من 64 كائنًا بطول 4. من وجهة نظر رياضية ، فإن قطعة صغيرة هي رباعية ب1ب2ب3ب4 أين بأناو ب3ب4 = F(ب1ب2) أين FF. في الجدول 1 ، نقدم مجموعة tessera. وهي مقسمة إلى 16 رباعية تتوافق مع التحولات التي تنتجها (مذكورة على الجانب الأيسر من أي رباعي). لاحظ أن 16 قطعة صغيرة متناظرة (العمود الأول) ، و 16 مكملة ذاتيًا (العمود الثاني) و 32 ليس لها أي من هذه التناظرات.

الجدول 1. الجدول الكامل للقطع الصغيرة (الكودونات ذات القواعد الأربعة مع خصائص التناظر). يحتوي كل من الأربعة عشر رباعيًا على أربعة قطع صغيرة والتحول الذي يولدها يعمل على الزوجي الأول للحصول على الثنائي الثاني. داخل الأرباع الرباعية ، قطعة صغيرة مع نفس رمز اللون لنفس الأحماض الأمينية: الوردي والأخضر = 2 + 2 والأبيض = 4.

الشكل 2. تمثيل تخطيطي لفك تشفير tessera من خلال محولات بدائية تمتلك اثنين من anticodons متناظرة وذاتية التكميل. نعرض محولًا واحدًا يحمل مضادات الرموز AUUA و UAAU في تكوينات الاقتران الأربعة الممكنة. نظرًا لأن مضادات الكودونات متناظرة يمكن قراءة نوعين مختلفين فقط من القطع الصغيرة ، بحيث يكون للحمض الأميني المتعارف عليه انحلال 2. (نسخة إلكترونية ملونة.)

من خلال قراءة مجموعة القطع الصغيرة من خلال محولات الحمض الريبي النووي الريبي البدائية المحددة أعلاه ، يمكننا شرح توزيع الانحطاط للشفرة الجينية المبكرة تمامًا. بالتشابه مع المثال الموضح في الشكل 1 ، يعتمد الانحطاط المرتبط بفك تشفير tessera على تناسقه ، أي أنه كلما كان التيسيرا (المضاد) أكثر تناسقًا ، قل تدهور الحمض الأميني المرتبط. يتم تعريف Antitesserae بشكل مشابه للكودونات المضادة ، أي المكمل العكسي للقطع الصغيرة.يمكن للحمض النووي الريبي الذي يحتوي على مضادات التصلب المتناظرة قراءة قطع صغيرة متجانسة في أزواج ، وهذا يعني أن الحمض الأميني المرتبط به تنكس 2. وهذا موضح في الشكل 2 حيث يمكن للمحول ، بغض النظر عن التماثل المطبق ، قراءة زوج القطع الصغيرة فقط AUUA ، UAAU. نظرًا لوجود 16 قطعة معجنات متناظرة ، فإن إستراتيجية فك التشفير هذه تنتج ثمانية أحماض أمينية من الانحلال 2. نفس الحجة تنطبق على 16 قطعة معجنات مكملة ذاتيًا وهذا ينتج ثمانية أحماض أمينية إضافية مع انحلال 2. الآن ، الحمض النووي الريبي مع مضاد غير متماثل يمكن قراءة أربعة قطع مختلفة غير متناظرة (العمودين الثالث والرابع من الجدول 1). بدوره ، يشير هذا إلى أن الأحماض الأمينية الثمانية المرتبطة بهذه الحمض النووي الريبي لها انحلال 4. يوضح الشكل 3 هذه الحالة حيث يتم إقران المضاد غير المتماثل مع أربعة قطع مختلفة (غير متناظرة). بشكل عام ، نحصل على 16 حمضًا أمينيًا مع انحلال 2 و 8 أحماض أمينية مع انحلال 4. هذا ، في الواقع ، هو التوزيع الفعلي للانحلال للشفرة المبكرة المفترضة ، ويتزامن مع رمز الميتوكوندريا الحالي للفقاريات (حيث انحلال - 6 amino تساهم الأحماض داخل أي رباعي بمجموعتين من الكودونات ، إحداهما مع انحلال 2 والأخرى مع انحلال 4). في الجدول 2 ، قمنا بالإبلاغ عن عدد الكودونات وعدد الكودونات المتماثلة وتوزيعات الانحطاط المختلفة كدالة لطول الكودون. لاحظ أن محلول 4T (قطع صغيرة بطول 4) هو الحالة الوحيدة التي تعطي انحطاط الشفرة الوراثية للميتوكوندريا الفقارية.

الشكل 3. تمثيل تخطيطي لفك شفرة tessera من خلال محولات بدائية تمتلك اثنين من مضادات الفطريات غير المتماثلة. يتم إقران التكوينات المكانية الأربعة المحتملة للمحول بأربعة قطع معجنات مختلفة وتنتج حمضًا أمينيًا مع انحلال 4. (نسخة عبر الإنترنت بالألوان.)

الجدول 2. عدد الكودونات ، وعدد الكودونات المتماثلة وتوزيع الانحطاط كدالة لطول الكودون. لاحظ أن محلول 4T (قطع صغيرة بطول 4) هو الحالة الوحيدة التي تعطي انحطاط الشفرة الوراثية للميتوكوندريا لدى الفقاريات.

يتم توفير دعم قوي لفرضيتنا حول أصل الانحطاط من خلال نموذج رياضي للشفرة الجينية يشرح انحطاط كل من المتغيرات النووية والميتوكوندريا. النموذج ، الموصوف في [33،42] ، مبني على نظرية الأعداد ، أي أنظمة تمثيل الأعداد الصحيحة الزائدة (انظر الإطار 1). تعتمد أنظمة الترقيم المعتادة على التحلل الجمعي لرقم باستخدام قوى القاعدة ب. في هذه الحالة ، كل رقم له تمثيل فريد. على العكس من ذلك ، تستخدم أنظمة الترقيم بدون قوة تسلسل ينمو ببطء أكبر من قوى القاعدة. في الحالة الأخيرة ، يمكن أن يكون للرقم تمثيل غير فريد (متدهور) ويمكن استخدام هذا لوصف توزيع الانحطاط للشفرة الجينية. يؤدي تحليل الشفرة الوراثية النووية euplotid إلى حل فريد: 8 ، 7 ، 4 ، 2 ، 1 ، 1 انظر الإطار 1 و [42]. يؤدي نفس التحليل الخاص بالشفرة الوراثية للميتوكوندريا للفقاريات إلى الحل الفريد: 8 ، 8 ، 4 ، 2 ، 1 ، 0 انظر المربع 1. على وجه الخصوص ، تشير هذه النتيجة الأخيرة إلى تقسيم الكود إلى مجموعتين متكافئتين. يمكن تفسير كل مجموعة من حيث النوكليوتيدات ، والتمثيل الكامل كأزواج مدمجة من ثنائي النوكليوتيدات. بهذه الطريقة ، تمامًا كما في فرضيتنا البيولوجية ، تنشأ أكواد أربعة نيوكليوتيدات بشكل طبيعي. للحصول على وصف تفصيلي لنشأة مجموعة tessera وعلاقاتها بالنموذج non-power للشفرة الجينية ، انظر [33 ، 35].

الإطار 1. ملخص لأنظمة الترقيم غير الآلية وتطبيقها على نمذجة الشفرات الوراثية للميتوكوندريا النووية والفقاريات.

3. الآثار التطورية

على حد علمنا ، يمثل رمز tessera أول تفسير كمي لأصل الانحطاط في رموز الأجداد. على هذا النحو ، قد يكون من المناسب شرح تطور الشفرة الجينية. في الجزء الثاني من هذه المقالة ، نقوم بتحليل الآثار التطورية المحتملة لرمز tessera. لهذا الهدف ، نتذكر الفرضية التطورية التي قدمها واتانابي وأمب يوكوبوري [34] والتي تستند إلى تحليل الترجمة في الميتوكوندريا الموجودة (انظر الشكل 4 مقتبس من [34]). يقدم الشكل 4 المعالم التي يوجد عليها بعض الاتفاق والتي تمثل الخطوات التطورية من الشفرة الوراثية البدائية إلى المتغيرات الحالية. بدءًا من المتغيرات الموجودة والعودة إلى الوراء في الوقت المناسب ، نجد أول معلم رئيسي ، أي الكود الجيني العالمي لـ LUCA. يُفترض أن يكون لهذا الكود بنية مشابهة لتلك الموجودة في الكود الجيني المعياري النووي الحالي. إن أبسط شكل من الرموز الموجودة هو الشفرة الوراثية للميتوكوندريا للفقاريات والتي ، لهذا السبب بشكل أساسي ، تم اقتراحها كنموذج لسلف رمز LUCA العالمي: الكود المبكر (المعلم الثاني من اليمين في الشكل 4). الحداثة التطورية الرئيسية التي ينطوي عليها الانتقال من الشفرة المبكرة إلى الكود العالمي هي ظهور تعديلات ما بعد النسخ في الحمض النووي الريبي. هذا مدعوم بحقيقة أنه في بعض الميتوكوندريا الميتازوان الباقية ، يمكن أن يقترن U غير المعدل في الموضع الأول من anticodon مع جميع القواعد في الموضع الثالث من الكودون [43]. يسمح هذا بفك تشفير عائلات الكودونات دون الحاجة إلى نيوكليوتيدات معدلة (الأسرة عبارة عن مجموعة من أربعة أكواد تشترك في أول قاعدتين وترميز لنفس الأحماض الأمينية). في اقتراح Watanabe & amp Yokobori [34] ، تم اشتقاق الكود المبكر من كود بدائي يحتوي على عدد أقل من الأحماض الأمينية ، وأكثر انحطاطًا ، أي كود Jukes [44]. من المفترض أن يتم تكوين هذا الكود فقط من قبل العائلات باستثناء حمض أميني واحد وإشارة التوقف التي لها انحلال اثنين ، أي يتم ترميزها بواسطة كودونين.

الشكل 4. تمثيل لتطور الشفرة الجينية ، مقتبس من [34]. كل دائرة أو مربع يمثل علامة فارقة. يوضح المحصلة النهائية تطور طول الكودون الذي ضمنته نظريتنا.

الآن ، ادعاءنا الرئيسي هو أن رمز tessera يمثل سلفًا للشفرة المبكرة ، أي رمز ما قبل مبكر ، يتم وضعه بين الكود البدائي والشفرة المبكرة. هناك العديد من الحجج التي تدعم رمز tessera ككود ما قبل مبكر (المعلم المربع في الشكل 4). أولاً وقبل كل شيء ، له نفس بنية الانحطاط تمامًا مثل الشفرة الجينية المبكرة. علاوة على ذلك ، يتوافق كود tessera مع فرضية Baranov وآخرون. [36] ، يقترح أصل الكود مع قليل النوكليوتيدات الطويلة ، متبوعًا بتناقص في طول الكودون حتى الوصول إلى العدد الأمثل وهو 3. بافتراض أن الشفرة السابقة المبكرة تحتوي على أكواد بطول 4 يعني ضمناً أن الشفرة البدائية لها أيضًا أكواد بطول 4 على الأقل. في الواقع ، نوضح أن الكود الجيني البدائي لجوكس يمكن تنفيذه بكودونات عامة بطول 4. في الوصف التالي ، نستخدم المصطلح كودون للدلالة على الكودونات ذات الطول أربعة أو التيتراكودونات. يحتوي كود Jukes على 15 من الأحماض الأمينية مع انحلال 4 ، وحمض أميني واحد مع انحلال 2 واثنين من كودونات التوقف. بشكل عام ، هناك 15 عنصرًا مع انحلال 4 و 2 عنصر مع انحلال 2. إذا افترضنا أن هذا الرمز نشأ من أكواد لـ 4 نيوكليوتيدات ، فهذا يعني اختيار 17 عنصرًا / أحماض أمينية يمكن ترميزها إما عن طريق اثنين أو أربعة أكواد مأخوذة من مجموعة 4 4 = 256 كودون. لاحظ أنه يمكن تقسيم مجموعة من 256 كودونًا إلى مجموعة فرعية من 32 كودونًا تمتلك بعض التناظرات (تتوافق هذه مع العمودين الأولين من كود tessera في الجدول 1) ومجموعة فرعية من 224 كودون بدون تناظر. كما هو موضح أعلاه ، تتوافق الكودونات المتماثلة مع الأحماض الأمينية مع انحلال 2 ، بينما تتوافق الكودونات غير المتماثلة مع الأحماض الأمينية مع انحلال 4. الآن ، إذا افترضنا آلية عشوائية لتخصيص الكودونات للأحماض الأمينية ، فإن توزيع الانحلال الذي يحتوي على أعلى احتمال يتوافق بالضبط بالنسبة لرمز جوكس. لقد أظهرنا ذلك في المادة التكميلية الإلكترونية B. Jukes يفترض أن أحد عناصر الانحلال 2 مرتبط بإشارة التوقف. مع هذا الاختيار ، تكون أكواد الإيقاف أقل عرضة للتولد عن طريق الأخطاء العشوائية ، أي أن هذه العناصر أقل غموضًا من تلك التي بها انحلال 4. وبالمثل ، من الطبيعي أن نفترض أن العنصر الآخر الذي يحتوي على انحلال 2 يتوافق مع الحمض الأميني الذي يرمز لـ إشارة البدء.

لقد أظهرنا أن الشفرة البدائية (نسخة جوكس) موصوفة بشكل طبيعي مع أكواد بطول 4. الآن ، نصف مسار تطوري محتمل من كود جوكس إلى شفرة تيسيرا. في نهجنا ، يتكون الكود البدائي من زوجين من الكودونات المتماثلة و 60 كودونًا غير متماثل. لاحظ أن اختيار الكودونات المتماثلة ، نظرًا لتناقص ميلها لخطأ الطفرات النقطية ، يمثل الخطوة الأولى لاختيار النصف المتماثل من مجموعة tessera. افترض أن محولًا جديدًا يحتوي على مضاد متماثل يظهر ويتنافس (يحمل نفس الحمض الأميني) مع محول موجود به مضاد غير متماثل. يمكن أن يرتبط المحول الجديد بالكودونات المتماثلة التي تعد جزءًا من مجموعة tessera (أول عمودين من الجدول 1). يتمتع هذا المحول بميزة تطورية مقارنة بالمحول الذي يحمل مضاد كودون غير متماثل ، لأنه يحتوي على تكوينين مكانيين مختلفين يمكن استخدامهما للربط مع الكودون. على سبيل المثال ، يحمل المحول في الشكل 2 المضاد المتناوب AUUA. إذا تم عكس المحول ، فلا يزال بإمكانه الارتباط بـ codon / tessera UAAU. يتسبب هذا الضغط الانتقائي في التقاط جميع الكودونات المتماثلة (tetracodons) / معجنات على حساب الكودونات غير المتماثلة. في نهاية هذه العملية ، لدينا رمز مكون من 32 قطعة صغيرة متناظرة ، و 32 رباعي كودون غير متماثل لا تنتمي بالضرورة إلى مجموعة القطع الصغيرة. في هذه المرحلة ، يتم الوصول إلى خطوة تحسين أخرى عن طريق اختيار قطع صغيرة غير متناظرة: كما هو موضح في [35] ، فإن القطع الصغيرة محصنة ضد الطفرات النقطية 4 ، وبالتالي ، تنجو من tetracodons non-tessera بسبب الضغط التطوري لدقة فك التشفير. إن 32 قطعة من القطع المتماثلة محصنة ضد الطفرات النقطية (هناك حاجة إلى طفرتين متزامنتين وغير محتملتين للغاية لإنتاج انتقال بين اثنين من القطع الصغيرة). هذا يعني أن الحمض الريبي النووي النقال المقابل لا يؤدي إلى دمج حمض أميني غير مشابه إذا تعرضوا لطفرة نقطية. تتضمن خاصية اكتشاف الخطأ هذه ميزة تطورية من حيث دقة تخليق البروتين. الـ 32 التيتراكودون غير المتماثلة المتبقية ليست بالضرورة معجنات ، لكن تلك التي تكون مع قطع صغيرة لها خاصية المناعة ضد الخطأ بحيث يتم اختيارها تدريجياً للأسباب المذكورة أعلاه. ومن ثم ، نحصل على البنية الكاملة لرمز tessera قبل المبكر الذي يتزامن توزيع انحلاله مع توزيع الكود المبكر (ومع ذلك الخاص برمز الميتوكوندريا الفقاري الموجود).

لقد أظهرنا أن الانتقال بين كود Jukes وكود tessera هو الأكثر احتمالًا في ظل الحد الأدنى من الافتراضات. من الواضح ، في هذا الانتقال ، يصبح التعرف على tessera أكثر تحديدًا من التعرف على tetracodon لكود Jukes. في الواقع ، تسمح خاصية اكتشاف الخطأ لرمز tessera بتقليل الغموض المرتبط بتحميل الأحماض الأمينية لمحولات التتراكودون. في المقابل ، تسمح الدقة المتزايدة في التعرف على القطع الصغيرة بصقل اختيار الأحماض الأمينية بسبب الضغط التطوري لأداء البروتين.

تتضمن فرضيتنا الخاصة برمز tessera باعتباره رمزًا ما قبل مبكرًا أيضًا انتقالًا تطوريًا رئيسيًا آخر ، أي الانتقال بين كود tessera والكود المبكر. نظرًا لأنه من المفترض أن تحتوي الشفرة المبكرة على كودونات بطول ثلاثة ، فإن المشكلة الرئيسية التي ينطوي عليها هذا الانتقال تتعلق بالتغيير في طول الكودون الذي يعتبر بشكل عام ضارًا [16]. لاحظ أن (1) أي نظرية حول أصل الكود يختلف طوله عن ثلاثة يجب أن تواجه هذه المشكلة [36] و (2) يكون هذا الانتقال ضارًا عندما يتم الوصول إلى المستوى التطوري الذي تم فيه تجميد الكود لأن هذا يعني ضمناً تغيير جذري في تسلسل الأحماض الأمينية لجميع بروتينات الكائن الحي ، ومع ذلك ، فإن هذا ليس هو الحال بالضرورة في الخطوات التطورية السابقة الأقرب إلى أصل الكود. يسمح رمز tessera بإيجاد حل أنيق لمشكلة الانتقال من tetracodons إلى الكودونات. في الواقع ، المعلومات التي تحملها مجموعة tessera زائدة عن الحاجة. حسب التعريف ، إذا كان هناك ثلاثة أحرف من أصل أربعة أحرف معروفة ، فيمكن اشتقاق الحرف المفقود بشكل أحادي. ومن ثم ، من وجهة نظر نظرية الترميز ، فإن شفرة tessera وأي شفرة جينية ثلاثية النوكليوتيد تحمل نفس المحتوى المعلوماتي. هذا يعني أنه يمكن إنشاء رسم خرائط واحد لواحد بين معجنات معصرة بقطع وكودونات. يستلزم الهيكل الأساسي لمثل هذا التعيين أن تصبح التحولات بين الأحرف المتجاورة من tessera نيوكليوتيدات لكودون. على وجه الخصوص ، معطى tessera ب1ب2ب3ب4 يمكننا إجراء ثلاثة تحولات كيميائية بين الأحرف المتجاورة: ر12 = F(ب1ب2) ما بين ب1 و ب2, ر23 = F(ب2ب3) ما بين ب2 و ب3، و ر34 = F(ب3ب4) ما بين ب3 و ب4. لاحظ أن اثنين فقط من هذه التحولات الثلاثة مستقلتان منذ ذلك الحين ر34 = ر12. في الجدول 4أ، لقد أعدنا ترتيب رمز tessera وفقًا للتحويل ر12 (الصفوف) و ر23 (أعمدة). نقترح ذلك ر12 و ر23 على النوكليوتيدات الأولى والثانية من الكودون ، على التوالي (x1, x2). يظهر هذا التطابق في الجدول 3. علاوة على ذلك ، الحرف الرابع ب4 على النوكليوتيدات الثالثة من الكودون x3. يتم تقديم تمثيل تخطيطي للتعيين في الشكل 5. لاحظ أنه وفقًا لهذا التعيين ، يتم تعيين أعمدة مجموعة tessera على أعمدة الكود الجيني بحيث ر23 = تم تعييني على أكواد NAN (انحلال غير 4) ، و ر23 = يتم تعيين KM على أكواد NCN (المكونة فقط من العائلات) مقارنة الجدول 4ب مع الجدول 4ج. يمكننا أن نلاحظ أن هذين العمودين من كود tessera يشتركان في نفس الانحطاط مع الأعمدة المقابلة من الكود الجيني (إما 4 أو 2 + 2). يتم تعيين الإكمال الطبيعي لرسم الخرائط ر23 = SW إلى NUN codons و ر23 = رموز YR إلى NGN. يحتاج التخصيصان الأخيران إلى تفسير بعض الاستثناءات التي تحددها حقيقة أنه في الانتقال من القطع الصغيرة إلى الكودونات ، يتم الحفاظ على تناظر رومر بالفعل ولكن التناظر الذاتي لا يمكن. يعتبر تفاعل tessera-antitessera أكثر تحديدًا من الكودون-المضاد للكودون ، نظرًا لوجود أربعة روابط كيميائية تشبه Watson-Crick. ومع ذلك ، في حالة الكود الجيني الموجود ، يتم تحديد الانحطاط بشكل أساسي من خلال تفاعل كودون ومضاد كودون للقاعدتين الأوليين. ومن ثم ، بافتراض أن طاقة الربط في أوقات الشفرة المبكرة يمكن مقارنتها بقدرة Watson-Crick One ، يجب أن تكون طاقة تفاعل tessera-antitessera ضعف الطاقة الفعلية للكودون المضاد.

الشكل 5. تمثيل تخطيطي لرسم الخرائط بين قطع صغيرة (ب1ب2ب3ب4) على الكودون (x1x2x3).

الجدول 3. الهيكل الأساسي لرسم الخرائط بين القطع الصغيرة والكودونات. يتم تعيين التحولات الأربعة بين قواعد قطعة صغيرة على النيوكليوتيدات الأربعة لكودون.

الجدول 4 (أ) رمز tessera منظم حسب التحولات: الحرف الأول - الثاني ر12 (الصفوف) والحرف الثاني والثالث ر23 (أعمدة) (ب) كمثل (أ) ولكن مع الرباعيات المبادلة كما هو موضح بواسطة الأسهم. (ج) انحلال الشفرة الوراثية للميتوكوندريا الفقارية. أكواد كود الميتوكوندريا الفقارية في (ج) وقطع معصرة بقطع صغيرة (ب) من خلال تعيين واحد لواحد الموصوف في النص. داخل الأرباع الرباعية ، قطعة صغيرة مع نفس رمز اللون لنفس الأحماض الأمينية: الوردي والأخضر = 2 + 2 والأبيض = 4.

وبالتالي ، من وجهة نظر كيميائية حيوية ، فإن الانتقال من القطع الصغيرة إلى الكودونات يعني الانتقال بين الاقتران الكامل الذي يتكون من أربع قواعد طويلة وشبه Watson-Crick لقراءة الفسيفساء إلى استراتيجية التذبذب لقراءة الكودونات.

على وجه الخصوص ، يشير هذا إلى قيود نظرية على بعض خصائص التناظر الموجودة في عالم القطع الصغيرة ولكنها ليست في الرموز الموجودة ، على سبيل المثال ، فقدان التناظر الذاتي التكميلي. في الواقع ، كل عمود من كود tessera له انحطاط محدد ولكن في الرموز الموجودة هذا صحيح فقط لعمودين ، أي الكودونات من النوع NMN (NAN أو NCN). بدلاً من ذلك ، فإن الأعمدة المقابلة للرموز NKN (NUN أو NGN) لها انحطاط مختلط على وجه الخصوص ، والأرباع المختلفة بين الرمزين هي تلك من النوع SUN و WGN (نسمي WSN أو SWN مختلطًا على عكس SSN WWN غير المختلط ). بعبارة أخرى ، تحتوي الأكواد الموجودة على أكواد من النوع WGN التي تقنن الأحماض الأمينية مع الانحلال 2 على الرغم من حقيقة أن القاعدة المركزية قوية ، وكودونات من نوع SUN الذي يقنن الأحماض الأمينية مع الانحلال 4 ، على الرغم من حقيقة أن القاعدة المركزية ضعيف [53].

تم اقتراح شرح لمثل هذه الميزات من حيث القيود النشطة اعتمادًا على الكيمياء المجسمة لتفاعل الكودون والمضاد في [5]. في الكود الجيني الموجود ، يرتبط التفاعل الضعيف عادةً بانحلال 2 + 2. في الواقع ، هذا هو الحال بالنسبة للكودونات من النوع NAN و AUN و UUN. ومع ذلك ، في حالة حرف U كحرف ثاني ، هناك استقرار إضافي للحرف المركزي البيورين N35 في حلقة anticodon من الحمض الريبي النووي النقال بواسطة U33 يسمح بقراءة عائلة كاملة على الرغم من ضعف شخصية N.35. 5 في حالة المرآة ، بالنسبة للكودونات من النوع AGN و UGN ، يكون النيوكليوتيد N35 غير مستقر بشكل كافٍ بواسطة U33 والرباعية المصاحبة تصبح انحطاط 2 + 2.

تشير قيود استراتيجية التذبذب هذه إلى أنه في التعيين من القطع الصغيرة إلى الكودونات ، يتم تبديل الربع (YR-SW) بالربع (SW-YR) والربع (KM-SW) مع الربع (I-YR) انظر الجدول 4 (اللوحات العلوية) . في النهاية ، يتم تعيين الحرف الرابع من tessera على الحرف الثالث من الرمز مع الاستثناء التالي الذي يضمن التجميع الصحيح: إذا ب4 = K (T أو G) إذن x3 = KM (ب4) ، أي يتم تبديل T و G بطريقة أخرى x3 = ب4. لاحظ أن التعيين ليس بالضرورة فريدًا ، ومع ذلك ، على حد علمنا ، يُظهر الشكل الحالي أنه من الممكن الانتقال من كود tessera إلى الكود الموجود من خلال وصف جميع خصائص الانحطاط المعروفة لهذا الأخير.

إذا كان ترميز البروتين في الأصل يشتمل على أكواد أطول من ثلاث قواعد ، فيجب أن تحمل آلية الترجمة بعض الذاكرة عن ذلك. في الواقع ، تقدم الوحدة الفرعية الصغيرة للريبوسومات الموجودة حرية هيكلية يمكن أن تسمح بإدراج نيوكليوتيد إضافي في مركز فك التشفير بحيث يكون فك ترميز الكودونات الأربعة الأساسية أمرًا ممكنًا. لاحظ أنه تم ذكر إمكانية تشفير الأسلاف بأربعة توائم في [16]. في الواقع ، تم اكتشاف فك الشفرة الرباعي في عام 1973 [45] كآلية مرتبطة بقمع الإطارات ، وفي الوقت الحاضر ، يتم استخدامه على نطاق واسع في تطبيقات التكنولوجيا الحيوية من أجل دمج الأحماض الأمينية غير المتعارف عليها في البروتينات [46-48]. علاوة على ذلك ، تم إثبات الجدوى البيولوجية لطول أربعة أكواد وريبوسوم متعامد يفك شفرتها في المختبر [46].أيضًا ، هناك دليل يشير إلى وجود جينات متداخلة مشفرة بواسطة التتراكودونات [49] علاوة على ذلك ، فقد ثبت أن التيتراكودونات تلعب دورًا مهمًا في تحليل النشوء والتطور ، (على سبيل المثال [50]) ويمكن أن يكون هذا مؤشرًا على الجينات ذاكرة.

يتم الاحتفاظ بعدد هائل من خصائص رمز tessera في الرموز الحالية. ترث الشفرة المبكرة وجميع أحفادها من كود tessera عدد الكودونات (64 قطعة صغيرة تولد 64 كودونًا) والحد الأقصى لعدد الأحماض الأمينية (23). يسمح رمز tessera بتشفير 24 عنصرًا / أحماض أمينية. نظرًا لأن واحدًا منها على الأقل يجب أن يمثل إشارة توقف ، فإن الحد الأقصى للعدد النظري للأحماض الأمينية القابلة للتمثيل هو 23. ومن اللافت للنظر ، أنه لا يوجد رمز موجود يتجاوز هذا الحد والحد الأقصى لعدد الأحماض الأمينية التي تم ترميزها مباشرة بواسطة بعض الجينومات هو بالضبط 23: 20 من الأحماض الأمينية القياسية بالإضافة إلى 2 من الأحماض غير القياسية (سيلينوسيستين وبيروليزين) والحمض الأميني البديل ن- مجموع الفورميل ميثيونين يصل إلى 23. علاوة على ذلك ، فإن عدد المحولات المستخدمة في الشفرة الوراثية للميتوكوندريا للفقاريات هو 22: ثمانية tRNAs تتعرف على أربعة أكواد لكل منها ، و 14 tRNAs تتعرف على كودونين لكل منهما ، وزوجين من الكودونات غير المرتبطة بالأحماض الأمينية [ 34،51]. اللافت للنظر ، 22 هو الحد الأدنى المطلق الملاحظ بين جميع الإصدارات المعروفة من الشفرة الجينية. أيضًا ، هذا هو بالضبط الهيكل الذي يشير إليه نموذج tessera: ثمانية محولات بدائية للانحلال 4 ، بالإضافة إلى 16 محولًا للانحلال 2 تشكل مجموعة من 24 محولًا إذا تجاهلنا محولين للانحلال 2 مخصصين لإيقاف الكودونات ، نحصل على 22 بالضبط.

تشترك الشفرة الوراثية للميتوكوندريا للفقاريات ونموذجنا القائم على tessera للشفرة المبكرة في عدد من الميزات المتعلقة بالتناظر (على سبيل المثال الجدول 5). أولاً وقبل كل شيء ، فإن تحويل KM ، المعروف أيضًا باسم تحويل Rumer ، المطبق على الزوج الأول من الكودون يغير من انحلال الحمض الأميني المقابل. لوحظت هذه الخاصية العالمية في معظم الإصدارات المعروفة من الشفرة الجينية (النووية والميتوكوندريا). يمتلك كود tessera أيضًا هذه الخاصية. على سبيل المثال ، تتوافق tessera AUUA مع حمض أميني من التحلل 2 ، وإذا طبقنا تحويل KM على النيوكليوتيدات الأولين ، نحصل على tessera CGUA الذي يتوافق مع حمض أميني من التحلل 4. لاحظ أن هذه الخاصية تنطبق أيضًا إذا كنا تطبيق تحول رومر على ر12ر23 من الترسيم الذي يربط القطع الصغيرة والكودونات الموصوفة أعلاه. لمزيد من الأفكار ، انظر [53].

الجدول 5. جدول مقارن بين الشفرة الوراثية للميتوكوندريا الفقارية ورمز tessera.

يتمثل أحد الجوانب الأساسية الأخرى لرمز tessera في أنه يمكن جعل تشفير البروتين قويًا إلى تحولات إطار +1. يمكن أن ترتبط متانة صيانة الإطار أيضًا بالشفرات الدائرية التي تم افتراض أنها تلعب دورًا في عمليات تزامن الإطار [54-58]. ارتبط وجود خاصية الشفرة الدائرية الشاملة بأصل الكود الجيني كأزواج من الأكواد التكميلية التي ترمز إما لنفس الحمض الأميني أو لحمض أميني مشابه [59]. يتم دعم نفس التخمين في سياقات أخرى [24]. تنشأ هذه الخاصية بشكل طبيعي في رمز tessera حيث يرمز tessera ومكمله العكسي دائمًا لنفس الحمض الأميني.

4. الخلاصة

تم وصف أصل الانحلال في ترميز البروتين بالحد الأدنى من الافتراضات ، في الواقع ، فقط تلك المتعلقة بخصائص التناظر لترميز وفك تشفير الجزيئات القديمة والتفاعلات الكيميائية المجسمة المحتملة. تتوافق النظرية مع العديد من المحاولات لوصف أصل وتطور الانحطاط ، على سبيل المثال ، تلك المتعلقة بالتعرف المجسم الكيميائي لتسلسلات قليلة النوكليوتيد الطويلة بواسطة الريبوزيمات في عالم الحمض النووي الريبي (انظر [36 ، 60] والمراجع الواردة فيه) ، تلك المتعلقة بمختلف نهج التناظر [1 - 3 ، 8 - 10 ، 12 - 14] ، وعلى وجه الخصوص ، تلك التي تدعي التعرف العكسي على الكودونات [6]. في نهجنا ، يكون وصف انحطاط الشفرة الجينية المبكرة دقيقًا ولا ينشأ نتيجة لضبط المعلمة المخصصة. في الواقع ، لا توجد معايير مجانية في النموذج! فقط خصائص التناظر مهمة: يتم جلب الوضع الأساسي لمبادئ التناظر في العلوم الفيزيائية إلى نفس المستوى من الأهمية في علم الأحياء الجزيئي والتطور. تحتوي النظرية على العديد من الآثار المثيرة للاهتمام ، على سبيل المثال ، النتيجة المفاجئة المتمثلة في أن الإصدارات البدائية والمبكرة من الشفرة الجينية مرتبطة بشفرة وسيطة (رمز ما قبل المبكر) مع أكواد بطول أربعة ومع توزيع انحطاط يتزامن مع ذلك الخاص بـ الشفرة الوراثية للميتوكوندريا الفقارية الحالية. يتم تفسير التحولات التطورية بين رموز الأجداد هذه بشكل معقول من خلال الضغط التطوري المرتبط بدقة فك التشفير. علاوة على ذلك ، يشير هذا السيناريو إلى أن بعض خصائص الأسلاف ربما تم الحفاظ عليها من خلال المقاييس الزمنية التطورية. هذا هو الحال بالفعل ، كما أوضحنا ، ويشكل الحفاظ عليها تحديًا كبيرًا فيما يتعلق بمعناها البيولوجي. على سبيل المثال ، أحد الأسئلة المهمة هو كيف تمت "ترجمة" خصائص تصحيح الخطأ ، التي يمكن تحديدها بوضوح في كود tessera ، في الأكواد الموجودة. يعد التحكم في الأخطاء مطلبًا لا مفر منه لأي نظام تخليق بروتيني. في الشفرات الجينية الموجودة ، لم تعد مناعة الطفرات النقطية ظاهرة. تمثل مسألة كيفية احتفاظ أنظمة فك التشفير الحالية بقدرات تصحيح الأخطاء ، على الرغم من فقدان التكرار بسبب تقليل طول الكودون ، سؤالًا مفتوحًا مثيرًا للاهتمام. على وجه الخصوص ، تشير المقارنة بين نموذج tessera والنموذج الرياضي للشفرة الجينية التي تم تطويرها في [32،33،35،42،61،62] إلى أن الدور الذي تلعبه التحولات الكيميائية في نموذج tessera ينعكس من خلال الدور الذي تلعبه من خلال الفئات ثنائية النواة في الشفرات الوراثية الموجودة وسنتناول الأمر في التحقيقات المستقبلية.

النظرية المقدمة في هذا العمل هي جزء من إطار رياضي موحد يصف الانحطاط مع أنظمة تمثيل الأعداد الصحيحة (انظر المربع 1 و [33،61-63]). إطار العمل هو نموذج جديد لتفسير المعلومات الجينية ويؤدي إلى تعريف الأشياء الرياضية التي لها تفسير كيميائي حيوي مفيد. على سبيل المثال ، الفئات ثنائية النواة هي متغيرات ثنائية مشتقة من النموذج والتي ترتبط بالخصائص الكيميائية للنيوكليوتيدات في الكودون. سلط تحليل تسلسل ترميز الحمض النووي عن طريق الفئات ثنائية النواة الضوء على وجود ارتباطات عالمية قوية قصيرة المدى يمكن أن تكون مرتبطة باكتشاف الأخطاء [31 ، 32]. علاوة على ذلك ، يمكن أن ترتبط نظرية الأكواد الدائرية [52،54،56،58] ، وهي فئة من رموز اكتشاف الأخطاء التي تم اقتراحها كاستراتيجيات لاكتشاف الإطار وصيانته ، بهذا الإطار الرياضي [64].

يشير عملنا إلى أصل الانحطاط القائم على الخصائص الأولية للكيمياء والفيزياء ، وبشكل أساسي تناظرات الجزيئات البدائية. علاوة على ذلك ، تشير نتائجنا إلى أن كلاً من التماثلات وتوزيع الانحطاط لرمز الميتوكوندريا قد تم الحفاظ عليهما خلال العصور التطورية ويثير المزيد من الأسئلة الأساسية.


الكيمياء الحيوية

تم إنشاء قسم الدراسات في الكيمياء الحيوية في العام 1993-1994 بدرجة الماجستير في البرنامج في مركز P.G في جامعة كوفيمبو ، دافانجير. في وقت لاحق ، مع إنشاء جامعة Davangere في 18 أغسطس 2009 ، أصبح القسم تابعًا لجامعة Davangere. لقد أكمل القسم بنجاح 26 عامًا من وجوده. يقدم القسم حاليًا ماجستير ، وماجستير في العلوم ، ودكتوراه. برامج في المجالات الرئيسية للكيمياء الحيوية مثل بيولوجيا السرطان ، والكيمياء الحيوية النباتية والمنتجات الطبيعية ، والتعديل المناعي وبيولوجيا الالتهاب ، والتحلل البيولوجي ، والتحول البيولوجي ، والحفز الحيوي.

أنتج القسم حوالي 672 من خريجي الكيمياء الحيوية ، أكثر من 98٪ منهم نجحوا إما في الدرجة الأولى أو أعلى. يعمل العديد منهم كأعضاء هيئة تدريس بالجامعة ، ويتابعون أبحاث ما بعد الدكتوراه في معاهد وجامعات مرموقة في الهند وخارجها. اجتاز العديد من طلاب القسم اختبارات CSIR-UGC / NET و ICAR-JRF و GATE و K-SET.

ينشط أعضاء هيئة التدريس في القسم في التدريس والبحث. نشر أعضاء هيئة التدريس بالقسم أكثر من 150 بحثًا في المجلات الدولية والوطنية المحكمة. تمت المصادقة على المشروعات البحثية الرئيسية لأعضاء هيئة التدريس بالقسم من قبل DBT و DST و DAE-BRNS و UGC و ICMR و VGST مع منح تصل إلى 4.5 كرور روبية. لدى القسم مرافق بحثية مناسبة مثل معمل زراعة الخلايا الحيوانية ومختبر زراعة الأنسجة النباتية ومختبر الأحياء الدقيقة للتحول الحيوي. كما دخلت الإدارة في بحث تعاوني مع الصناعات والمعاهد الرائدة في الهند والخارج من خلال مذكرات التفاهم. ينظم القسم ندوات دولية / وطنية وورش عمل وندوات وندوات عبر الإنترنت تدعو العلماء والأساتذة البارزين من مختلف الجامعات والمعاهد والصناعات في جميع أنحاء البلاد ، لتمكين أعضاء هيئة التدريس والباحثين والطلاب من تحديث معارفهم. يوجد في القسم فرع لجمعية الكيميائيين البيولوجيين (الهند) منذ مارس 2001.

لتطوير القسم إلى قسم موجه نحو البحث عالي التقنية مع التركيز على القيمة المضافة.

الالتزام بالتدريس والبحث ، وتقديم تعليم على مستوى عالمي باستخدام مرافق المختبرات الحديثة لطلابنا الكرام بأسعار معقولة.

المنهج الحالي (2016-2017): نحن نتبع المنهج الحالي


العالمية و HGT

تعتمد الحجج السابقة حول العالمية على وجود سلف مشترك عالمي برمز مجمّد. ويرد تفكيك مفصل لهذه الحجج في نص داعم (التي تم نشرها كمعلومات داعمة على موقع الويب PNAS) ومدعومة أيضًا بمحاكاة الكمبيوتر المقدمة في نموذج جذب الكود بسبب HGT، لكن الاستنتاج الذي لا لبس فيه هو أن النسب العمودي بحد ذاته لا يكفي لتفسير عالمية الكود الجيني. هنا ، نقدم بديلاً: عالمية الشفرة الجينية هي نتيجة عامة للتطور الجماعي للحياة المبكرة. يضمن HGT لمناطق ترميز البروتين و HGT للمكونات متعدية ظهور مجموعات من الرموز المماثلة وآليات الترجمة المتوافقة. تتنافس المجموعات المختلفة على المنافذ ، وبسبب فوائد التطور المجتمعي ، فإن الحل الثابت الوحيد لديناميات الكتلة هو العالمية. ضمن المجموعات ، يكون التحسين المتضافر للرموز ممكنًا. تتوافق هذه الآليات مع سيناريوهين للتطور الكبير. (أنا) ظل الرمز عالميًا تقريبًا في جميع الأوقات. (ثانيا) اختلفت الرموز في البداية ثم أصبحت عالمية بالتدريج.

المنافسة بين برك الابتكار.

تتمثل إحدى مزايا التطور المجتمعي في أن السمات والتحسينات الجيدة عالميًا يمكن أن تنتشر من خلال HGT إلى الكائنات الحية التي تشغل مجالات مختلفة ، مما يحافظ على تنوعها. في عالم يهيمن عليه البروتين بشكل متزايد ، ستشملهم معظم الابتكارات ، وبالتالي فإن HGT سيكون أكثر فاعلية بين الكائنات التي لها نفس الشفرة الجينية. بهذه الطريقة ، تفرز الكائنات الحية في مجتمعات تشارك الرموز الجينية ذات الصلة. يمكن لمجتمع رمز واحد أن يمتد إلى خلايا تتكيف مع مجالات مختلفة وبتنظيم مختلف.

كلما زاد حجم المجتمع وتنوع الكائنات الحية التي تتشارك في الرموز الجينية ذات الصلة بشكل كافٍ ، زادت مجموعة ابتكارات البروتين المتاحة للجميع. يؤدي هذا إلى تطور أسرع بين المجتمعات الأكبر من المجتمعات الأصغر وبالتالي إمكانية أكبر لغزو المنافذ التي تشغلها كائنات ذات شفرات جينية مختلفة غير متوافقة. مع هذه الديناميكيات ، تميل المجتمعات الأكبر إلى أن تصبح أكبر على حساب المجتمعات الأصغر. الحل الوحيد المستقر هو رمز وراثي عالمي. وبالتالي ، ليست الشفرات الجينية الأفضل هي التي تعطي ميزة ولكن أكثر شيوعًا.

الخطوة الأساسية في هذه العملية هي تجاوز مكانة مشغولة من قبل أحفاد كائن حي بشيفرة جينية مختلفة. إذا تنافست مجموعتان من الكائنات مع بعضهما البعض ، فإن المجموعة التي لديها إمكانية الوصول إلى المزيد من الابتكارات (المجموعة التي تنتمي إلى المجتمع الأكبر للرموز الجينية المشتركة / المتوافقة) سوف تتنافس في المتوسط ​​على الأخرى. على النقيض من حالة التطور الرأسي فقط ، هناك حلقة تغذية مرتدة نشطة ، مدفوعة بمشاركة الابتكار من خلال HGT ، والتي لا تفرد فقط الشفرة الجينية من جميع الخصائص الأخرى للخلية ولكنها توفر أيضًا آلية تدفع المنافسة بين الرموز .

تفترض هذه الآلية (المشار إليها أدناه باسم "المنافسة بين مجمعات الابتكار" أو CIP) أن البروتوكولات ثابتة. ولكن كيف نشأت وتطورت البروتوكولات نفسها؟ كيف يمكن ترقية البروتوكول دون تدميره؟

جذب الكود وتحسينه بسبب HGT لمناطق تشفير البروتين.

مجموعة من الكائنات الحية التي تحتل مكانة معينة تخضع لطفرات تلقائية في الشفرة ويتم قصفها بمواد وراثية أجنبية من كائنات حية تشغل أماكن مختلفة. يمكن أن تكون الجينات المنقولة أفقيًا مفيدة للمتلقي حتى لو كان لدى المتبرع رمز مختلف (إلى حد ما). على سبيل المثال ، يتم تكييف استخدام الكودون (على سبيل المثال ، تكرار استخدام كودون المرادف) للجين المنقول مع كود المتبرع ، وبالتالي فهو يختلف عن استخدام المتلقي. في المقابل ، سيكون هناك ضغط غير مباشر على الكود المتلقي لإعادة ضبط نفسه للاستفادة بشكل أفضل من الجين الجديد.

نتوقع أن تتضمن استجابة الكود عدة مقاييس زمنية مميزة. على المدى الطويل ، يتمثل اتجاه التغيير في تقليل الغموض ، ولكن على النطاق القصير ، يجب أن تكون الشفرة قادرة على تحمل مستوى أكبر من الغموض أثناء تناول جينات جديدة. يمكن اعتبار الوسائل المتاحة للخلية لضبط مستوى دقة الترجمة من أصل اثنين: تلك الداخلية للخلية ، وتلك المشتركة ، والتي تعكس تأثير البيئة والخلايا المجاورة. تتضمن الآليات الداخلية للخلية التغيير في مستويات التعبير عن الحمض النووي الريبي (tRNA) وتفكيك آلية الريبوسوم نفسها ، كما هو معروف من خلال الاختلافات في تركيز أيون المغنيسيوم ، والمضادات الحيوية ، والطفرات الهيكلية. من المحتمل أن تتضمن الآليات المجتمعية استيراد الحمض الريبي النووي النقال من الكائنات الحية الأخرى. يتم تعويض الزيادة على النطاق الزمني القصير في الغموض الترجمي على نفس النطاق الزمني من خلال الآثار المفيدة للجين الجديد. في النهاية ، سيتوازن استخدام الكودون والأحماض الأمينية للجزء المنقولة حديثًا مع بقية الجينوم وسيختفي الضغط غير المباشر لرمز المتبرع على كود المتلقي ، مع ترك آثاره المتراكمة.

بمزيد من التفصيل إلى حد ما ، تشير هذه الحجج إلى أنه بعد حدث HGT ، تؤثر الشفرة الجينية للمتبرع على الكود الجيني للمستقبل. بالنظر إلى الجين الفضائي ، يخضع نظام الجين المضيف-الفضائي لعملية ديناميكية دورية تؤدي إلى الاستخدام الكامل للجين الجديد. في جزء واحد من الدورة ، يقوم المضيف بتفكيك الكود الخاص به لأغراض التعرف على الكود الأجنبي ، وقد تم توثيق مثال على عملية التفكيك هذه في المسوخات المعتمدة على الستربتومايسين (20 ، 21) وطفرات الغموض الريبوزومية (22 ، 23) في بكتيريا. في الجزء الآخر من الدورة ، يتم تحوير أكواد الجينات الغريبة لتتوافق مع كود المضيف. تؤدي هذه العملية إلى الكشف بدقة أكبر عن الإشارة الغريبة. ستكشف لقطة سريعة لهذه العملية عن الجينوم على أنه فسيفساء من الأجزاء المنقولة أفقيًا من الجينومات الأخرى ذات الأنماط المميزة المختلفة لاستخدام الكودون. ومع ذلك ، فهذه ليست سوى غيض من فيض: ما وراء استخدام الكودون هو التغييرات الدقيقة ولكن المهمة في دقة تخليق aminoacyl tRNA ومستوى الغموض لآلية الترجمة نفسها.

التفاعل بين الشفرات الجينية جذاب. عادةً ، كلما اقتربت ترجمة منطقة تشفير أجنبية من تلك الموجودة في الجهة المانحة ، زاد احتمال أن تكون عملية. لذلك ، سيكون الضغط الانتقائي هو تغيير أكواد كود المستلم في اتجاه كود المتبرع ، حتى لو كان ذلك بطريقة احتمالية فقط. يجب أن تكون النتيجة الديناميكية لهذا الانجذاب هي التوحيد. تم تأكيد هذا التوقع من خلال عمليات المحاكاة الحاسوبية المعروضة أدناه.

يتطلب HGT أن تكون الشفرات الجينية للمضيف والمتلقي متشابهة بدرجة كافية ، ولكن مدى التشابه الكافي يعتمد على طبيعة البروتينات والدقة العامة لفك التشفير. هناك أسباب قوية للاعتقاد بأنه كلما كانت شفرة المتبرع أكثر بدائية ، زادت مسافة الشفرة الجينية التي يمكن خلالها استخدام HGT. وذلك لأن تحمل البروتينات للأخطاء في هيكلها الأساسي يتم تكييفه مع معدلات الخطأ في آلية الترجمة. لا تستطيع الخلية ذات الشفرة غير المثلى تحمل بروتينات متقلبة للغاية وبالتالي عالية الدقة بسبب تكلفة التخلص من البروتينات المعيبة. بروتين قوي في مواجهة الأخطاء الترجمية من باب أولى هو أيضًا أكثر تسامحًا مع الترجمة باستخدام رمز مختلف. على العكس من ذلك ، فكلما كان رمز المستلم أقل تحسينًا ، زادت تحمُّل البروتينات للخطأ ، وبالتالي قل التأثير الضار على الجينات الراسخة لتغيير الكود في اتجاه رمز المتبرع. هذا له نتيجة مهمة أنه في المراحل الأولى من تطور الشفرة الجينية ، عندما كان اتجاه التنويع في الرموز أقوى ، كان HGT ممكنًا ويجب أن يكون واسع النطاق على الرغم من وجود العديد من الرموز المختلفة.

HGT من المكونات متعدية.

حتى هذه النقطة ، نجحت مناقشتنا في تجنب تفاصيل كيفية تنفيذ الشفرة الجينية في الأجهزة ، كما كانت. ومع ذلك ، لا يمكننا تجاهل احتمال أن المكونات الانتقالية نفسها قد استفادت من HGT ، وننتقل الآن إلى هذا باختصار.

الكود الجيني هو تمثيل لعائلة من الوحدات ، والتي هي عالمية عبر جميع الكائنات الحية ويتم تحديدها من خلال آليات الترجمة ، مثل tRNAs وإنزيمات الشحن (تركيبة aminoacyl-tRNA في بيئة معاصرة). مهمة تحسين الترجمة والتشفير هي أيضًا مهمة عالمية ، أي أنها غير حساسة إلى حد كبير للمواضع التي تحتلها الكائنات الحية. لذا ، هل من الممكن أن يكون HGT للمكونات متعدية قد لعبت دورًا مهمًا في تطور الرموز؟ هل هناك أي أهمية في الفصل الوظيفي بين الآلية الترجمية (الريبوسوم) ومحددات الكود (الحمض الريبي النووي النقال وإنزيمات الشحن)؟ تخيل من أجل التبسيط موقفًا تمتلك فيه الكائنات الحية التي تشغل منافذ متنوعة نفس الشفرة الوراثية القابلة للطرق ومجموعات الحمض النووي الريبي. إن اكتشاف تعديل الحمض الريبي النووي الريبي (tRNA) الذي يغير الشفرة ويزيد من أمثلتها (وبالتالي كفاءة الترجمة) في كائن حي واحد سيكون مفيدًا أيضًا للكائنات الحية في المنافذ الأخرى ، بسبب الفائدة الشاملة للأمثل. لذلك ، فإن انتشار الاكتشاف مفيد لجميع المتلقين ويمكن افتراض حدوثه من خلال آليات HGT المختلفة بما في ذلك عبر العناصر النشطة مثل الفيروسات والبلازميدات.

لذلك ، إذا كان الانتشار من خلال HGT سريعًا مقارنة بالابتكارات ، فإن نواة من الكائنات الحية التي لها نفس الشفرة الجينية يمكن أن تحافظ على سلامتها أثناء التطور نحو الأمثل. لاحظ أن هذه الآلية لا تعتمد على الأصل المشترك وتحافظ على تنوع الكائنات الحية.علاوة على ذلك ، تختلف هذه الآلية عن أي بقاء لأي نوع "أصلح". في حالة عدم وجود قوة جذابة تقيد الرموز المنحرفة ، فإن جوهر الكائنات الحية هذا سوف ينضب ، إذا كان هناك أي ظرف يمنع تحديث الكود من غزو مجموعات معينة. إذا كان النضوب بطيئًا بدرجة كافية ، فسيكون المنحرفون في وضع غير مؤاتٍ مجتمعيًا ويختفون كما هو موصوف في المنافسة بين برك الابتكار. ستتنافس آلية الاستنفاد مع توسيع النواة بسبب فائدة بروتوكول مشترك يتقاسمه عدد كبير من السكان.

تنويع آلية الترجمة.

يؤدي الدور الخاص للشفرة الجينية كبروتوكول لمشاركة الابتكار إلى نتيجة رصدية محتملة. في المجتمع الأساسي للكائنات الحية التي هي في طور تحسين الكود ، يتم فرض توافق محددات الكود. بمجرد اكتمال تحسين الشفرة الجينية ، لن يكون هناك ضغط للحفاظ على التوافق. لذلك ، يمكن أن يؤدي "تجميد" الشفرة الجينية العالمية إلى إشعاع آليات الترجمة الأساسية. لذلك ، حتى لو ظهرت الترجمة في وقت أبكر من الأنظمة الخلوية الأساسية الأخرى ، لكن تحسين الشفرة استغرق وقتًا طويلاً ، فإن المكون الترجمي كان سيتنوع بدرجة أقل. يتماشى هذا مع الملاحظة القائلة بأن آلية الترجمة يتم الحفاظ عليها تطوريًا أكثر من آليات النسخ والنسخ. على الرغم من أننا لا نملك فهمًا كاملاً للانتقال الدارويني (18) ، فإن حجتنا تشير إلى أن عالمية الكود والأمثلية كانت ضرورية ولكنها ليست آليات كافية للانتقال إلى التطور الرأسي.

التفاعلات بين آليات HGT.

الآليات الجماعية المختلفة التي تم تمكينها بواسطة HGT والمذكورة أعلاه قادرة أيضًا على التفاعل بشكل تآزري مع بعضها البعض.

رأينا أعلاه أن التوسع التطوري لمجموعة الرموز الأكثر شيوعًا يوفر الدعم الضروري للحفاظ على جوهر عالمي مستنفد بشكل ضعيف. والعكس صحيح أيضا. آلية CIP غير فعالة إذا لم تكن هناك مجموعات ذات حجم كاف يمكن أن تعمل عليها. يتم تسهيل إنشاء مثل هذه المجموعات بشكل كبير عن طريق HGT لمحددات الكود ومناطق ترميز البروتين. يفرض توزيع الوحدات النمطية التي بدورها تفرض توزيع الوحدات. وبالمثل ، فإن تبادل مناطق ترميز البروتين يفرض الشمولية ، مما يجعل من السهل تبادل الجينات. لذلك ، هناك حلقات تغذية مرتدة إيجابية توفر على الأقل استقرارًا محليًا للبروتوكولات وتحولها إلى درجات فعالة من الحرية على نطاق زمني أطول. ثم يتم ضمان الاستقرار العالمي والعالمية من خلال طبيعة "الفائز يأخذ كل شيء" من CIP.

لا تتفاعل HGTs من محددات الكود ومناطق ترميز البروتين فقط من خلال آلية CIP ولكن بشكل مباشر أيضًا. إذا حصل كائن حي على جين من مكانة أخرى ، فإن مكانه في النظام البيئي يكون بحيث يكون لديه اتصال محتمل مع المادة الوراثية للمتبرع. لذلك ، يتمتع المستلم بفرصة أفضل من العشوائية للحصول على محدد الكود الصحيح من المتبرع أيضًا ، قبل استخدام الكودون الخاص لانجرافات السمات المكتسبة مؤخرًا. يوفر تبادل محددات الكود قناة يمكن من خلالها أن تصبح الرموز أكثر تشابهًا استجابةً لجاذبية الرموز بسبب تبادل مناطق تشفير البروتين.

باختصار ، فإن التفاعل بين الآليات المختلفة الموضحة أعلاه هو الذي يجعل ظهور العالمية والحفاظ عليها قويًا. في الوقت نفسه ، وبسبب تعقيد المشكلة ، من المفيد دراسة المكونات المختلفة بمعزل عن بعضها البعض أيضًا.

HGT والخصائص الإحصائية المرصودة للكود الجيني.

حتى الآن ، جادلنا بأن HGT والدور الخاص للشفرة الجينية كبروتوكول لمشاركة الابتكار يخففان من الصعوبات المفاهيمية في فهم العالمية المتزامنة وقابلية تطور الشفرة الجينية. هل يساعدنا هذا الفهم المحسن في شرح بعض السمات الإحصائية للشفرة الجينية الحديثة؟ وكيف يمكننا الكشف عن تواقيع الآليات المذكورة أعلاه المدفونة في التصميم الوظيفي والهيكلية للنظام الترجمي وتغيراته الوراثية؟

لمعالجة هذا الأمر ، يحتاج المرء إلى استكمال الآليات العامة المذكورة أعلاه بنظرة ثاقبة حول التغييرات التطورية الأولية للشفرة الجينية. هدفنا في الجزء المتبقي من هذه المقالة هو محاولة تحديد الخصائص الإحصائية القوية أو العامة للترجمة التي تنشأ من آلياتنا التطورية المقترحة ولكنها غير حساسة نسبيًا للتفاصيل الدقيقة. للبدء ، قمنا بنمذجة آلية جذب الكود ونسأل ، ما هو تأثير HGT على أمثلية الشفرة الجينية؟

نحن نستخدم ديناميكيات الشفرة الجينية مشابهة لتلك التي قدمتها لأول مرة سيلا وأرديل (24-26). السمة الرئيسية هي التطور المشترك بين الكود الجيني واستخدام الكودون في مواقع وظيفية مختلفة. يحدد الكود استخدام الكودون في توازن اختيار الطفرة. بدوره ، يحدد استخدام الكودون تكاليف اللياقة أو فوائد تغييرات الكود التي يمكن الوصول إليها ، وبالتالي توجيه تطور الكود. يمكن لتغييرات التعليمات البرمجية المفيدة نظرًا لاستخدام الكودون النموذجي للسكان أن تغزوها. لحساب HGT ، نقوم بربط تطور الشفرات المختلفة بافتراض أن جزءًا من كل جينوم يتكون من قطع تأتي من جينومات أخرى.

تتمثل ميزة نموذج سيلا وأردل في أنه نموذج مغلق لتطور الشفرة الجينية ويظهر أن حاجز قابلية التطور يمكن التغلب عليه في عالم يهيمن عليه البروتين. عيبه هو أنه لا يعالج حقيقة أن الترجمة هي عملية ديناميكية ، مع التنافس بين مكوناتها المختلفة. هذا يعني أن نموذج Sella و Ardell بمفرده غير مناسب لتحديد التوقيعات الإحصائية العامة للآليات التطورية للترجمة ، لأن الخصائص الإحصائية للكود وهيكل نظام الترجمة هي على وجه التحديد القرارات المستقرة لمقايضات التصميم. والصراعات التطورية الملازمة للترجمة.

إن آلية جذب الكود التي نستخدمها في هذه المرحلة هي أيضًا غير حساسة لتنفيذ الترجمة ، وبالتالي لديها نفس العيب. وبالتالي ، بدمجها مع نموذج سيلا وأردل ، لن نتمكن من معالجة جميع الجوانب التطورية للمشكلة. ومع ذلك ، فإن مثل هذا النموذج ، على الرغم من أنه بسيط للغاية بالنسبة لأهدافنا النهائية ، إلا أنه لا يزال ، بشكل مشجع ، يفسر شمولية الكود الجيني وأفضله. الجانب الرئيسي الوحيد للترجمة الذي من الضروري تضمينه ، حتى لو كان تقديمه يدويًا ، هو الترجمة الخاطئة.

في المستوى التالي في التسلسل الهرمي للنماذج ، يحتاج المرء إلى دمج الحمض الريبي النووي النقال كعوامل لكل من الجهد الجزيئي الجماعي للترجمة والتطور الجماعي للرموز الجينية. على عكس ما سبق ، في مثل هذه النماذج ، قد تصبح الترجمة الخاطئة متغيرًا ديناميكيًا ينشأ من المنافسة نفسها. يستلزم هذا المستوى الأدنى من الوصف مجموعة أكثر ثراءً من نتائج المراقبة ويوفر دورًا فريدًا وأساسيًا للكائن الحي كمدير للموارد ومنظم للصراع للعمليات الديناميكية المختلفة داخله.


برنامج هيربولد للبيولوجيا الحاسوبية

تأسس برنامج علم الأحياء الحاسوبي Herbold في عام 2007 بدعم من Bob و Pat Herbold. نحن ندمج العلوم البيولوجية التقليدية مع التدريب المتقدم في الفيزياء والإحصاء والرياضيات وعلوم الكمبيوتر. باستخدام الأساليب والأدوات الحسابية لمعالجة الأسئلة البيولوجية ، نستكشف ما كان سابقًا تجريبيًا بحتًا أو حسابيًا / إحصائيًا بحتًا ، مما يسمح لبرنامجنا بمعالجة مجالات بحث جديدة.

إن الجمع بين العلوم الكمية وعلم الأحياء الحسابي مع التخصصات التقليدية أمر مفروغ جزئيًا من خلال انفجار المعلومات حول الآلية الجزيئية للكائنات الحية. تشمل محركات البحث تسلسل الجينوم البشري ومنتجاته ، بالإضافة إلى توافر التقنيات الحيوية التي تقيس الآلات الجزيئية على مقياس الجينوم.

أعضاء هيئة التدريس والمختبرات

يتمتع أعضاء هيئة التدريس لدينا بالخبرة في التحكم في النسخ / الترجمة ، وديناميكيات نظام المناعة التكيفية ، وعلم الوراثة.

اطلع على آخر الأخبار حول علماء برنامجنا والأبحاث والمنح والاكتشافات.


شاهد الفيديو: الدرس 1 3 من التركيب الجيني إلى الظاهري الترجمة (كانون الثاني 2022).