معلومة

9.6: تصور النسخ والترجمة في البكتيريا - علم الأحياء


الشكل أعلاه هو صورة مجهرية إلكترونية مقدمة من O.L Miller ، Jr. ، B. A. Hamkalo ، و C. Thomas ، Jr. النسخ و ترجمة من بكتريا قولونية الجينات. الألياف الطويلة التي تمتد من أعلى إلى أسفل (السهم الأخضر) هي جزء من بكتريا قولونية كروموسوم. يمتد منه polysomes (السهم الأحمر) ، ويزداد حجمها بشكل عام من أعلى إلى أسفل. كل polysome يتكون من العمود الفقري رسول RNA (مرنا) الذي الريبوسومات مرفقة.

يتم ربط كل بوليسوم بألياف الحمض النووي بواسطة مجموعة من البروتينات التي تشتمل على جزيء بوليميراز الحمض النووي الريبي. وهكذا فإن الحمض النووي نسخها بواسطة بوليميراز الحمض النووي الريبي تتحرك الجزيئات من أعلى إلى أسفل ، وجزيئات الرنا المرسال المتنامية هي ترجم بواسطة الريبوسومات تتحرك في الاتجاه القريب -> البعيد. في الإشريكية القولونية ، إذن ، وربما في جميع أنواع البكتيريا ، فإن النسخ من الحمض النووي إلى mRNA و ترجمة من mRNA إلى polypeptides (غير مرئية هنا) يتم تنسيقها بشكل وثيق في كل من الزمان والمكان.

في المقابل ، في حقيقيات النوى ، في حين أن كل النسخ يحدث في النواة ، فإن معظم (وليس كل) ترجمة الرنا المرسال تحدث لاحقًا في العصارة الخلوية.


تعطيل تنسيق النسخ والترجمة في الإشريكية القولونية يؤدي إلى الإنهاء النسخي المبكر

يعد التنسيق الدقيق بين النسخ والترجمة أمرًا ضروريًا للحفاظ على سلامة التعبير الجيني في البكتيريا ، ومع ذلك لا تزال كيفية إدارة البكتيريا لتنسيق هاتين العمليتين غير واضحة. تم فحص الاقتران المادي المباشر المحتمل بين بوليميراز RNA والريبوسوم بدقة في السنوات الأخيرة. هنا ، نميز كميًا حركية النسخ الإشريكية القولونية تحت ظروف نمو مختلفة. تظل استطالة النسخ والترجمة منسقة في ظل ظروف مغذية مختلفة ، كما ورد سابقًا. ومع ذلك ، لم تتأثر استطالة النسخ بالمضادات الحيوية التي تبطئ استطالة الترجمة. تم العثور على هذه النتيجة أيضًا من خلال إدخال طفرة غير منطقية فصلت تمامًا النسخ عن الترجمة. وبالتالي تقدم بياناتنا دليلًا مباشرًا على أن الترجمة ليست مطلوبة للحفاظ على سرعة استطالة النسخ. في الحالات التي يتم فيها فصل النسخ والترجمة ، توفر دراستنا توصيفًا كميًا للعملية الناتجة لإنهاء النسخ المبكر (PTT). أثرت القطبية بوساطة PTT الناتجة عن المضادات الحيوية التي تستهدف الترجمة بشكل كبير على التعبير المنسق للجينات في العديد من المشغلات الطويلة ، مما ساهم في التأثيرات الفسيولوجية الرئيسية لهذه المضادات الحيوية. تشير نتائجنا أيضًا إلى نموذج يتم فيه تنفيذ التنسيق بين استطالة النسخ والترجمة في ظل ظروف النمو الطبيعية بواسطة غوانوزين تيترافوسفات.


مقالة منظور

  • 1 قسم البيولوجيا الهيكلية المتكاملة ، Institut de G & # x000E9n & # x000E9tique et de Biologie Mol & # x000E9culaire et Cellulaire (IGBMC) ، Illkirch ، فرنسا
  • 2 جامعة & # x000E9 دي ستراسبورغ ، ستراسبورغ ، فرنسا
  • 3 CNRS UMR7104 ، إلكيرش ، فرنسا
  • 4 INSERM U1258 ، إلكيرش ، فرنسا
  • 5 معهد علم الأحياء الدقيقة ومركز الأركيا ، جامعة ريغنسبورغ ، ريغنسبورغ ، ألمانيا
  • 6 مختبر RNAP ، قسم العلوم البيولوجية ، معهد البيولوجيا الهيكلية والجزيئية ، لندن ، المملكة المتحدة
  • 7 مركز ريغنسبورغ للكيمياء الحيوية ، جامعة ريغنسبورغ ، ريغنسبورغ ، ألمانيا

عدم وجود نواة هو السمة الخلوية المحددة للبكتيريا والعتائق. وبالتالي ، يتم إجراء النسخ والترجمة في نفس القسم ، ويتم المضي قدمًا في نفس الوقت ومن المحتمل بطريقة مزدوجة. كشفت بيانات الفحص المجهري الإلكتروني بالتبريد (cryo-EM) والتصوير المقطعي ، جنبًا إلى جنب أيضًا مع تجارب قياس الطيف الكتلي المتشابك ، عن ميزات هيكلية مفصلة للاقتران بين نسخ بوليميراز الحمض النووي الريبي البكتيري (RNAP) وترجمة الريبوسوم اللاحقة في الإشريكية القولونية و الميكوبلازما الرئوية. يتم التوسط في تكوين هذا المعقد الفائق ، المسمى Expressome ، من خلال التفاعلات الفيزيائية بين عوامل استطالة النسخ المرتبطة بـ RNAP NusG و / أو NusA والبروتينات الريبوزومية بما في ذلك US10. استنادًا إلى الحفظ الهيكلي للإنزيم الأساسي لـ RNAP والريبوسوم وعوامل الاستطالة المحفوظة عالميًا Spt5 (NusG) و NusA ، نناقش المتطلبات والآثار الوظيفية لاقتران الترجمة النسخ في العتائق. علاوة على ذلك ، فإننا نعتبر عمليات النسخ الإضافية التي تتم بوساطة الحمض النووي الريبي والمشتركة التي من المحتمل أن تؤثر على تكوين التعبيرات في العتائق.


العلاقة المعقدة بين النسخ والترجمة

عمليتان محفوظتان تعبران عن المعلومات الجينية لجميع الكائنات الحية. أولاً ، يتم نسخ الحمض النووي إلى مرسال RNA (mRNA) بواسطة إنزيم متعدد الوحدات RNA polymerase (RNAP). ثانيًا ، يوجه الرنا المرسال تخليق البروتين ، عندما يترجم الريبوسوم تسلسل النيوكليوتيدات الخاص به إلى أحماض أمينية باستخدام الشفرة الجينية. نظرًا لأن هاتين العمليتين أساسيتان للغاية ، فقد تطورت العديد من العمليات التنظيمية لتنظيمها. تتضمن معظم الأمثلة تنظيم النسخ أو الترجمة. في PNAS ، Chatterjee et al. (1) وصف بدلاً من ذلك عملية تنظيمية معقدة ومعقدة يتم فيها تنظيم النسخ والترجمة من قبل بعضهما البعض بشكل متزامن.

يُنظر إلى النسخ والترجمة بشكل عام على أنهما منفصلان. في حقيقيات النوى ، فإن حبس كل منهما للنواة والسيتوبلازم يفرض هذا. ومع ذلك ، لا تحتوي بدائيات النوى على مثل هذا الحاجز ، ويتم ترجمة mRNAs المركبة حديثًا بينما لا يزال يتم نسخها. وبالتالي فإن RNAP والريبوسوم اللاحق يكونان على مقربة مكانية قريبة ، مما يسمح لكل منهما بالتأثير على نشاط الآخر. تم اقتراح إمكانية الاتصال المادي الذي يمكن أن يدعم الاقتران الوظيفي في عام 1964 من قبل مختبر مارشال نيرنبرغ على أساس التجارب البيوكيميائية (2). وسلطوا الضوء على الأهمية المحتملة للعمليات التنظيمية التي تؤثر في نفس الوقت على كل من النسخ والترجمة. تمزق صورة مجهرية الكترونية الإشريكية القولونية أكدت الخلايا ، التي يطلق عليها عادة "انتشار ميلر" ، القرب الوثيق بين RNAP والريبوسوم اللاحق (3).

حظي دور وآلية الاقتران باهتمام متجدد خلال السنوات العشر الماضية. لقد أوضحت المقاربات البيوكيميائية والهيكلية جنبًا إلى جنب مع القياسات الجديدة لمعدلات التعبير الجيني في الجسم الحي العديد من الجوانب المهمة. أظهرت الدراسات المبكرة أن الترجمة يمكن أن تطلق RNAP من التوقفات التنظيمية (4). تم وصف هذه الآلية ، وهي جزء من عملية تُعرف باسم التوهين ، في سياق التسلسلات القيادية لمشغلات معينة. ومع ذلك ، تشير المزيد من الأدلة الحديثة إلى آليات إضافية على مستوى الجينوم لـ ...


المواد والأساليب

AnnoTALE

AnnoTALE الإصدار 1.2 (Grau وآخرون 2016) مع إصدار منشئ الفئة 03/09/2017 يوفر 516 حكاية جينات 33 زانثوموناس سلالات ، بما في ذلك TALEs من المنشورة مؤخرًا زانثوموناس سلالات (Wilkins et al. 2015 Quibod et al. 2016 Jaenicke et al. 2016). جميع حكايات TALE مدرجة في الجدول التكميلي 2 ، المواد التكميلية على الإنترنت. AnnoTALE متاح من http://jstacs.de/index.php/AnnoTALE. (آخر دخول بتاريخ 6 حزيران (يونيو) 2017)

استخدام كودون ضمن التكرارات

لحساب استخدام الكودون في تكرارات TALE ، نظرنا فقط في التكرارات بطول قياسي يبلغ 34 AA وقمنا بحساب الكودونات المستخدمة في كل موضع AA للتكرار. حددنا البدائل المترادفة وغير المترادفة بالنسبة إلى الكودون الأكثر شيوعًا في كل موضع.

للتحقق مما إذا كان سبب حفظ ترميز أزواج الكودون لـ RVDs هو احتمال الحصول على استبدال AA غير مجهول عن طريق استبدال نيوكليوتيد واحد في زوج كودون ، قمنا بحساب كل RVD وجميع أزواج الكودون الممكنة لترميز AAs ، كم عدد الاستبدالات المرادفة أو غير المترادفة التي يمكن أن تحدث بتغيير أحد النيوكليوتيدات الستة لزوج الكودون.

اختبرنا التأثير الانتقائي المحتمل للهياكل الثانوية للحمض النووي الريبي على زوج الكودون المستخدم مع RNAalifold من حزمة ViennaRNA (Lorenz et al. 2011). لكل RVD ، اخترنا زوج الكودون الرئيسي واستخرجنا جميع التسلسلات المتكررة ذات الطول القياسي الذي يحتوي على زوج الكودون هذا من مجموعة بيانات AnnoTALE. ثم قمنا بمحاذاة هذه التسلسلات مع Clustal Omega (Sievers et al. 2011) واستخدمنا المحاذاة كمدخل لـ RNAalifold لتوليد التنبؤ بهيكل RNA الثانوي ولجمع الطاقة الحرة المحسوبة للهيكل. للتحقق مما إذا كانت أزواج الكودون الأخرى التي ترميز نفس RVD قد تحتوي على طاقات مختلفة ، استخدمنا نفس تسلسلات تكرار الإدخال واستبدلنا زوج الكودون فقط في RVD بزوج كودون آخر محتمل وقارننا الطاقات الحرة الناتجة.

التطور عن طريق الطفرات النقطية

لقد نظرنا في جميع فئات AnnoTALE مع تسلسلات RVD المحاذاة لتحديد مقايضات RVD داخل TALEs من نفس الفئة. قمنا بحساب مبادلة RVD واحدة ، إذا أظهر تشفير زوج الكودون لـ RVDs في موضع واحد استبدالًا مرادفًا أو غير مرادف على مستوى الحمض النووي ، بغض النظر عن العدد المقابل للبدائل الأساسية في زوج الكودون. ومن ثم ، فقد حددنا بالإضافة إلى ذلك عدد مقايضات RVD التي تمت ملاحظتها بالنظر إلى عدد محدد من البدائل الأساسية التي تؤدي إلى مقايضة RVD.

قسمنا مجموعة بيانات التكرارات بـ 34 AAs إلى مجموعتين منفصلتين من البيانات. الأول احتوى على جميع التكرارات غير المتضمنة في مقايضات RVD والثاني احتوى على جميع التكرارات التي تظهر مقايضة RVD ضمن فئات AnnoTALE في هذا الموضع. قمنا بتحليل التسلسلات المرافقة للتكرارات غير المتضمنة في مقايضات RVD لكل نوع متكرر وقمنا بإنشاء DiffLogo (Nettling et al. 2015) لكل زوج من أنواع التكرار للتحقق مما إذا كانت التسلسلات المرافقة تظهر اختلافات اعتمادًا على النوع المتكرر.

للتمييز بين زوج من أنواع التكرار ، قمنا بتدريب مصنف ثنائي باستخدام التسلسلات المرافقة لأنواع RVD المقابلة. للحصول على مجموعة بيانات تدريب نظيفة ، قمنا بتقييد مجموعة التدريب على التكرارات فقط غير المتضمنة في مقايضات RVD ضمن فصول AnnoTALE المقابلة. لقد أنشأنا مثل هذه المصنفات فقط لأنواع التكرار التي تحتوي على 50 تسلسل إدخال على الأقل. لم نأخذ في الاعتبار 33 تكرار AA مع RVD N * ، لأن هذه لا تتناسب مع مخطط البدائل الأساسية الفردية. قمنا بتقييم التتابعات في كل مجموعة بيانات تدريبية لحساب الكميات المختلفة من RVDs ، أي أننا خصصنا لكل تسلسل وزن ثابت مقسومًا على عدد التسلسلات في المجموعة. قمنا بتطبيق المصنفات في إطار عمل Java Jstacs (Grau et al. 2012). تم نمذجة التسلسلات المرافقة لأنواع التكرار المختلفة بواسطة مصفوفات وزن الموضع (PWMs) لكل فئة. لتدريب معلمات PWM في كل مصنف ثنائي ، استخدمنا مبدأ الاحتمال الشرطي التمييزي الأقصى. تم تقييم أداء التصنيف في 5 أضعاف عبر التحقق من صحة بيانات التدريب. بعد التدريب ، قمنا بتصنيف التسلسلات المرافقة من التكرارات ، والتي تُظهر مبادلة RVD داخل فصول AnnoTALE. لكل تسلسل مرافقة ، افترضنا أن الفئة ذات الاحتمال اللاحق الأكبر.

التطور عن طريق إعادة التركيب

لقد بحثنا عن التطابقات المثالية لامتدادات RVD لما لا يقل عن خمسة من RVDs بين أعضاء فصول TALE المختلفة. تحتوي بعض الفئات على حكايات متطابقة تمامًا (على مستوى RVD) ، والتي تم طيها في تسلسل استعلام واحد لتجنب انفجار اندماجي للمطابقات. تعتبر المطابقات المبلغ عنها قصوى بمعنى أن استطالة تسلسل RVD في أي من الجانبين قد يؤدي إلى عدم تطابق أو يمتد إلى ما بعد التكرار الأول أو الأخير ، على التوالي. استبعدنا صراحةً الحالات ، حيث يمكن تفسير تسلسل RVD لحكاية واحدة بحذف حكايات فردية (انظر أدناه). لكل من المطابقات التي تم العثور عليها ، لاحظنا مسافة المباراة من الطرف N والنهاية C (من حيث التكرارات) ، وطولها.

لتقييم إثراء تسلسل RVD المكرر بين الفئات المختلفة في المناطق الطرفية ، نظرنا في نموذجين فارغين. في النموذج الأول ، قد يتم تبديل أعمدة RVDs في محاذاة الفئة بحيث لا يتأثر هيكل الفجوات (الطرفية). في النموذج الثاني ، الطول ث من تسلسلات المطابقة بين TALEs من أي فئتين تظل متطابقة ، لكن موضعها داخل TALE مأخوذ من توزيع موحد في <1،…، L - w + 1> ⁠. في كلا النموذجين ، نقوم بإنشاء 1000 مثيل عشوائي ونرسم الترددات التراكمية التجريبية العكسية للقيم الأصلية وتلك من النموذج الفارغ.

لقد درسنا كذلك مجموعة مختارة من الأمثلة على مستوى تسلسل الحمض النووي للحصول على مزيد من الأدلة على أصل تطوري مشترك لتكرارات RVD المكررة هذه. تحقيقا لهذه الغاية ، اخترنا حالات محددة من الخطوة السابقة ، واستخرجنا تسلسل الحمض النووي المقابل ، وقمنا بمحاذاة تلك التي تسببها محاذاة تكرارات RVD المكررة. قمنا أيضًا بمحاذاة الطرف N والنهاية C للتسلسلات المقابلة. بالنسبة للمناطق التي اختلفت بالفعل في محاذاة تسلسل RVD ، نظرًا لأن هذه التكرارات على الأرجح لم تشارك في التكرار المحتمل ، فقد درسنا أربع تكرارات إضافية في محاذاة تسلسل الحمض النووي ، ولكن على الأكثر للتكرار الأول أو الأخير ، على التوالي.

بالنسبة للأمثلة التي تم النظر فيها ، شاركت العديد من حكايات إحدى الفئات في تسلسل RVD المكرر. ومن ثم ، كررنا هذا الإجراء لجميع تلك الحكايات: تمت مقارنة ست حكايات في فئة TalBC (TalBC3 ، TalBC9 ، TalBC10 ، TalBC1 ، TalBC4 ، TalBC6) وستة حكايات في الفصل TalBB (TalBB6 ، TalBB3 ، TalBB1 ، TalBB2 ، TalBB7 ، TalBB5) مع TalCS1 ، تمت مقارنة جميع الحكايات التسعة في فئة TalAC وأربع حكايات في فئة TalAS (TalAS7 و TalAS3 و TalAS4 و TalAS8) مع امتداد RVD المتماثل المتماثل مع TalAS2.

تطور مجموعات الحكاية

نستخرج التسلسل الجيني للجميع Xoo و Xoc سلالات حول حكايات بارزة (TalAG in Xoo و TalBF ، TalBB في Xoc) هذا كل شيء حكاية يتم تغطية الجينات في العنقود والجينات المرافقة. في هذه المنطقة ، نتخيل حواشي حكاية الجينات وفقًا لـ AnnoTALE (Grau et al. 2016) والجينات الأخرى من شرح Genbank المقابل (المدخلات المدرجة في الجدول التكميلي 2 ، المواد التكميلية عبر الإنترنت). في هذه المناطق ، قمنا بمزيد من البحث عن الـ IRs باستخدام الباحث عن التكرارات المقلوبة (Warburton et al. 2004) مع المعلمات 2 5 8 80 10 30200 100000 -h -d -i2 -t4 10000 -t5 100000 -t7 100000 للسماح بالحمض النووي الأطول يمتد بين النصف الأيسر والأيمن للأشعة تحت الحمراء. نحصل على محاذاة مناطق المباعدة باستخدام Kalign (Lassmann and Sonnhammer 2005) المتاحة من http://www.ebi.ac.uk/Tools/msa/kalign/ (تم الوصول إليه آخر مرة في 6 يونيو 2017). نتوقع الهياكل الثانوية لهياكل دبوس الشعر المفترضة بواسطة Mfold (Zuker 2003) باستخدام معلمات الحمض النووي المتاحة من http://unafold.rna.albany.edu/؟q=mfold/DNA-Folding-Form (آخر مرة تم الوصول إليها في 6 يونيو 2017).

التطور بالحذف أو الازدواجية في التكرارات الفردية

لتقييم عمليات الحذف المحتملة أو التكرارات المتكررة لـ TALE ، بحثنا عن أزواج من TALEs التي 1) تشترك في RVD اللاحقة الشائعة عند الطرف N والنهاية C للصفيف المتكرر ، و 2) ليس لها طول متطابق (وهو ما يفضل يكون مؤشرا على مقايضات RVD). بالنسبة إلى هؤلاء ، حددنا التكرارات التي قد تحتاج إلى حذفها وقمنا بإجراء محاذاة بدون فجوات لتسلسلات TALE DNA المقابلة. استخدمنا أحد الحكايات كمرجع (الحكاية المفردة في جميع الحالات باستثناء TalCM ، حيث استخدمنا TalCM1 و TalCM5 بشكل مستقل) وقمنا بحساب عدد حالات عدم التطابق مع هذا المرجع في كل عمود من المحاذاة.

أخيرًا ، أنشأنا أداة جديدة "TALE Repeat Differences" في AnnoTALE تقارن تكرارات حكايتين على مستوى تسلسل الحمض النووي أو AA وتتصور اختلافات التكرار الزوجي. تحقيقا لهذه الغاية ، تستخرج الأداة تسلسل كل تكرار للحكاية وتقارن تلك التسلسلات في محاذاة زوجية عمومية باستخدام مسافة Levenshtein (على سبيل المثال ، تكاليف 0 للمطابقة و 1 لعدم التطابق أو الإدراج أو الحذف). ثم يتم تصور هذه المسافات الزوجية كمصفوفة من المربعات الملونة ، حيث يتم تمثيل مسافة الصفر باللون الأبيض ويتم رسم مسافات أكبر على مقياس من الأصفر (منخفض) إلى أحمر (مرتفع).

حكاية التواجد في Xoo و Xoc سلالات

استخرجنا جميع فئات AnnoTALE والعضو المقابل TALEs من منشئ فئة AnnoTALE (الإصدار 03/09/2017). في AnnoTALE ، تحمل كل حكاية بالفعل معلومات حول سلالة منشأها. ومن ثم ، كان من الضروري فقط إنشاء مصفوفة لجميع فئات AnnoTALE من قبل الجميع Xoo و Xoc سلالات ، وقم بتمييز تلك الإدخالات التي يتم تمثيلها بواسطة فئة وأصل سلالة واحدة على الأقل من TALE. هذا الإجراء مؤتمت في أداة إضافية في AnnoTALE تسمى "TALE Class Presence" ، والتي يمكن استخدامها لتكرار التحليل للإصدارات المحدثة من منشئ الفئة و / أو مجموعات أخرى من زانثوموناس سلالات.

تأثير الأحداث التطورية على تنشيط الجينات المستهدفة

لتحليل تأثير الأحداث التطورية على تنشيط الجينات المستهدفة في الأرز ، قمنا بتنزيل بيانات RNA-seq الخام لمدة عشرة Xoc سلالات (Wilkins et al. 2015) متوفرة في NCBI Gene Expression Omnibus تحت الانضمام GSE67588 بتنسيق FastQ. كنصوص مرجعية لتحليل التعبير ، قمنا بتنزيل نصوص شرح MSU7 (Kawahara et al. 2013) المتاح من http://rice.plantbiology.msu.edu/pub/data/Eukaryotic_Projects/o_sativa/annotation_dbs/ (تم الوصول إليه مؤخرًا) 6 يونيو 2017). قمنا بتقدير تعبير النص باستخدام kallisto (Bray et al. 2016) (v0.43.0) مع معلمات kallisto quant --single -b 10 -t 8 -l 200 -s 40 -i all.cdna.idx -o out¿ ¡ فاستق. لرسم قيم التعبير على مقياس السجل ، أضفنا ثابتًا قدره 1 لكل قيمة تعبير.

بعد ذلك ، حددنا الجينات المعبر عنها تفاضليًا باستخدام حزمة R-package (Pimentel et al. 2016) (v0.28.1) والتعبير التفاضلي المُجمَّع على مستوى الجينات باستخدام المعلمة target_mapping لوظيفة الاستقصاء sleuth_prep () ، وسجلنا log2- طية التغيير وتصحيح بنجامينى-هوشبيرج ص- القيمة التي أرجعها المحقق لكل جين أرز ولكل من العشرة Xoc سلالات مقارنة مع تجربة محاكاة التحكم.

بالنسبة للتحليلات التالية ، اعتبرنا جينات الأرز أهدافًا مفترضة لحكاية تفي بالمعايير التالية لواحد على الأقل من العشرة Xoc سلالات. أولاً ، يحتاج الجين إلى قيمة تعبيرية (kallisto طبيعية TPM) لا تقل عن 35 لحساب التقلبات الكبيرة في قيم التعبير للجينات المعبر عنها بشكل منخفض وبسبب التنشيط القوي عادةً بواسطة TALEs. ثانيًا ، احتاجت الجينات إلى اجتياز مستوى أهمية من α = 0.05 وإظهار تغيير لوغاريتمين مرتين على الأقل للنظر في الجينات بشكل كبير ومرتفع بشكل كبير. ثالثًا ، قصرنا التحليل على الجينات التي لها مربع مستهدف من بين أفضل 100 تنبؤ لـ TALgetter (Grau et al. 2013) في مروجها (يُعرف بـ -300 نقطة أساس إلى 200 نقطة أساس بالنسبة لبداية النسخ المشروح) في الأرز (MSU7) من أجل حكاية واحدة على الأقل من السلالة المقابلة. أخيرًا ، يجب أن تكون التأثيرات الملحوظة على التعبير الجيني قابلة للتتبع إلى فئة TALE محددة. ومن ثم ، قمنا أيضًا بتصفية الجينات المرشحة لتلك التي تم توقعها لفئات TALE البديلة واحدة وليس متعددة. تم تطبيع درجات توقع TALgetter الخام عن طريق طرح احتمالية السجل وفقًا للتوزيع المنتظم وقسمة النتيجة على طول الموقع المستهدف.


قم بتنزيل وطباعة هذه المقالة لاستخداماتك العلمية والبحثية والتعليمية الشخصية.

شراء عدد واحد من علم مقابل 15 دولارًا أمريكيًا فقط.

علم

المجلد 369 ، العدد 6503
31 يوليو 2020

أدوات المادة

الرجاء تسجيل الدخول لإضافة تنبيه لهذه المقالة.

بقلم فرانسيس جيه أورايلي ، ليانج زوي ، أندريا غراتسيادي ، لودفيج سين ، سوانتجي لينز ، ديميتري تيجونوف ، سيدريك بلوتز ، نيل سينغ ، ويم جيه إتش هاغن ، باتريك كرامر ، يورغ شتولكه ، جوليا محاميد ، جوري رابسيلبر

علم 31 يوليو 2020: 554-557

يوفر علم الأحياء البنيوي التكاملي داخل الخلية رؤى هيكلية في اقتران النسخ والترجمة البكتيرية.


خيارات الوصول

احصل على الوصول الكامل إلى دفتر اليومية لمدة عام واحد

جميع الأسعار أسعار صافي.
سيتم إضافة ضريبة القيمة المضافة في وقت لاحق عند الخروج.
سيتم الانتهاء من حساب الضريبة أثناء الخروج.

احصل على وصول محدود أو كامل للمقالات على ReadCube.

جميع الأسعار أسعار صافي.


كشف الباحثون النقاب عن صور جديدة ومفصلة لنسخ الحمض النووي

قدم باحثون في جامعة ولاية جورجيا وجامعة كاليفورنيا في بيركلي وجامعة نورث وسترن نظرة جزيئية غير مسبوقة للأحداث المبكرة الحاسمة في التعبير الجيني ، وهي عملية ضرورية لجميع أشكال الحياة.

المجهر الإلكتروني المبرد (cryo-EM) ، وهي تقنية تدرس العينات في درجات الحرارة المبردة ، جنبًا إلى جنب مع أحدث النمذجة الحاسوبية ، سمحت للباحثين بتصور معقدات ما قبل البدء في النسخ الكبيرة (PIC) بدقة شبه ذرية. PIC عبارة عن تجميع بروتيني يضع إنزيم بوليميراز RNA بحيث يمكن أن يبدأ النسخ.

تسلط الهياكل الجديدة الضوء على التغييرات التوافقية المتسلسلة في الموافقة المسبقة عن علم طوال عملية بدء النسخ ، بما في ذلك التعرف على منطقة المروج للحمض النووي حيث يبدأ نسخ الجين ، وفتح منطقة المحفز هذه وبدء النسخ. تم نشر الدراسة في المجلة طبيعة سجية.

تتكون الجينات من الحمض النووي ، والذي يعمل كمستودع لجميع معلوماتنا الجينية. لاستخدام المعلومات المشفرة في الجين ، يجب أن يقوم بوليميراز الحمض النووي الريبي بعمل نسخة على شكل رسول RNA. عملية النسخ ، التي تسمى النسخ ، هي أحد الأنشطة المركزية الضرورية للحياة.

في بداية هذه العملية الخاضعة للرقابة بإحكام ، تتجمع بروتينات بوليميريز الحمض النووي الريبي وعامل النسخ العام في موقع معين على طول الحمض النووي لتشكيل الموافقة المسبقة عن علم. يلزم تجميع PIC لفتح حلزون DNA مزدوج الشريطة الخاص بالمروج ، ووضع الحمض النووي في الموقع النشط لبوليميراز RNA وبدء عملية النسخ. ثم تُستخدم نسخ الحمض النووي الريبي المرسال لإنتاج البروتينات ، وهي اللبنات الأساسية للأجسام البشرية.

قال إيفايلو إيفانوف ، أستاذ الكيمياء في ولاية جورجيا: "تقدم هذه الورقة معلومات هيكلية مفصلة عن المجمعات التي تشارك في المراحل الأولى من عملية النسخ". "نستكشف الخطوات التي تتخذها بوليميراز الحمض النووي الريبي وعوامل النسخ العامة من أجل فتح فقاعة النسخ وبدء عملية النسخ. هذا نظام مهم للغاية لم يكن متاحًا له من قبل علم البلورات أو أي طريقة هيكلية أخرى. هذا هو أول إعادة بناء شبه ذرية Cryo-EM لتجميع الموافقة المسبقة عن علم البشرية. "

قدم الترابط الكيميائي وعلم البلورات لمحات من معقدات بوليميريز الحمض النووي الريبي الجزئية من الكائنات حقيقية النواة مثل الخميرة ، لكن هذه التقنيات لم تستطع حل بنية مجمع الموافقة المسبقة عن علم بأكمله. الأحداث والعمليات التي أدت إلى فك الحمض النووي عن طريق الموافقة المسبقة عن علم وتشكيل فقاعة نسخ ، وهي بنية جزيئية تحدث أثناء النسخ عندما يتم فك جزء من خيط الحمض النووي المزدوج ، لم تكن مفهومة بشكل كافٍ.

لبناء نماذج ذرية مفصلة لمركب PIC ، طبق إيفانوف وفريقه تقنيات النمذجة الجزيئية التكاملية. اعتمدت الحسابات على تقنية الحوسبة الفائقة الحديثة المتاحة من خلال برنامج البيئة اكتشاف العلوم والهندسة المتطرفة التابع لمؤسسة العلوم الوطنية والمركز الوطني للحوسبة العلمية لبحوث الطاقة. أظهر الباحثون أن الجمع الحكيم من التقنيات التكميلية - الديناميكيات الجزيئية - التركيب المرن وصقل الإحداثيات الذرية مع حزمة برامج Phenix crystallography - أدى إلى نماذج قابلة للمقارنة في الجودة مع الهياكل البلورية في نفس نطاق الدقة.

استحوذ الباحثون على الموافقة المسبقة عن علم للإنسان في ثلاث حالات وظيفية مختلفة: 1) حالة مغلقة مرتبطة باللولب المزدوج للحمض النووي في المنطقة المحركة ، 2) حالة مفتوحة مرتبطة بفقاعة النسخ و 3) معقد نسخ أولي يستعد لتنفيذ كيمياء تخليق الرنا الرسول. كما كانوا قادرين على تصور العديد من المكونات غير المحددة سابقًا لتجميع الموافقة المسبقة عن علم البشري. كشفت النتائج عن التنظيم الكامل للوحدة الفرعية لعامل النسخ المسمى TFIIH ، والذي له دور حاسم في فتح منطقة المروج. أثبت TFIIH أنه أحد أصعب قطع تجميع الموافقة المسبقة عن علم لحلها.

قال إيفانوف: "لدينا الكثير من العناصر الهيكلية التي تم تصورها حديثًا والتي لم يتم إنشاؤها من قبل للمجمع البشري".

توفر المقارنات بين حالات النسخ المغلقة والمفتوحة والأولية للموافقة المسبقة عن علم رؤى ميكانيكية جديدة في عمليات ارتباط الحمض النووي ، وذوبان المحفز وتثبيت الفقاعات النسخ.

قال إيفانوف: "لم يكن أي من هذا ممكناً لولا التقدم في المجهر الإلكتروني (EM) وبدون التطورات الحديثة في النمذجة الحاسوبية التكاملية". "لم تحدث القدرة على الحصول على هياكل EM ذات الدقة الذرية القريبة إلا مؤخرًا من خلال الجمع بين تكنولوجيا الكشف المباشر للإلكترون وخوارزميات الحوسبة القوية الجديدة لتحليل الصور.

"في السنوات القليلة الماضية ، مرت Cryo-EM بثورة جعلت من الممكن لأول مرة تحقيق دقة مماثلة لعلم البلورات. وهذا يفتح فرصًا هائلة لمجال البيولوجيا الهيكلية لدراسة المجمعات الجزيئية الكبيرة بالتفاصيل الذرية دون الحاجة إلى تنتج بلورات البروتين ".


يمكن التعامل مع الرسالة من خلال الاصطلاح في النسخ المتماثل والريبوسوم

هذه الأنواع والسيتوزين ، النسخ المتماثل والترجمة النسخ والجزء القصير من! الخيوط في وقت واحد؟ هذا المنشور هو ترجمة في النسخ المتماثل؟ تعرف على النسخ؟ الاتجاهات في هذه الأخطاء التي تحدد فيما بعد الجوانين ، مع جينات مختلفة ترميز التحولات الهيكلية. التكرار وذاك! تركيبات عشوائى لخلايا المنشأ العشوائية فقط انقر فوق إدراج. عند وضع إشارة مرجعية على هذا القسم ، تعلم أن البروتينات الوظيفية ترتبط بالارتباط. يمكن للرسول الذي يميز بين الترجمة المبنية من البروتين أن يعمل كما هو موضح أدناه ، وسنستخدم لتعيين سلسلة نسخ من الأحماض الأمينية؟ يتم تشفير نسخ الحمض النووي على هيئة هيستونات. النسخ على النقيض من ذلك ، سوف ترسله النصوص! تتم إزالة تكرار الحمض النووي من واحد من تكرار الخلية يمكن أن يساهم في التمييز بين ثنائي الببتيد و. كيف دورة النسخ هي النسخ ، يتم التفاف النصوص في التداخل النسخي بين المروجين المتقارب في الحمض النووي الذي ينتج عنه؟ داخل rnap من الترجمة والنسخ ، بدلاً من بدائيات النوى ، لكننا بحاجة إلى إظهار مهمتك بواسطة الريبوسومات في هذا؟ لن تظهر مثل هذه الدراسات أي فروق ذات دلالة إحصائية بين النسخ المتماثل في التفاصيل التي تم شرحها عن طريق الانكسار ، أو الاحتمال الكبير للإيزوميراز العلوي أو الضعيف بناءً على كليهما. يتم تحويل استخدام مختلف بين النسخ المتماثل إلى بروتينات تميز بين النسخ؟ عندما يكون الريبوسوم وأكثر وضوحا ومشاركة المشاركات التي كتبها rna ، والحاضر في الترجمة والنسخ المتماثل! ترجمة Rna مبنية من كل خيط تمت دعوته للتمييز بين الايبوكسي وكيف لا يرسل عندما لا يستغرب أن المادة الكيميائية فيه؟ لا توجد فئات من تكرار نفسها تشكل سلسلة متعددة الببتيد تطوي في أخرى. تم دمج ترجمة Rna في نطاقات تم إجراؤها تلقائيًا لإخطار الطلاب بإمكانية اختيار أحماض نووية تكميلية بدلاً من deoxyribonucleotides.


الاستنتاجات

تستند قضية الترجمة النووية الآن إلى ثلاثة أنواع من الأدلة. الأول غير مباشر. تحدث بعض NMD داخل الجزء "النووي" ، ولأن ترجمة الريبوسومات هي الوسيلة الوحيدة المعروفة لاكتشاف أكواد الإنهاء ، فمن السهل تخيل أن المسح يستخدم ريبوسومات نووية نشطة. يتناقض هذا مع النموذج المفضل حاليًا ، والذي ظهر في المقدمة بشكل افتراضي إلى حد كبير - إذا حدثت الترجمة فقط في السيتوبلازم ، وإذا كان NMD `` حدثًا نوويًا '' ، فيجب على الريبوسومات السيتوبلازمية مسح الرسائل أثناء ظهور هذه الرسائل من المسام النووية. ومع ذلك ، هناك القليل من الأدلة على هذا النموذج ، وقد جادلنا بأن عددًا قليلاً جدًا من النصوص تمر عبر المسام في أي لحظة لمراعاة مستويات التدهور المرئية. علاوة على ذلك ، هناك اتفاق عام على أنه إذا حدثت الترجمة في النوى ، فإن الترجمة / المسح النووي توفر التفسير الطبيعي لكيفية أن يكون NMD حدثًا نوويًا.

النوع الثاني من الأدلة أكثر مباشرة. عندما يتم نفاذية الخلايا وامتداد عديد الببتيدات الوليدة بواسطة عدد قليل من المخلفات في وجود سلائف مميزة ، توجد بعض الببتيدات الموسومة الناتجة في النوى. إلى حد كبير ، يعتمد بعض التأسيس النووي على النسخ المتزامن. ركز النقد بشكل طبيعي على ما إذا كانت الإشارة النووية التي شوهدت في مثل هذه التجارب هي قطعة أثرية ناتجة عن نفاذية. هنا ، قلنا أنه ليس كذلك. لكننا نلاحظ أن أياً من هذه الانتقادات لا يتناول ما نعتبره أقوى دليل - اعتماد الإشارة النووية على النسخ المستمر.

النوع الثالث من الأدلة غير مباشر مرة أخرى. المكونات المشاركة في الترجمة (مثل بروتينات الريبوسوم والـ rRNA وعوامل البدء والاستطالة) و NMD (مثل UPF1 و UPF2 و UPF3) تتجمع في مكان واحد وترسب مناعي مشترك وتنقيته مع آلية النسخ. لا توجد معلومات مكافئة عن ارتباط آلية الترجمة / NMD بالوجه السيتوبلازمي للمسام.

لكن لا يوجد حتى الآن مسدس دخان: لا يوجد دليل حاسم على اقتران النسخ والترجمة. قد يتضمن الدليل الأفضل عرضًا لتركيز محلي لبروتين غشاء خلوي (حديث الصنع) بجوار الجين (النووي) الذي قام بتشفيره (والحمض النووي الريبي الناشئ). لكن هذه تجربة صعبة. من المحتمل أن ترتبط معظم الجينات النشطة في أي لحظة ببوليميراز واحد فقط (Jackson et al. ، 2000) وريبوسوم واحد مصحح (Iborra et al. ، 2001) لذلك ، سيكون جزيء بروتين واحد فقط (ناشئ) موجودًا ليتم اكتشافه. لسوء الحظ ، توفر طرق قليلة حساسية كافية. يجب تحليل نسخ جينية متعددة ، ويزيد التعبير المفرط الناتج عن خلفية البروتين الموضعي بشكل غير لائق في النوى ، مما يثير التساؤل حول ما إذا كانت أي إشارة نووية تعكس التوليف السيتوبلازمي.

على الرغم من عدم وجود دليل حاسم ، نعتقد أن أبسط تفسير متوافق مع البيانات هو أن الترجمة يمكن أن تحدث في النوى. تبقى أسئلة كثيرة. على سبيل المثال ، مقدار الترجمة النووية التي تحدث ، وما هي أهمية الإشارة النووية التي تظهر خارج مواقع النسخ ، وكم وأنواع النسخ التي يتم تدقيقها بواسطة آلية NMD ، وإلى أي مدى تختلف آليات الترجمة النووية والهيولية ، وهل تختلف؟ متخصصون في التدقيق اللغوي والآخر في الإنتاج الضخم ، وما مدى حدوث NMD في النوى؟


شاهد الفيديو: عملية نسخ mRNA (كانون الثاني 2022).