معلومة

8.1: لماذا يهم - بنية الحمض النووي والنسخ المتماثل - علم الأحياء

8.1: لماذا يهم - بنية الحمض النووي والنسخ المتماثل - 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.

لماذا تتعرف على بنية الحمض النووي وعملية تكرار الحمض النووي؟

أنت فريد من نوعه. ألن يكون من الجيد أن تصمم العلاجات والرعاية الوقائية من أجلك فقط؟

تُعرف المطابقة الدقيقة لبيولوجيتك بالرعاية الطبية الخاصة بك بالطب الشخصي. يتم استخدامه بالفعل من قبل مقدمي الرعاية الصحية على الصعيد الوطني.

تبدأ قصة الطب الشخصي بالحمض النووي الفريد الذي ورثته من والديك. الحمض النووي مسؤول عن جميع الصفات الجسدية التي تجعلك تعمل ككائن بشري. إنها تلعب دورًا حيويًا في الحياة على هذا الكوكب. يخزن الحمض النووي المعلومات الجينية.

الجينات عبارة عن امتدادات من الحمض النووي تعمل كنوع من دليل التعليمات الذي يخبر جسمك بكيفية صنع البروتينات وأداء المهام الأخرى التي يحتاجها جسمك. غالبًا ما تختلف الجينات نفسها قليلاً بين الناس. قد يتم تبديل القواعد أو فقدها أو إضافتها هنا وهناك. معظم هذه الاختلافات ليس لها تأثير على صحتك. لكن يمكن لبعضها أن تخلق بروتينات غير عادية قد تزيد من خطر الإصابة بأمراض معينة. يمكن أن تؤثر بعض المتغيرات على مدى فعالية الدواء في جسمك. أو قد يتسببون في حدوث آثار جانبية للدواء تختلف عن تلك التي تحدث عند شخص آخر.

أصبح من الشائع أن يختبر الأطباء المتغيرات الجينية قبل وصف بعض الأدوية. تقول الدكتورة روشيل لونج ، الخبيرة في علم الجينوميات في المعاهد الوطنية للصحة: ​​"إذا كان الأطباء يعرفون جيناتك ، فيمكنهم التنبؤ باستجابة الدواء ودمج هذه المعلومات في القرارات الطبية التي يتخذونها". يقول لونج: "من خلال الفحص لمعرفة من لا يجب أن يحصل على أدوية معينة ، يمكننا منع الآثار الجانبية التي تهدد الحياة".

حتى أن أحد أقدم الأدوية وأكثرها شيوعًا ، وهو الأسبرين ، يمكن أن يكون له تأثيرات متفاوتة بناءً على جيناتك. يتناول ملايين الأشخاص الأسبرين يوميًا لتقليل مخاطر الإصابة بالنوبات القلبية والسكتات الدماغية. يساعد الأسبرين في منع تجلط الدم الذي يمكن أن يسد الشرايين. لكن الأسبرين لا يقلل من مخاطر الإصابة بأمراض القلب لدى الجميع.

جربها

فيما يلي بعض العلاجات التي تستفيد من التخصيص:

  • علاجات تجلط الدم
  • علاجات سرطان القولون والمستقيم
  • علاجات سرطان الثدي

فماذا يعني هذا بالنسبة لك؟ هل الطب الشخصي شيء يجب أن تفكر فيه؟ دعونا نتعلم المزيد عن الحمض النووي وعلم الوراثة لمعرفة ما إذا كان بإمكاننا الإجابة على هذا السؤال.


تعلم حل الأحماض النووية عن طريق مشاكل المعلوماتية الحيوية

تصف المقالة تطوير نهج جديد لتدريس البيولوجيا الجزيئية لطلاب البيولوجيا الجامعيين. كان الطلاب البالغ عددهم 34 طالبًا الذين شاركوا في هذا البحث ينتمون إلى الفترة الأولى من دورة تدريس العلوم البيولوجية في المعهد الفيدرالي Goiano في حرم Urutaí بالبرازيل. تم تسجيلهم في علم الأحياء الخلوي في الفصل الأول من عام 2013. تلقوا أربع محاضرات تعريض / حوارية مدتها 55 دقيقة تناولت محتوى "بنية ووظائف الأحماض النووية". في وقت لاحق تمت دعوة الطلاب لحضور أربعة اجتماعات (في معمل كمبيوتر) حيث تم تقديم بعض مفاهيم المعلوماتية الحيوية وتم حل بعض مشاكل منصة Rosalind. الملاحظات التي نوردها هنا مفيدة للغاية كأساس واسع لتطوير بحث جديد. هناك احتمال مثير للاهتمام وهو البحث في تأثيرات تدخلات المعلوماتية الحيوية التي تعمل على تحسين تعلم البيولوجيا الجزيئية. © 2015 الاتحاد الدولي للكيمياء الحيوية والبيولوجيا الجزيئية ، 43 (5): 377-383 ، 2015.


البيانات المرتبطة

تشارك عمليات إصلاح الحمض النووي في كل من بدء وفعالية علاج سرطان القولون والمستقيم (CRC). قد يؤدي تغيير نيوكليوتيد واحد إلى استبدال الأحماض الأمينية في البروتين المقابل إلى تغيير كفاءة إصلاح الحمض النووي ، وبالتالي تعديل قابلية CRC والنتائج السريرية. لقد أجرينا نهجًا جينيًا مرشحًا لتحليل ارتباط تعدد أشكال النوكليوتيدات المفردة غير المترادفة (nsSNPs) في الجينات التي تغطي مسارات إصلاح الحمض النووي الرئيسية مع مخاطر CRC وتعديلات النتائج السريرية. تم اختيار الأشكال المتعددة المرشحة لدينا وفقًا لأهم قواعد بيانات التنبؤ الجينومي والوظيفي. تم تقييم ستة عشر nsSNPs في 12 جينًا لإصلاح الحمض النووي في مجموعات من جمهورية التشيك والنمسا. بصرف النظر عن مرحلة الورم-العقدة-الانبثاث (TNM) ، والتي حدثت كعامل تنبؤ رئيسي في جميع التحليلات التي تم إجراؤها ، لاحظنا العديد من الارتباطات المهمة لـ nsSNPs المختلفة مع البقاء والنتائج السريرية في كلا المجموعتين. ومع ذلك ، فإن بعض الجينات فقط (REV3L, POLQ ، و NEIL3) تم تعريفها بشكل بارز على أنها عوامل تنبؤ في تحليل شجرة الانحدار والتصنيف ، لذلك تقترح الدراسة ارتباطها ببقاء المريض على قيد الحياة. باختصار ، نحن نقدم دليلًا قائمًا على الملاحظة والمعلوماتية الحيوية على أنه حتى التغييرات الطفيفة في بروتينات معينة لمسارات إصلاح الحمض النووي قد تساهم في قابلية CRC والنتائج السريرية.


بيولوجيا الخلية الوظيفية

M.E. Bekier II ، W.R. Taylor ، in Encyclopedia of Cell Biology ، 2016

تكلفة النقرة في الانقسام

من الطور الأولي إلى الطور البعيد ، يكون توطين CPC ديناميكيًا ويشير إلى الأدوار المتعددة التي يلعبها CPC في تنظيم التقدم الانقسامي وانقسام الخلية. أثناء الانقسام المبكر ، تم العثور على CPC في السنتروميرات ومترجمة بشكل منتشر على طول أذرع الكروموسوم. يتم تنفيذ دور انقسام رئيسي آخر لـ Aurora B أثناء الطور الأولي. إلى جانب Cdk1 ، يساهم Aurora B في دقة الكروماتيد الشقيقة عن طريق فسفرة بروتين سورورين المثبت للتماسك (Losada، 2014 Dreier) وآخرون.، 2011). ينفصل Sororin الفسفوري عن وحدة التماسك الفرعية Pds5 ، مما يؤدي في النهاية إلى تحرير التماسك بوساطة WapL من أذرع الكروموسوم. يعتبر الكيناز الشبيه بالبولو ضروريًا أيضًا لإزالة الطور الأولي لل cohesin ، ويعمل عن طريق فسفرة الوحدات الفرعية cohesin (Losada ، 2014). تظهر الخلايا التي يتم فيها منع مسار إزالة الطور الأولي زيادة في فقد الكروموسوم عند الانتهاء من الانقسام الفتيلي ، مما يشير إلى أهمية هذا المسار في الحفاظ على الاستقرار الجيني (Haarhuis وآخرون.، 2013). مع تقدم الانقسام الفتيلي ، يركز CPC في السنتروميرات الداخلية حيث يشارك في آلية مراقبة أساسية محفوظة تطوريًا مطلوبة لفصل الكروموسوم عالي الدقة. تمنع نقطة تفتيش تجميع المغزل (المعروفة أيضًا باسم نقطة التفتيش الانقسامية) الدخول إلى الطور الطوري حتى تصل جميع الكروموسومات إلى ارتباط ثنائي القطب بالمغزل. إن أفضل دور معروف لتكلفة النقرة CPC في هذه العملية هو "تصحيح الخطأ" حيث يتم تحويل مرفقات المغزل - kinetochore غير المناسبة إلى خطوط حركية غير مرتبطة تؤدي إلى تشغيل SAC.


مقدمة

يشتمل جسم الإنسان البالغ عادةً على خلايا ميكروبية أكبر بعشر مرات من الخلايا البشرية ، ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى الكثافة العالية جدًا للميكروبات الموجودة في الأمعاء البشرية (عادةً 10 11-10 12 ميكروبًا / مل من المحتوى اللمعي). يخدم هذا النظام البيئي الميكروبي العديد من الوظائف الهامة لمضيفه البشري ، بما في ذلك الحماية من مسببات الأمراض ، ومعالجة المغذيات ، وتحفيز تكوين الأوعية ، وتنظيم تخزين الدهون في المضيف [1-7]. من الواضح أن هذه القائمة لم تكتمل بعد مع توسع مجال الدراسة هذا ، ونحن نكتشف باستمرار أدوارًا وعلاقات جديدة. لقد كانت الدراسات التي أُجريت على الفئران الحيوية منورًا بشكل خاص ، حيث توضح الدور الأساسي للميكروبات المعدية المعوية (GI) في نمو الأمعاء الطبيعي [2،5]. بالإضافة إلى ذلك ، فإن العديد من الأمراض في كل من البالغين والرضع لها صلات معروفة أو مشتبه بها بميكروبات الجهاز الهضمي ، بما في ذلك سرطان المعدة [8] ، والأورام اللمفاوية في الأنسجة اللمفاوية المرتبطة بالغشاء المخاطي [9] ، ومرض التهاب الأمعاء [10،11] ، والتهاب الأمعاء والقولون الناخر [ 12،13].

تمت دراسة تركيبة الكائنات الحية الدقيقة في الجهاز الهضمي البالغة بشكل مكثف ، باستخدام كل من الزراعة ، ومؤخرًا ، أساليب تعتمد على تسلسل الحمض النووي الريبوزومي المستقل عن الثقافة ، والوحدات الفرعية الصغيرة (rDNA) [14]. قُدِّر أن النظام البيئي للقولون البشري وحده يحتوي على أكثر من 400 نوع من البكتيريا تنتمي إلى عدد محدود من التقسيمات التصنيفية الواسعة [15]. أعضاء من الأجناس اللاهوائية البكتيريا ، Eubacterium ، Clostridium ، Ruminococcus ، و البراز تم العثور عليها عادةً لتشكل غالبية كبيرة من المجتمع الميكروبي في الأمعاء البشرية البالغة. ومع ذلك ، يبدو أن القناة الهضمية لكل شخص بالغ لديها مجتمع ميكروبي فريد من نوعه ، مع بنية تظل مستقرة في النطاق الزمني للأشهر [3 ، 15 ، 16].

في المقابل ، تكون جراثيم الجهاز الهضمي الرضع أكثر تنوعًا في تكوينها وأقل استقرارًا بمرور الوقت. في السنة الأولى من العمر ، تتطور القناة المعوية للرضع من العقم إلى الاستعمار شديد الكثافة ، وتنتهي بمزيج من الميكروبات التي تشبه إلى حد كبير تلك الموجودة في الأمعاء البالغة [17]. على الرغم من أن نقاط البداية والنهاية لهذه الدورة الزمنية محددة جيدًا ، إلا أن المسار بين هذه النقاط غير مفهوم جيدًا. هناك تقارير متضاربة في الأدبيات المتعلقة بتكوين الجراثيم المعدية المعوية الوليدية والعوامل التي تشكلها. ذكرت العديد من الدراسات أن بكتيريا Bifidobacteria تهيمن دائمًا تقريبًا على بكتيريا الجهاز الهضمي للرضع الذين يرضعون رضاعة طبيعية بعدة أسابيع من العمر [17-20] ، بينما وجد البعض الآخر أنها تحدث في جزء صغير فقط من الأطفال ، أو أنها ليست مهيمنة عدديًا [21 ، 22]. إن تأثير النظام الغذائي على تركيبة الكائنات الحية الدقيقة المعوية للرضع أمر مثير للجدل أيضًا - فقد وجدت العديد من الدراسات وجود وفرة أقل من بيفيدوباكتيريا ووفرة عالية من البكتيريا الهوائية في ميكروبات الجهاز الهضمي للرضع الذين يرضعون لبنًا صناعيًا مقارنة بالرضع الذين يرضعون من الثدي [20 ، 21 ، 23-25] ، ومع ذلك لم تجد تقارير أخرى مثل هذا الاختلاف [26 ، 27]. كثيرًا ما يُستشهد بطريقة الولادة كواحد من العوامل الرئيسية التي تشكل ميكروبات الرضع [18 ، 28 ، 29]. تم الإبلاغ عن اختلاف الجراثيم المعدية المعوية للرضع الذين تم ولادتهم عن طريق الولادة القيصرية عن تلك الخاصة بالرضع الذين تم ولادتهم عن طريق المهبل ، سواء في توقيت الاستعمار أو في التركيب [18 ، 30-32] ، وفي بعض الحالات ، هناك آثار واضحة للأمهات. [33] الجراثيم المهبلية في الجراثيم المعدية المعوية الوليدية [33] ، ومع ذلك فإن الأهمية النسبية لطريقة الولادة على الجراثيم المعدية المعوية غير واضحة. بسبب زيادة حدوث مشاكل الجهاز الهضمي عند الخدج ، فقد تمت دراسة تأثير عمر الحمل أيضًا على نطاق واسع. أظهرت هذه الدراسات باستمرار أن الكائنات الحية الدقيقة للخدج في المستشفى تختلف عن تلك الخاصة بالأطفال الأصحاء [32 ، 34-36]. أسفرت محاولات ربط ميكروبات معينة بحدوث التهاب الأمعاء والقولون الناخر ، وهي حالة يشتبه في كونها مسببات جرثومية والتي تعتبر سببًا مهمًا للمراضة والوفيات عند الأطفال الخدج ، عن نتائج مختلطة [32 ، 36]. من الواضح أنه لا يزال هناك الكثير لنتعلمه عن أصول وتطور الجراثيم المعدية المعوية الرضع وتأثيرها على الصحة والمرض.

ركزنا دراستنا على وصف مجموعة الملفات الشخصية التي تشكل ميكروبيوتا رضيعًا صحيًا على أمل اكتشاف الموضوعات التي تحكم تطورها ، ومن أجل توفير مرجع مفصل وأساس متين للدراسات اللاحقة التي تدرس العوامل التي تؤثر على الجهاز الهضمي ميكروبيوتا. تضمن المشاركون في دراستنا 14 طفلاً يتمتعون بصحة جيدة ، ومولودون لـ 13 أمًا سليمة (وبالتالي بما في ذلك مجموعة واحدة من التوائم الأخوية) (الجدول 1). تم جمع عينات البراز وفقًا لجدول زمني محدد ، بدءًا من البراز الأول الذي تم إنتاجه بعد الولادة: تم جمع العينات يوميًا في البداية ثم بتكرار متناقص على مدار عام واحد ، مع أخذ عينات إضافية حول الأحداث الرئيسية (على سبيل المثال ، إدخال الطعام الصلب وإعطاء المضادات الحيوية) ، وبناء متوسط ​​26 عينة براز لكل طفل (الجدول 2). بالإضافة إلى ذلك ، تم جمع عينات البراز من الوالدين والأشقاء ، كما تم جمع مسحات المهبل وحليب الثدي من الأمهات. قمنا بتحليل الكائنات الحية الدقيقة لكل من هذه العينات باستخدام ميكروأري SSU rDNA المطور حديثًا المصمم لتوفير تغطية شاملة تقريبًا لأنواع SSU rDNA المعروفة. تم أيضًا تحليل مجموعة فرعية من هذه العينات بواسطة تسلسل مكتبة استنساخ SSU rDNA ، لأغراض معايرة نتائج المصفوفة الدقيقة الخاصة بنا والتحقق من صحتها.

الخصائص ذات الصلة للرضع في هذه الدراسة

جدول جمع عينات براز الرضع


3. النتائج والمناقشة

3.1 استعادة الحمض النووي بطريقة الاستخراج

اختلف استرداد الحمض النووي بشكل عام عن طريق عينة paleofeces ، حيث أعطى Zape 2 أعلى متوسط ​​كمية من الحمض النووي (متوسط ​​، 6.7 نانوغرام / ملغ ، 0.8-11.7 نانوغرام / ملغ) ، يليه Zape 5 (متوسط ​​، 2.9 نانوغرام / النطاق ، 0.02- 6.7 نانوغرام / ملغ) و Zape 28 (متوسط ​​، نطاق 2.5 نانوغرام / ملغ ، 0.03-7.2 نانوغرام / ملغ) (الجدول S1). اختلفت استعادة الحمض النووي أيضًا بشكل كبير عن طريق طريقة الاستخراج (الشكل 2) ، ولوحظ أقل إنتاجية للحمض النووي لطرق الاستخراج باستخدام مجموعة PowerSoil (الطرق A و E). كان استرداد الحمض النووي في أدنى مستوياته باستخدام بروتوكول HMP (الطريقة A) وتم تحسينه بشكل طفيف فقط مع استبدال عمود السيليكا MinElute بدلاً من مرشحات دوران السيليكا الخاصة بالمجموعة (الطريقة E). يشير هذا إلى أن نسبة كبيرة من الحمض النووي المفقودة أثناء الاستخراج باستخدام مجموعة Powersoil تحدث أثناء تحلل الخلية و / أو مرحلة إزالة المانع قبل خطوة تنقية عمود السيليكا.

لمزيد من التحقيق في الدرجة العالية من فقدان الحمض النووي التي لوحظت في الطريقة أ ، قمنا بمقارنة أطوال جزء الحمض النووي المستردة باستخدام البروتوكولات الخمسة (الشكل S1). على الرغم من أنه كان من المتوقع أن تحتفظ البروتوكولات B-E بشظايا DNA أقصر بسبب عمود MinElute silica ، إلا أننا لم نلاحظ فروقًا ذات دلالة إحصائية بين أي من الطرق ، ولكننا نلاحظ تباينًا كبيرًا بين العينات. هذا يدعم استنتاجنا بأن تحلل الخلية و / أو خطوات إزالة المثبط لبروتوكول مجموعة PowerSoil من المحتمل أن يكون لها أكبر تأثير على استعادة الحمض النووي.

كان أداء جميع الطرق B و C و D جيدًا ، وكانت الاختلافات بين هذه الطرق غير مهمة. ومع ذلك ، فإن استخدام عمودين من السيليكا لتوسيع سعة ربط الحمض النووي الكلية وتقليل الانسداد (الطريقة D) أدى إلى أعلى متوسط ​​إنتاجية للحمض النووي ، ووجدنا أن هذه الطريقة كانت أكثر وضوحًا في التنفيذ من الطريقة B ، والتي تتطلب في كثير من الأحيان خطوات تنظيف للإزاحة مادة مسدودة. تضمنت الطريقة C خطوة تنقية الفينول: الكلوروفورم التي كانت تهدف إلى إزالة المواد غير المرغوب فيها قبل ترشيح عمود السيليكا ، لكننا وجدنا أنها لم تقلل من انسداد الأعمدة. نظرًا لأن الطريقة ج تستخدم مواد كيميائية خطرة ولم تتفوق على الطرق الأخرى ، فنحن لا نوصي باستخدامها. بشكل عام ، نوصي بالطريقة D على أساس استعادة الحمض النووي وسهولة الاستخدام.

3.2 تأثير بروتوكول استخراج الحمض النووي على إعادة بناء المجتمع الميكروبي

تبين أن بنية المجتمع الميكروبي التي أعيد بناؤها من البراز الحديث متأثرة للغاية باختيار طريقة استخراج الحمض النووي (Wesolowska-Andersen et al. ، 2014). على النقيض من ذلك ، نجد هنا أن الملامح الميكروبية المعاد بناؤها من paleofeces متشابهة للغاية بغض النظر عن بروتوكول استخراج الحمض النووي وأن الاختلافات في تنوع بيتا في العينة مدفوعة في المقام الأول بالبيليات القديمة التي اشتقت منها العينة (الشكل 3). تشير هذه النتيجة إلى أن التدهور الخلوي بمرور الوقت قد أضعف بشكل كافٍ البنية الخلوية للخلايا الميكروبية القديمة حتى أن بروتوكولات استخراج الحمض النووي المبسطة للغاية ، مثل تلك المستخدمة في الطرق B و D ، تستعيد مجتمعًا ميكروبيًا مشابهًا للبروتوكولات المعقدة وشديدة العدوانية ، مثل الطريقة أ.

3.3 الحفاظ على ميكروبيوم الأمعاء

لتقييم الحفاظ على ميكروبيوم الأمعاء في paleofeces ، تم إجراء تتبع مصدر Bayesian من الأصناف الميكروبية (OTUs) الموجودة في كل عينة باستخدام metagenomes المرجعية المنشورة للبراز البشري من التجمعات الصناعية وغير الصناعية ، وبراز الكلاب ، والتربة (الشكل 4 أ). وجدنا أن غالبية OTUs الموجودة تتوافق مع الميكروبات الموجودة في براز الإنسان أو الكلاب بدلاً من التربة ، مما يشير إلى الباليوفيس المحفوظة جيدًا. بالإضافة إلى ذلك ، أظهرت جميع paleofeces الثلاثة أنماط تلف الحمض النووي المتوافقة مع aDNA الأصلي (الشكلان 4 ب و S2). تتوافق الدرجة العالية من الحفاظ على ميكروبيوم الأمعاء الذاتية التي نلاحظها مع الدراسات السابقة التي أبلغت عن الحفاظ الجزيئي الجيد للحيوانات القديمة في هذا الموقع (تيتو وآخرون ، 2008 تيتو وآخرون ، 2012).

3.4 تأكيد المضيف من paleofeces

تم بعد ذلك التحقيق في أصل المضيف لكل عينة من الحيوانات القديمة من خلال مقارنة النسبة النسبية لتسلسل الحمض النووي للإنسان والكلاب في كل عينة. أظهرت عينات Paleofeces Zape 5 و Zape 28 زيادة قدرها 7-26 ضعفًا في تسلسل الحمض النووي البشري ، مما يشير إلى أصل بشري. على النقيض من ذلك ، احتوى Zape 2 على 40 ضعفًا من تسلسل الحمض النووي للكلاب ، مما يشير إلى أصل الكلاب (الشكل 5 أ). كشف التحليل الإضافي لكل من تسلسل الحمض النووي للكلب والبشر عن ظهور أنماط تلف نموذجية لـ aDNA ، مما يشير إلى أنها داخلية للعينة وليست ملوثات (الشكل 5 أ).

دعم تحديد المجتمع الميكروبي لهذه النتائج (الشكل 5 ب). كشف تحليل تنوع بيتا لمسافات UniFrac الموزونة أن المجتمعات الميكروبية في Zape 5 و Zape 28 paleofeces تقع ضمن توزيع metagenomes البرازية المرجعية من التجمعات البشرية غير الصناعية ، مما يدعم أصلًا بشريًا. على النقيض من ذلك ، يقع Zape 2 خارج هذا التوزيع ، وعلى الرغم من إزاحته من حيث المبدأ ، فإن مجموعات Zape 2 على طول أول تنسيق رئيسي ضمن نطاق براز الكلاب الحديث. حدد تتبع مصدر Bayesian أيضًا مساهمة براز الكلاب في Zape 2 ، في حين تم تقدير المكونات البرازية لـ Zape 5 و Zape 28 على أنها من أصل بشري حصريًا (الشكل 4 أ). قد ينتج عن مساهمة البراز البشرية الإضافية المقدرة بواسطة SourceTracker2 لـ Zape 2 ، وكذلك إزاحته من حيث المبدأ تنسيق اثنين خارج نطاق براز الكلاب المرجعي ، من حقيقة أنه لا توجد ميتاجينوم برازية مرجعية متاحة حاليًا للكلاب من سياقات غير صناعية.


8.1: لماذا يهم - بنية الحمض النووي والنسخ المتماثل - علم الأحياء

C2006 / F2402 '09 - المحاضرة 1 - تم التحديث في 01/26/09

2009 ديبورا موشوفيتز ، قسم العلوم البيولوجية ، جامعة كولومبيا ، نيويورك نيويورك

هناك نشرات إضافية من علم مجلة. هذه من قسم خاص عن الاختراقات في عام 2008 والتنبؤات لعام 2009. نسخة موسعة من القسم الخاص متاحة على الإنترنت على: http://www.sciencemag.org/btoy2008/

تختلف نشرات الفصل 1 أ و 1 ب قليلاً عن تلك الموجودة على الإنترنت. تتوفر نسخ من جميع نشرات الفصل والامتحانات المرتجعة في الطابق السابع من Mudd ، خارج مكتب دكتور إم.

نشرة الفصل بعنوان "نظرة عامة" ليست شاملة. تأكد من إطلاعك على "About C2006" أو "About F2402".

الإشارات إلى بيكر تعود إلى الطبعة السابعة. (عندما تختلف أرقام أو صفحات الشكل السادس ، المراجع. إلى الطبعة الخامسة. اتبع بين قوسين.) المراجع إلى Sadava هي الطبعة الثامنة من الحياة (السابع بين قوسين).

ستكون الملاحظات على الإنترنت لهذا المصطلح عبارة عن خطوط عريضة شاملة ، وليست كلمة بكلمة. هذا جزئيًا لأسباب عملية وجزئيًا لأسباب تعليمية - أعتقد أنه يشجع الطلاب على تدوين الملاحظات وفهمها بشكل أفضل. سيتم توفير الخطوط العريضة في الليلة السابقة (إن لم يكن قبل ذلك) حتى تتمكن من طباعتها مسبقًا والتعليق عليها في الفصل. إذا كنت ترغب في القراءة مسبقًا ، فإن الخطوط العريضة من العام الماضي (2008) مرتبطة بجدول '08. تتوفر أيضًا جداول أقدم ، مع إشارات إلى قراءات في الإصدارات القديمة من النصوص ، في صفحة الجداول القديمة.


I. القصة حتى الآن - ملخص المدة الأخيرة

أ. السؤال الرئيسي: كيف تعمل الأشياء الحية؟ أو كيف تصنع خلية واحدة خليتين؟

ب. الجواب قد ركز حتى الآن على

1. بدائيات النوى (في الغالب) - 1 حجرة داخل الخلية ، وحيدة الخلية

2. مستوى الجزيئات - لم يناقش الهياكل الأكبر مثل العضيات والكروموسومات وما إلى ذلك.

3. the & quotbig 5 & quot القضايا - الهيكل والوظيفة والتصنيع (بما في ذلك متطلبات الطاقة) والتنظيم والأصل (التطوري).

4. الطرق - تلك المستخدمة لمعرفة كيفية عمل الكائنات الحية ، وخاصة الطرق المستخدمة للحصول على & quotbig 5. & quot

ج- الخلاصة: DNA & # 8594 RNA (& amp more DNA) RNA & # 8594 protein & # 8594 وظيفة ، مثل تحفيز X & # 8594 Y. يتم تنظيم إنتاج البروتين ونشاط أمبير.

أكدنا على أدوار mRNA و tRNA و amp rRNA في الترجمة ، وهي معروفة جيدًا. تم ذكر أدوار RNAs التنظيمية القصيرة (micro RNA's ، RNAi) في تنظيم الترجمة ونسخ أمبير لفترة وجيزة فقط ، حيث يتم الآن الكشف عن التفاصيل.

انظر "بطاقة الأداء" في النشرة 1 د. تم تصنيف Micro RNA كأحد "المناطق التي يجب مراقبتها" في ديسمبر 2007.

ألف - أوجه التشابه: نفس السؤال الرئيسي نفس & quotbig-5 & quot يثيران نفس الضغط على الأساليب.

1. الكائنات الحية: يركز هذا المصطلح على حقيقيات النوى (في الغالب) مقابل بدائيات النوى. انظر جدول بيكر 4-1 للمقارنة بين الخلايا حقيقية النواة والخلايا بدائية النواة. للصور ، قارن Sadave 4.4 (4.5) و 4.7.

2- الهياكل: سيأخذ هذا المصطلح في الاعتبار أشياء كثيرة أكبر من الجزيئات الكبيرة - الهياكل داخل الخلايا (العضيات ، وما إلى ذلك) وتجمعات الخلايا (الأعضاء والأنسجة والأنظمة الجذعية).

الموسم الماضي هذا المصطلح
الكائنات الحية بدائيات النوى حقيقيات النواة
الهياكل الجزيئات الكبيرة أكبر


3. قضايا جديدة: ابتكاران كبيران للخلايا حقيقية النواة هما:

أ. تجزئة داخل الخلايا

4. المواضيع: ستتعامل معظم الموضوعات في هذا المصطلح مع عواقب الابتكارين الكبيرين.

الموسم الماضي هذا المصطلح
الكيمياء الحيوية بيولوجيا الخلية
علم الوراثة إرسال الإشارات
البيولوجيا الجزيئية تطوير
علم وظائف الأعضاء

جيم الموضوعات الرئيسية من المدى

1. الخلية الحيوية - دراسة العواقب / الآثار المترتبة على التجزئة داخل الخلايا (المحاضرات 1-10)

أ. الجزيئات الكبيرة وأشياء أكبر (الأغشية والعضيات - الكروموسومات وغيرها) المحاضرات 1-3.

ب. التنسيق (بين أجزاء مختلفة من الخلية) - كيف تصل الأشياء إلى المقصورة الصحيحة؟ كيف يعبرون الأغشية؟ محاضرات 4-8.

ج. تنظيم التعبير الجيني حقيقيات النوى - كيف تصنع الأشياء في الوقت المناسب (وكذلك في المكان المناسب)؟ محاضرات 9 و 10.

د. ملحوظة: في هذا الجزء ، سوف نؤكد على السمات العامة لجميع الخلايا حقيقية النواة ولكننا نناقش بعض أنواع الخلايا المتخصصة.

2. الإشارات بين الخلايا وأمبير بعض العواقب - الحاجة إلى التنسيق بين الخلايا المختلفة في الكائنات متعددة الخلايا (مثل التنسيق بين الأجزاء المختلفة للخلية الواحدة). بعض الأمثلة على كيفية قيام الخلايا المتخصصة بوظائف متخصصة.

أ. كيف تتواصل الخلايا كيميائيًا (محاضرات 11-12). سيتم اختتام أي جوانب لم يتم الانتهاء منها في المحاضرة 19 ، جنبًا إلى جنب مع كيفية تحكم اتصالات الخلية الخلوية في دورة الخلية.

ب. كيف تتواصل الخلية كهربائيًا (محاضرتان 13 و 14 للدكتور ستيوارت فايرستين هيكل ووظيفة الخلايا العصبية.

ج. اختتام الأعصاب والتكامل مع العضلات (محاضرات 15 و 16).

3 . تطوير - كيف تبني كائنًا متعدد الخلايا؟ كيف تتخصص الخلايا وكيف تبقى على هذا النحو؟ محاضرات 17 و 18 للدكتور أليس هيكلن.

لتذوق ما سيحدث ، انظر النشرة الخاصة بإعادة برمجة الخلايا علم تصف المجلة بأنها "اختراق العام" رقم 1 لعام 2008. للحصول على نسخة موسعة من القسم الخاص بالمجلة المطبوعة ، انتقل إلى http://www.sciencemag.org/btoy2008/

4. علم وظائف الأعضاء - دراسة النتائج / الآثار المختارة لتعدد الخلايا للحفاظ على الكائن الحي ككل. كيف تدير كائنًا متعدد الخلايا ، بمجرد إنشائه؟ كيف تستفيد الكائنات الحية من الاتصال والتخصص وما إلى ذلك للحفاظ على بيئة داخلية ثابتة نسبيًا وكيفية تنسيق جميع الوظائف المختلفة. سيتم تقسيم هذا الموضوع على النحو التالي:

أ. الاستتباب والهرمونات: كيف تعمل الأجهزة المختلفة (العصبية والهرمونية والعضلية والجهاز التنفسي وما إلى ذلك) للحفاظ على بيئة داخلية ثابتة من درجة الحرارة والغاز والسوائل والملح والمياه (محاضرات 20-23) والاستجابة بشكل مناسب للتغيرات في البيئة الخارجية.

ب. علم المناعة - النظام الأكثر تخصصًا في كيفية صد الكائن متعدد الخلايا للغزاة (محاضرة 24).

5. دورة الخلية والسرطان: كيف يمكن أن تسبب الانحرافات في الاتصال الخلوي الخلوي و / أو دورة الخلية السرطان (محاضرات 25).


ثالثا. حقيقيات النوى - نظرة فاحصة.

أ. ماذا ترى في المجهر الضوئي؟ لنفترض أننا رسمنا مجهرًا ضوئيًا قياسيًا لخلية حقيقية النواة في الطور البيني - ماذا يمكنك أن ترى؟ لا يمكن في الواقع رؤية أغشية أو تفاصيل العديد من العضيات. يمكن رؤية النواة ، النواة ، البلاستيدات الخضراء و / أو الميتوكوندريا ، جولجي (ربما).

باء - قضايا الحل - للحصول على صور باستخدام طرق الفحص المجهري المختلفة ، انظر جدول Becker 1-1 أو Sadava 4.3 (4.4.) لمزيد من التفاصيل حول الفحص المجهري ، انظر ملحق Becker.

أنواع المجاهر - المجهر الضوئي ، SEM (المجهر الإلكتروني الماسح) و TEM (المجهر الإلكتروني النافذ)

حد القرار

تكبير مفيد

المجهر الضوئي

نطاق الضوء 100000X أو 100X

كشف الإلكترونات من المصدر التي تمر عبر شريحة رقيقة من الأنسجة

أكبر من TEM ولكنه يعطي صورة ثلاثية الأبعاد للسطح *

كشف الإلكترونات الثانوية المنبعثة من سطح العينة

* للحصول على صورة SEM لطيفة ، انظر شكل بيكر. 1-3 (1-3). لمزيد من صور SEM للعينات البيولوجية ، راجع http://www.le.ac.uk/bs/em/sem.htm.
لاستخدام مختلف تمامًا لـ EM المسح الضوئي ، راجع http://www.tfhrc.gov/pubrds/05may/03.htm.

مم = مليمتر = 10 -3 متر
ميكرون (& # 956) = ميكرومتر أو 'mu' = 10-6 متر
نانومتر = نانومتر = 10-9 متر
أنجستروم ( ) = 10-10 متر

لمزيد من الأمثلة والجداول ذات الأحجام النسبية ، انظر Becker fig1-3 (1-2) & amp box 1A أو Sadava 4.1 (4.2).

ج. ما الذي يمكنك رؤيته في EM؟ انظر النشرة 1 أ وشكل بيكر. 4-5 أو Sadava 4.7 لصور euk كاملة. الخلايا. فيما يلي بعض الإشارات المحددة لصور العضيات ، ولكن كل الصور في الفصل. 4 من كلا النصين تستحق ذلك. الطرق المستخدمة لتوصيف الأجزاء المختلفة موصوفة أدناه في IV ، ولكن ستتم مناقشتها عند ظهورها.

1. الأغشية . في EM ، يمكنك بالفعل رؤية الأغشية (6-9 نانومتر عبر) الغشاء = طبقة ثنائية من الدهون بالإضافة إلى البروتينات المرتبطة بها. في EM ، بعد التلوين ، تظهر الطبقة الثنائية كخط مزدوج. (يمكن وصفه أيضًا بأنه هيكل من ثلاث طبقات ، مع وجود طبقتين داكنتين تحيطان بطبقة أخف بينهما. تظهر فقط الطبقات العلوية والسفلية في الخط EM = مزدوج.) سيتم تغطية الهيكل التفصيلي للأغشية في المرة القادمة. لاحظ أن الطبقة الثنائية = غشاء واحد. "غشاء مزدوج" = طبقتان كاملتان. (انظر النواة أدناه).

2. التفاصيل النووية - انظر التين. 4-4 & amp 4-10 من Becker أو 4.8 (4.9) من Sadava أو انتقل إلى صور Google والبحث.

  • النواة - لا حدود الغشاء

  • المسام النووية والمغلف النووي (غشاء مزدوج = طبقتان ، مع ثقوب في كلتا الطبقتين)

  • المسافة بين طبقتين من الغلاف النووي = الفضاء المحيط بالنواة

  • لا توجد ريبوسومات كاملة في النواة. (هل يحتوي على وحدات فرعية مصنوعة حديثًا في طريقها إلى السيتوبلازم.) *

* رأي الأغلبية أنه لا توجد ريبوسومات كاملة ولا ترجمة في النواة. ومع ذلك ، هناك بعض الأدلة التي تم تفسيرها للإشارة إلى وجود عدد قليل من الريبوسومات الكاملة التي تقوم بالترجمة في النواة.

3. نظام بطانة الرحم - انظر التين Sadava. 4.10-4.12 (4.11 إلى 4.13) أو شكل بيكر. 4-15 إلى 4-18) للحصول على صورة أكثر تفصيلاً ، انظر الشكل. 12-1 بيكر.

  • ER (ناعم وخشن) - مستمر ، ولكن خشن فقط (RER) يعلق الريبوسومات. أغشية ER متصلة بطبقة خارجية من الغلاف النووي.

  • جولجي

  • أنواع عديدة من الحويصلات. (بعض الأمثلة: الجسيمات الحالة ، وحويصلات النقل ، والحويصلات الإفرازية ، والجسيمات الداخلية للأمبير.) ستتم مناقشة الاسم والهيكل ووظيفة الأمبير لكل نوع لاحقًا - تعتمد ميزات كل نوع على الدور في المعالجة والتعبئة والنقل وما إلى ذلك.

ب. وظيفة رئيسية = معالجة وفرز وتعبئة ونقل البروتينات من / إلى خارج الخلية أو جزء مناسب من نظام الإدارة البيئية.

ج. هيكل المكونات

  • جميع الأجزاء مصنوعة من حويصلات وأكياس مسطحة (صهاريج). تختلف الأشكال.

  • كل حويصلة أو كيس محاط بغشاء واحد (طبقة ثنائية واحدة)

  • داخل كل حويصلة / كيس = تجويف = فراغ داخل عضية أو عضو أو أنبوب مجوف.

  • لماذا يعتبر نظامًا واحدًا: يمكن نقل المواد من لومن إلى آخر - وبالتالي فإن جميع وحدات اللومن متصلة بشكل فعال (ولكن ليس ماديًا) - انظر أدناه.

  • هام: ليست كل الحويصلات جزءًا من نظام الإدارة البيئية.

د. عزل: انظر قسم الطرق أدناه لمعرفة كيفية عزل و / أو تمييز المكونات المختلفة عن بعضها البعض.

ه. خروج الخلايا والبطانة
- فريدة من نوعها للخلايا حقيقية النواة. انظر النشرة 1 أ لمعرفة الخطوات

  • جميع المساحات الداخلية لنظام الغشاء الداخلي (اللومن والفضاء المحيط بالنواة ، ولكن ليس داخل النواة) وخارج الخلية متصلان بشكل فعال - يمكن تمرير المادة بين أي من هذه الفراغات وخارج الخلية.

  • كيف يتم توصيل هذه المسافات & أمبير خارج الخلية (بشكل فعال)؟ من خلال تكوين وانصهار الحويصلات.

  • حركة الحويصلات (تبرعم واندماج الحويصلات) تتحرك وتحمل كلا من & quot Cargo & quot (محتويات الحويصلة) والأغشية.

  • يمكن لحركة مرور الحويصلات نقل البضائع بطريقتين (انظر النشرة 1 أ).
    (أ) بين حجرة مرتبطة بغشاء داخل الخلية إلى أخرى أو
    (ب) بين داخل وخارج الخلية (عن طريق الالتقام exo- & amp ؛ أمبير).

  • تحتاج إلى وسم البضائع لتحديد الاتجاه.

4. البيروكسيسومات (انظر شكل بيكر .4-19 & amp 4-20 أو Sadava 4.17 (4.19)

  • محاطة بغشاء واحد (على عكس النواة أو المتعايشات الداخلية).

  • يحتوي على إنزيمات في التجويف

  • يمكن أن يكون بنفس الحجم تقريبًا

  • تحتوي على مواد تفاعلية يمكنها تدمير جزيئات السيتوبلازم

ب. فرق حاسم: تم العثور على إنزيمات مختلفة داخل العضيتين

  • تحتوي الليزوزومات على هيدرولازات حمضية

  • تحتوي البيروكسيسومات على أوكسيديز

  • ملحوظة: تنشأ العضيتان من هياكل مختلفة كما سيتم شرحه لاحقًا. فقط الجسيمات الحالة هي جزء من نظام الإدارة البيئية.

ج. هل البيروكسيسومات والليزوزومات 2 عضيات مختلفة؟ كيف نعرف؟ انظر الطرق أدناه.

5 . الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء

أ. الهياكل - انظر النصوص (بيكر الشكل. على غرار البكتيريا.

ب. لديهم أنظمة وراثية خاصة بهم (الحمض النووي ، الريبوسومات وما إلى ذلك - كل ما يلزم لتكرار الحمض النووي والنسخ والترجمة.) غالبًا ما يستخدم الحمض النووي للميتوكوندريا لتحديد الهوية (عندما لا يتوفر الحمض النووي النووي) أو لتتبع وراثة خط الأنثى. لا تحتوي البيروكسيسومات والليزوزومات وما إلى ذلك على الحمض النووي والريبوزومات وما إلى ذلك.

ج. لا تُصنع معظم بروتينات الميتو والكلورو داخل العضية - يتم تشفير معظمها في النواة ، وتصنع في السيتوبلازم ، وتنقل إلى العضية بعد التوليف.

د. هناك أوجه تشابه قوية بين mito و amp. كلورو - نقل الإلكترون في الغشاء المستخدم لضخ البروتونات ، H + التدرج المستخدم في إعادة ترتيب كربون ATP في مصفوفة أو ما يعادلها ، إلخ. المركبات (في الميتو).

ه. أصول - ربما المتعايشين الداخليين. ميتو. وكلورو. كانت ذات يوم على الأرجح بكتيريا حية حرة. انظر Sadava 27.7 (4.18 & amp 28.3) أو Becker Box 11A.

أسئلة يجب وضعها في الاعتبار: (1) ما هي أوجه التشابه والاختلاف الرئيسية بين البيروكسيسومات والجسيمات الحالة والميتوكوندريا؟ كيف يمكنك التمييز بينهما؟ إنها فكرة جيدة أن تصنع جدولًا يقارن ويقارن العضيات الثلاث. (2) كيف تصنع العضيات الجديدة؟ تختلف الإجابات بالنسبة للأنواع الثلاثة من العضيات وسيتم مناقشتها بالتفصيل في بضع محاضرات.

6. موقع / وظيفة الريبوسومات .

  • Two types of ribosomes are making protein in cytoplasm -- "free" ribosomes or ribosomes attached to membranes of ER.

  • Free cytoplasmic ribosomes (attached to mRNA, but not to ER) make proteins for nucleus, cytoplasm, peroxisomes etc. -- all parts of cell except EMS.

  • Bound ribosomes on RER make proteins for EMS or outside the cell.

  • How the "right" ribosomes attach to the ER & how the various proteins reach their correct destinations will be discussed at length in lectures 6-8.

  • Additional ribosomes (prokaryotic in size and function) are found inside mitochondria and chloroplasts.

7. Cytoskeleton (see Becker figs. 4-23 & 4-24 or Sadava 4.20 (4.21) -- we will discuss this in more detail next time.

a. Three components made of protein

Component اختصار شكل Made of: قطر الدائرة
Microtubules MT أجوف توبولين 25 nm
Microfilaments MF solid rod actin 5-9 nm
Intermediate filaments IF كابل Different proteins all similar (in same family)
Found in cells of multicellular organisms only
8-12 nm

ب. How discovered? By immunofluorescence (see below) using antibodies to tubulin and/or actin.

ج. Functions -- more on structure & function next time

a. Support/strength -- weight bearing, shape determining.

ب. Movement (MF & MT)-- can change shape of cell (as in muscle or amoeba) and/or help move organelles within cells.

ج. Localization of other factors -- act as peg board or framework for attachment of organelles, enzymes, etc. (Cytoplasm is not simply a "bag of enzymes.")

رابعا. Methods -- these will be discussed in Lecture #1 or #2 as we get to them. How do you find out which components are in each cell part?

Reminder : Becker has a guide to all techniques and methods described in the book -- see inside front cover.

A. "Grind and Find" (Biochemical separations and assays). See Becker Box 4B and Box12A or Sadava 4.6 (4.8).

1. Grind: Break up cell into parts, and separate (fractionate) parts by ultracentrifugation.

2. Find: Find the cell part associated with each particular enzyme. كيف؟ Assay (test) each cell fraction for enzymes of interest. (Provide substrate for enzyme look for disappearance of substrate or formation of product.)

B. In situ labeling (Localization of enzymes "فى الموقع" = in place).

1. Substrate: Provide solution of substrate. Enzyme substrate is soluble, so it diffuses to site of enzyme.

2. Product: Product of enzyme catalyzed reaction is فيsoluble, so it stays in the place where it is made. If cells are washed, unused substrate will be removed, but product will stay put.

3. Localization: Insoluble product is produced and precipitates only at location of enzyme -- pin points position of enzyme.

4. Detection of product: Can be colored (for detection in light microscope) or electron dense (for detection in EM). For an example, see Becker fig. 12-20.

C. Immunofluorescence -- Use of labeled antibodies as tags -- direct (one step) and indirect (two step). Handout 1B. See Becker table 15-2. For more details, see Appendix, A-8 to A-11. For a picture of a typical result, see Becker table 15-1 or Sadava 4.3 (4.4). Allows you to visualize location(s) of particular proteins.

1. The "immuno" part: How antibodies are used as reagents to identify proteins (& other substances)

a. What are Antibodies & Antigens? Antibodies are made by vertebrates in response to foreign materials (antigens). Antibodies are always proteins antigens can be proteins (as in all cases discussed here) or other substances.

ب. Specificity. Each antibody (against a protein) binds to one protein or a very small number of similar proteins. (See Becker fig. 15-10 for an example with a metal labeled antibody table 15-1 for examples with fluorescently labeled antibodies.)

ج. Antibody Structure.

(1). Each antibody has a variable part -- complementary in fit to small part of target (in this case, protein.)

(2). Each antibody has a constant part -- constant in all antibodies of that class from that species.

د. Why use Antibodies for detection? Many methods identify (or characterize) proteins by their function antibodies identify proteins by their structure (irrespective of function). Therefore antibodies are often useful for detection of proteins that have no enzymatic activity (such as components of cytoskeleton).

ه. Detection of Ab-Ag binding. How can you tell if an antibody has bound to its antigen? Clumping and complex formation is one way.

2. Role of Fluorescence See Becker Appendix, A-8 to A-11 for pictures see Becker table 15-1 or Sadava 4.3 (4.4), 4.21 (4.20).

  • Some tags are added chemically after the protein is made by a cell.

  • Some tags (like GFP) are incorporated into the protein when it is made in a cell. These tags are sequences of amino acids that are added on to the normal amino acid sequence during translation. In this case, the cell must contain a recombinant gene that codes for the normal protein + the extra amino acids.

3. How Fluorescent Antibodies are used (See handout 1B.)

a. General Principle: Add fluorescent antibody, wash off unattached antibodies (not bound to antigen), irradiate, and look for light emission = site of fluorescent antibody (= site of target protein).

ب. Direct Immunofluorescence -- Antibody with tag (fluorescent) sticks to target.

ج. Indirect Immunofluorescence . -- Antibody #1 (without tag) sticks directly to target secondary labeled (tagged) antibody sticks to constant part of first antibody. Advantages of indirect:

(1). Gives an amplification effect -- more tag or label ('signal') per molecule of target protein.

(2). Requires only one labeled antibody to identify many proteins. Same labeled secondary antibody can be used to bind to ("light up") many different proteins.

(أ). A different primary antibody is used for each target protein. (Not labeled -- no tag.) Variable part of primary antibody binds to specific part of target protein.

(ب). The secondary antibody binds to the constant part of the primary antibody. Therefore the same (labeled or tagged) secondary antibody can bind to many different (unlabeled) primary antibodies.

Next time: More on the cytoskeleton, and the structure of cell membranes.


Role of a DNA repair mechanism

Researchers from the University of Seville, in collaboration with the Genome Damage and Stability Centre of the University of Sussex in the United Kingdom, have recently published a study in the review اتصالات الطبيعة, in which they make an important step forward in understanding more exactly what the mechanisms are that allow, if not correctly repaired, certain DNA breaks to be exchanged with others, so generating chromosomal translocation.

Many types of DNA breaks are frequently produced in cells. Their correct repair is essential for the prevention of genome destabilisation, which can cause the development of diseases like cancer. In this project, a very specific type of chromosomal break was studied, which is produced during the expression of certain genes.

"They are breaks generated by enzymes called DNA topoisomerases. Perhaps the most relevant is produced during the expression of some genes, those which then translocate," explains the study's main author, the University of Seville researcher Dr Fernando Gómez Herreros.

In this project, the experts describe how the specific repair mechanism of these breaks prevents the formation of some aberrant chromosomal structures called translocations. Translocations consist of complete chromosomal fragments that move from one part of the genome to another. "These are the origin of solid tumours and leukemia, like secondary acute myeloid leukemia, therefore we suggest that the mechanism described in this project can be involved in preventing the formation of some types of cancer," adds Gómez Herreros.


8.1: Why It Matters- DNA Structure and Replication - Biology

Scientific Director: Agnieszka Paradowska-Gorycka, Msc, PhD, prof. NIGRiR (see more)
Assistant Manager: Anna Wajda, PhD

Team: Piotr Piotrowski, Msc, PhD, Barbara Stypińska, Ewa Walczuk, Tomasz Kmiołek, Wiesława Frankowska, Ewa Rzeszotarska

Main tasks, studies realized in our Institute:

  1. Research on chronic inflammation
  2. Molecular studies on chronic rheumatic diseases:
  • getting to know the nature of the defect of rheumatic diseases and the correlation between the clinical picture and the genotype of the disease
  • molecular pathology
  • studying microRNA functions, where impaired expression may lead to alterations initiating the inflammation process
  • the assessment of the circulating and intracellular miRNA profile in patients with rheumatoid arthritis, systemic lupus erythematosus, MCTD and TU
  • studying miRNA interactions: mRNA
  • modulations of the balance/differentiation of T cells
  • the impact of genetic variants of transcription factors and cytokines on the Treg/Th17 balance
  • DNA methylation
  • next generation sequencing (NGS)
  • personalized medicine – enhancing the knowledge on safe and effective therapy based on genetic backgrounds and epigenetic impacts and consequently development of the new therapeutic strategies for patients with drug resistance/other sides effects.
  1. Clinical and molecular studies on sarcopenia and frailty syndrome
  • We are motivated to develop our own method to diagnose sarcopenia based on clinical examination, genetic and epigenetic findings, functional tests and morphological assessment of ageing striated muscles in the course of sarcopenia.
  • The aim of our study is to conduct a screening analysis for the detection of sarcopenia-related microRNA. A miRNA analysis of ageing human skeletal muscles offers a new perspective in learning about the mechanisms of sarcopenia. We are interested in finding out the degree of miRNA importance in maintaining and modulating muscle homeostasis in elderly patients. We assume that changes in miRNA expression can contribute to variability of concentrations of inflammatory cytokines, muscle atrophy-related proteins, and disorders of numerous cellular processes responsible for muscle homeostasis. That is why it could potentially play a significant role in the clinical course of sarcopenia.
  • The important and innovative part of our studies is describing in experimental studies the characteristic sarcopenia tissue evaluate striated muscles in different age groups in order to find signs of muscles atrophy/fatty degeneration elaborate qualitative and quantitative features to serve as biomarkers for muscle atrophy.

PhDs, postdoctoral degrees, professorships:

  • doctoral dissertations – 11
  • habilitation dissertations – 2
  • professorial titles – 1

Scientific Director: Agnieszka Paradowska-Gorycka, Msc, PhD, prof. NIGRiR


8.1: Why It Matters- DNA Structure and Replication - Biology

mm = millimeter = 10 -3 meter
micron ( μ) = micrometer or 'mu' = 10 -6 meter
nm = nanometer = 10 -9 meter
Angstrom ( ) = 10 -10 meter

** The idea of tiny organisms ('Nanobacteria' or nanobes) caused a lot of excitement, but they are probably NOT living. See Scientific American, Jan 2010, article by Young & Martel, for details. You can get the whole article online from a CU computer, or through the CU libraries (or if you are a personal subscriber).

For more examples and tables of relative sizes see Becker fig.1-3 (1-2) & box 1A, or Sadava 4.1 (4.2) .

C. What you can see in the EM? See handout 1A and Becker fig. 4-5 or Sadava 4.7 for pictures of whole euk. الخلايا. Some specific references to pictures of organelles are given below, but all pictures in Ch. 4 of both texts are well worth it. Methods used to characterize the various parts are described below in IV, but will be discussed as they come up.

1. Membranes . In the EM you can actually see membranes.

  • Membrane = bilayer of lipid plus associated proteins. Entire structure is 6-9 nm across.

  • In the EM, after staining, bilayer appears as a double line. Can also be described as a three layered structure, with two dark layers sandwiching a lighter layer between them. Only the top and bottom layers are visible in the EM = double line.

  • B ilayer (& assoc. proteins) = a single membrane. A 'double membrane' = two complete bilayers. (See nucleus, below.)

  • Detailed structure of membranes (how lipid & proteins are arranged) will be covered next time.

2. Nuclear details -- See figs. 4-4 & 4-10 of Becker or 4.8 (4.9) of Sadava or go to Google images and search.

  • Nucleolus -- not membrane bounded

  • Nuclear Pores & Nuclear Envelope (Double membrane = 2 bilayers, with holes punched across both layers)

  • Space between two layers of nuclear envelope = Perinuclear Space

  • No whole ribosomes in the nucleus. (Does contain newly made subunits on their way 'out' to the cytoplasm.)*

* Nucleus contains newly made ribosomal الوحدات الفرعية en route to the cytoplasm. (Details later.) The majority opinion is that there are no whole ribosomes and no translation in the nucleus. However there is some evidence that has been interpreted to indicate the presence of a few whole ribosomes carrying out translation in the nucleus.

3. Endomembrane System (EMS) -- See Sadava figs. 4.10-4.12 ( 4.11 to 4.13) or Becker fig. 4-15 to 4-18. For a more detailed picture, see fig. 12-1 of Becker.

  • ER(smooth & rough) -- continuous, but only rough (RER) has attached ribosomes. Membranes of ER are continuous with outer layer of nuclear envelope.

  • جولجي

  • Many types of vesicles.(Some examples: lysosomes, transport vesicles, secretory vesicles, & endosomes.) Name, structure & function of each type will be discussed later -- features of each type depend on role in processing, packaging, transport, etc.

  • Why it's considered one system: Material can be transferred from one lumen to another -- therefore all lumens effectively (but not physically) connected -- see below.

ب. Major function = processing, sorting, packaging and transport of proteins to/from outside of cell or proper part of EMS.

ج. Structure of Components

  • All parts are made of vesicles and flattened sacs (cisternae). Shapes vary.

  • Each vesicle or sac surrounded by a single membrane (one bilayer)

  • Inside of each vesicle/sac = lumen = space inside a hollow organelle, organ, or tube.

  • Important: Not all vesicles are part of the EMS.

د. Isolation: See methods section below for how the various components are isolated and/or distinguished from each other.

ه. Exocytosis and endocytosis
-- Unique to eukaryotic cells. See handout 1A for steps

  • Al l internal spaces of endomembrane system (lumens & perinuclear space, but not inside of nucleus) and the outside of the cell are effectively connected -- material can be passed between any of these spaces and the outside of the cell.

  • How are these spaces & outside of cell (effectively) connected? Through formation and fusion of vesicles.

  • Vesicular traffic (budding off and fusion of vesicles) moves and carries both "cargo" (vesicle contents) and membranes.

  • Vesicle traffic can transport cargo two ways (see handout 1A).
    (a) between one membrane-bound compartment inside the cell to another أو
    (b) between inside and outside of cell (by exo- & endocytosis).

  • You need labeling of cargo to determine direction.

4. Peroxisomes (See Becker fig. 4-19 & 4-20 or Sadava 4.17 (4.19)

  • Are surrounded by a single membrane (unlike nucleus or endosymbionts).

  • Contains enzymes in lumen

  • Can be about the same size

  • Contain reactive materials that can destroy cytoplasmic molecules

ب. Are peroxisomes & lysosomes 2 different organelles? How do we know? See methods below.

ج. A critical difference: Different enzymes are found inside the 2 organelles

  • Lysosomes contain acid hydrolases

  • Peroxisomes contain oxidases

  • Note: The two organelles arise from different structures as will be explained later. Only lysosomes are part of the EMS.

5 . الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء

a. Structures -- see texts (Becker fig. 4-11 & 4-14 Sadava 4-14 & 4-14 (4-14 & 4-15.) Note double membranes (2 bilayers), prokaryotic style ribosomes, circular DNA, overall size similar to that of bacteria.

ب. Have own genetic systems (DNA, ribosomes etc. -- everything needed for DNA replication, transcription & translation.) Mitochondrial DNA is often used for identifications (when nuclear DNA is not available) or for tracing inheritance of the female line. Peroxisomes, lysosomes etc. do NOT contain DNA, ribosomes, etc.

ج. Most proteins of mito and chloro are NOT made inside the organelle -- most are encoded in the nucleus, made in the cytoplasm, and transported into the organelle after synthesis.

د. There are strong similarities between mito &. chloro -- electron transport in membrane used to pump protons, H + gradient used to make ATP carbon rearrangements carried out in matrix or equivalent, etc. Exergonic process that drives electron transport is different -- light absorption (in chloro) vs oxidation of reduced carbon compounds (in mito).

ه. Origins -- probably endosymbionts. Mito. and chloro. were once probably free living bacteria. See Sadava 27.7 (4.18 & 28.3) or Becker Box 11A.

Q's to keep in mind: (1) What are the major similarities and differences between peroxisomes, lysosomes and mitochondria? How can you tell them apart? It is a good idea to make a table that compares and contrasts the three organelles. (2) How are new organelles made? The answers are different for the 3 types of organelles and will be discussed in detail in lectures 12 & 13.

6. Location/function of ribosomes .

  • Two types of ribosomes are making protein in cytoplasm -- "free" ribosomes or ribosomes attached to membranes of ER.

  • Free cytoplasmic ribosomes (attached to mRNA, but not to ER) make proteins for nucleus, cytoplasm, peroxisomes etc. -- all parts of cell except EMS.

  • Bound ribosomes on RER make proteins for EMS or outside the cell.

  • How the "right" ribosomes attach to the ER & how the various proteins reach their correct destinations will be discussed at length in lectures 6-8.

  • Additional ribosomes (prokaryotic in size and function) are found inside mitochondria and chloroplasts.

7. Cytoskeleton (see Becker figs. 4-23 & 4-24 or Sadava 4.20 (4.21) -- we will discuss this in more detail next time. How do you locate proteins that have no enzymatic activity?

a. Three components made of protein

Component اختصار شكل Made of: قطر الدائرة
Microtubules MT أجوف توبولين 25 nm
Microfilaments MF solid rod actin 5-9 nm
Intermediate filaments IF كابل Different proteins all similar (in same family)
Found in cells of multicellular organisms only
8-12 nm

ب. How discovered? By immunofluorescence (see below) using antibodies to tubulin and/or actin.

ج. Functions -- more on structure & function next time

a. Support/strength -- weight bearing, shape determining.

ب. Movement (MF & MT)-- can change shape of cell (as in muscle or amoeba) and/or help move organelles within cells.

ج. Localization of other factors -- act as peg board or framework for attachment of organelles, enzymes, etc. (Cytoplasm is not simply a "bag of enzymes.")


رابعا. Methods -- How do you find out which components are in each cell part? A & B will be discussed in Lecture #1 as we get to them. C will be discussed next time.

Reminder : Becker has a guide to all techniques and methods described in the book -- see inside front cover.

A. "Grind and Find" (Biochemical separations and assays). See Becker Box 4B and Box12A or Sadava 4.6 (4.8).

1. Grind: Break up cell into parts, and separate (fractionate) parts by ultracentrifugation.

2. Find: Find the cell part associated with each particular enzyme. كيف؟ Assay (test) each cell fraction for enzymes of interest. (Provide substrate for enzyme look for disappearance of substrate or formation of product.)

B. In situ labeling (Localization of enzymes "فى الموقع" = in place).

1. Substrate: Provide solution of substrate. Enzyme substrate is soluble, so it diffuses to site of enzyme.

2. Product: Product of enzyme catalyzed reaction is فيsoluble, so it stays in the place where it is made. If cells are washed, unused substrate will be removed, but product will stay put.

3. Localization: Insoluble product is produced and precipitates only at location of enzyme -- pin points position of enzyme.

4. Detection of product: Can be colored (for detection in light microscope) or electron dense (for detection in EM). For an example, see Becker fig. 12-20.

C. Immunofluorescence -- Localization of proteins with no enzymatic activity. Use of labeled antibodies as tags -- direct (one step) and indirect (two step). Details & Handout next time. See Becker table 15-2. For more details, see Appendix, A-8 to A-11. For a picture of a typical result, see Becker table 15-1 or Sadava 4.3 (4.4). Allows you to visualize location(s) of particular proteins.

Next time: More on the cytoskeleton, and the structure of cell membranes.


شاهد الفيديو: DNA Replication شرح بالعربي (قد 2022).