معلومة

11.2: تسلسل الحمض النووي - علم الأحياء

11.2: تسلسل الحمض النووي - علم الأحياء


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

يحدد تسلسل الحمض النووي ترتيب القواعد النوكليوتيدية داخل جزء معين من الحمض النووي. يمكن استخدام هذه المعلومات لاستنتاج الحمض النووي الريبي أو تسلسل البروتين المشفر بواسطة الجين ، والذي يمكن من خلاله إجراء استنتاجات إضافية حول وظيفة الجين وعلاقته بالجينات والمنتجات الجينية الأخرى. معلومات تسلسل الحمض النووي مفيدة أيضًا في دراسة تنظيم التعبير الجيني. إذا تم تطبيق تسلسل الحمض النووي على دراسة العديد من الجينات ، أو حتى الجينوم الكامل ، فإنه يعتبر مثالًا على علم الجينوم.

تسلسل ديديوكسي

تذكر أن بوليميرات الحمض النووي تدمج النيوكليوتيدات (dNTPs) في خيط متزايد من الحمض النووي ، بناءً على تسلسل حبلا القالب. تضيف بوليميرات الحمض النووي قاعدة جديدة فقط إلى مجموعة 3’-OH من حبلا موجود من الحمض النووي ؛ هذا هو السبب في أن البادئات مطلوبة في تخليق الحمض النووي الطبيعي وفي تقنيات مثل تفاعل البوليميراز المتسلسل. تعتمد معظم تقنيات تسلسل الحمض النووي المستخدمة حاليًا على الدمج العشوائي للنيوكليوتيدات المعدلة التي تسمى النهايات. أمثلة على الإنهاءات هي نيوكليوتيدات ديديوكسي (ddNTPs) ، والتي تفتقر إلى مجموعة 3’-OH وبالتالي لا يمكن استخدامها كموقع مرفق لإضافة قواعد جديدة إلى خيط متزايد من الحمض النووي (الشكل ( PageIndex {1} )). بعد دمج ddNTP في خيط من الحمض النووي ، لا يمكن أن يحدث استطالة أخرى. يتم تمييز المواد النهائية بأحد الأصباغ الفلورية الأربعة ، كل منها خاص بواحدة من قواعد النوكليوتيدات الأربعة.

لتسلسل جزء من الحمض النووي ، تحتاج إلى عدة نسخ من هذا الجزء (الشكل ( PageIndex {2} )). على عكس PCR ، لا يؤدي تسلسل الحمض النووي إلى تضخيم التسلسل المستهدف ويتم استخدام تمهيدي واحد فقط. يتم تهجين هذا التمهيدي إلى الحمض النووي للقالب المشوه ، ويحدد مكان بدء تفاعل التسلسل في خيط القالب. يُضاف خليط من dNTPs ، ومُصنِّفات الفلورسنت ، وبوليميراز الحمض النووي إلى أنبوب يحتوي على قالب هجين التمهيدي. سيقوم بوليميراز الحمض النووي بعد ذلك بتوليف خيط جديد من الحمض النووي حتى يتم دمج نيوكليوتيد ذي علامة فلورية ، وعند هذه النقطة يتم إنهاء التمديد. نظرًا لأن التفاعل يحتوي على ملايين من جزيئات القالب ، يتم تصنيع عدد مناظر من الجزيئات الأقصر ، وينتهي كل منها بعلامة الفلورسنت التي تتوافق مع القاعدة الأخيرة المدمجة.

يمكن تغيير طبيعة الخيوط المركبة حديثًا عن القالب ، ثم فصلها كهربائياً بناءً على طولها (الشكل ( PageIndex {3} )). نظرًا لأن كل نطاق يختلف في الطول بواسطة نيوكليوتيد واحد ، ويتم التعرف على هوية هذا النيوكليوتيد من خلال تألقه ، يمكن قراءة تسلسل الحمض النووي ببساطة من ترتيب الألوان في النطاقات المتتالية. في الممارسة العملية ، يبلغ الحد الأقصى لطول التسلسل الذي يمكن قراءته من تفاعل تسلسلي واحد حوالي 700 نقطة أساس.

يُطلق على طريقة الرحلان الكهربي الحساسة بشكل خاص المستخدمة في تحليل تفاعلات تسلسل الحمض النووي اسم الرحلان الكهربي الشعري (الشكل ( PageIndex {6} )). في هذه الطريقة ، يسحب التيار منتجات التسلسل من خلال مصفوفة تشبه الهلام مغلفة في أنبوب دقيق من البلاستيك الشفاف. كما هو الحال في الرحلان الكهربي التقليدي ، تتحرك الأجزاء الصغيرة بسرعة أكبر عبر الشعيرات الدموية. أثناء مرورهم عبر نقطة بالقرب من نهاية الشعيرات الدموية ، تتم قراءة كثافة الفلورسنت لكل صبغة. ينتج عن هذا رسم بياني يسمى كروماتوجرام. يتم تحديد التسلسل من خلال تحديد أعلى قمة (أي الصبغة مع إشارة الفلورسنت الأكثر كثافة) في كل موضع.

تسلسل الجيل القادم

أدى التقدم التكنولوجي على مدى العقدين الماضيين إلى زيادة سرعة وجودة التسلسل ، مع تقليل التكلفة. أصبح هذا صحيحًا بشكل خاص مع أحدث الطرق المطورة والتي تسمى تسلسل الجيل التالي. لا تعتمد كل هذه الأساليب الجديدة على أدوات الإنهاء ، ولكن الطريقة التي تعتمد عليها هي طريقة مستخدمة في الأدوات التي تبيعها شركة تسمى إلومينا. تستخدم أجهزة تسلسل Illumina متغيرًا خاصًا من PCR يسمى bridge PCR لعمل عدة آلاف من النسخ من جزء قالب قصير (45 نقطة في البوصة). يتم إرفاق كل جزء من أجزاء القالب القصيرة هذه في كتلة في بقعة صغيرة على سطح التفاعل. توجد ملايين المجموعات الأخرى ، كل منها مصنوع بواسطة جزء قالب مختلف ، في مواقع أخرى على سطح التفاعل. يتم بعد ذلك توليف الحمض النووي في كل خيط قالب باستخدام مواد نهائية موصوفة بصبغة والتي يتم استخدامها قابلة للانعكاس. لذلك يتم إنهاء التخليق (مؤقتًا) بعد دمج كل نوكليوتيد. وهكذا ، بعد دمج النيوكليوتيد الأول في كل خيط ، تسجل الكاميرا لون التألق المنبعث من كل مجموعة. ثم يتم تعديل المواد النهائية ، ويتم دمج نيوكليوتيد ثان في كل خيط ، ومرة ​​أخرى يتم تصوير سطح التفاعل. تتكرر هذه الدورة ما مجموعه 45 مرة. نظرًا لأن الملايين من قوالب 45 نقطة أساس يتم ترتيبها بالتوازي في عملية واحدة ، فإن تسلسل Illumina فعال للغاية مقارنة بتقنيات التسلسل الأخرى. ومع ذلك ، فإن الطول القصير للقوالب يحد حاليًا من تطبيق هذه التقنية.


11 البيولوجيا الجزيئية للجين

البيولوجيا الجزيئية هي فرع من فروع علم الأحياء يتعلق بالأساس الجزيئي للنشاط البيولوجي في الخلايا وفيما بينها ، بما في ذلك التركيب الجزيئي والتعديل والآليات والتفاعلات. نشأت البيولوجيا الجزيئية كمحاولة للإجابة على الأسئلة المتعلقة بآليات الوراثة الجينية وبنية الجين. في عام 1953 ، نشر جيمس واتسون وفرانسيس كريك التركيب الحلزوني المزدوج للحمض النووي من خلال عمل علم البلورات بالأشعة السينية الذي قام به روزاليند فرانكلين وموريس ويلكينز. وصف واتسون وكريك بنية الحمض النووي والتفاعلات داخل الجزيء. أدى هذا المنشور إلى بدء البحث في البيولوجيا الجزيئية وزيادة الاهتمام بالموضوع.

الأحماض النووية عبارة عن بوليمرات حيوية ضرورية لجميع أشكال الحياة المعروفة. مصطلح الحمض النووي هو الاسم العام للحمض النووي والحمض النووي الريبي. تتكون من نيوكليوتيدات ، وهي المونومرات المكونة من ثلاثة مكونات: سكر مكون من 5 كربون ومجموعة فوسفات وقاعدة نيتروجينية. إذا كان السكر عبارة عن ريبوز مركب ، فإن البوليمر هو RNA (حمض الريبونوكليك) إذا كان السكر مشتقًا من الريبوز مثل ديوكسيريبوز ، فإن البوليمر هو DNA (حمض الديوكسي ريبونوكلييك).

في بحث مؤثر نُشر عام 1941 ، اقترح جورج بيدل وإدوارد تاتوم فكرة أن الجينات تعمل من خلال إنتاج الإنزيمات ، حيث يكون كل جين مسؤولاً عن إنتاج إنزيم واحد يؤثر بدوره على خطوة واحدة في مسار التمثيل الغذائي. نشأ المفهوم من العمل على الطفرات الجينية في العفن نيوروسبورا كراسا، ولاحقًا أطلق عليها المتعاون نورمان هورويتز "فرضية جين واحد - إنزيم واحد". في عام 2004 ، ذكّر نورمان هورويتز أن "هذه التجارب أسست علمًا لما أسماه Beadle و Tatum" علم الوراثة البيوكيميائية. "يعتبر البعض أن هذه التجارب تشكل بداية لما أصبح علم الوراثة الجزيئية وتطوير الجين الواحد - فرضية الإنزيم الواحد غالبًا ما يعتبر أول نتيجة مهمة فيما أصبح يسمى البيولوجيا الجزيئية. على الرغم من أنها كانت مؤثرة للغاية ، فقد تم الاعتراف بالفرضية بعد فترة وجيزة من اقتراحها على أنها تبسيط مفرط. حتى إعادة الصياغة اللاحقة لفرضية "جين واحد - متعدد الببتيد" تعتبر الآن بسيطة للغاية بحيث لا يمكن وصف العلاقة بين الجينات والبروتينات. في إسناد دور تعليمي إلى الجينات ، منح Beadle و Tatum الجينات بشكل ضمني قدرة إعلامية. قدمت هذه البصيرة الأساس لمفهوم الشفرة الجينية. ومع ذلك ، لم يكن الأمر كذلك حتى تم إجراء التجارب التي تبين أن الحمض النووي هو المادة الجينية ، وأن البروتينات تتكون من تسلسل خطي محدد من الأحماض الأمينية ، وأن بنية الحمض النووي تحتوي على تسلسل خطي للأزواج القاعدية ، وكان هناك أساس واضح لحل المشكلة. الكود الجيني.

في إسناد دور تعليمي إلى الجينات ، منح Beadle و Tatum الجينات بشكل ضمني قدرة إعلامية. قدمت هذه البصيرة الأساس لمفهوم الشفرة الجينية. ومع ذلك ، لم يكن الأمر كذلك حتى تم إجراء التجارب التي تبين أن الحمض النووي هو المادة الجينية ، وأن البروتينات تتكون من تسلسل خطي محدد من الأحماض الأمينية ، وأن بنية الحمض النووي تحتوي على تسلسل خطي من أزواج القواعد ، وكان هناك أساس واضح لحل المشكلة. الكود الجيني.

على الرغم من أنه كان من المعروف وجود الجينات على الكروموسومات ، فإن الكروموسومات تتكون من كل من البروتين والحمض النووي ، ولم يعرف العلماء أيهما مسؤول عن الوراثة. في عام 1928 ، اكتشف فريدريك جريفيث ظاهرة التحول: يمكن للبكتيريا الميتة أن تنقل المادة الجينية "لتحويل" بكتيريا أخرى لا تزال حية. بعد ستة عشر عامًا ، في عام 1944 ، حددت تجربة Avery-MacLeod-McCarty الحمض النووي باعتباره الجزيء المسؤول عن التحول. تم إنشاء دور النواة كمستودع للمعلومات الوراثية في حقيقيات النوى بواسطة Hämmerling في عام 1943 في عمله على الطحالب أحادية الخلية Acetabularia. أكدت تجربة Hershey-Chase في عام 1952 أن الحمض النووي (وليس البروتين) هو المادة الجينية للفيروسات التي تصيب البكتيريا ، مما يوفر دليلًا إضافيًا على أن الحمض النووي هو الجزيء المسؤول عن الوراثة.

حدد جيمس واتسون وفرانسيس كريك بنية الحمض النووي في عام 1953 ، باستخدام عمل علم البلورات بالأشعة السينية لروزاليند فرانكلين وموريس ويلكنز الذي أشار إلى أن الحمض النووي له بنية حلزونية (أي على شكل مفتاح). كان نموذجهم ذو الحلزون المزدوج يحتوي على شريطين من الحمض النووي مع النيوكليوتيدات التي تشير إلى الداخل ، كل منها يتطابق مع نيوكليوتيدات تكميلية على الخيط الآخر لتشكيل ما يشبه الدرجات على سلم ملتوي. أظهر هذا الهيكل أن المعلومات الجينية موجودة في تسلسل النيوكليوتيدات على كل خيط من الحمض النووي. اقترح الهيكل أيضًا طريقة بسيطة للنسخ المتماثل: إذا تم فصل الخيوط ، يمكن إعادة بناء خيوط شريكة جديدة لكل منها بناءً على تسلسل الخيط القديم. هذه الخاصية هي التي تمنح الحمض النووي طبيعته شبه المحافظة حيث يكون خيط واحد من الحمض النووي الجديد من الخيط الأصلي الأصلي.

الشكل 11.1: تمثيل كارتوني للحمض النووي استنادًا إلى الإحداثيات الذرية لـ PDB 1BNA ، مقدمًا بأداة التصور الجزيئي مفتوحة المصدر PyMol.

على الرغم من أن بنية الحمض النووي أظهرت كيفية عمل الوراثة ، إلا أنه لا يزال من غير المعروف كيف يؤثر الحمض النووي على سلوك الخلايا. في السنوات التالية ، حاول العلماء فهم كيف يتحكم الحمض النووي في عملية إنتاج البروتين. تم اكتشاف أن الخلية تستخدم الحمض النووي كقالب لإنشاء مطابقة مرسال الحمض النووي الريبي ، جزيئات مع النيوكليوتيدات تشبه إلى حد بعيد الحمض النووي. يتم استخدام تسلسل النوكليوتيدات للحمض النووي الريبي المرسال كقالب بواسطة الريبوسومات لإنشاء تسلسل الأحماض الأمينية في البروتين ، وتُعرف هذه المراسلات بين متواليات النوكليوتيدات وتسلسلات الأحماض الأمينية باسم الشفرة الوراثية.

مع الفهم الجزيئي الجديد للوراثة ، حدث انفجار في البحث. كان أحد التطورات المهمة هو تسلسل الحمض النووي لإنهاء السلسلة في عام 1977 بواسطة فريدريك سانجر. تسمح هذه التقنية للعلماء بقراءة تسلسل النوكليوتيدات لجزيء الحمض النووي. في عام 1983 ، طور كاري بانكس موليس تفاعل البلمرة المتسلسل ، مما وفر طريقة سريعة لعزل وتضخيم قسم معين من الحمض النووي من خليط. أدت جهود مشروع الجينوم البشري ، وزارة الطاقة ، المعاهد الوطنية للصحة ، والجهود الخاصة الموازية من قبل شركة سيليرا جينوميكس إلى تسلسل الجينوم البشري في عام 2003.


14.2 هيكل الحمض النووي وتسلسله

في هذا القسم سوف تستكشف الأسئلة التالية:

  • ما هو التركيب الجزيئي للحمض النووي؟
  • ما هي طريقة سانجر لتسلسل الحمض النووي؟ ما هو تطبيق تسلسل الحمض النووي؟
  • ما هي أوجه التشابه والاختلاف بين DNA حقيقية النواة وبدائية النواة؟

اتصال لدورات AP ®

تم اقتراح النموذج المقبول حاليًا لهيكل الحمض النووي في عام 1953 من قبل واتسون وكريك ، اللذين صنعوا نموذجهم بعد رؤية صورة الحمض النووي التي التقطها فرانكلين باستخدام علم البلورات بالأشعة السينية. أظهرت الصورة شكل وأبعاد اللولب المزدوج للجزيء. السلكان اللذان يشكلان الحلزون المزدوج مكملان ومضادان للتوازي في طبيعتهما. أي أن خصلة واحدة تعمل في الاتجاه من 5 إلى 3 ، في حين أن الخصلة التكميلية تعمل في الاتجاه من 3 إلى 5. (ستكون أهمية الاتجاهية مهمة عندما نستكشف كيفية نسخ الحمض النووي نفسه.) الحمض النووي عبارة عن بوليمر من النيوكليوتيدات يتكون من سكر ديوكسيريبوز ومجموعة فوسفات وواحدة من أربع قواعد نيتروجينية - A و T و C و G - مع البيورين يقترن دائمًا بالبيريميدين (كما وجد Chargaff). تم العثور على "اللغة" الجينية للحمض النووي في تسلسل النيوكليوتيدات. أثناء انقسام الخلية ، تتلقى كل خلية ابنة نسخة من الحمض النووي في عملية تسمى النسخ المتماثل. في السنوات التي تلت اكتشاف بنية الحمض النووي ، تم تطوير العديد من التقنيات ، بما في ذلك تسلسل الحمض النووي ، والتي تمكننا من فهم الحمض النووي ودوره في جينوماتنا بشكل أفضل.

المعلومات المقدمة والأمثلة الموضحة في القسم تدعم المفاهيم الموضحة في الفكرة الكبيرة 3 من إطار منهج علم الأحياء AP ®. توفر أهداف التعلم المدرجة في إطار المنهج الدراسي أساسًا شفافًا لدورة AP ® Biology ، وتجربة معملية قائمة على الاستفسار ، وأنشطة تعليمية ، وأسئلة اختبار AP ®. يدمج هدف التعلم المحتوى المطلوب مع واحد أو أكثر من الممارسات العلمية السبعة.

فكرة كبيرة 3 تقوم الأنظمة الحية بتخزين المعلومات الأساسية لعمليات الحياة واستردادها ونقلها والاستجابة لها.
التفاهم الدائم 3 توفر المعلومات القابلة للتوريث استمرارية الحياة.
المعرفة الأساسية 3-أ 1 الحمض النووي ، وفي بعض الحالات ، هو المصدر الأساسي للمعلومات القابلة للتوريث.
ممارسة العلوم 6.5 يمكن للطالب تقييم التفسيرات العلمية البديلة.
هدف التعلم 3.1 الطالب قادر على بناء تفسيرات علمية تستخدم هياكل وآليات الحمض النووي لدعم الادعاء بأن الحمض النووي هو المصدر الأساسي للمعلومات القابلة للتوريث.
المعرفة الأساسية 3-أ 1 الحمض النووي ، وفي بعض الحالات ، هو المصدر الأساسي للمعلومات القابلة للتوريث.
ممارسة العلوم 4.1 يمكن للطالب تبرير اختيار نوع البيانات اللازمة للإجابة على سؤال علمي معين.
هدف التعلم 3.2 الطالب قادر على تبرير اختيار البيانات من التحقيقات التاريخية التي تدعم الادعاء بأن الحمض النووي هو مصدر المعلومات القابلة للتوريث.
المعرفة الأساسية 3-أ 1 الحمض النووي ، وفي بعض الحالات ، هو المصدر الأساسي للمعلومات القابلة للتوريث.
ممارسة العلوم 6.4 يمكن للطالب تقديم ادعاءات وتنبؤات حول الظواهر الطبيعية بناءً على النظريات والنماذج العلمية.
هدف التعلم 3.5 يمكن للطالب تبرير الادعاء بأن البشر يمكنهم التلاعب بالمعلومات الموروثة من خلال تحديد الهوية اثنان على الأقل التقنيات شائعة الاستخدام.

دعم المعلم

ساعدت صور حيود الأشعة السينية لفرانكلين على اكتشاف بنية الحمض النووي ، لكن واتسون وكريك لم يذكرا فرانكلين في بحثهما الأساسي عام 1953 ، والذي يمكن العثور عليه هنا. تتضمن هذه الورقة التعليقات التوضيحية التي تساعد في وضع العمل في سياق تاريخي. قد يكون الطلاب مهتمين بمعرفة كيفية اكتشاف واتسون وكريك لبنية الحمض النووي. يمكن العثور على التفاصيل على موقع PBS هذا. إذا أمكن ، ابحث عن نسخة من إعلان الاكتشاف كما ظهر في The نيويورك تايمز. الصياغة مثيرة للاهتمام وأهمية الاكتشاف أقل من قيمتها الحقيقية.

تحتوي أسئلة تحدي ممارسة العلوم على أسئلة اختبار إضافية لهذا القسم والتي ستساعدك على التحضير لامتحان AP. تتناول هذه الأسئلة المعايير التالية:
[APLO 3.3] [APLO 3.5] [APLO 3.13]

اللبنات الأساسية للحمض النووي هي النيوكليوتيدات. المكونات المهمة للنيوكليوتيدات هي القاعدة النيتروجينية ، و deoxyribose (5-carbon sugar) ، ومجموعة الفوسفات (الشكل 14.5). يتم تسمية النيوكليوتيد اعتمادًا على القاعدة النيتروجينية. يمكن أن تكون القاعدة النيتروجينية من البيورين مثل الأدينين (A) والجوانين (G) ، أو بيريميدين مثل السيتوزين (C) والثايمين (T).

تتحد النيوكليوتيدات مع بعضها البعض عن طريق الروابط التساهمية المعروفة باسم روابط أو روابط فوسفوديستر. تحتوي البيورينات على هيكل حلقة مزدوجة مع حلقة من ستة أعضاء مدمجة في حلقة من خمسة أعضاء. البيريميدينات أصغر حجمًا ولديها بنية حلقة واحدة من ستة أعضاء. يتم ترقيم ذرات الكربون الخاصة بالسكر المكون من خمسة كربون بـ 1 'و 2' و 3 'و 4' و 5 '(1' يُقرأ على أنه "رئيس واحد"). يتم ربط بقايا الفوسفات بمجموعة الهيدروكسيل المكونة من 5 'كربون لسكر واحد لنيوكليوتيد واحد ومجموعة الهيدروكسيل لـ 3' كربون من سكر النوكليوتيد التالي ، وبالتالي تشكل رابطة فوسفوديستر 5'-3 '.

في الخمسينيات من القرن الماضي ، عمل فرانسيس كريك وجيمس واتسون معًا لتحديد بنية الحمض النووي في جامعة كامبريدج بإنجلترا. كان علماء آخرون مثل لينوس بولينج وموريس ويلكينز يستكشفون هذا المجال بنشاط. اكتشف بولينج التركيب الثانوي للبروتينات باستخدام علم البلورات بالأشعة السينية. في مختبر ويلكنز ، كانت الباحثة روزاليند فرانكلين تستخدم طرق حيود الأشعة السينية لفهم بنية الحمض النووي. تمكن واطسون وكريك من تجميع أحجية جزيء الحمض النووي معًا على أساس بيانات فرانكلين لأن كريك درس أيضًا حيود الأشعة السينية (الشكل 14.6). في عام 1962 ، مُنح جيمس واتسون وفرانسيس كريك وموريس ويلكنز جائزة نوبل في الطب. لسوء الحظ ، بحلول ذلك الوقت ، توفي فرانكلين ، ولم يتم منح جوائز نوبل بعد وفاته.

اقترح واتسون وكريك أن الحمض النووي يتكون من خيطين ملتويين حول بعضهما البعض لتشكيل حلزون أيمن. يحدث الاقتران الأساسي بين البيورين والبيريميدين ، وهما أزواج A مع أزواج T و G مع C. يعتبر الأدينين والثايمين أزواج قاعدية تكميلية ، كما أن السيتوزين والجوانين هما أيضًا أزواج قاعدية مكملة. يتم تثبيت أزواج القاعدة بواسطة روابط هيدروجينية ، يشكل الأدينين والثايمين رابطين هيدروجينيين ، ويشكل السيتوزين والجوانين ثلاث روابط هيدروجينية. الخصلتان متضادتان في الطبيعة أي أن الطرف الثالث من خيط واحد يواجه الطرف الخامس من الخيط الآخر. يشكل السكر والفوسفات في النيوكليوتيدات العمود الفقري للهيكل ، بينما تتراكم القواعد النيتروجينية بالداخل. يتم فصل كل زوج أساسي عن الزوج الأساسي الآخر بمسافة 0.34 نانومتر ، ويبلغ قياس كل دورة من اللولب 3.4 نانومتر. لذلك ، توجد عشرة أزواج أساسية في كل دورة من اللولب. يبلغ قطر الحلزون المزدوج للحمض النووي 2 نانومتر ، وهو منتظم طوال الوقت. فقط الاقتران بين البيورين والبيريميدين يمكن أن يفسر القطر المنتظم. يؤدي التواء الخيطين حول بعضهما البعض إلى تكوين أخاديد رئيسية وثانوية متباعدة بشكل موحد (الشكل 14.7).

اتصال ممارسة العلوم لدورات AP®

نشاط

قراءة كتاب Watson and Crick الأصلي طبيعة سجية مقال ، "التركيب الجزيئي للأحماض النووية: هيكل للحمض النووي ديوكسيريبوز ،" كيف اعتمد نموذج واتسون وكريك على النتائج التي توصلت إليها روزاليند فرانكلين؟ كيف بنى نموذجهم الخاص بالحمض النووي على نتائج هيرشي وتشيس وآخرين ، مما يدل على أن الحمض النووي يمكن أن يشفر المعلومات وينقلها إلى الجيل التالي؟

فكر في الأمر

حدد عمل واتسون وكريك بنية الحمض النووي. ومع ذلك ، لا يزال من غير المعروف نسبيًا كيف قام الحمض النووي بتشفير المعلومات في الجينات. اختر أحد الأشكال الحديثة للتكنولوجيا الحيوية وابحث عن طرقها الأساسية على الإنترنت. تشمل الأمثلة التسلسل الجيني ، وبصمة الحمض النووي ، و PCR (تفاعل البوليميراز المتسلسل) ، والأغذية المعدلة وراثيًا ، وما إلى ذلك. صف بإيجاز التكنولوجيا التي اخترتها ، وما هي الفوائد التي توفرها لنا. ثم صِف كيف كانت نتائج Watson and Crick ضرورية لتطوير التكنولوجيا التي اخترتها.

دعم المعلم

النشاط عبارة عن تطبيق لهدف التعلم 3.1 وممارسة العلوم 6.5 لأن الطلاب يحللون نموذج واتسون وكريك للحمض النووي بالنسبة لنتائج باحثي الحمض النووي الآخرين الذين قرروا أن الحمض النووي هو جزيء الوراثة. يعد النشاط أيضًا تطبيقًا لهدف التعلم 3.2 و Science Practice 4.1 لأن الطلاب يقومون بتحليل النتائج التاريخية المنشورة لـ Watson و Crick واختيار الأدلة التي استخدمها Watson و Crick لإنشاء نموذج الحمض النووي الخاص بهم وإظهار المزيد من أن الحمض النووي هو جزيء الوراثة .

الإجابة المحتملة:

يعتبر سؤال "التفكير في الأمر" تطبيقًا لهدف التعلم 3.5 وممارسة العلوم 6.4 لأن الطلاب يبحثون في الأساليب التي يمكن للبشر من خلالها معالجة المعلومات القابلة للتوريث ويصفون كيف استندت هذه الأساليب إلى النظريات والنماذج العلمية لواتسون وكريك.

الإجابة المحتملة:

تقنيات تسلسل الحمض النووي

حتى التسعينيات ، كان تسلسل الحمض النووي (قراءة تسلسل الحمض النووي) عملية مكلفة نسبيًا وطويلة. كما أدى استخدام النيوكليوتيدات ذات العلامات الإشعاعية إلى تفاقم المشكلة من خلال مخاوف تتعلق بالسلامة. مع وجود التكنولوجيا والآلات الآلية المتوفرة حاليًا ، فإن العملية رخيصة ، وأكثر أمانًا ، ويمكن إكمالها في غضون ساعات. طور فريد سانجر طريقة التسلسل المستخدمة في مشروع تسلسل الجينوم البشري ، والذي يستخدم على نطاق واسع اليوم (الشكل 14.8).

ارتباط بالتعلم

قم بزيارة هذا الموقع لمشاهدة مقطع فيديو يشرح تقنية قراءة تسلسل الحمض النووي التي نتجت عن عمل سانجر.

  1. يمكن استخدام طريقة سانجر لتسلسل أكثر من حبلا في وقت واحد وهو أقل استهلاكا للوقت. تتضمن تحديات طريقة سانجر انخفاض دقتها في تسلسل خيوط الحمض النووي.
  2. طريقة سانجر هي طريقة موثوقة ودقيقة لتسلسل خيوط الحمض النووي. ومع ذلك ، يمكن ترتيب خصلة واحدة فقط في كل مرة. أيضًا ، يمكنه البحث عن قاعدة واحدة فقط في كل مرة مما قد يستغرق وقتًا طويلاً.
  3. طريقة سانجر غير مكلفة للغاية وأقل دقة. ومع ذلك ، فهي غير قابلة للتكيف بسهولة مع مجموعات الأدوات التجارية.
  4. تعتبر طريقة سانجر أقل استهلاكا للوقت ودقة عالية. ومع ذلك ، فهي أكثر تكلفة من الطرق الأخرى المتاحة للتسلسل.

تُعرف الطريقة باسم طريقة إنهاء سلسلة dideoxy. تعتمد طريقة التسلسل على استخدام آلات إنهاء السلسلة ، ديديوكسينوكليوتيدات (ddNTPs). تختلف dideoxynucleotides ، أو ddNTPSs ، عن deoxynucleotides من خلال عدم وجود مجموعة 3 'OH على السكر المكون من خمسة كربون. إذا تمت إضافة ddNTP إلى حبلا DNA المتنامي ، فلن يتم تمديد السلسلة أكثر من ذلك لأن مجموعة 3 'OH المجانية اللازمة لإضافة نيوكليوتيد آخر غير متوفرة. باستخدام نسبة محددة مسبقًا من ديوكسينوكليوتيدات إلى ديديوكسينوكليوتيدات ، من الممكن توليد أجزاء من الحمض النووي بأحجام مختلفة.

يتم تغيير طبيعة عينة الحمض النووي المراد ترتيب تسلسلها أو فصلها إلى شريطين عن طريق تسخينها إلى درجات حرارة عالية. ينقسم الحمض النووي إلى أربعة أنابيب يتم فيها إضافة مادة أولية وبوليميراز DNA وجميع النيوكليوتيدات الأربعة (A و T و G و C). بالإضافة إلى كل من الأنابيب الأربعة ، يتم إضافة كميات محدودة من واحد من أربعة ديديوكسينوكليوتيدات إلى كل أنبوب على التوالي. تم تصنيف الأنابيب على أنها A و T و G و C وفقًا لـ ddNTP المضافة. لأغراض الكشف ، يحمل كل من ثنائي ديوكسينوكليوتيدات أربعة تسمية فلورية مختلفة. يستمر استطالة السلسلة حتى يتم دمج نيوكليوتيد ثنائي أكسيد الفلورسنت ، وبعد ذلك لا يحدث مزيد من الاستطالة. بعد انتهاء التفاعل ، يتم إجراء الرحلان الكهربي. حتى الفرق في طول قاعدة واحدة يمكن اكتشافه. يتم قراءة التسلسل من ماسح ضوئي بالليزر. عن عمله على تسلسل الحمض النووي ، حصل سانجر على جائزة نوبل في الكيمياء عام 1980.

ارتباط بالتعلم

أدى تسلسل جينوم سانجر إلى سباق لتسلسل الجينوم البشري بسرعة عالية وتكلفة منخفضة ، وغالبًا ما يشار إليها باسم 1000 دولار في تسلسل يوم واحد. تعرف على المزيد عن طريق تحديد الرسوم المتحركة التسلسل في السرعة هنا.

  1. سيساعد التسلسل الجيني الأسرع في التحليل السريع للتركيب الجيني للبكتيريا التي يمكن أن تسبب أمراضًا للإنسان من أجل علاجات أفضل وأكثر كفاءة. أيضًا ، يمكن أن يوفر تسلسل الحمض النووي للخلية السرطانية طرقًا أفضل لعلاج السرطان أو الوقاية منه.
  2. يمكن أن يساعدنا التسلسل السريع للحمض النووي في تحليل المعلومات الجينية للبكتيريا الموجودة فقط (وليس السلالات الجديدة) التي تسبب المرض في البشر بسرعة ، مما قد يؤدي إلى علاجات أكثر كفاءة.
  3. يمكن أن يساعد التسلسل السريع للحمض النووي الأطباء على علاج وتشخيص الأمراض التي ليست نادرة في السكان.
  4. يمكن استخدام التسلسل الجيني الأسرع لعلاج أنواع قليلة من السرطانات والوقاية منها ، وبالتالي زيادة متوسط ​​العمر المتوقع للمرضى الذين يعانون من هذه الأمراض.

الرحلان الكهربائي للهلام هو تقنية تستخدم لفصل أجزاء الحمض النووي ذات الأحجام المختلفة. عادة ما يتكون الجل من مادة كيميائية تسمى الاغاروز. يضاف مسحوق Agarose إلى المخزن المؤقت ويتم تسخينه. بعد التبريد ، يُسكب محلول الجل في صينية الصب. بمجرد أن يصلب الجل ، يتم تحميل الحمض النووي على الجل ويتم تطبيق التيار الكهربائي. يحتوي الحمض النووي على شحنة سالبة صافية ويتحرك من القطب السالب باتجاه القطب الموجب. يتم تطبيق التيار الكهربائي لوقت كافٍ للسماح للحمض النووي بالفصل وفقًا للحجم ، وستكون الشظايا الأصغر بعيدة عن البئر (حيث تم تحميل الحمض النووي) ، وستكون شظايا الوزن الجزيئي الأثقل هي الأقرب إلى البئر. بمجرد فصل الحمض النووي ، يتم تلوين الجل بصبغة خاصة بالحمض النووي لمشاهدته (الشكل 14.9).

اتصال التطور

جينوم الإنسان البدائي: كيف نحن مرتبطون؟

تم نشر المسودة الأولى لتسلسل جينوم الإنسان البدائي مؤخرًا بواسطة Richard E.Green et al. في عام 2010. 1 إنسان نياندرتال هم أقرب أسلاف البشر في الوقت الحاضر. كان من المعروف أنهم عاشوا في أوروبا وغرب آسيا قبل أن يختفوا من سجلات الحفريات منذ حوالي 30000 عام. درس فريق جرين ما يقرب من 40 ألف عام من بقايا أحافير تم اختيارها من مواقع في جميع أنحاء العالم. تم استخدام وسائل متطورة للغاية لإعداد العينات وتسلسل الحمض النووي بسبب الطبيعة الهشة للعظام والتلوث الجرثومي الشديد. في دراستهم ، تمكن العلماء من تسلسل حوالي أربعة مليارات زوج قاعدي. تمت مقارنة تسلسل الإنسان البدائي بتسلسل البشر الحاليين من جميع أنحاء العالم. بعد مقارنة التسلسلات ، وجد الباحثون أن جينوم الإنسان البدائي لديه تشابه أكبر بنسبة 2 إلى 3 في المائة مع الأشخاص الذين يعيشون خارج إفريقيا مقارنة بالناس في إفريقيا. بينما اقترحت النظريات الحالية أن جميع البشر الحاليين يمكن تتبعهم إلى مجموعة صغيرة من الأسلاف في إفريقيا ، فإن البيانات من جينوم الإنسان البدائي قد تتعارض مع هذا الرأي. اكتشف جرين وزملاؤه أيضًا شرائح الحمض النووي بين الناس في أوروبا وآسيا والتي تشبه تسلسل الإنسان البدائي أكثر من التسلسلات البشرية المعاصرة الأخرى. ملاحظة أخرى مثيرة للاهتمام هي أن إنسان نياندرتال مرتبط ارتباطًا وثيقًا بأشخاص من بابوا غينيا الجديدة كما هو الحال مع أولئك من الصين أو فرنسا. هذا مثير للدهشة لأن بقايا أحافير إنسان نياندرتال كانت موجودة فقط في أوروبا وغرب آسيا. على الأرجح ، حدث التبادل الجيني بين إنسان نياندرتال والإنسان الحديث حيث ظهر الإنسان الحديث من إفريقيا ، قبل تباعد الأوروبيين وشرق آسيا وبابوا غينيا الجديدة.

يبدو أن العديد من الجينات قد خضعت لتغييرات من إنسان نياندرتال خلال تطور البشر في الوقت الحاضر. تشارك هذه الجينات في بنية الجمجمة ، والتمثيل الغذائي ، وتشكل الجلد ، والتطور المعرفي. أحد الجينات ذات الأهمية الخاصة هو رونكس 2، والذي يختلف في البشر المعاصرين والنياندرتال. هذا الجين مسؤول عن العظم الجبهي البارز ، والقفص الصدري على شكل جرس ، والاختلافات السنية التي تظهر في إنسان نياندرتال. من المتوقع أن يحدث تغيير تطوري في رونكس 2 كان مهمًا في أصل الإنسان المعاصر ، وقد أثر ذلك على الجمجمة والجزء العلوي من الجسم.

  1. نشأ البشر الأوائل من إفريقيا ، ثم انتشروا ليسكنوا أجزاء مختلفة من الكرة الأرضية. تزاوجت مجموعة معزولة من هؤلاء البشر الأوائل مع إنسان نياندرتال.
  2. تزاوج البشر الأوائل مع إنسان نياندرتال ، وظهروا من إفريقيا ، ثم انتشروا لتعيش في أجزاء مختلفة من العالم.
  3. نشأ البشر الأوائل من إفريقيا ، وتزاوجوا مع إنسان نياندرتال ، ثم انتشروا ليشملوا أجزاء مختلفة من الكرة الأرضية.
  4. لم يتزاوج البشر الأوائل مع إنسان نياندرتال ، لكن لدينا العديد من أوجه التشابه الجينية لأننا نتشارك في سلف مشترك.

ارتباط بالتعلم

شاهد حديث Svante Pääbo الذي يشرح أبحاث جينوم الإنسان البدائي في مؤتمر TED السنوي لعام 2011 (التكنولوجيا والترفيه والتصميم).

  1. لقد قيل أن جميع البشر على الأرجح ينحدرون من إفريقيا. ويدعم هذا البحث أن التباين الجيني في إفريقيا وجد أيضًا في بقية العالم.
  2. تم دعم النظرية القائلة بأن البشر ينحدرون من إفريقيا من خلال البحث القائل بأن معظم الجينومات البشرية التي تم اختبارها خارج إفريقيا لها روابط وثيقة بجينومات الناس في إفريقيا ولكن التباين الجيني في إفريقيا لم يتم العثور عليه في بقية العالم.
  3. من المرجح أن ينحدر البشر من إفريقيا. هذا البحث مدعوم بحقيقة أن جميع الجينومات البشرية التي تم اختبارها خارج إفريقيا لها روابط وثيقة بجينومات الناس في إفريقيا. أيضًا ، هناك تباين جيني في إفريقيا لم يتم العثور عليه في بقية العالم.
  4. حدث الانتقال إلى الإنسان الحديث داخل إفريقيا والذي كان مفاجئًا. وهكذا ، فإن الجينوم البشري الذي تم اختباره خارج إفريقيا كان له روابط وثيقة بجينومات الناس في إفريقيا.

تغليف الحمض النووي في الخلايا

عند مقارنة الخلايا بدائية النواة بالخلايا حقيقية النواة ، تكون بدائيات النوى أبسط بكثير من حقيقيات النوى في العديد من ميزاتها (الشكل 14.10). تحتوي معظم بدائيات النوى على كروموسوم دائري واحد موجود في منطقة من السيتوبلازم تسمى النواة.

اتصال مرئي

  1. يُمكِّن التقسيم في الخلايا حقيقية النواة من بناء بروتينات ومنتجات RNA أكثر تعقيدًا. في بدائيات النوى ، تتمثل الميزة في أن تخليق الحمض النووي الريبي والبروتين يحدث بسرعة أكبر لأنه يحدث في جزء واحد.
  2. يُمكِّن التقسيم في الخلايا بدائية النواة من بناء بروتينات ومنتجات RNA أكثر تعقيدًا. وتتمثل الميزة في حقيقيات النوى في أن تخليق البروتينات والحمض النووي الريبي يحدث بسرعة أكبر بكثير لأنهما يحدثان في حجرة واحدة.
  3. يُمكِّن التقسيم في الخلايا حقيقية النواة من بناء بروتينات ومنتجات RNA أبسط. في بدائيات النوى ، الميزة هي فقط البروتينات الأبسط ومنتجات الحمض النووي الريبي لأنه لا توجد حاجة للبروتينات المعقدة.
  4. يُمكِّن التقسيم في الخلايا حقيقية النواة من بناء بروتينات ومنتجات RNA أكثر تعقيدًا. في بدائيات النوى ، تتمثل الميزة في أن تخليق الحمض النووي الريبي والبروتين يستغرق وقتًا أطول لأنه يحدث في جزء واحد.

حجم الجينوم في واحدة من بدائيات النوى الأكثر دراسة ، بكتريا قولونية، 4.6 مليون زوج قاعدي (حوالي 1.1 مم ، إذا تم قطعها وتمديدها). فكيف يتناسب هذا داخل خلية بكتيرية صغيرة؟ يتم التواء الحمض النووي بما يعرف باسم الالتواء الفائق. يعني الالتواء الفائق أن الحمض النووي إما تحت الجرح (أقل من لفة واحدة من اللولب لكل 10 أزواج أساسية) أو مفرط الجرح (أكثر من دورة واحدة لكل 10 أزواج قاعدية) من حالة الاسترخاء الطبيعية. من المعروف أن بعض البروتينات تشارك في الالتفاف الفائق للبروتينات والإنزيمات الأخرى مثل DNA gyrase التي تساعد في الحفاظ على البنية فائقة الالتفاف.

تستخدم حقيقيات النوى ، التي تتكون كل كروموسوماتها من جزيء دنا خطي ، نوعًا مختلفًا من استراتيجية التعبئة لتلائم الحمض النووي الخاص بها داخل النواة (الشكل 14.11). على المستوى الأساسي ، يتم لف الحمض النووي حول البروتينات المعروفة باسم الهيستونات لتشكيل هياكل تسمى الجسيمات النووية. الهستونات عبارة عن بروتينات محفوظة تطوريًا غنية بالأحماض الأمينية الأساسية وتشكل الأوكتامر. يتم لف الحمض النووي (المشحون سلبًا بسبب مجموعات الفوسفات) بإحكام حول قلب هيستون. يرتبط هذا النوكليوسوم بالنيوكليوسوم التالي بمساعدة الحمض النووي الرابط. يُعرف هذا أيضًا باسم بنية "الخرز على الخيط". يتم ضغط هذا أيضًا في ألياف 30 نانومتر ، وهو قطر الهيكل. في مرحلة الطور الرئيسي ، تكون الكروموسومات في أكثر حالاتها ضغطًا ، ويبلغ عرضها حوالي 700 نانومتر ، وتوجد مقترنة ببروتينات السقالة.

في الطور البيني ، تحتوي الكروموسومات حقيقية النواة على منطقتين متميزتين يمكن تمييزهما عن طريق التلوين. تُعرف المنطقة المعبأة بإحكام باسم الكروماتين المتغاير ، وتُعرف المنطقة الأقل كثافة بالكروماتين الحقيقي. عادة ما يحتوي الهيتروكروماتين على جينات لم يتم التعبير عنها ، وتوجد في مناطق السنترومير والتيلوميرات. عادةً ما يحتوي الكروماتين الحقيقي على جينات منسوخة ، مع حزم الحمض النووي حول النيوكليوسومات ولكن لا يتم ضغطها بشكل أكبر.

الحواشي

بصفتنا مشاركًا في Amazon ، فإننا نكسب من عمليات الشراء المؤهلة.

هل تريد الاستشهاد بهذا الكتاب أو مشاركته أو تعديله؟ هذا الكتاب هو Creative Commons Attribution License 4.0 ويجب أن تنسب OpenStax.

    إذا كنت تعيد توزيع هذا الكتاب كله أو جزء منه بتنسيق طباعة ، فيجب عليك تضمين الإسناد التالي في كل صفحة مادية:

  • استخدم المعلومات أدناه لتوليد اقتباس. نوصي باستخدام أداة استشهاد مثل هذه.
    • المؤلفون: Julianne Zedalis، John Eggebrecht
    • الناشر / الموقع الإلكتروني: OpenStax
    • عنوان الكتاب: Biology for AP® Courses
    • تاريخ النشر: 8 مارس 2018
    • المكان: هيوستن ، تكساس
    • عنوان URL للكتاب: https://openstax.org/books/biology-ap-courses/pages/1-introduction
    • عنوان URL للقسم: https://openstax.org/books/biology-ap-courses/pages/14-2-dna-structure-and-sequencing

    © 12 كانون الثاني (يناير) 2021 OpenStax. محتوى الكتاب المدرسي الذي تنتجه OpenStax مرخص بموجب ترخيص Creative Commons Attribution License 4.0. لا يخضع اسم OpenStax وشعار OpenStax وأغلفة كتب OpenStax واسم OpenStax CNX وشعار OpenStax CNX لترخيص المشاع الإبداعي ولا يجوز إعادة إنتاجه دون الحصول على موافقة كتابية مسبقة وصريحة من جامعة رايس.


    البدء

    ال بدء النسخ المتماثل يحدث في تسلسل نوكليوتيد محدد يسمى أصل النسخ المتماثل، حيث ترتبط البروتينات المختلفة لبدء عملية النسخ المتماثل. بكتريا قولونيةله أصل واحد من النسخ المتماثل (كما تفعل معظم بدائيات النوى) ، يسمى oriC، على كروموسومه الواحد. يبلغ أصل النسخ المتماثل حوالي 245 زوجًا قاعديًا وهو غني بتسلسلات الأدينين - الثايمين (AT).

    بعض البروتينات التي ترتبط بأصل النسخ المتماثل مهمة في جعل مناطق الحمض النووي أحادية الشريطة متاحة للتكاثر. عادة ما يتم لف الحمض النووي الصبغي حوله هيستون (في حقيقيات النوى والعتائق) أو البروتينات الشبيهة بالهيستون (في البكتيريا) ، وهو كذلك ملفوف، أو ملفوفة على نطاق واسع وملفوفة على نفسها. تجعل هذه العبوة المعلومات الموجودة في جزيء الحمض النووي غير قابلة للوصول. ومع ذلك ، فإن الإنزيمات التي تسمى topoisomerases تغير شكل و supercoiling للكروموسوم. لكي يبدأ تكاثر الحمض النووي البكتيري ، يتم إرخاء الكروموسوم فائق الالتفاف بواسطة توبويزوميراز الثاني، وتسمى أيضا جريز الحمض النووي. يقوم إنزيم يسمى هيليكاز بعد ذلك بفصل خيوط الحمض النووي عن طريق كسر الروابط الهيدروجينية بين أزواج القاعدة النيتروجينية. تذكر أن متواليات AT لها روابط هيدروجينية أقل ، وبالتالي ، تفاعلات havDNA gyrasee أضعف من متواليات guanine-cytosine (GC). تتطلب هذه الإنزيمات تحلل ATP المائي. عندما ينفتح الحمض النووي ، تسمى الهياكل على شكل Y شوكات النسخ المتماثل تتشكل. يتم تشكيل اثنين من شوكات النسخ في أصل النسخ المتماثل ، مما يسمح بالنسخ ثنائي الاتجاه وتشكيل بنية تشبه الفقاعة عند عرضها بواسطة مجهر إلكتروني ناقل نتيجة لذلك ، تسمى هذه البنية بـ فقاعة النسخ المتماثل. يتم تغليف الحمض النووي بالقرب من كل شوكة نسخ بروتينات ربط أحادية السلسلة لمنع الحمض النووي أحادي الجديلة من اللف إلى حلزون مزدوج.

    بمجرد الوصول إلى الحمض النووي المفرد الذي تقطعت به السبل في أصل النسخ المتماثل ، يمكن أن يبدأ تكرار الحمض النووي. ومع ذلك ، فإن DNA pol III قادر على إضافة نيوكليوتيدات فقط في اتجاه 5 "إلى 3" (يمكن تمديد خيط DNA جديد فقط في هذا الاتجاه). هذا لأن DNA polymerase يتطلب مجموعة 3’-OH مجانية والتي يمكن أن تضيف إليها نيوكليوتيدات عن طريق تكوين رابطة تساهمية فسفودايستر بين نهاية 3’-OH و 5 فوسفات من النيوكليوتيد التالي. هذا يعني أيضًا أنه لا يمكن إضافة نيوكليوتيدات إذا لم تتوفر مجموعة 3’-OH المجانية ، وهذا هو الحال بالنسبة لشريط واحد من الحمض النووي. يتم حل المشكلة بمساعدة تسلسل الحمض النووي الريبي الذي يوفر النهاية المجانية 3’-OH. نظرًا لأن هذا التسلسل يسمح ببدء تخليق الحمض النووي ، يُطلق عليه بشكل مناسب اسم التمهيدي. يتكون التمهيدي من خمسة إلى 10 نيوكليوتيدات طويلة ومكملة للحمض النووي الأبوي أو النموذجي. يتم تصنيعه بواسطة RNA primase ، وهو بوليميراز الحمض النووي الريبي. على عكس بوليميرات الحمض النووي ، لا تحتاج بوليميرات الحمض النووي الريبي إلى مجموعة 3’-OH مجانية لتجميع جزيء الحمض النووي الريبي. الآن بعد أن يوفر التمهيدي مجموعة 3’-OH المجانية ، يمكن الآن لـ DNA polymerase III تمديد هذا التمهيدي RNA ، مضيفًا نيوكليوتيدات DNA واحدة تلو الأخرى تكون مكملة لقالب القالب (الشكل 1).


    يحدد مورد تسلسل الجينوم الكامل 18 جينًا مرشحًا جديدًا لاضطراب طيف التوحد

    نحن نقوم بإجراء تسلسل الجينوم الكامل للعائلات التي تعاني من اضطراب طيف التوحد (ASD) لبناء مورد (MSSNG) لتصنيف الأنماط الظاهرية والعوامل الجينية الكامنة وراءها. هنا نُبلغ عن تسلسل 5205 عينة من عائلات مع ASD ، مصحوبة بمعلومات سريرية ، وإنشاء قاعدة بيانات يمكن الوصول إليها على منصة سحابية ومن خلال بوابة إنترنت يمكن التحكم فيها. وجدنا في المتوسط ​​73.8 من متغيرات النوكليوتيدات المفردة و 12.6 من عمليات الإدراج والحذف أو نسخ عدد النسخ لكل موضوع ASD. حددنا 18 جينًا جديدًا معرضًا لخطر ASD ووجدنا أن المشاركين الذين يحملون طفرات في جينات القابلية للتأثر لديهم قدرة تكيفية أقل بشكل ملحوظ (P = 6 × 10 -4). في 294 من 2620 (11.2٪) من حالات اضطراب طيف التوحد ، يمكن تحديد أساس جزيئي و 7.2٪ من هذه الاختلافات في عدد النسخ و / أو تشوهات الكروموسومات ، مع التأكيد على أهمية اكتشاف جميع أشكال التباين الجيني كأهداف تشخيصية وعلاجية في ASD .

    بيان تضارب المصالح

    تضارب المصالح المالية: يعلن المؤلفون عدم وجود مصالح مالية متنافسة.

    الأرقام

    الشكل 1. رسم تخطيطي للعينة والبيانات ...

    الشكل 1. تخطيطي للعينة ومعالجة البيانات في MSSNG

    تشرف لجنة تنفيذية على ...

    الشكل 2. خصائص وجودة WGS ...

    الشكل 2. خصائص وجودة WGS من منصات التسلسل المختلفة

    الشكل 3. جينات حساسية ASD / المواقع

    الشكل 3. جينات حساسية ASD / المواقع

    (أ) الجينات المعرضة لخطر ASD مع معدل طفرة أعلى من المتوقع من MSSNG ...

    الشكل 4. يقرأ توصيف CNV عبر WGS ...

    الشكل 4. يقرأ توصيف CNV عبر WGS في بوابة MSSNG

    الشكل 5. مقارنة النمط الظاهري للعينات ...

    الشكل 5. مقارنة النمط الظاهري للعينات مع وبدون الطفرات المحددة


    نتائج

    لقد احتفظنا بـ 175326 قراءة إجمالية بعد تصفية وتشذيب صارمة للجودة ، تتراوح من 3965 إلى 50.063 قراءة عبر مواقع أخذ العينات السبعة. من بين هؤلاء ، تم تحديد 59705 من خلال BLAST على أنها تسلسل جيني 16S rRNA. احتفظت BC07 بأقل عدد من القراءات مع 506 ، بينما بقيت 27629 قراءة لـ BC02. حدد تحليل Qiime2 باستخدام vsearch مغلق مع قطع هوية بنسبة 80 ٪ ما مجموعه 53 medusozoan OTUs (الشكل التكميلي 4). على الرغم من انخفاض عدد القراءة للعديد من العينات ، اقترح تحليل خلخلة تنوع ألفا أن طريقتنا كانت كافية لتقييم التقدم المحرز في استعادة eDNA التمثيلي من خلال موقع العينة ، نظرًا لعمق التسلسل لدينا (الأشكال التكميلية 5،6). أسفر بحث BLASTN عن مجموعة البيانات التي تمت تصفيتها من جين 16S rRNA المسترد عن 59 تصنيفًا فريدًا من نوع medusozoan ، مما يشير إلى إمكانية حدوث اختلافات طفيفة مع اختلافات في قاعدة البيانات والخوارزمية (التجميع مقابل التماثل) المستخدمة لتصنيف القراءة. علاوة على ذلك ، على الرغم من أن التسلسلات المقابلة لـ eDNA لجين COI كانت هدفًا ثانويًا إلى حد كبير في هذه الدراسة ، فقد نجحنا في اكتشاف ثلاثة وحدات OTUs متوسطة الحجم تشتمل على اثنين من الهيدروزوزان و C. سعفة (التفاصيل الواردة في الأشكال التكميلية 5 أ ، ب) لم يتم دمج هذه البيانات في تحليلات التنوع البيولوجي المتوسطي الخاصة بنا.

    حيوانات ميدوزوزوان في فلوريدا كيز

    بشكل عام ، كان ثراء medusozoan OTU الأدنى في Rock Harbour-BC02 (24 OTUs) ، يليه التحكم في Aquarium-BC04 (15 OTUs) (الأشكال 6C ، D). كان لدى Buttonwood Sound (BC03) و Finger Pier (BC05) ، وكلاهما من الموائل البحرية ، أكبر عدد من OTUs (42) (الأشكال 6B ، E). في المتوسط ​​، اكتشفنا 30 OTU من المواقع المحمية (BC01 و BC02) و 36 OTU من المواقع البحرية (BC03 ، BC05 ، BC06 ، BC07) (الشكل 6). على الرغم من أن Hydrozoa مثلت الفئة ذات أعلى عدد من OTUs المكتشفة ، في المتوسط ​​، تم تخصيص 65.2٪ من القراءات لـ Scyphozoa ، 26.7٪ إلى Hydrozoa ، تليها 18.6٪ إلى Cubozoa ، مع تمثيل Staurozoa بأقل عدد من القراءات (0.9٪). باستثناء Buttonwood Sound ، كاسيوبيا كان باستمرار هو التصنيف الأكثر تمثيلاً (بناءً على إجمالي القراءات المقابلة) في كل موقع.

    الشكل 6. خريطة توضح توزيع أنواع قنديل البحر في مواقع أخذ عينات فلوريدا كيز بناءً على جين الرنا الريباسي 16S. المفاتيح العليا (Key Largo and Marathon Key) ، عينات المياه (14 مايو و # x201316 ، 2018). (أ) Buttonwood Sound (BC03). 25.10143 ، & # x201380.43861. (ب) مقلع (BC01). 24.74975 ، & # x201380.97812. (ج) روك هاربور (BC02). 25.07924 ، & # x201380.45245. (د) حوض السمك (BC04). 25.10135 ، & # x201380.43861. مفاتيح منخفضة (Fleming Key) ، عينات المياه (17 مايو 2018). (هـ) رصيف الإصبع (BC05). 24.57581 ، & # x201381.79922. (F) برج SFUWOS FAA (BC06). 24.59015 ، & # x201381.79704. (ز) SFUWOS Drop (BC07). 24.59181 ، & # x201381.79487 التحكم السلبي (BC08) غير مصور. تتوافق الرموز الحمراء مع مواقع أخذ العينات على الخريطة. تُظهر المخططات الدائرية الكبيرة متعددة الألوان تنوع Medusozoan المكتشف في كل موقع والعدد الإجمالي لقراءات الجين rRNA 16S المكتشفة لكل موقع بناءً على تحليل Qiime2. تُبرز النسب المئوية فوق المخططات الدائرية أحادية اللون الأصغر النسبة المئوية لإجمالي القراءات المطابقة لها كاسيوبيا والأنواع الكوبية ، على التوالي. تم تعديل النتائج من وظيفة barplot Qiime2 وتصورها هنا باستخدام Krona (Ondov et al. ، 2011). تعكس النسب المئوية النسب قبل تحليل الخلخلة (تطبيع العينة الفرعية) ، مما أدى إلى فقدان ثلاثة أصناف ممثلة بالحد الأدنى.

    كاسيوبيا تم استرداد القراءات من جميع مواقع أخذ العينات ، ولكن معظم القراءات كانت من مواقع محمية ، مع جيم xamachana القراءة تشمل 96.3٪ من كاسيوبيا يقرأ تم إنشاؤه لـ Rock Harbour (الشكل 6 والشكل التكميلي 6). بالرغم ان كاسيوبيا medusae لم يتم تأكيده بصريًا في Fleming Key ، كان من المتوقع اكتشاف eDNA لهذا الصنف نظرًا لأن قنديل البحر المقلوب رأسًا على عقب هو أكثر قناديل البحر شيوعًا في فلوريدا كيز وقد تم توثيقه في غابات المانغروف المجاورة كي ويست ، على بعد عدة كيلومترات (NOAA) ، 2020). كشف التحليل الوراثي لتوافق الآراء ، على النحو الذي حدده BLASTN ، أن ثلاثة مفترضة كاسيوبيا الأنواع موجودة على الأرجح في فلوريدا كيز. جيم xamachana يسيطر على جميع أنحاء فلوريدا كيز فيما يتعلق باكتشاف eDNA المكتشف (الشكل 7) والتأكيد المرئي (Ohdera et al. ، 2018) ، في حين C. سعفة يحدث بشكل أقل (الجدول 1).

    الشكل 7. تم التعرف على حيوانات Medusozoa من جين 16S rRNA باستخدام FeDS. يبرز الجدول الخصائص المورفولوجية والإقامة في مناطق أخذ عينات فلوريدا كيز أو أقرب موقع جغرافي. تصور الرسومات الخطية إلى اليسار تصنيفًا تمثيليًا لكل فئة ، مرسومة بمقياس مقارن. تشير الأسهم إلى الأنواع التي تم نشر الجينومات المشروحة جزئيًا لها (Ohdera et al. ، 2019). BH ، ارتفاع الجرس BW ، عرض الجرس L ، طول hydroid W ، العرض ND ، لا توجد بيانات متاحة FLMNH ، متحف فلوريدا للتاريخ الطبيعي NMNH ، المتحف الوطني للتاريخ الطبيعي ، مؤسسة سميثسونيان.

    بالإضافة إلى كاسيوبيا، اكتشفنا جنس scyphozoan ثان أوريليا، حيث تمت مشاركة إجماع القراءات عند عتبة الهوية 80٪ (BLASTN) & # x223C86٪ تشابه مع أوريليا أوريتا (GenBank DQ787873) & # x2013 مجمع أنواع قنديل البحر الموزع على نطاق واسع والمعروف باسم قنديل البحر القمر (داوسون ، 2003) ، مع نوع واحد على الأقل معروف في مياه فلوريدا (الشكل 7). باستخدام Qiime2 ، تمت استعادة هذه المباراة فقط باستخدام نسبة قطع هوية أقل من 75٪. ومن المثير للاهتمام ، أن إجماع القراءات عند عتبة الهوية 80٪ في بحث BLASTN الخاص بنا أظهر & # x003E98٪ هوية للتسلسلات غير المنشورة من أوريليا ص. عينات من جنوب البرازيل (J. Lawley، بيرس. بالاتصالات.). لذلك ، من المحتمل أن تسلسل الحمض النووي للأنواع التي اكتشفناها لا يزال يفتقر إلى GenBank ، مما يسلط الضوء على أهمية بناء قواعد بيانات مرجعية قوية للرموز الشريطية الجينية.

    الأنواع السامة من قنديل البحر الصندوقي (Cubozoa) التي تم الكشف عنها عن طريق التمثيل الغذائي لـ eDNA تشمل أصناف العائلات الكوبوزوية Alatinidae و Tamoyidae (الشكلان 4 و # x20137). على الرغم من الإبلاغ عنها سابقًا من منطقة البحر الكاريبي وفلوريدا كيز (الشكل 7) ، لم يتم تأكيد ظهور ميدوسا لأي من العائلة أثناء هذه الدراسة. نظرًا لأن medusae قنديل البحر الصندوقية كبيرة جدًا وواضحة (الشكل 7) ، فمن المتصور أن تسلسلنا يتوافق مع eDNA من مراحل الحياة المجهرية (planulae أو البوليبات) الموجودة في مواقع التجميع ، بما يتماشى مع النتائج الأخيرة لإشارة eDNA التي تم اكتشافها من أجل الكائنات المجوفة القاعية (صوايا وآخرون ، 2019 بولت وآخرون ، 2021). ألاتا هي أفضل الأنواع الموثقة من عائلة Alatinidae ، ولكن تم الإبلاغ عن نوع آخر على الأقل في خليج المكسيك (Graham، 1998 Lewis et al.، 2013 Lasley et al.، 2016 Lawley et al.، 2016). أشارت نتائجنا الأولية إلى اكتشاف نوعين من Tamoyidae في هذه الدراسة: تامويا راجع هابلونيما (مطابقة عينة من نيو جيرسي GenBank KR093033) وتسلسل مشابه جدًا لـ تامويا أوهبويا (مطابقة عينة كاريبية GenBank GQ150263). تامويا تم الإبلاغ سابقًا عن الأنواع في هذه المنطقة الجغرافية (Collins et al. ، 2011 الشكل 7) ، على الرغم من أن هناك حاجة إلى مزيد من الدراسات لتحديد الأنواع بشكل صحيح ضمن هذا الجنس. في حين تم تحديد تسلسلين نموذجيين مختلفين من خلال درجات BLASTN القصوى ، فإن التسلسل الإجماعي لهذه القراءات كان لهما ما يقرب من 100 ٪ من هوية ت. راجع هابلونيما الجين الرنا الريباسي من نيو جيرسي. علاوة على ذلك ، الكوبوزوان الصغير ، تريبيداليا سيستوفورا، عبر eDNA أيضًا (كمفرد). تم وصفه لأول مرة من جامايكا ، T. cystophora تم توثيقه مؤخرًا فقط في مياه فلوريدا (Orellana and Collins، 2011 Lasley et al.، 2016). أخيرًا ، هناك مجموعة من 17 قراءة تتوافق مع نوع غير معروف من كاريبديا (تطابق تسلسل الأنواع الكاريبية بشكل وثيق Carybdea xaymacana) ، تشير إلى وجود نوع آخر من الهلام الصندوقي لم يتم وصفه بعد في فلوريدا كيز (الشكل 7).

    على الرغم من عدم الإبلاغ عن أي نوع من قنديل البحر القاعي المطارد في فئة Staurozoa سابقًا من فلوريدا (Miranda et al. ، 2018) ، فقد حددنا في هذه الدراسة eDNA من staurozoans Calvadosia cruxmelitensis و هاليكليستوس راجع الوتر (الأشكال 4 & # x20137). الأول له أهمية خاصة حيث تم نشر جينومه مؤخرًا مع جينوم جيم xamachana و ألاتا (أوهديرا وآخرون ، 2019). Staurozoans هي حيوانات متوسطة الحجم صغيرة نسبيًا (الشكل 7) ، وغالبًا ما تكون غامضة ويصعب العثور عليها في الحقل لأنها تعيش وتندمج جيدًا مع الطحالب الكبيرة. هذه الأنواع قاعية حصريًا ، لذا فإن وجود التسلسلات المقابلة لهذه الأصناف (C. cruxmelitensis تم تمثيلها في كل مكان لأخذ العينات في هذه الدراسة) يشير إلى أن FeDS كان قادرًا على اكتشاف eDNA للأنواع القاعية بالإضافة إلى قناديل البحر السطحي. H. tenuis تم وصفه في الأصل من اليابان (كيشينو ، 1910) ، ولكن تم اعتباره مؤخرًا نوعًا تم إدخاله في شمال المحيط الأطلسي (Holst and Laakmann ، 2019) ولم يتم الإبلاغ عنه مطلقًا من غرب المحيط الأطلسي (الشكل 7). C. cruxmelitensis يتم توزيعها في جميع أنحاء الجزر البريطانية ، في حين أن المتجانسات هي الوحيدة المعروفة التي يتم توزيعها في المياه الاستوائية وشبه الاستوائية الدافئة ، بما في ذلك التقارير عن C. hawaiiensis من هاواي (إدموندسون ، 1930) ، نوع غير محدد من الهند (بانيكار ، 1944) ، و C. كوربيني من البرازيل (Grohmann et al. ، 1999) ، بورتوريكو (Capriles and Martinez ، 1970 Larson ، 1980) ، وغرب خليج المكسيك (Lechuga and Fern & # x00E1ndez - & # x00C1lamo ، 2005). في حين أن التوزيعات الجغرافية المعروفة ل Staurozoans (Miranda et al. ، 2018) تشير إلى ذلك C. كوربيني هي الأنواع الأكثر احتمالًا التي يمكن مواجهتها في مياه فلوريدا ، وتشير بياناتنا بشكل لا لبس فيه إلى ذلك C. cruxmelitensis يسكن فلوريدا كيز (الشكل 7). ومع ذلك ، يجب تأكيد هذا التأكيد من خلال الفحص البصري لموائل فلوريدا الساحلية المناسبة لتقييم مقدمة افتراضية. بشكل عام ، تشير هذه النتائج إلى أن التحليل الشامل لـ eDNA يمكن أن يعزز فهمنا لتوزيع الكائنات المشفرة بسرعة.

    حددنا 36 Hydrozoa OTUs ، على الرغم من أن 15٪ فقط من إجمالي القراءات يتم تعيينها لتسلسل hydrozoan. العديد من هذه الأصناف (على سبيل المثال ، أنواع Aglaophenia, يودندريوم، و هالوبتريس) تفتقر إلى مرحلة ميدوسا ، مما يوفر المزيد من الأدلة على أن أخذ عينات eDNA الخاصة بنا قد استولى على الأصناف القاعية (الأشكال 4 ، 7). بالنظر إلى التنوع الواسع للهيدروزوان لأكثر من 3500 نوع معروف ، بما في ذلك المئات الموصوفة من منطقة البحر الكاريبي ، فإن تمثيل أكثر من 50 ٪ لجميع OTUs بواسطة تصنيفات hydrozoan لم يكن غير متوقع (الأشكال 4 ، 5).


    محتويات

    يمكن تعديل أي خطوة للتعبير الجيني ، من خطوة نسخ DNA-RNA إلى التعديل اللاحق للترجمة للبروتين. فيما يلي قائمة بالمراحل التي يتم فيها تنظيم التعبير الجيني ، والنقطة الأكثر استخدامًا هي بدء النسخ:

    في حقيقيات النوى ، يمكن أن تعتمد إمكانية الوصول إلى مناطق كبيرة من الحمض النووي على هيكل الكروماتين الخاص به ، والذي يمكن تغييره نتيجة لتعديلات الهيستون الموجهة بواسطة مثيلة الحمض النووي ، أو ncRNA ، أو بروتين ربط الحمض النووي. ومن ثم فإن هذه التعديلات قد تزيد أو تنخفض تنظم التعبير عن الجين. بعض هذه التعديلات التي تنظم التعبير الجيني موروثة ويشار إليها بالتنظيم اللاجيني.

    التحرير الهيكلي

    تملي نسخ الحمض النووي من خلال هيكلها. بشكل عام ، تدل كثافة عبوته على تكرار النسخ. تعتبر مجمعات البروتين الثماني التي تسمى الهيستونات مع جزء من الحمض النووي الجرح حول بروتينات الهيستون الثمانية (يشار إليها معًا باسم nucleosome) مسؤولة عن مقدار الالتفاف الفائق للحمض النووي ، ويمكن تعديل هذه المجمعات مؤقتًا عن طريق عمليات مثل الفسفرة أو بشكل دائم المعدلة بعمليات مثل المثيلة. تعتبر هذه التعديلات مسؤولة عن تغييرات دائمة أكثر أو أقل في مستويات التعبير الجيني. [2]

    التحرير الكيميائي

    مثيلة الحمض النووي هي طريقة شائعة لإسكات الجينات. عادة ما يتم ميثلة الحمض النووي بواسطة إنزيمات ميثيل ترانسفيراز على نيوكليوتيدات السيتوزين في تسلسل CpG ثنائي النوكليوتيدات (وتسمى أيضًا "جزر CpG" عندما تتجمع بشكل كثيف). يمكن تحقيق تحليل نمط المثيلة في منطقة معينة من الحمض النووي (والتي يمكن أن تكون محفزًا) من خلال طريقة تسمى رسم خرائط بيسلفيت. لا تتغير بقايا السيتوزين الميثيلين عن طريق العلاج ، في حين يتم تغيير بقايا السيتوزين غير الميثيل إلى اليوراسيل. يتم تحليل الاختلافات عن طريق تسلسل الحمض النووي أو عن طريق الأساليب المطورة لتحديد تعدد الأشكال ، مثل Pyrosequencing (Biotage) أو MassArray (Sequenom) ، وقياس الكميات النسبية لـ C / T في CG ثنائي النوكليوتيد. يُعتقد أن أنماط المثيلة غير الطبيعية لها دور في تكون الأورام. [3]

    استلة هيستون هي أيضًا عملية مهمة في النسخ. تقوم إنزيمات هيستون أسيتيل ترانسفيراز (HATs) مثل البروتين المرتبط بـ CREB أيضًا بفصل الحمض النووي عن مركب هيستون ، مما يسمح بمتابعة النسخ. في كثير من الأحيان ، تعمل مثيلة الحمض النووي ونزع الهستونات معًا في إسكات الجينات. يبدو أن الجمع بين الاثنين هو إشارة إلى أن يتم تعبئة الحمض النووي بشكل أكثر كثافة ، مما يقلل من التعبير الجيني. [ بحاجة لمصدر ]

    وبالتالي فإن تنظيم النسخ يتحكم في وقت حدوث النسخ ومقدار الحمض النووي الريبي الذي يتم إنشاؤه. يمكن تنظيم نسخ الجين بواسطة بوليميراز RNA بعدة آليات. تعمل عوامل الخصوصية على تغيير خصوصية بوليميراز الحمض النووي الريبي لمحفز معين أو مجموعة من المحفزات ، مما يجعلها أكثر أو أقل عرضة للارتباط بها (أي عوامل سيجما المستخدمة في النسخ بدائية النواة). ترتبط المثبطات بالمشغل ، وترميز التسلسلات الموجودة على خيط الحمض النووي التي تكون قريبة من منطقة المروج أو تتداخل معها ، مما يعيق تقدم بوليميريز الحمض النووي الريبي على طول الشريط ، مما يعيق التعبير عن الجين. توضح الصورة الموجودة على اليمين التنظيم بواسطة أداة الضغط في مشغل lac. تضع عوامل النسخ العامة بوليميريز الحمض النووي الريبي في بداية تسلسل ترميز البروتين ثم تطلق البوليميراز لنسخ الرنا المرسال. تعمل المنشطات على تعزيز التفاعل بين بوليميريز RNA ومحفز معين ، مما يشجع على التعبير عن الجين. يقوم المنشطون بذلك عن طريق زيادة جذب بوليميريز الحمض النووي الريبي للمحفز ، من خلال التفاعلات مع الوحدات الفرعية لبوليميراز الحمض النووي الريبي أو بشكل غير مباشر عن طريق تغيير بنية الحمض النووي. المعززات هي مواقع على حلزون الحمض النووي التي ترتبط بالمنشطات من أجل حلقة الحمض النووي التي تجلب محفزًا محددًا إلى مجمع البدء. المعززات أكثر شيوعًا في حقيقيات النوى من بدائيات النوى ، حيث توجد أمثلة قليلة فقط (حتى الآن). [4] كواتم الصوت هي مناطق من تسلسل الحمض النووي التي ، عندما تكون مرتبطة بعوامل نسخ معينة ، يمكن أن تسكت التعبير عن الجين.

    في الفقاريات ، تحتوي غالبية المحفزات الجينية على جزيرة CpG بها العديد من مواقع CpG. [5] عندما يتم ميثلة العديد من مواقع CpG المحفز للجين ، يصبح الجين صامتًا. [6] تحتوي سرطانات القولون والمستقيم عادةً على 3 إلى 6 طفرات للسائقين و 33 إلى 66 طفرات في الرحلة أو الركاب. [7] ومع ذلك ، قد يكون إسكات النسخ أكثر أهمية من الطفرة في التسبب في تطور السرطان. على سبيل المثال ، في سرطانات القولون والمستقيم ، يتم إسكات حوالي 600 إلى 800 جين نسبيًا بواسطة مثيلة جزيرة CpG (انظر تنظيم النسخ في السرطان). يمكن أن يحدث القمع النسخي في السرطان أيضًا عن طريق آليات الوراثة اللاجينية الأخرى ، مثل التعبير المتغير عن الرنا الميكروي. [8] في سرطان الثدي ، قد يحدث كبت نسخ BRCA1 بشكل متكرر عن طريق microRNA-182 مفرط التعبير عنه عن طريق فرط ميثيل محفز BRCA1 (انظر التعبير المنخفض عن BRCA1 في سرطان الثدي والمبيض).

    من السمات الأساسية للإدمان استمراره. يبدو أن التغيرات السلوكية المستمرة ناتجة عن تغيرات طويلة الأمد ، ناتجة عن التغيرات اللاجينية التي تؤثر على التعبير الجيني ، داخل مناطق معينة من الدماغ. [9] تسبب تعاطي المخدرات ثلاثة أنواع من التغيرات اللاجينية في الدماغ. هذه هي (1) أسيتيلات هيستون وميثيلات هيستون ، (2) مثيلة الحمض النووي في مواقع CpG ، و (3) تقليل التنظيم اللاجيني أو زيادة التنظيم للـ microRNAs. [9] [10] (انظر علم التخلق لإدمان الكوكايين للحصول على بعض التفاصيل.)

    يغير تناول النيكوتين المزمن في الفئران التحكم اللاجيني لخلايا الدماغ للتعبير الجيني من خلال أستلة الهيستونات. هذا يزيد من التعبير في الدماغ عن بروتين FosB ، المهم في الإدمان. [11] تمت دراسة إدمان السجائر أيضًا على حوالي 16000 شخص ، بما في ذلك الذين لم يدخنوا مطلقًا والمدخنون الحاليون والذين أقلعوا عن التدخين لمدة تصل إلى 30 عامًا. [12] في خلايا الدم ، أكثر من 18000 موقع من مواقع CpG (من حوالي 450.000 موقع تم تحليلها في الجينوم) غيّرت مثيلة بشكل متكرر بين المدخنين الحاليين. حدثت مواقع CpG هذه في أكثر من 7000 جين ، أو ما يقرب من ثلث الجينات البشرية المعروفة. عادت غالبية مواقع CpG الميثيلية التفاضلية إلى مستوى الذين لم يدخنوا مطلقًا في غضون خمس سنوات من الإقلاع عن التدخين. ومع ذلك ، ظل 2.568 CpGs من بين 942 جينًا ميثيلًا بشكل تفاضلي في المدخنين السابقين مقابل غير المدخنين. يمكن النظر إلى هذه التغييرات اللاجينية المتبقية على أنها "ندوب جزيئية" [10] قد تؤثر على التعبير الجيني.

    في نماذج القوارض ، تتسبب تعاطي المخدرات ، بما في ذلك الكوكايين ، [13] الميثامفيامين ، [14] [15] الكحول [16] ومنتجات دخان التبغ ، [17] جميعها في تلف الحمض النووي في الدماغ. أثناء إصلاح أضرار الحمض النووي ، يمكن لبعض أحداث الإصلاح الفردية أن تغير مثيلة الحمض النووي و / أو الأسيتيل أو ميثيل الهستونات في مواقع التلف ، وبالتالي يمكن أن تساهم في ترك ندبة فوق جينية على الكروماتين. [18]

    من المحتمل أن تساهم هذه الندبات اللاجينية في التغيرات اللاجينية المستمرة الموجودة في الإدمان.

    في الثدييات ، مثيلة السيتوزين (انظر الشكل) في الحمض النووي هي وسيط تنظيمي رئيسي. تحدث السيتوزينات الميثيلية بشكل أساسي في تسلسل ثنائي النوكليوتيد حيث يتبع السيتوزين الجوانين ، وهو موقع CpG. يبلغ إجمالي عدد مواقع CpG في الجينوم البشري حوالي 28 مليون. [19] وبوجه عام ، تحتوي حوالي 70٪ من جميع مواقع CpG على سيتوزين ميثيل. [20]

    في الفئران ، يمكن أن تؤدي تجربة التعلم المؤلمة ، تكييف الخوف السياقي ، إلى ذاكرة خائفة مدى الحياة بعد حدث تدريبي واحد. [21] يتم تغيير مثيلة السيتوزين في المناطق المحفزة لحوالي 9.17٪ من جميع الجينات في الحمض النووي للخلايا العصبية في قرن آمون لفأر تعرض لتجربة تكييف خوف قصيرة. [22] الحصين هو المكان الذي يتم فيه تخزين الذكريات الجديدة في البداية.

    مثيلة CpGs في منطقة محفز للجين تمنع النسخ [23] بينما تزيد مثيلة CpGs في جسم الجين من التعبير. [24] تلعب إنزيمات TET دورًا مركزيًا في نزع ميثيل السيتوزينات الميثيلية. يؤدي نزع الميثيل من CpGs في محفز الجينات بواسطة نشاط إنزيم TET إلى زيادة نسخ الجين. [25]

    عندما يتم تطبيق تكييف الخوف السياقي على الجرذ ، فإن أكثر من 5000 منطقة ميثلة تفاضلية (DMRs) (من 500 نيوكليوتيد لكل منها) تحدث في الجينوم العصبي للحصين للجرذان على حد سواء ساعة واحدة و 24 ساعة بعد التكييف في قرن آمون. [22] يتسبب هذا في زيادة تنظيم حوالي 500 جين (غالبًا بسبب إزالة الميثيل من مواقع CpG في منطقة المحفز) وخضوع حوالي 1000 جين للتنظيم السفلي (غالبًا بسبب تكوين 5-ميثيل سيتوزين حديثًا في مواقع CpG في محفز منطقة). يبدو أن نمط الجينات المستحثة والمكبوتة داخل الخلايا العصبية يوفر أساسًا جزيئيًا لتشكيل أول ذاكرة عابرة لهذا الحدث التدريبي في قرن آمون في دماغ الفئران. [22]

    بعد نسخ الحمض النووي وتشكيل الرنا المرسال ، يجب أن يكون هناك نوع من التنظيم بشأن مقدار تحويل الرنا المرسال إلى بروتينات. تقوم الخلايا بذلك عن طريق تعديل السد ، والربط ، وإضافة ذيل بولي (A) ، ومعدلات التصدير النووي الخاصة بالتسلسل ، وفي العديد من السياقات ، عزل نسخة الحمض النووي الريبي. تحدث هذه العمليات في حقيقيات النوى ولكن ليس في بدائيات النوى. هذا التعديل هو نتيجة لبروتين أو نسخة يتم تنظيمها بدورها وقد يكون لها تقارب لتسلسلات معينة.

    غالبًا ما تحتوي ثلاث مناطق رئيسية غير مترجمة (3'-UTRs) من الرنا المرسال (mRNAs) على تسلسلات تنظيمية تؤثر بعد النسخ على التعبير الجيني. [26] غالبًا ما تحتوي UTRs 3'-UTR على كلا من مواقع الربط لـ microRNAs (miRNAs) وكذلك للبروتينات المنظمة. من خلال الارتباط بمواقع محددة داخل 3'-UTR ، يمكن أن تقلل miRNAs من التعبير الجيني للعديد من mRNAs إما عن طريق تثبيط الترجمة أو التسبب مباشرة في تدهور النسخة. قد يحتوي 3'-UTR أيضًا على مناطق كاتم للصوت تربط بروتينات المثبط التي تمنع التعبير عن mRNA.

    The 3'-UTR often contains miRNA response elements (MREs). MREs هي سلاسل ترتبط بها miRNAs. هذه هي الزخارف السائدة في 3'-UTRs. من بين جميع الأشكال التنظيمية داخل 3'-UTRs (على سبيل المثال ، بما في ذلك مناطق كاتم الصوت) ، تشكل MREs حوالي نصف الأشكال.

    As of 2014, the miRBase web site, [27] an archive of miRNA sequences and annotations, listed 28,645 entries in 233 biologic species. من بين هؤلاء ، كانت 1،881 ميلًا في مواقع ميرنا البشرية المشروحة. تم توقع أن تحتوي miRNAs في المتوسط ​​على حوالي أربعمائة mRNAs مستهدفة (تؤثر على التعبير عن عدة مئات من الجينات). [28] Freidman et al. [28] estimate that >45,000 miRNA target sites within human mRNA 3'-UTRs are conserved above background levels, and >60% of human protein-coding genes have been under selective pressure to maintain pairing to miRNAs.

    تظهر التجارب المباشرة أن ميرنا واحد يمكن أن يقلل من استقرار مئات من الرنا المرسال الفريدة. [29] Other experiments show that a single miRNA may repress the production of hundreds of proteins, but that this repression often is relatively mild (less than 2-fold). [30] [31]

    يبدو أن تأثيرات خلل تنظيم الحمض النووي الريبي في التعبير الجيني مهمة في السرطان. [32] For instance, in gastrointestinal cancers, a 2015 paper identified nine miRNAs as epigenetically altered and effective in down-regulating DNA repair enzymes. [33]

    The effects of miRNA dysregulation of gene expression also seem to be important in neuropsychiatric disorders, such as schizophrenia, bipolar disorder, major depressive disorder, Parkinson's disease, Alzheimer's disease and autism spectrum disorders. [34] [35] [36]

    The translation of mRNA can also be controlled by a number of mechanisms, mostly at the level of initiation. Recruitment of the small ribosomal subunit can indeed be modulated by mRNA secondary structure, antisense RNA binding, or protein binding. In both prokaryotes and eukaryotes, a large number of RNA binding proteins exist, which often are directed to their target sequence by the secondary structure of the transcript, which may change depending on certain conditions, such as temperature or presence of a ligand (aptamer). Some transcripts act as ribozymes and self-regulate their expression.

      is a process in which a molecule (e.g., a drug) induces (i.e., initiates or enhances) the expression of an enzyme.
  • The induction of heat shock proteins in the fruit fly ذبابة الفاكهة سوداء البطن.
  • The Lac operon is an interesting example of how gene expression can be regulated.
  • Viruses, despite having only a few genes, possess mechanisms to regulate their gene expression, typically into an early and late phase, using collinear systems regulated by anti-terminators (lambda phage) or splicing modulators (HIV).
  • جال 4 is a transcriptional activator that controls the expression of GAL1, GAL7, and GAL10 (all of which code for the metabolic of galactose in yeast). The GAL4/UAS system has been used in a variety of organisms across various phyla to study gene expression. [37]
  • علم الأحياء التنموي

    A large number of studied regulatory systems come from developmental biology. الامثله تشمل:

    • The colinearity of the Hox gene cluster with their nested antero-posterior patterning
    • Pattern generation of the hand (digits - interdigits): the gradient of sonic hedgehog (secreted inducing factor) from the zone of polarizing activity in the limb, which creates a gradient of active Gli3, which activates Gremlin, which inhibits BMPs also secreted in the limb, results in the formation of an alternating pattern of activity as a result of this reaction-diffusion system.
    • Somitogenesis is the creation of segments (somites) from a uniform tissue (Pre-somitic Mesoderm). They are formed sequentially from anterior to posterior. This is achieved in amniotes possibly by means of two opposing gradients, Retinoic acid in the anterior (wavefront) and Wnt and Fgf in the posterior, coupled to an oscillating pattern (segmentation clock) composed of FGF + Notch and Wnt in antiphase. [38]
    • Sex determination in the soma of a Drosophila requires the sensing of the ratio of autosomal genes to sex chromosome-encoded genes, which results in the production of sexless splicing factor in females, resulting in the female isoform of doublesex. [39]

    Up-regulation and down-regulation Edit

    Up-regulation is a process that occurs within a cell triggered by a signal (originating internal or external to the cell), which results in increased expression of one or more genes and as a result the protein(s) encoded by those genes. Conversely, down-regulation is a process resulting in decreased gene and corresponding protein expression.

      occurs, for example, when a cell is deficient in some kind of receptor. In this case, more receptor protein is synthesized and transported to the membrane of the cell and, thus, the sensitivity of the cell is brought back to normal, reestablishing homeostasis. occurs, for example, when a cell is overstimulated by a neurotransmitter, hormone, or drug for a prolonged period of time, and the expression of the receptor protein is decreased in order to protect the cell (see also tachyphylaxis).

    Inducible vs. repressible systems Edit

    Gene Regulation can be summarized by the response of the respective system:

    • Inducible systems - An inducible system is off unless there is the presence of some molecule (called an inducer) that allows for gene expression. The molecule is said to "induce expression". The manner by which this happens is dependent on the control mechanisms as well as differences between prokaryotic and eukaryotic cells.
    • Repressible systems - A repressible system is on except in the presence of some molecule (called a corepressor) that suppresses gene expression. The molecule is said to "repress expression". The manner by which this happens is dependent on the control mechanisms as well as differences between prokaryotic and eukaryotic cells.

    The GAL4/UAS system is an example of both an inducible and repressible system. جال 4 binds an upstream activation sequence (UAS) to activate the transcription of the GAL1/GAL7/GAL10 cassette. On the other hand, a MIG1 response to the presence of glucose can inhibit GAL4 and therefore stop the expression of the GAL1/GAL7/GAL10 cassette. [40]

    Theoretical circuits Edit

    • Repressor/Inducer: an activation of a sensor results in the change of expression of a gene
    • negative feedback: the gene product downregulates its own production directly or indirectly, which can result in
      • keeping transcript levels constant/proportional to a factor
      • inhibition of run-away reactions when coupled with a positive feedback loop
      • creating an oscillator by taking advantage in the time delay of transcription and translation, given that the mRNA and protein half-life is shorter
      • signal amplification
      • bistable switches when two genes inhibit each other and both have positive feedback
      • pattern generation

      In general, most experiments investigating differential expression used whole cell extracts of RNA, called steady-state levels, to determine which genes changed and by how much. These are, however, not informative of where the regulation has occurred and may mask conflicting regulatory processes (see post-transcriptional regulation), but it is still the most commonly analysed (quantitative PCR and DNA microarray).

      When studying gene expression, there are several methods to look at the various stages. In eukaryotes these include:


      In the early days (1970s), scientists were not worried about having to align too many sequences. They wanted to find the best alignment between two sequences. Many bioinformatics courses start with learning these, although it is not the main focus of our course. We included two videos in case you are interested.

      The Needlemen-Wunsch algorithm is the earliest algorithm to find the alignment between two sequences and score their similarity.

      When two sequences are long, and only a portion of them can align well with each other, the Smith-Waterman algorithm can find the best local sequence alignment. It is still considered the best alignment approach, although it is slow.


      11.2: DNA Sequencing - Biology

      Google Classroom codes for second Semester

      Tests and Quiz

      Chapter 14 Test -EVEN ONLY

      Chapter 14 Test - ODD ONLY

      Assignment and Video Links

      Make Up Tests

      بواسطة Permission only during CAT30

      Extra Credit Assignments and Publisher Practice Tests

      Self-Check Quiz zes to help you study for your tests.

      An excellent way to study for your tests is to complete

      the chapters which we are covering this semester.

      Practice Test s to help you prepare for your tests and FINAL EXAM.

      Self-Check Quiz zes to help you study for your tests.

      Practice Test s to help you prepare for your tests and FINAL EXAM.

      Dear Biology Students,

      Welcome to second semester. Everyone begins with a 100 % and my goal is to help you keep an A grade in this class. You will see a sign up in my class that states "Have Fun but also get your work done" , I reall mean that. If you have any questions or need help please ask. Remember to Check Google Classroom for all your assignments and due dates and keep in mind that unexcused late work will no longer be accepted this semester.


      جدول المحتويات

      مقدمة
      شكر وتقدير
      1. The Basics of Molecular Biology
      2. The Tools of the Molecular Biologist
      3. General Preparations, Procedures, and Considerations for Use of Manual
      Section 3-1 Using This Manual
      3-2 Safety Considerations
      3-3 Equipment Needed for Molecular Biology Studies
      4. Cloning Vectors and Bacterial Cells
      Section 4-1 pBR322
      4-2 M13
      4-3 pUC
      4-4 λgtlO
      4-5 λgtll
      4-6 EMBL3 and EMBL4
      4-7 Charon 28
      4-8 Bacterial Strains
      5. Preparation of DNA from Eukaryotic Cells
      Section 5-1 Rapid DNA Preparation
      5-2 Preparation of DNA from Eukaryotic Cells: General Method
      5-3 DNA Preparation from Cultured Cells and Tissue
      5-4 Restriction Endonucleases (REs) and Their Use
      5-5 Agarose Gel Electrophoresis
      5-6 Southern Blot
      6. Probing Nucleic Acids with Labeled Synthetic Probes
      Section 6-1 Making Synthetic DNA Probes: General Description
      6-2 End Labeling of Synthetic Probes
      6-3 Hybridization with Synthetic 32P End-Labeled Probe
      7. Probing Nucleic Acids with Plasmid-Derived Probes
      Section 7-1 Nick Translation
      7-2 DNA Hybridization (Southern Blot Hybridization)
      8. Plasmid DNA Preparation
      Section 8-1 Transformation of Bacteria
      8-2 Plasmid DNA Preparation: Triton-Lysozyme Method
      8-3 Large-Scale Alkaline Lysis Method: Plasmid Purification
      8-4 Plasmid "Mini-Prep" Method
      9. DNA Restriction Fragment Preparation
      Section 9-1 Minigels 1
      9-2 Analysis of DNA Fragments After Enzymatic Cleavage: Agarose Gel Electrophoresis
      9-3 Electroelution
      9-4 Polyacrylamide Gel Electrophoresis of DNA Restriction Fragments
      10. Purification of DNA
      Section 10-1 Spermine Purification of DNA
      10-2 Glass Powder Elution of DNA
      10-3 Purification of DNA: Other Methods
      11. Preparation and Analysis of RNA from Eukaryotic Cells
      Section 11-1 Guanidine Isothiocyanate Preparation of Total RNA
      11-2 RNA Preparation: Mini Method
      11-3 Selection of Poly(A+) RNA on Oligo(dT) Cellulose
      11-4 Formaldehyde Gel for Electrophoretic Separation of RNA and Northern Blot
      11-5 "Dot Blot" Hybridization of Labeled Probe to DNA or RNA Samples
      11-6 Probing RNA Gels: General Notes
      11-7 Preparation of RNA Probes from DNA Cloned into Plasmids
      12. Preparation of DNA from Bacteriophage Clones
      Section 12-1 Growth and Preparation of Bacteriophage
      12-2 Large-Scale Preparation and Purification of DNA from Bacteriophage
      13. Cloning DNA from the Eukaryotic Genome
      Section 13-1 Cloning DNA from the Eukaryotic Genome: Introduction
      13-2 Preparation of Genomic DNA: Partial Mbol Digestion Method
      13-3 Preparation of Bacteriophage Vector for Genomic Cloning
      13-4 Ligation of Genomic DNA into Bacteriophage Arms and Packaging to Form Library
      13-5 Titering and Plating of Packaged Library
      13-6 Screening a Plated Library with Radiolabeled Probes
      13-7 Library Amplification
      14. cDNA Cloning into λgtlO and λgt11
      Section 14-1 Preparation of λgt10 and λgt11 cDNA Cloning Vectors
      14-2 Generation of cDNA Insert from Eukaryotic mRNA
      14-3 Ligation and Packaging of cDNA Library into λgt10 or λgt11 Arms
      14-4 Plating and Screening of λgt10 and λgt11 Packaged Inserts
      14-5 Preparation of DNA from λgt10 and λgt11 cDNA Clones
      15. Subcloning into Plasmids
      Section 15-1 Subcloning into Plasmids: General Notes
      15-2 Preparing pBR322 Plasmids for Subcloning and Ligation of Insert
      15-3 pBR322 Colony Hybridization
      15-4 Subcloning into pUC Plasmids
      16. M13 Cloning and Sequencing
      Section 16-1 M13 Cloning and Sequencing: General Notes
      16-2 Preparation of Insert for Cloning from Specific Restriction Sites
      16-3 Preparation of Insert for Μ13 Cloning by Successive BAL 31 Exonuclease Deletion
      16-4 Μ13 Vector Preparation and Ligation of Insert into Vector
      16-5 Transformation of M13 into JM103 E. coli Host
      16-6 Screening Μ13 Clones with a Radiolabeled Probe to Select Inserts for Sequencing
      16-7 Preparation of Single-Stranded Μ13 DNA for Sequencing
      16-8 Single-Lane Screen Analysis of Μ13 Clones
      16-9 Preparation of Polyacrylamide Sequencing Gel
      16-10 Sequencing Μ13 Clones
      17. Further Characterization of Cloned DNA
      Section 17-1 Si Nuclease Protection Assay
      18. Transfection of Mammalian Cells in Culture
      Section 18-1 Calcium Phosphate Transfection of Nonadherent and Adherent Cells with Purified Plasmids
      18-2 DEAE Dextran-Mediated Transfection of Nonadherent and Adherent Mammalian Cells
      18-3 Electroporation
      18-4 Selection of Transfected Mammalian Cells: The G418 Method
      18-5 Chloramphenicol Acetyltransferase (CAT) Assay
      19. Protein Methods
      Section 19-1 In Vitro Translation and Immunoprecipitation
      19-2 Polyacrylamide Gels for Protein Separation
      19-3 Western Blot Analysis
      19-4 Silver Staining of Gels for Proteins or RNA
      20. General Methods
      Section 20-1 DNA/RNA Extraction and Precipitation
      20-2 Plastic Bag Sealing
      20-3 Optical Density Analytical Measurements
      20-4 Photographing Gels or Autoradiograms
      20-5 Autoradiography
      20-6 Making Plates for Bacterial Growth
      20-7 Titering and Plating of Phage
      21. Specialized Methods
      Section 21-1 Transgenic Mouse Preparation
      21-2 Monoclonal Antibody Production: Hybridoma Fusion
      21-3 In Situ Hybridization of Labeled Probes to Tissue Sections
      21-4 Cloning into Yeast
      Appendix I Stock Solutions
      Appendix II Enzymes
      Appendix III Suppliers of Reagents and Equipment
      فهرس


      شاهد الفيديو: الهندسة الوراثية - استنساخ الحمض النووى DNA (يوليو 2022).


تعليقات:

  1. Lochlain

    لا يمكنني المشاركة في المناقشة الآن - ليس هناك وقت فراغ. لكنني سأعود - سأكتب بالتأكيد ما أفكر فيه حول هذه المسألة.

  2. Darien

    في رأيي لم تكن على حق. يمكنني ان ادافع عن هذا المنصب. اكتب لي في PM ، سنناقش.

  3. Crawford

    في ذلك شيء ما. الآن كل شيء واضح ، شكرًا للمساعدة في هذا السؤال.

  4. Baris

    سأضيف هذه المقالة إلى الإشارات المرجعية الخاصة بك.

  5. Colis

    لم يسمع هاتف



اكتب رسالة