معلومة

الرموز الجينية البديلة في الكائنات الحية المتسلسلة حديثًا

الرموز الجينية البديلة في الكائنات الحية المتسلسلة حديثًا



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.

تعد الاختلافات في الشفرة الجينية القياسية نادرة جدًا ، ولكن مع استمرار انخفاض تكلفة تسلسل الجينوم عالي الإنتاجية ، هناك احتمال أكبر لاكتشاف استثناءات إضافية. ومع ذلك ، هناك تركيز واضح في مشاريع الجينوم على تسلسل النيوكليوتيدات (الجينوم والنسخة) ، مع بذل جهد أقل (إن وجد) في عمل البروتينات (صححني إذا كنت مخطئًا هناك).

لنفترض أننا نسلسل جينوم كائن حي جديد ونركز تمامًا على تسلسل الجينوم والنسخة - لا توجد بروتينات. لنفترض أيضًا أن هذا الكائن الحي لديه اختلافات طفيفة في الشفرة الجينية القياسية. هل سيكون من الممكن شرح هذا الجينوم (للجينات المشفرة للبروتين) بشكل غير صحيح تمامًا لأن برنامج التنبؤ الجيني لا يأخذ في الاعتبار هذه الاختلافات ، أم أنه سيكون واضحًا جدًا؟ ماذا تتوقع أن ترى في هذه الحالة؟


إذا كان الكائن الحي يستخدم رمزًا بديلاً ، فإن تسلسل البروتين المتوقع سيشمل دائمًا نفس النوع من أخطاء استبدال الأحماض الأمينية. يجب أن يصبح هذا النمط واضحًا عند مقارنة البروتينات بالكائنات الحية الأخرى. في الواقع ، يستخدم الرمز البديل الأكثر شيوعًا UGA لـ tryptophan بدلاً من التوقف المعتاد. إذا أخطأت في استخدام الشفرة القياسية لهذه الجينومات ، فإن الجينات المتوقعة ستصبح مجزأة للغاية ، لذلك يكاد يكون من المستحيل عدم ملاحظتها.


أنت محق في أنك قلق قليلاً ، خاصةً مع جينومات الميتوكوندريا (حيث تكون الشفرات الجينية غير القياسية أكثر انتشارًا). بالإضافة إلى استخدام الرموز غير القياسية ، يجب عليك أيضًا التفكير في تحرير الحمض النووي الريبي (الكودونات المتغيرة أو النيوكليوتيدات المحذوفة / المدرجة لتغيير إطارات القراءة) والأحماض الأمينية الخاصة (على سبيل المثال ، سيلينوسيستين). معًا ، يكون التركيز على تسلسل الحمض النووي لاستنتاج بنية البروتين آمنًا في معظم الحالات ، ولكن لا تتفاجأ بالاختلافات (لجينات معينة أو لكائنات كاملة).


الإجابة المختصرة هي نعم ، فقد ينتهي بك الأمر بالعديد من الأخطاء. انظر هنا لمزيد من التفاصيل:

NCBI: "الرموز الجينية"


عدم عالمية الكود الجيني (وانعكاساته) بواسطة ريتش ديم

أظهرت الدراسات الأصلية للشفرة الجينية أنها كانت ثابتة في جميع أنحاء الممالك النباتية والحيوانية والحيوانية. لقد تم تدريس (حتى في أيام دراستي الجامعية) أن الشفرة الجينية يجب أن تكون عامة كما تنبأت نظرية التطور ، لأن تعديلات الشفرة الجينية ستكون قاتلة في الأفراد الذين حصلوا على الكود الجيني. بدائل أو إدخال أو حذف قواعد النوكليوتيدات. الطفرات. في الآونة الأخيرة ، تم اكتشاف العديد من الأمثلة على الاختلافات في الشفرة الجينية في العديد من أنواع الكائنات الحية غير ذات الصلة. على الرغم من عرضه لأول مرة في عام 1979 بواسطة باريل وآخرون آل (1) ، أظهرت الدراسات اللاحقة أن الرموز الجينية تختلف في مجموعات متنوعة من غير مرتبطه الحيوانات والنباتات والمواد الأولية (2). لا يوجد نمط للتغيير في رمز المجموعات ذات الصلة من الكائنات الحية ولا تظهر أي من الكائنات الحية التي تمتلك رمزًا جينيًا متغيرًا أي شكل من أشكال النسب التطوري أو الأصل المشترك ، مما قد يعني أن الشفرة الجينية قد تطورت.

مقدمة في الشفرة الوراثية ومركب عضوي مكون من أحماض أمينية مرتبة في سلسلة خطية ، مرتبطة ببعضها البعض بواسطة روابط ببتيدية بين مجموعة الكربوكسيل والمجموعات الأمينية لبقايا الأحماض الأمينية المجاورة. ترجمة البروتين:

الجزيء الموضح في هذه الصفحة (الشكل 1) هو نقل الحمض النووي الريبي: مادة كيميائية توجه تصنيع البروتينات وأحيانًا رموز للمادة الجينية داخل كائنات معينة. RNA (جزيء RNA صغير ينقل حمض أميني معين إلى سلسلة بولي ببتيد متنامية في موقع الريبوسوم لتخليق البروتين. tRNA). هذا الجزيء مسؤول عن ترجمة رسول Ribonucleic acid: مادة كيميائية توجه تصنيع البروتينات وأحيانًا رموز المواد الجينية داخل كائنات معينة. RNA (Messenger ribonucleic acid هو جزيء من RNA يشفر "مخططًا" كيميائيًا لمنتج بروتيني ، والذي يتم نسخه من قالب DNA ، ويحمل هذه المعلومات إلى مواقع تخليق البروتين. mRNA) إلى مركب عضوي مصنوع من الأحماض الأمينية مرتبة في سلسلة خطية ، مرتبطة ببعضها البعض بواسطة روابط ببتيدية بين مجموعة الكربوكسيل والمجموعات الأمينية لبقايا الأحماض الأمينية المجاورة. بروتين. مجموعة من 20 نوعًا مختلفًا من الجزيئات الصغيرة التي ترتبط ببعضها البعض في سلاسل طويلة لتشكيل البروتينات. غالبًا ما يشار إليها باسم & quotbuilding Blocks & quot من البروتينات. الأحماض الأمينية هي أسترة (مرتبطة) إلى 3 & # 39 نهاية الجزيء. تسلسل مكون من ثلاثة نيوكليوتيدات في نقل الحمض النووي الريبي (RNA) والذي يرتبط بالثلاثية التكميلية (كودون) في الرنا المرسال لتحديد الحمض الأميني أثناء تخليق البروتين. يرتبط جزء anticodon من الجزيء بالتكملة A تسلسل محدد من ثلاثة نيوكليوتيدات متجاورة على خيط من DNA أو RNA التي تحدد معلومات الشفرة الوراثية لتشفير حمض أميني معين في سلسلة بولي ببتيد. كودون Messenger ribonucleic acid هو جزيء من RNA يشفر "مخططًا" كيميائيًا لمنتج بروتيني ، والذي يتم نسخه من قالب DNA ، ويحمل هذه المعلومات إلى مواقع تخليق البروتين. mRNA ، مضيفًا لاحقًا مجموعة من 20 نوعًا مختلفًا من الجزيئات الصغيرة التي ترتبط ببعضها البعض في سلاسل طويلة لتشكيل البروتينات. غالبًا ما يشار إليها باسم & quotbuilding Blocks & quot من البروتينات. حمض أميني للنمو مركب يتكون من اثنين أو أكثر من الأحماض الأمينية ، اللبنات الأساسية للبروتينات. الببتيد (مركب عضوي مكون من أحماض أمينية مرتبة في سلسلة خطية ، مرتبطة ببعضها البعض بواسطة روابط ببتيدية بين مجموعة الكربوكسيل والمجموعات الأمينية لبقايا الأحماض الأمينية المجاورة. البروتين). تسلسل مكون من ثلاثة نيوكليوتيدات في نقل الحمض النووي الريبي (RNA) والذي يرتبط بالثلاثية التكميلية (كودون) في الرنا المرسال لتحديد الحمض الأميني أثناء تخليق البروتين. موقع anticodon لجزيء RNA صغير ينقل حمض أميني معين إلى سلسلة عديد الببتيد المتنامية في موقع الريبوسوم لتخليق البروتين. يوفر جزيء الحمض النووي الريبي (tRNA) خصوصية للشفرة الجينية ، حيث أن كل جزيء RNA صغير محدد ينقل حمض أميني معين إلى سلسلة بولي ببتيد متنامية في موقع الريبوسوم لتخليق البروتين. يرتبط الحمض النووي الريبي (tRNA) بحمض نووي معين من نوع Messenger وهو جزيء من الحمض النووي الريبي (RNA) يشفر "مخططًا" كيميائيًا لمنتج بروتيني ، يتم نسخه من قالب DNA ، ويحمل هذه المعلومات إلى مواقع تخليق البروتين. mRNA تسلسل محدد من ثلاثة نيوكليوتيدات متجاورة على خيط من DNA أو RNA يحدد معلومات الشفرة الجينية لتشفير حمض أميني معين في سلسلة بولي ببتيد. codon ترتيب النيوكليوتيدات في جزيء DNA أو RNA ، أو ترتيب الأحماض الأمينية في جزيء البروتين. تسلسل . جميع الكائنات الحية التي تختلف عن الشفرة الوراثية & quotuniversal & quot ، تفعل ذلك من خلال مكون واحد من المكونات الهيكلية ، أو اللبنات الأساسية ، للحمض النووي الريبي والحمض النووي الريبي. يتكون النيوكليوتيد من قاعدة بالإضافة إلى جزيء من السكر وواحد من الفوسفات. نيوكليوتيد استبدال نيوكليوتيد واحد في تسلسل DNA بواسطة نيوكليوتيد آخر أو استبدال حمض أميني واحد في بروتين بحمض أميني آخر. الاستبدال في تسلسل A لثلاثة نيوكليوتيدات في نقل الحمض النووي الريبي الذي يرتبط بالثلاثية التكميلية (كودون) في الرنا المرسال لتحديد حمض أميني أثناء تخليق البروتين. موقع anticodon لجزيء RNA صغير ينقل حمض أميني معين إلى سلسلة عديد الببتيد المتنامية في موقع الريبوسوم لتخليق البروتين. الحمض الريبي النووي النقال. في جميع الأمثلة الواردة في هذه الورقة ، هذا واحد من المكونات الهيكلية ، أو لبنات البناء ، للحمض النووي الريبي والحمض النووي الريبي. يتكون النيوكليوتيد من قاعدة بالإضافة إلى جزيء من السكر وواحد من الفوسفات. نيوكليوتيد استبدال نيوكليوتيد واحد في تسلسل DNA بواسطة نيوكليوتيد آخر أو استبدال حمض أميني واحد في بروتين بحمض أميني آخر. يؤدي الاستبدال إلى جزيء RNA صغير ينقل حمض أميني معين إلى سلسلة متعددة الببتيد المتنامية في موقع الريبوسوم لتخليق البروتين. الحمض الريبي النووي النقال لربط مرنا مختلف تمامًا تسلسل محدد من ثلاثة نيوكليوتيدات متجاورة على خيط من الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي الذي يحدد معلومات الشفرة الجينية لتشفير حمض أميني معين في سلسلة بولي ببتيد. كودون (انظر الشكل 2). لذلك ، فإن جميع متواليات ثلاثة نيوكليوتيدات متجاورة على خيط من DNA أو RNA تحدد معلومات الشفرة الجينية لتشفير حمض أميني معين في سلسلة بولي ببتيد. الكودونات التي تم ترميزها لهذا النوع هي مجموعة من 20 نوعًا مختلفًا من الجزيئات الصغيرة التي ترتبط ببعضها البعض في سلاسل طويلة لتشكيل البروتينات. غالبًا ما يشار إليها باسم & quotbuilding Blocks & quot من البروتينات. سيتم الآن استبدال الأحماض الأمينية بمجموعة أخرى من 20 نوعًا مختلفًا من الجزيئات الصغيرة التي ترتبط ببعضها البعض في سلاسل طويلة لتشكيل البروتينات. غالبًا ما يشار إليها باسم & quotbuilding Blocks & quot من البروتينات. حمض أميني . سيؤدي هذا النوع من الطفرات إلى تغييرات بالجملة في جميع أو تقريبًا كل المركبات العضوية المصنوعة من الأحماض الأمينية المرتبة في سلسلة خطية ، مرتبطة ببعضها البعض بواسطة روابط الببتيد بين مجموعات الكربوكسيل والأمينية لبقايا الأحماض الأمينية المجاورة. بروتينات الكائن الحي ، والتي من شأنها أن تكون قاتلة لـ 100٪ من هذه الطفرات.


الشكل 2. ترجمة نفس الحمض النووي الريبي للرسول عبارة عن جزيء من الحمض النووي الريبي (RNA) يشفر "مخططًا" كيميائيًا لمنتج بروتيني ، والذي يتم نسخه من قالب DNA ، ويحمل هذه المعلومات إلى مواقع تخليق البروتين. mRNA بواسطة (A) ، النوع البري و (B) ، جزيء RNA صغير ينقل حمض أميني معين إلى سلسلة بولي ببتيد متنامية في موقع الريبوسوم لتخليق البروتين. متحولة الحمض الريبي النووي النقال

نظرًا لأن التطور يتطلب عملية يتم من خلالها تغيير الشفرة الجينية ، فإن أنصار التطور يقترحون أن الكائنات الحية التي تعبر عن رمز جيني غير قياسي يجب أن تكون طفرات جينية. تكمن المشكلة في أن هذه النقطة المفردة عبارة عن تغيير هيكلي دائم في الحمض النووي ، يتكون إما من استبدال أو إدخال أو حذف قواعد النيوكليوتيدات. قد تؤدي الطفرة إلى كائن حي لا يستطيع البقاء على قيد الحياة (في الواقع ، لن تتمكن البويضة المخصبة لمثل هذا الطافرة من الخضوع حتى لجولة واحدة من انقسام الخلية). هذا ليس رأيي فقط. حتى أنصار التطور يتفقون على أن 100٪ من جزيء RNA الصغير هذا ينقل حمض أميني معين إلى سلسلة بولي ببتيد متنامية في موقع الريبوسوم لتخليق البروتين. سوف تكون المسوخات tRNA غير قادرة على البقاء على قيد الحياة. صرح الدكتور T. H. Jukes (جامعة كاليفورنيا ، بيركلي) ، & quot؛ أي متعلق بتغيير هيكلي دائم في الحمض النووي ، يتكون إما من استبدال أو إدخال أو حذف قواعد النوكليوتيدات. قد يكون التغيير الطفري في الشفرة قاتلاً ، لأنه سينتج عنه تغييرات واسعة النطاق في المجموعة A المكونة من 20 نوعًا مختلفًا من الجزيئات الصغيرة التي ترتبط ببعضها البعض في سلاسل طويلة لتشكيل البروتينات. غالبًا ما يشار إليها باسم & quotbuilding Blocks & quot من البروتينات. الأحماض الأمينية: ترتيب النيوكليوتيدات في جزيء DNA أو RNA ، أو ترتيب الأحماض الأمينية في جزيء البروتين. متواليات من المركبات العضوية المكونة من الأحماض الأمينية المرتبة في سلسلة خطية ، مرتبطة ببعضها البعض بواسطة روابط الببتيد بين مجموعات الكربوكسيل والأمينية لبقايا الأحماض الأمينية المجاورة. البروتينات. ستدمر مثل هذه التغييرات مركبًا عضويًا مكونًا من أحماض أمينية مرتبة في سلسلة خطية ، مرتبطة ببعضها البعض بواسطة روابط ببتيدية بين مجموعات الكربوكسيل والأمينية لبقايا الأحماض الأمينية المجاورة. وظيفة البروتين ، وبالتالي لا يمكن تحملها. & quot ما وجده هؤلاء العلماء حقًا & quot؛ لا يمكن تحمله & quot هو ما هذه & quot ؛ التغييرات الهيكلية الدائمة في الحمض النووي ، والتي تتكون إما من بدائل أو عمليات إدخال أو حذف لقواعد النوكليوتيدات. طفرات & quot تكشف عن نظرية التطور.

جزيء RNA صغير ينقل حمض أميني معين إلى سلسلة بولي ببتيد متنامية في موقع الريبوسوم لتخليق البروتين. tRNA & quotMutants & quot من الكود الجيني & quotUniversal & quot

ما هي أنواع التغييرات التي قد ينقلها جزيء صغير من الحمض النووي الريبي (RNA) ينقل حمضًا أمينيًا معينًا إلى سلسلة متعددة الببتيد المتنامية في موقع الريبوسوم لتخليق البروتين. تغييرات هيكلية دائمة في الحمض النووي الريبي النووي الريبي (الحمض النووي الريبي) ، تتكون إما من بدائل أو عمليات إدخال أو حذف لقواعد النوكليوتيدات. تؤدي الطفرات؟ يصف الجدول 1 عددًا من جزيء RNA الصغير الذي ينقل حمض أميني معين إلى سلسلة عديد الببتيد المتنامية في موقع الريبوسوم لتخليق البروتين. طفرات الحمض الريبي النووي النقال ، بما في ذلك أنواع الكائنات الحية والتغيرات في مجموعة من 20 نوعًا مختلفًا من الجزيئات الصغيرة التي ترتبط ببعضها البعض في سلاسل طويلة لتشكيل البروتينات. غالبًا ما يشار إليها باسم & quotbuilding Blocks & quot من البروتينات. الأحماض الأمينية المشفرة ل. يمكن للمرء أن يرى أن العديد من هذه التغييرات الهيكلية الدائمة في الحمض النووي ، تتكون من بدائل أو إدخال أو حذف لقواعد النوكليوتيدات. تحل محل الطفرات مجموعة من 20 نوعًا مختلفًا من الجزيئات الصغيرة التي ترتبط ببعضها البعض في سلاسل طويلة لتشكيل البروتينات. غالبًا ما يشار إليها باسم & quotbuilding Blocks & quot من البروتينات. الأحماض الأمينية التي تثبت الهياكل الحلزونية (التركيب الثلاثي الأكثر شيوعًا في المركبات العضوية المصنوعة من الأحماض الأمينية المرتبة في سلسلة خطية ، مرتبطة ببعضها البعض بواسطة روابط الببتيد بين مجموعات الكربوكسيل والأمينية لبقايا الأحماض الأمينية المجاورة. البروتينات) لتلك التي زعزعة استقرار الهياكل الحلزونية أو ، بدلاً من ذلك ، تلك التي تزعزع استقرار الهياكل الحلزونية لتلك التي تثبت الهياكل الحلزونية. استبدال نوكليوتيد واحد في تسلسل الحمض النووي بنكليوتيد آخر أو استبدال حمض أميني واحد في بروتين بحمض أميني آخر. الاستبدال الذي يغير تكوين مركب عضوي مكون من أحماض أمينية مرتبة في سلسلة خطية ، مرتبطة ببعضها البعض بواسطة روابط ببتيدية بين مجموعات الكربوكسيل والمجموعات الأمينية لبقايا الأحماض الأمينية المجاورة. يضمن البروتين فعليًا تدمير وظيفته. في الواقع يزداد الأمر سوءًا في حالات أخرى. في بعض طفرات الشفرة الجينية ، متواليات التوقف السابقة لثلاثة نيوكليوتيدات متجاورة على خيط من DNA أو RNA تحدد معلومات الشفرة الجينية لتشفير حمض أميني معين في سلسلة بولي ببتيد. الكودونات (التي تسبب مركبًا عضويًا مكونًا من أحماض أمينية مرتبة في سلسلة خطية ، مرتبطة ببعضها البعض بواسطة روابط ببتيدية بين مجموعة الكربوكسيل والمجموعات الأمينية من بقايا الأحماض الأمينية المجاورة.تتوقف ترجمة البروتين عندما يكون المركب العضوي المصنوع من الأحماض الأمينية مرتبة في سلسلة خطية ، مرتبطة ببعضها البعض بواسطة روابط الببتيد بين مجموعة الكربوكسيل والمجموعات الأمينية لبقايا الأحماض الأمينية المجاورة. يصل البروتين إلى الحجم المناسب) الآن رمز لمجموعة من 20 نوعًا مختلفًا من الجزيئات الصغيرة التي ترتبط ببعضها البعض في سلاسل طويلة لتشكيل البروتينات. غالبًا ما يشار إليها باسم & quotbuilding Blocks & quot من البروتينات. الأحماض الأمينية ، والتي من شأنها أن تنتج مركبات عضوية أطول مصنوعة من الأحماض الأمينية مرتبة في سلسلة خطية ، مرتبطة ببعضها البعض بواسطة روابط ببتيدية بين مجموعات الكربوكسيل والأمينية لبقايا الأحماض الأمينية المجاورة. البروتينات. على الرغم من أن العديد من المركبات العضوية المصنوعة من الأحماض الأمينية مرتبة في سلسلة خطية ، مرتبطة ببعضها البعض بواسطة روابط الببتيد بين مجموعات الكربوكسيل والأمينية لبقايا الأحماض الأمينية المجاورة. تخضع البروتينات لتعديل ما بعد الترجمة ، وستخضع البروتينات التي لا تخضع لتعديل ما بعد الترجمة لتغييرات توافقية تؤدي إلى تعطيل الوظيفة. أكثر هذه الطفرات فتكًا هي تلك التي تغيرت من ترميز الأرجينين إلى ترميز للإيقاف ترتيب النيوكليوتيدات في جزيء DNA أو RNA ، أو ترتيب الأحماض الأمينية في جزيء البروتين. تسلسل . سينتج هذا المتحور مركبات عضوية مصنوعة من أحماض أمينية مرتبة في سلسلة خطية ، مرتبطة ببعضها البعض بواسطة روابط ببتيدية بين مجموعات الكربوكسيل والأمينية لبقايا الأحماض الأمينية المجاورة. بروتينات ذات سلاسل بولي ببتيد قصيرة جدًا ، منذ ذلك الحين مركب عضوي مصنوع من أحماض أمينية مرتبة في سلسلة خطية ، مرتبطة ببعضها البعض بواسطة روابط ببتيدية بين مجموعة الكربوكسيل والمجموعات الأمينية لبقايا الأحماض الأمينية المجاورة. ستتوقف ترجمة البروتين عند كل حالة تم فيها ترميز الأرجينين (AGR). بعض المركبات العضوية المكونة من الأحماض الأمينية مرتبة في سلسلة خطية ، مرتبطة ببعضها البعض بواسطة روابط الببتيد بين مجموعات الكربوكسيل والأمينية لبقايا الأحماض الأمينية المجاورة. لن يتم تصنيع البروتينات على الإطلاق ، وتقريباً جميع المركبات العضوية الأخرى المصنوعة من الأحماض الأمينية مرتبة في سلسلة خطية ، مرتبطة ببعضها البعض بواسطة روابط ببتيدية بين مجموعة الكربوكسيل والمجموعات الأمينية لبقايا الأحماض الأمينية المجاورة. قد تكون البروتينات غير وظيفية.

الجدول 1. tRNA & quotMutants & quot من الرمز الوراثي & quotUniversal & quot
& quotMutant & quot Code (& quotNormal & quot Amino acid) استقرار a-helix؟ & quotMutant & quot amino acid (& quotUniversal & quot Code) استقرار a-helix؟ أين تم العثور على & quotmutant & quot
AUA (آيزولوسين) لا ميثيونين (أغسطس) نعم الميتوكوندريا البشرية
UGA (توقف) غير متاح التربتوفان (UGG) نعم الميتوكوندريا البشرية
UGA (توقف) غير متاح التربتوفان (UGG) نعم الميكوبلازما النيابة.
UAA و UAG (توقف) غير متاح الجلوتامين (GAA ، GAG) لا البروتوزوا الهدبي ، Acetabularia
UGA (توقف) غير متاح سيستين (UGC ، UGU) نعم E. octacarinatus
CUG (ليوسين) نعم سيرين (UCN) لا المبيضات النيابة.
CUN (ليسين) نعم ثريونين (ACN) لا الخمائر
AAA (ليسين) لا الأسباراجين (AAU ، AAC) نعم الديدان المسطحة وشوكيات الجلد
UAA (توقف) غير متاح التيروزين (UAU ، UAC) نعم بلاناريا
AGR (أرجينين) لا سيرين (AGU ، AGC) لا عدة أوامر حيوانية
AGR (أرجينين) لا توقف (UGA ، UAA ، UAG) غير متاح بعض الفقاريات
A = Adenine C = Cytosine G = Guanine U = Uracil N = Adenine و Guanine R = سيتوزين أو يوراسيل

الأدلة دامغة والمشكلة عميقة للغاية. لقد تجاهل المجتمع العلمي وحتى مجتمع علماء الخلق ، على الرغم من آثاره الواضحة ، هذه المشكلة إلى حد كبير. أولئك الذين اقترحوا تفسيرات تطورية فعلوا ذلك باستخدام آليات غير محتملة إلى حد أنها مستحيلة إحصائيًا. هنا شرحهم:

نقترح أن تسبق التغييرات عادةً فقدان تسلسل محدد من ثلاثة نيوكليوتيدات متجاورة على خيط من الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي الذي يحدد معلومات الشفرة الجينية لتشفير حمض أميني معين في سلسلة بولي ببتيد. codon من جميع الترميز: ترتيب النيوكليوتيدات في جزيء DNA أو RNA ، أو ترتيب الأحماض الأمينية في جزيء البروتين. متواليات في كائن حي أو عضية ، غالبًا نتيجة لتغيير اتجاهي هيكلي دائم في الحمض النووي ، يتكون إما من استبدال أو إدخال أو حذف قواعد النيوكليوتيدات.ضغط طفرة ، مصحوبًا بفقدان جزيء صغير من الحمض النووي الريبي الذي ينقل حمض أميني معين إلى سلسلة عديد الببتيد المتنامية في موقع الريبوسوم لتخليق البروتين. الحمض الريبي النووي النقال (tRNA) الذي يترجم تسلسلًا محددًا لثلاثة نيوكليوتيدات متجاورة على خيط من الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي الذي يحدد معلومات الشفرة الجينية لتشفير حمض أميني معين إلى سلسلة بولي ببتيد. كودون. تسلسل محدد لثلاثة نيوكليوتيدات متجاورة على خيط من DNA أو RNA يحدد معلومات الشفرة الجينية لتشفير حمض أميني معين في سلسلة بولي ببتيد. يظهر الكودون لاحقًا عن طريق تحويل تسلسل محدد آخر من ثلاثة نيوكليوتيدات متجاورة على خيط من DNA أو RNA يحدد معلومات الشفرة الجينية لتشفير حمض أميني معين في سلسلة بولي ببتيد. الكودون وظهور جزيء صغير من الحمض النووي الريبي ينقل حمض أميني معين إلى سلسلة عديد ببتيد متنامية في موقع الريبوسوم لتخليق البروتين. الحمض الريبي النووي النقال الذي يترجم الظهور مجددًا تسلسل محدد من ثلاثة نيوكليوتيدات متجاورة على خيط من DNA أو RNA يحدد معلومات الشفرة الجينية لتشفير حمض أميني معين إلى سلسلة بولي ببتيد. كودون مع مهمة مختلفة (2).

مشكلة الآلية

هذا هو جوهر ما يقترحه أنصار التطور. يقترحون ذلك كل مثال على تسلسل محدد من ثلاثة نيوكليوتيدات متجاورة على خيط من DNA أو RNA يحدد معلومات الشفرة الجينية لتشفير حمض أميني معين في سلسلة بولي ببتيد. كودون في حمض الديوكسي ريبونوكلييك: المادة الكيميائية الموجودة داخل نواة الخلية التي تحمل التعليمات الجينية لصنع الكائنات الحية. يتم تحور الحمض النووي واستبداله بسلسلة أخرى محددة من ثلاثة نيوكليوتيدات متجاورة على خيط من الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي الذي يحدد معلومات الشفرة الجينية لتشفير حمض أميني معين في سلسلة بولي ببتيد. كودون. هذا يتطلب استبدال 1-5٪ من بأكمله الجيني ترتيب النيوكليوتيدات في جزيء DNA أو RNA ، أو ترتيب الأحماض الأمينية في جزيء البروتين. تسلسل الكائن الحي. على الرغم من أن هذا لا يبدو وكأنه كمية كبيرة من كل الحمض النووي الموجود في كائن حي أو خلية ، والتي تشمل كلاً من الكروموسومات داخل النواة والحمض النووي في الميتوكوندريا. الجينوم ، إن خصوصية الاستبدال هي التي تجعل هذه الآلية مستحيلة إحصائيًا. في حالة الفقاريات ، سيشمل هذا الاستبدال استبدالًا محددًا لملايين من المكونات الهيكلية ، أو اللبنات الأساسية ، للحمض النووي الريبي والحمض النووي الريبي. يتكون النيوكليوتيد من قاعدة بالإضافة إلى جزيء من السكر وواحد من الفوسفات. أزواج النوكليوتيدات. لا يوجد تغيير هيكلي دائم في الدنا ، يتكون من استبدال أو إدخال أو حذف قواعد النيوكليوتيدات. ضغط الطفرة & quot الذي من شأنه أن يسبب واحدًا فقط تسلسل محدد من ثلاثة نيوكليوتيدات متجاورة على خيط من DNA أو RNA يحدد معلومات الشفرة الجينية لتشفير حمض أميني معين في سلسلة متعددة الببتيد. codon ترتيب النيوكليوتيدات في جزيء DNA أو RNA ، أو ترتيب الأحماض الأمينية في جزيء البروتين. التسلسل ليتم استبداله في الكائن الحي ، حتى وفقًا للنظريات التطورية. ينص التطور على أن الانتقاء يعمل على مركب عضوي مكون من أحماض أمينية مرتبة في سلسلة خطية ، مرتبطة ببعضها البعض بواسطة روابط ببتيدية بين مجموعة الكربوكسيل والمجموعات الأمينية لبقايا الأحماض الأمينية المجاورة. بنية البروتين لتحسين وظيفتها. منذ نتحدث عنه الكل المركبات العضوية المكونة من الأحماض الأمينية مرتبة في سلسلة خطية ، مرتبطة ببعضها البعض بواسطة روابط الببتيد بين مجموعات الكربوكسيل والمجموعات الأمينية لبقايا الأحماض الأمينية المجاورة. البروتينات في الكائن الحي ، لا يوجد ضغط انتقائي واحد من شأنه أن يعمل على تحسين وظيفة جميع المركبات العضوية المصنوعة من الأحماض الأمينية المرتبة في سلسلة خطية ، مرتبطة ببعضها البعض بواسطة روابط الببتيد بين مجموعات الكربوكسيل والأمينية لبقايا الأحماض الأمينية المجاورة. البروتينات في وقت واحد (خاصة عن طريق استبدال مجموعة محددة واحدة فقط من 20 نوعًا مختلفًا من الجزيئات الصغيرة التي ترتبط ببعضها البعض في سلاسل طويلة لتشكيل البروتينات. يشار إليها غالبًا باسم & quotbuilding Blocks & quot of البروتينات. الأحماض الأمينية بأخرى). سيكون من المنطقي أكثر من وجهة النظر التطورية أن الوحدة الوظيفية والجسدية للوراثة انتقلت من الأب إلى النسل. الجينات عبارة عن قطع من الحمض النووي ، وتحتوي معظم الجينات على المعلومات اللازمة لصنع بروتين معين. الازدواج الجيني لجزيء RNA صغير ينقل حمض أميني معين إلى سلسلة متعددة الببتيد المتنامية في موقع الريبوسوم لتخليق البروتين. سيحدث الحمض النووي الريبي ، متبوعًا بتغيير هيكلي دائم في الحمض النووي ، يتكون إما من استبدال أو إدخال أو حذف قواعد النيوكليوتيدات. طفرة في جزيء الحمض النووي الريبي المضاعف الذي ينقل حمض أميني معين إلى سلسلة عديد الببتيد المتنامية في موقع الريبوسوم لتخليق البروتين. tRNA والتحويل التدريجي للوراثة ترتيب النيوكليوتيدات في جزيء DNA أو RNA ، أو ترتيب الأحماض الأمينية في جزيء البروتين. متواليات من تلك المرتبطة بجزيء الحمض النووي الريبي العالمي الصغير الذي ينقل حمض أميني معين إلى سلسلة متعددة الببتيد النامية في موقع الريبوسوم لتخليق البروتين. جزيء الحمض النووي الريبي الصغير الذي ينقل حمض أميني معين إلى سلسلة بولي ببتيد متنامية في موقع الريبوسوم لتخليق البروتين. الحمض الريبي النووي النقال. ومع ذلك ، من المتوقع أن ينتج مثل هذا السيناريو أشكالًا وسيطة من الكائنات الحية (تمتلك كلا الشكلين من جزيء RNA الصغير الذي ينقل حمض أميني معين إلى سلسلة بولي ببتيد متنامية في موقع الريبوسوم لتخليق البروتين. كن طويلا. على الرغم من وجود العشرات من الأمثلة على جزيء RNA صغير ينقل حمض أميني معين إلى سلسلة بولي ببتيد متنامية في موقع الريبوسوم لتخليق البروتين. طفرات الحمض الريبي النووي النقال ، لا يوجد أي منها كوسائط افتراضية ، مما يشير إلى أن هذه ليست آلية معقولة.

مشكلة النسب

يمثل وجود طفرات الشفرة الجينية في مجموعات متنوعة من الكائنات الحية غير ذات الصلة مشكلة كبيرة في نظرية التطور. نظرًا لأن الحياة كلها يجب أن تكون مرتبطة بأقاربهم ، يجب أن تعكس الجينات هذه الحقيقة. تمثل هذه المسوخ مشكلة صارخة من حيث النسب. قد يتوقع المرء أن تظهر الكائنات ذات الصلة شكلاً من أشكال الشجرة التطورية فيما يتعلق بطفرات الشفرة الجينية. بدلاً من ذلك ، ما نجده هو أنواع فردية معزولة عشوائيًا من الكائنات الحية التي تمتلك هذه الكود الجيني تغييرات هيكلية دائمة في الحمض النووي ، تتكون إما من بدائل أو عمليات إدخال أو حذف لقواعد النوكليوتيدات. الطفرات. إذا كانت آلية إنتاج هذه التغييرات الهيكلية الدائمة في الحمض النووي تتكون من بدائل أو إدخال أو حذف لقواعد النوكليوتيدات. كانت الطفرات عبارة عن تطور ، ونتوقع أن نجد عائلات كاملة وترتيبًا من الكائنات الحية مع هذه الأنواع من التعديلات الهيكلية الدائمة في الحمض النووي ، والتي تتكون إما من بدائل أو عمليات إدخال أو حذف لقواعد النوكليوتيدات. الطفرات. بدلاً من ذلك ، يجب أن نقبل كل هذه التغييرات الهيكلية الدائمة في الحمض النووي ، والتي تتكون إما من بدائل أو عمليات إدخال أو حذف لقواعد النوكليوتيدات. حدثت طفرات مؤخرًا نسبيًا ، بحيث لن يكون هناك سجل للنسب.

استنتاج

في الختام ، لا توجد آلية تطورية معقولة يمكن بواسطتها جزيء RNA صغير ينقل حمض أميني معين إلى سلسلة متعددة الببتيد النامية في موقع الريبوسوم لتخليق البروتين. نقطة الحمض النووي الريبي (tRNA) تغييرات هيكلية دائمة في الحمض النووي ، تتكون إما من بدائل أو عمليات إدخال أو حذف لقواعد النوكليوتيدات. يمكن أن تحدث الطفرات في مثل هذا التنوع من الكائنات الحية. يجب أن يؤمن أنصار التطور بالاتجاه السحري. أي تغيير هيكلي دائم في الحمض النووي ، يتكون إما من استبدال أو إدخال أو حذف قواعد النيوكليوتيدات. ضغط الطفرة الذي يحل محل كل واحد محدد تسلسل محدد من ثلاثة نيوكليوتيدات متجاورة على خيط من الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي الذي يحدد معلومات الشفرة الجينية لتشفير حمض أميني معين في سلسلة بولي ببتيد. codon ترتيب النيوكليوتيدات في جزيء DNA أو RNA ، أو ترتيب الأحماض الأمينية في جزيء البروتين. تسلسل في مجموعة متنوعة من الأنواع غير ذات الصلة. بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن يعتقدوا أن أيا من هذه الأنواع قد تطور بمجرد هذا التغيير الهيكلي الدائم في الحمض النووي ، والذي يتكون إما من استبدال أو إدخال أو حذف قواعد النوكليوتيدات. حدث طفرة ، حيث لا يوجد دليل على النسب. البديل ، أن الخالق صمم جزيء RNA صغير ينقل حمض أميني معين إلى سلسلة بولي ببتيد متنامية في موقع الريبوسوم لتخليق البروتين. tRNA & quotmutants & quot ليبين لنا أنه هو وليس الصدفة العمياء هو المسؤول عن الحياة ، وهو أمر لا يطاق بالنسبة لأولئك الذين & quot؛ إيمان & quot هو التطور.


الرموز الجينية البديلة في الكائنات الحية المتسلسلة حديثًا - علم الأحياء

في هذا القسم سوف تستكشف الأسئلة التالية:

  • ما هي "العقيدة المركزية" لتخليق البروتين؟
  • ما هو الكود الجيني ، وكيف يصف تسلسل النوكليوتيدات تسلسل الأحماض الأمينية والببتيد المتعدد؟

اتصال لدورات AP ®

منذ إعادة اكتشاف عمل مندل في القرن العشرين ، تعلم العلماء الكثير حول كيفية قدرة المخططات الجينية المخزنة في الحمض النووي على التكاثر والتعبير والطفرة. مثلما يمكن ترتيب 26 حرفًا من الأبجدية الإنجليزية في ما يبدو أنه عدد غير محدود من الكلمات ، مع إضافة كلمات جديدة إلى القاموس كل عام ، يمكن للنيوكليوتيدات الأربعة للحمض النووي - A و T و C و G - توليد تسلسل الحمض النووي يسمى الجينات التي تحدد عشرات الآلاف من بوليمرات الأحماض الأمينية. في المقابل ، يمكن نسخ هذه التسلسلات إلى mRNA وترجمتها إلى بروتينات تنسق تقريبًا كل وظيفة للخلية. يشير الرمز الجيني إلى أبجدية الحمض النووي (A ، T ، C ، G) ، أبجدية RNA (A ، U ، C ، G) ، والأبجدية متعددة الببتيد (20 حمض أميني). ولكن كيف تنتج الجينات الموجودة على الكروموسوم في النهاية عديد ببتيد يمكن أن ينتج عنه نمط ظاهري مادي مثل الشعر أو لون العين - أو مرض مثل التليف الكيسي أو الهيموفيليا؟

تصف العقيدة المركزية التدفق الطبيعي للمعلومات الجينية من DNA إلى mRNA إلى البروتين: يحدد الحمض النووي في الجينات تسلسلات mRNA التي بدورها تحدد تسلسل الأحماض الأمينية في البروتينات. تتطلب العملية خطوتين ، النسخ والترجمة. أثناء النسخ ، تُستخدم الجينات لتكوين الرنا المرسال (mRNA). بدوره ، يتم استخدام mRNA لتوجيه تخليق البروتينات أثناء عملية الترجمة. تتطلب الترجمة أيضًا نوعين آخرين من الحمض النووي الريبي: نقل الحمض النووي الريبي (الحمض النووي الريبي) والحمض النووي الريبوزي (الرنا الريباسي). الشفرة الوراثية عبارة عن رمز ثلاثي ، حيث يتكون كل كودون RNA من ثلاثة نيوكليوتيدات متتالية تحدد حمض أميني واحد أو إطلاق سلسلة البولي ببتيد المشكلة حديثًا على سبيل المثال ، يحدد كودون mRNA CAU هيستيدين الأحماض الأمينية. الكود متدهور أي أن بعض الأحماض الأمينية يتم تحديدها بأكثر من كودون واحد ، مثل المرادفات التي تدرسها في صف اللغة الإنجليزية (كلمة مختلفة ، نفس المعنى). على سبيل المثال ، CCU و CCC و CCA و CCG كلها رموز للبرولين. من المهم أن نتذكر أن نفس الشفرة الجينية عالمية لجميع الكائنات الحية على الأرض تقريبًا. توجد اختلافات صغيرة في تخصيص الكودون في الميتوكوندريا وبعض الكائنات الحية الدقيقة.

يتم اكتشاف الانحرافات عن المخطط البسيط للعقيدة المركزية بينما يستكشف الباحثون التعبير الجيني باستخدام تقنية جديدة. على سبيل المثال ، فيروس نقص المناعة البشرية (HIV) هو فيروس ارتجاعي يخزن معلوماته الجينية في جزيئات RNA مفردة عالقة. عند الإصابة بالخلية المضيفة ، يتم استخدام الحمض النووي الريبي كقالب بواسطة الإنزيم المشفر فيروسيًا ، المنتسخة العكسية ، لتخليق الحمض النووي. يتم نسخ الحمض النووي الفيروسي لاحقًا إلى mRNA وترجمته إلى بروتينات. لا تمر بعض فيروسات الحمض النووي الريبي (RNA) مثل فيروس الأنفلونزا أبدًا بخطوة الحمض النووي. يتم تكرار جينوم RNA بواسطة بوليميراز RNA المعتمد على RNA والذي يتم ترميزه فيروسيًا.

يدعم المحتوى المقدم في هذا القسم أهداف التعلم الموضحة في Big Idea 1 و Big Idea 3 من إطار منهج AP ® Biology. تدمج أهداف التعلم محتوى المعرفة الأساسية مع واحد أو أكثر من الممارسات العلمية السبعة. توفر أهداف التعلم هذه أساسًا شفافًا لدورة AP ® Biology ، جنبًا إلى جنب مع التجارب المعملية القائمة على الاستفسار والأنشطة التعليمية وأسئلة اختبار AP ®.

فكرة كبيرة 1 تقود عملية التطور التنوع ووحدة الحياة.
الفهم الدائم 1. ب الكائنات الحية مرتبطة بخطوط النسب من أصل مشترك.
المعرفة الأساسية 1. ب تشترك الكائنات الحية في العديد من العمليات الأساسية المحفوظة والميزات التي تطورت وتوزع على نطاق واسع بين الكائنات الحية اليوم.
ممارسة العلوم 3.1 يمكن للطالب طرح أسئلة علمية.
ممارسة العلوم 7.2 يمكن للطالب ربط المفاهيم في وعبر المجال (المجالات) للتعميم أو الاستقراء في و / أو عبر التفاهمات الدائمة و / أو الأفكار الكبيرة.
هدف التعلم 1.15 الطالب قادر على وصف أمثلة محددة للعمليات البيولوجية الأساسية المحفوظة والميزات المشتركة بين جميع المجالات أو ضمن مجال واحد من الحياة ، وكيف تدعم هذه العمليات والميزات الأساسية المشتركة والمحفوظة مفهوم الأصل المشترك لجميع الكائنات الحية.
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 بنية ووظائف DNA و RNA لدعم الادعاء بأن DNA ، وفي بعض الحالات ، أن RNA هي المصادر الأساسية للمعلومات القابلة للتوريث.

تحتوي أسئلة تحدي ممارسة العلوم على أسئلة اختبار إضافية لهذا القسم والتي ستساعدك على التحضير لامتحان AP. تتناول هذه الأسئلة المعايير التالية:
[APLO 3.4] [APLO 3.25]

تولد عملية النسخ الخلوي الرنا المرسال (mRNA) ، وهو نسخة جزيئية متنقلة من جين واحد أو أكثر بأبجدية من A و C و G و uracil (U). تحول ترجمة نموذج mRNA المعلومات الوراثية القائمة على النيوكليوتيدات إلى منتج بروتيني. تتكون تسلسل البروتين من 20 نوعًا شائعًا من الأحماض الأمينية ، لذلك يمكن القول أن أبجدية البروتين تتكون من 20 حرفًا (الشكل 15.2). يتم تعريف كل حمض أميني من خلال تسلسل ثلاثي النوكليوتيدات يسمى الكودون الثلاثي. الأحماض الأمينية المختلفة لها مواد كيميائية مختلفة (مثل الحمضية مقابل القاعدية ، أو القطبية وغير القطبية) وقيود هيكلية مختلفة. يؤدي الاختلاف في تسلسل الأحماض الأمينية إلى تباين هائل في بنية البروتين ووظيفته.

العقيدة المركزية: الحمض النووي يشفر الحمض النووي الريبي RNA يشفر البروتين

يتم وصف تدفق المعلومات الجينية في الخلايا من الحمض النووي إلى الحمض النووي الريبي إلى البروتين بواسطة العقيدة المركزية (الشكل 15.3) ، والتي تنص على أن الجينات تحدد تسلسل mRNAs ، والتي بدورها تحدد تسلسل البروتينات. يتم تنفيذ فك تشفير جزيء إلى آخر بواسطة بروتينات محددة و RNAs. نظرًا لأن المعلومات المخزنة في DNA مركزية جدًا للوظيفة الخلوية ، فمن المنطقي أن تقوم الخلية بعمل نسخ mRNA من هذه المعلومات لتخليق البروتين ، مع الحفاظ على الحمض النووي نفسه سليمًا ومحميًا. يعد نسخ الحمض النووي إلى الحمض النووي الريبي أمرًا بسيطًا نسبيًا ، حيث تتم إضافة نيوكليوتيد واحد إلى خيط الرنا المرسال لكل نيوكليوتيد يقرأ في خيط الحمض النووي. تعتبر الترجمة إلى البروتين أكثر تعقيدًا بعض الشيء لأن ثلاثة نيوكليوتيدات من الرنا المرسال تتوافق مع حمض أميني واحد في تسلسل عديد الببتيد. ومع ذلك ، فإن الترجمة إلى البروتين لا تزال منهجية وكولينية ، مثل أن النيوكليوتيدات من 1 إلى 3 تتوافق مع الأحماض الأمينية 1 ، والنيوكليوتيدات من 4 إلى 6 تتوافق مع الأحماض الأمينية 2 ، وهكذا.

الكود الجيني منحط وعالمي

بالنظر إلى الأعداد المختلفة من "الأحرف" في "أبجديات" الرنا المرسال والبروتين ، افترض العلماء أن مجموعات النيوكليوتيدات تتوافق مع الأحماض الأمينية المفردة. لن تكون مضاعفات النوكليوتيدات كافية لتحديد كل حمض أميني لأنه لا يوجد سوى 16 توليفة ممكنة من اثنين من النيوكليوتيدات (4 2). في المقابل ، هناك 64 ثلاثي نيوكليوتيد محتمل (4 3) ، وهو عدد أكبر بكثير من عدد الأحماض الأمينية. افترض العلماء أن الأحماض الأمينية تم ترميزها بواسطة ثلاثة توائم من النيوكليوتيدات وأن الشفرة الوراثية تتحلل. بمعنى آخر ، يمكن ترميز حمض أميني معين بأكثر من ثلاثي نيوكليوتيد واحد. تم تأكيد ذلك لاحقًا تجريبيًا استخدم فرانسيس كريك وسيدني برينر المغير الكيميائي بروفلافين لإدخال واحد أو اثنين أو ثلاثة نيوكليوتيدات في جين الفيروس. عندما تم إدخال واحد أو اثنين من النيوكليوتيدات ، تم إلغاء تخليق البروتين تمامًا. عندما تم إدخال ثلاث نيوكليوتيدات ، تم تصنيع البروتين وعمله. أظهر هذا أن ثلاثة نيوكليوتيدات تحدد كل حمض أميني. تسمى هذه النوكليوتيدات الثلاثية الكودونات. أدى إدخال واحد أو اثنين من النيوكليوتيدات إلى تغيير إطار القراءة الثلاثي تمامًا ، وبالتالي تغيير الرسالة لكل حمض أميني لاحق (الشكل 15.4). على الرغم من أن إدخال ثلاثة نيوكليوتيدات تسبب في إدخال حمض أميني إضافي أثناء الترجمة ، فقد تم الحفاظ على سلامة بقية البروتين.

حل العلماء بشق الأنفس الشفرة الجينية عن طريق ترجمة mRNAs الاصطناعية في المختبر وتسلسل البروتينات التي حددوها (الشكل 15.5).

بالإضافة إلى توجيه إضافة حمض أميني محدد إلى سلسلة بولي ببتيد ، تنهي ثلاثة من الكودونات الـ 64 تخليق البروتين وتحرر البولي ببتيد من آلية الترجمة. تسمى هذه الثلاثة توائم كودونات لا معنى لها ، أو كودونات توقف. كودون آخر ، AUG ، له أيضًا وظيفة خاصة. بالإضافة إلى تحديد ميثيونين الأحماض الأمينية ، فإنه يعمل أيضًا ككودون بدء لبدء الترجمة. يتم تعيين إطار القراءة للترجمة بواسطة كودون بدء AUG بالقرب من نهاية 5 'من mRNA.

الكود الجيني عالمي. مع استثناءات قليلة ، تستخدم جميع الأنواع تقريبًا نفس الكود الجيني لتخليق البروتين. يعني حفظ الكودونات أنه يمكن نقل mRNA المنقى الذي يشفر بروتين الغلوبين في الخيول إلى خلية خزامى ، وسيقوم الخزامى بتصنيع غلوبين الحصان. إن وجود رمز جيني واحد فقط هو دليل قوي على أن كل أشكال الحياة على الأرض تشترك في أصل مشترك ، خاصة إذا أخذنا في الاعتبار أن هناك حوالي 10 84 توليفة محتملة من 20 حمضًا أمينيًا و 64 كودونًا ثلاثيًا.

ارتباط بالتعلم

نسخ الجين وترجمته إلى بروتين باستخدام الاقتران التكميلي والشفرة الجينية في هذا الموقع.


محتويات

من الجدير بالذكر أن الشفرة الجينية لجميع الكائنات الحية هي نفسها بشكل أساسي ، بحيث تستخدم جميع الكائنات الحية "اللغة الجينية" نفسها.[4] بشكل عام ، فإن إدخال أحماض أمينية وظيفية جديدة غير طبيعية في بروتينات الخلايا الحية يكسر عالمية اللغة الجينية ، مما يؤدي بشكل مثالي إلى أشكال حياة بديلة. [5] يتم إنتاج البروتينات بفضل جزيئات النظام الانتقالي ، التي تقوم بفك تشفير رسائل الحمض النووي الريبي إلى سلسلة من الأحماض الأمينية. يتم تحفيز ترجمة المعلومات الوراثية الموجودة في الرنا المرسال (mRNA) إلى بروتين بواسطة الريبوسومات. يتم استخدام نقل الحمض النووي الريبي (الحمض النووي الريبي) كمفاتيح لفك تشفير الرنا المرسال إلى بولي ببتيده المشفر. يتعرف الحمض النووي الريبي (tRNA) على كودون ثلاث نيوكليوتيدات محدد في الرنا المرسال مع تسلسل تكميلي يسمى المضاد الكودون على إحدى حلقاته. يتم ترجمة كل كودون ثلاثي النوكليوتيدات إلى واحد من عشرين حمضًا أمينيًا طبيعيًا. [6] يوجد حمض tRNA واحد على الأقل لأي كودون ، وأحيانًا كودونات متعددة لنفس الحمض الأميني. العديد من tRNAs متوافقة مع العديد من الكودونات. يقوم إنزيم يسمى مركب aminoacyl tRNA بربط الحمض الأميني بشكل تساهمي بـ tRNA المناسب. [7] تحتوي معظم الخلايا على تركيبة مختلفة لكل حمض أميني (20 تركيبة أو أكثر). من ناحية أخرى ، تحتوي بعض البكتيريا على أقل من 20 تركيبة aminoacyl tRNA ، وتقوم بإدخال الأحماض الأمينية "المفقودة" عن طريق تعديل حمض أميني مرتبط هيكليًا بواسطة إنزيم aminotransferase. [8] إحدى الميزات التي تم استغلالها في توسيع الشفرة الجينية هي حقيقة أن مركب aminoacyl tRNA synthetase غالبًا لا يتعرف على anticodon ، ولكن جزءًا آخر من tRNA ، مما يعني أنه إذا تم تحوير مضاد الكودون ، فإن ترميز هذا الحمض الأميني سيتغير إلى كودون جديد. في الريبوسوم ، تُترجم المعلومات الموجودة في الرنا المرسال إلى حمض أميني محدد عندما يتطابق كودون الرنا المرسال مع المضاد التكميلي للـ tRNA ، ويُضاف الحمض الأميني المرتبط إلى سلسلة بولي ببتيد متنامية. عندما يتم إطلاقه من الريبوسوم ، فإن سلسلة البولي ببتيد تطوى إلى بروتين عامل. [7]

من أجل دمج حمض أميني جديد في الكود الجيني ، يلزم إجراء العديد من التغييرات. أولاً ، من أجل الترجمة الناجحة لحمض أميني جديد ، فإن الكودون الذي تم تخصيص الحمض الأميني الجديد له لا يمكن أن يرمز بالفعل لأحد الأحماض الأمينية الطبيعية العشرين. عادة ما يتم استخدام كودون لا معنى له (كودون إيقاف) أو كودون رباعي القواعد. [6] ثانيًا ، يلزم وجود زوج جديد من الحمض الريبي النووي النقال (tRNA) و aminoacyl tRNA synthetase ، وتسمى هذه المجموعة المتعامدة. يجب ألا تتحدث المجموعة المتعامدة مع مجموعات الحمض النووي الريبي (الحمض الريبي النووي الريبي) الداخلية ومجموعات التركيبات ، بينما تظل متوافقة وظيفيًا مع الريبوسوم والمكونات الأخرى لجهاز الترجمة. يتم تعديل الموقع النشط للمركب المركب لقبول الأحماض الأمينية الجديدة فقط. في أغلب الأحيان ، يتم فحص مكتبة من المواد التركيبية الطافرة لمكتبة تشحن الحمض النووي الريبي (tRNA) بالحمض الأميني المطلوب. يتم تعديل المركب أيضًا للتعرف على الحمض النووي الريبي المتعامد فقط. [6] غالبًا ما يتم تصميم زوج المركب tRNA في بكتيريا أخرى أو خلايا حقيقية النواة. [9]

في هذا المجال من البحث ، يُشار إلى الأحماض الأمينية المكونة للبروتين العشرين المشفرة على أنها أحماض أمينية قياسية ، أو بدلاً من ذلك كأحماض أمينية طبيعية أو متعارف عليها ، في حين أن الأحماض الأمينية المضافة تسمى الأحماض الأمينية غير القياسية (NSAAs) ، أو الأحماض الأمينية غير الطبيعية ( مصطلح uAAs غير مستخدم في الأوراق التي تتناول الأحماض الأمينية الطبيعية غير البروتينية ، مثل الفوسفوسرين) ، أو الأحماض الأمينية غير المتعارف عليها.

العنصر الأول في النظام هو الحمض الأميني الذي يضاف إلى الكود الجيني لسلالة معينة من الكائن الحي.

تمت إضافة أكثر من 71 NSAAs مختلفة إلى سلالات مختلفة من بكتريا قولونيةأو الخميرة أو خلايا الثدييات. [10] نظرًا للتفاصيل التقنية (التوليف الكيميائي الأسهل لـ NSAAs ، وتقليل الحديث المتبادل ، وتطور أسهل لمركب aminoacyl-tRNA synthase) ، تعد NSAAs عمومًا أكبر من الأحماض الأمينية القياسية وغالبًا ما تحتوي على نواة فينيل ألانين ولكن مع مجموعة كبيرة ومتنوعة من المواد المختلفة. بدائل. تسمح هذه بمجموعة كبيرة من الوظائف الجديدة ، مثل وضع العلامات (انظر الشكل) ، كمراسل فلوري (على سبيل المثال dansylalanine) [11] أو لإنتاج بروتينات متعدية في بكتريا قولونية مع تعديلات حقيقية النواة بعد الترجمة (على سبيل المثال phosphoserine و phosphothreonine و phosphotyrosine). [10] [12]

تشتمل الأحماض الأمينية غير الطبيعية المدمجة في البروتينات على أحماض أمينية ثقيلة تحتوي على ذرات لتسهيل بعض دراسات التصوير البلوري بالأشعة السينية للأحماض الأمينية مع خواص تجميعية / تعبئة وخصائص إلكترونية جديدة للربط الضوئي للأحماض الأمينية التي يمكن استخدامها لاستكشاف تفاعلات البروتين والبروتين في المختبر أو في الجسم الحي كيتو ، الأسيتيلين ، أزيد ، والأحماض الأمينية المحتوية على البورونات والتي يمكن استخدامها بشكل انتقائي لإدخال عدد كبير من المجسات الفيزيائية الحيوية والعلامات ومجموعات وظيفية كيميائية جديدة في البروتينات في المختبر أو في الجسم الحي أحماض أمينية نشطة الأكسدة والاختزال لاستكشاف وتعديل الأحماض الأمينية المحولة ضوئيًا والمختلطة ضوئيًا للتنظيم الضوئي للعمليات البيولوجية الأحماض الأمينية الملزمة للمعادن من أجل التحفيز والأحماض الأمينية لاستشعار أيونات المعادن التي تحتوي على سلاسل جانبية نشطة الفلورسنت أو الأشعة تحت الحمراء لاستكشاف بنية البروتين ودينامياته الأحماض و د-الأحماض الأمينية كمجسات لتشكيل العمود الفقري وتفاعلات الرابطة الهيدروجينية والأحماض الأمينية الكبريتية ومحاكاة الأحماض الأمينية الفسفورية كمسابر لتعديلات ما بعد الترجمة. [13] [14] [15]

يتطلب توافر الأحماض الأمينية غير القياسية أن الكائن الحي إما يستورده من الوسط أو يصنعه حيويًا. في الحالة الأولى ، يتم تصنيع الحمض الأميني غير الطبيعي كيميائياً أولاً في نقيته البصرية إل-شكل. [16] ثم يتم إضافته إلى وسط نمو الخلية. [10] عادة ما يتم اختبار مكتبة المركبات لاستخدامها في دمج الحمض الأميني الجديد ، ولكن هذا ليس ضروريًا دائمًا ، على سبيل المثال ، يمكن أن تتعامل أنظمة النقل المختلفة مع الأحماض الأمينية غير الطبيعية ذات السلاسل الجانبية القطبية. في الحالة الثانية ، يجب تصميم مسار التخليق الحيوي ، على سبيل المثال ، بكتريا قولونية السلالة التي تصنع حيويًا حمض أميني جديد (p-aminophenylalanine) من مصادر الكربون الأساسية وتدرجه في شفرته الجينية. [15] [17] [18] مثال آخر: إنتاج الفوسفوسرين ، وهو مستقلب طبيعي ، وبالتالي يتطلب تغيير مسار تدفقه لزيادة إنتاجه. [12]

عنصر آخر في النظام هو كودون لتخصيصه للحمض الأميني الجديد.

المشكلة الرئيسية لتوسيع الشفرة الجينية هي أنه لا توجد أكواد مجانية. يحتوي الكود الجيني على تخطيط غير عشوائي يُظهر علامات منبهة لمراحل مختلفة من التطور البدائي ، ومع ذلك ، فقد تجمد منذ ذلك الحين في مكانه وحافظ عليه بشكل شبه عالمي. [19] ومع ذلك ، فإن بعض الكودونات أندر من غيرها. في الواقع ، في بكتريا قولونية (وجميع الكائنات الحية) استخدام الكودون ليس متساويًا ، ولكنه يقدم العديد من الكودونات النادرة (انظر الجدول) ، والأندر هو كودون التوقف العنبر (UAG).

استخدام Codon في بكتريا قولونية [20]
كودون حمض أميني وفرة (٪)
UUU Phe (F) 1.9
جامعة كاليفورنيا Phe (F) 1.8
UUA ليو (L) 1.0
UUG ليو (L) 1.1
CUU ليو (L) 1.0
CUC ليو (L) 0.9
CUA ليو (L) 0.3
CUG ليو (L) 5.2
AUU إيل (أنا) 2.7
الجامعة الأمريكية بالقاهرة إيل (أنا) 2.7
AUA إيل (أنا) 0.4
أغسطس ميت (م) 2.6
GUU فال (V) 2.0
GUC فال (V) 1.4
GUA فال (V) 1.2
GUG فال (V) 2.4
جامعة كاليفورنيا سر (S) 1.1
يونيون كاربايد كوربوريشن سر (S) 1.0
ش كاليفورنيا سر (S) 0.7
يو سي جي سر (S) 0.8
CCU Pro (P) 0.7
CCC Pro (P) 0.4
CCA Pro (P) 0.8
CCG Pro (P) 2.4
ACU Thr (T) 1.2
ACC Thr (T) 2.4
ACA Thr (T) 0.1
ACG Thr (T) 1.3
GCU علاء) 1.8
مجلس التعاون الخليجي علاء) 2.3
GCA علاء) 0.1
GCG علاء) 3.2
UAU صور (ص) 1.6
UAC صور (ص) 1.4
UAA قف 0.2
UAG قف 0.03
CAU صاحب (ح) 1.2
كاك صاحب (ح) 1.1
CAA جلين (س) 1.3
CAG جلين (س) 2.9
AAU أسن (ن) 1.6
AAC أسن (ن) 2.6
AAG ليس (ك) 3.8
AAA ليس (ك) 1.2
GAU آسيا والمحيط الهادئ (د) 3.3
GAC آسيا والمحيط الهادئ (د) 2.3
GAA صمغ) 4.4
أسكت صمغ) 1.9
UGU Cys (C) 0.4
المحتوى الذي ينشئه المستخدمون Cys (C) 0.6
UGA قف 0.1
UGG TRP (W) 1.4
CGU Arg (R) 2.4
CGC Arg (R) 2.2
CGA Arg (R) 0.3
CGG Arg (R) 0.5
AGU سر (S) 0.7
AGC سر (S) 1.5
AGA سر (S) 0.2
AGG سر (S) 0.2
GGU Gly (G) 2.8
GGC Gly (G) 3.0
GGC Gly (G) 0.7
GGA Gly (G) 0.9

تحرير قمع كودون العنبر

أدرك نورمانلي إمكانية إعادة تعيين الكودونات وآخرون. في عام 1990 ، عندما سلالة متحولة قابلة للحياة من بكتريا قولونية قراءة من خلال كودون التوقف UAG ("العنبر"). [21] كان هذا ممكنًا بفضل ندرة هذا الكودون وحقيقة أن عامل التحرير 1 وحده يجعل الكودون الكهرماني ينهي الترجمة. في وقت لاحق ، في مختبر شولتز ، تم تركيب tRNATyr / tyrosyl-tRNA synthetase (TyrRS) من Methanococcus jannaschii، a archaebacterium ، [6] تم استخدامه لإدخال التيروزين بدلاً من STOP ، القيمة الافتراضية لكودون العنبر. [22] كان هذا ممكنًا بسبب الاختلافات بين التركيبات البكتيرية الذاتية والتركيبات البدائية المتعامدة ، والتي لا تتعرف على بعضها البعض. بعد ذلك ، طورت المجموعة زوج tRNA / synthase المتعامد للاستفادة من الأحماض الأمينية غير القياسية اميثيل تيروسين. [23] تبع ذلك أكبر naphthylalanine [24] والتشابك الضوئي benzoylphenylalanine ، [25] والذي أثبت الفائدة المحتملة للنظام.

الكود الكهرماني هو أقل الكودون استخدامًا في الإشريكية القولونية، ولكن اختطافها يؤدي إلى فقدان كبير في اللياقة. وجدت إحدى الدراسات في الواقع أن هناك ما لا يقل عن 83 ببتيدًا متأثرًا بشكل كبير بالقراءة [26] بالإضافة إلى ذلك ، كان وضع العلامات غير مكتمل. نتيجة لذلك ، تم إجراء العديد من السلالات لتقليل تكلفة اللياقة ، بما في ذلك إزالة جميع الكودونات الكهرمانية من الجينوم. على الأغلب بكتريا قولونية سلالات K-12 (بمعنى. الإشريكية القولونية (البيولوجيا الجزيئية) لنسب الإجهاد) هناك 314 كودون UAG توقف. وبالتالي ، تم بذل قدر هائل من العمل لاستبدال هذه. أحد الأساليب التي ابتكرتها مجموعة البروفيسور جورج تشيرش من جامعة هارفارد ، أطلق عليها اسم MAGE في CAGE: اعتمد هذا على تحويل متعدد الإرسال وإعادة تركيب سلالة لاحقة لإزالة جميع أكواد UAG - قدم الجزء الأخير نقطة توقف في الورقة الأولى ، [27 ] ولكن تم التغلب عليها. أدى هذا في بكتريا قولونية سلالة C321.ΔA ، والتي تفتقر إلى جميع أكواد UAG و RF1. [28] سمح ذلك بإجراء تجربة على هذه السلالة لجعلها "مدمنة" على الحمض الأميني ثنائي الفينيل ألانين عن طريق تطوير العديد من الإنزيمات الرئيسية لتتطلبه هيكليًا ، وبالتالي وضع الشفرة الجينية الموسعة تحت الانتقاء الإيجابي. [29]

نادر إعادة تعيين الكودون بالمعنى الحرفي

بالإضافة إلى الكودون الكهرماني ، تم أيضًا النظر في استخدام الكودونات ذات الحس النادر. أكواد كودون AGG للأرجينين ، ولكن تم تعديل السلالة بنجاح لجعلها رمزًا لـ 6-ن-اليلوكسي كاربونيل ليسين. [30] مرشح آخر هو كودون AUA ، وهو أمر غير معتاد من حيث أن الحمض الريبي النووي النقال (tRNA) الخاص به يجب أن يميز عن AUG الذي يرمز للميثيونين (في الأصل ، isoleucine ، ومن هنا موقعه). من أجل القيام بذلك ، يحتوي AUA tRNA على قاعدة خاصة ، lysidine. حذف سينسيز (سمسم) بفضل استبدال الحمض الريبي النووي النقال الأصلي بتلك الموجودة في الميكوبلازما موبايل (لا يسيدين). تعد اللياقة المخفضة خطوة أولى نحو الضغط على الإجهاد لفقد جميع حالات AUA ، مما يسمح باستخدامها لتوسيع الشفرة الجينية. [31]

أربعة أكواد أساسية تحرير

تشمل الأساليب الأخرى إضافة اقتران أساسي إضافي أو استخدام الريبوسومات المتعامدة التي تقبل بالإضافة إلى الشفرة الوراثية الثلاثية العادية ، tRNAs ذات الشفرة الرباعية. [32] سمح ذلك بالاستخدام المتزامن لاثنين من الأحماض الأمينية غير الطبيعية ، ص- أزيدوفينيل ألانين (pAzF) و N6 - [(2-propynyloxy) كاربونيل] ليسين (CAK) ، والتي تتشابك مع بعضها البعض بواسطة Huisgen cycloaddition. [33]

عنصر رئيسي آخر هو زوج الحمض الريبي النووي النقال / المركب.

يمكن تحوير المجموعة المتعامدة من المركب والحمض النووي الريبي (tRNA) وفحصها من خلال التطور الموجه لشحن الحمض النووي الريبي (tRNA) بحمض أميني مختلف ، وحتى جديد. يمكن إدخال الطفرات إلى البلازميد الذي يحتوي على الزوج عن طريق تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR) المعرض للخطأ أو من خلال البادئات المتدهورة للموقع النشط للمركب. يتضمن الاختيار جولات متعددة من عملية من خطوتين ، حيث يتم نقل البلازميد إلى خلايا تعبر عن الكلورامفينيكول أسيتيل ترانسفيراز مع كودون كهرماني سابق لأوانه. في ظل وجود الكلورامفينيكول السام والحمض الأميني غير الطبيعي ، فإن الخلايا الباقية قد تجاوزت الكودون الكهرماني باستخدام الحمض الريبي النووي النقال المتعامد مع الأحماض الأمينية القياسية أو غير الطبيعية. لإزالة الأول ، يتم إدخال البلازميد في الخلايا التي تحتوي على جين بارنيز (سام) مع كودون كهرماني سابق لأوانه ولكن بدون الأحماض الأمينية غير الطبيعية ، وإزالة جميع التركيبات المتعامدة التي لا تتعرف على وجه التحديد على الأحماض الأمينية غير الطبيعية. [6] بالإضافة إلى إعادة تشفير الحمض الريبي النووي النقال إلى كودون مختلف ، يمكن تحويرها للتعرف على كودون رباعي القواعد ، مما يسمح بخيارات تشفير مجانية إضافية. [34] ونتيجة لذلك ، يقدم الأحماض الأمينية غير الطبيعية خصائص فيزيائية وكيميائية وبيولوجية متنوعة من أجل استخدامها كأداة لاستكشاف بنية البروتين ووظيفته أو لإنشاء بروتين جديد أو محسن لأغراض عملية.

المجموعات المتعامدة في نموذج الكائنات الحية تحرير

قد لا تعمل الأزواج المتعامدة من synthetase و tRNA التي تعمل مع كائن حي مع كائن آخر ، حيث قد يسيء synthetase الحمض الريبي النووي النقال aminoacylate أو أن الحمض النووي الريبي (tRNA) يسيء إلى aminoacylated نفسه بواسطة synthetase داخلية. نتيجة لذلك ، تختلف المجموعات التي تم إنشاؤها حتى الآن بين الكائنات الحية.

في عام 2017 ، تم الإبلاغ عن فأر مصمم بشفرة وراثية ممتدة يمكنه إنتاج بروتينات تحتوي على أحماض أمينية غير طبيعية. [48]

على غرار tRNAs المتعامد و aminoacyl tRNA synthetases (aaRSs) ، تم تصميم الريبوسومات المتعامدة للعمل بالتوازي مع الريبوسومات الطبيعية. تستخدم الريبوسومات المتعامدة بشكل مثالي نسخًا مختلفة من الرنا المرسال عن نظيراتها الطبيعية ويجب في النهاية الاعتماد على مجموعة منفصلة من الحمض النووي الريبي أيضًا. هذا من شأنه أن يخفف بعض فقدان اللياقة الذي لا يزال ينشأ حاليًا من تقنيات مثل كبت كودون Amber. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن تحوير الريبوسومات المتعامدة وتحسينها لمهام معينة ، مثل التعرف على الكودونات الرباعية. مثل هذا التحسين غير ممكن ، أو غير موات للغاية للريبوزومات الطبيعية.

تحرير o- الريبوسوم

في عام 2005 ، تم نشر ثلاث مجموعات من الريبوسومات ، والتي لم تتعرف على الرنا المرسال الطبيعي ، ولكنها ترجمت بدلاً من ذلك مجموعة منفصلة من الرنا المرسال المتعامد (o-mRNA). [49] تم تحقيق ذلك عن طريق تغيير تسلسل التعرف على mRNA ، وتسلسل Shine-Dalgarno ، وتسلسل التعرف المقابل في 16S rRNA للريبوسومات ، ما يسمى تسلسل Anti-Shine-Darlgarno-Sequence. وبهذه الطريقة ، يظل الاقتران الأساسي ، والذي يتم فقده عادةً إذا تم تغيير أي من التسلسل ، متاحًا. ومع ذلك ، فإن الطفرات في الرنا الريباسي 16S لم تقتصر على نيوكليوتيدات الاقتران الأساسي الواضح للتسلسل الكلاسيكي المضاد للتألق-دارلغارنو.

تحرير Ribo-X

في عام 2007 ، قدمت مجموعة Jason W. Chin الريبوسوم المتعامد ، والذي تم تحسينه لقمع الكودون الكهرماني. [50] تم تحوير الرنا الريباسي 16S بطريقة تجعل عامل التحرر RF1 أقل قوة من الريبوسوم الطبيعي. لم يقضي هذا الريبوسوم على مشكلة تدني لياقة الخلية التي تسببها أكواد الإيقاف المكبوتة في البروتينات الطبيعية. ومع ذلك ، من خلال الخصوصية المحسنة ، زادت غلة البروتين المستهدف المركب بشكل صحيح بشكل كبير (من

20٪ إلى & gt60٪ لكودون كهرماني واحد يتم قمعه وتشكيله من 1٪ إلى & gt20٪ لكودونين كهرمان).

تحرير Ribo-Q

في عام 2010 قدمت مجموعة Jason W. Chin نسخة محسنة أخرى من الريبوسوم المتعامد. Ribo-Q عبارة عن 16S rRNA مُحسَّن للتعرف على الحمض الريبي النووي النقال (tRNAs) ، والذي يحتوي على رباعي الكودونات المضادة للتعرف على الكودونات الرباعية ، بدلاً من الكودونات الثلاثية الطبيعية. [33] مع هذا النهج ، يرتفع عدد الكودونات الممكنة من 64 إلى 256. حتى مع مراعاة مجموعة متنوعة من أكواد الإيقاف ، يمكن ترميز أكثر من 200 من الأحماض الأمينية المختلفة بهذه الطريقة.

تدبيس الريبوسوم تحرير

تركز الريبوسومات المتعامدة الموصوفة أعلاه على تحسين الرنا الريباسي 16S. حتى الآن ، تم دمج هذا الرنا الريباسي 16S المُحسَّن مع الوحدات الفرعية الطبيعية الكبيرة لتشكيل ريبوسومات متعامدة. إذا كان من المقرر أيضًا تحسين 23S rRNA ، المكون الرئيسي للحمض النووي الريبي للوحدة الفرعية الريبوسومية الكبيرة ، فلا بد من التأكد من عدم وجود تداخل في تجميع الريبوسومات المتعامدة والطبيعية (انظر الشكل X B). للتأكد من أن الرنا الريباسي 23S المحسن سيتشكل فقط في الريبوسومات باستخدام الرنا الريباسي 16S المحسن ، تم دمج الرنا الريباسي في نسخة واحدة. [51] بإدخال تسلسل الحمض الريبي النووي الريبوزي 23S في منطقة حلقة من تسلسل الرنا الريباسي 16S ، لا تزال كلتا الوحدتين الفرعيتين تعتمدان طيات عاملة. نظرًا لأن الرنا الريباسي اثنين مرتبطان وبالتالي على مقربة ثابتة ، فمن الأفضل أن يربط كل منهما الآخر ، وليس الوحدات الفرعية الريبوزومية العائمة الأخرى.

تحرير مركز ترانسفيراز الببتيدل الهندسي

في عام 2014 ، تبين أنه من خلال تغيير مركز peptidyl transferase لـ 23S rRNA ، يمكن إنشاء الريبوسومات التي تعتمد على تجمعات متعامدة من الحمض الريبي النووي النقال. [52] يتم الاحتفاظ عالميًا بنهاية 3 من الحمض النووي الريبي لتكون CCA. زوج قاعدة السيتدين مع اثنين من الجوانيين 23S الرنا الريباسي لربط الحمض النووي الريبي بالريبوسوم. هذا التفاعل مطلوب من أجل الإخلاص الترجمي. ومع ذلك ، من خلال التحوير المشترك للنيوكليوتيدات الملزمة بهذه الطريقة ، بحيث لا يزال بإمكانها قاعدة الزوج ، يمكن الحفاظ على الإخلاص الانتقالي. يتم تحور نهاية 3’-end من الحمض النووي الريبي من CCA إلى CGA ، بينما يتم تحور اثنين من النيوكليوتيدات السيتدين في مواقع الريبوسومات A و P إلى guanidine. هذا يؤدي إلى الريبوسومات التي لا تقبل الحمض النووي الريبي الذي يحدث بشكل طبيعي كركائز وإلى الحمض النووي الريبي ، والذي لا يمكن استخدامه كركيزة بواسطة الريبوسومات الطبيعية.
لاستخدام هذه الحمض النووي الريبي بشكل فعال ، يجب أن تكون aminoacylated بواسطة aaRSs متعامدة محددة. تتعرف معظم aaRSs التي تحدث بشكل طبيعي على 3’-end من الحمض الريبي النووي النقال (tRNA) المقابل لها. [53] [54] لا تتوفر بعد aaRSs لهذه الحمض النووي الريبي المتحور الثلاثة. حتى الآن ، تم إثبات أن هذا النظام يعمل فقط في إعداد ترجمة في المختبر حيث تم تحقيق aminoacylation من الحمض الريبي النووي النقال المتعامد باستخدام ما يسمى "فليكسيزيمز". فليكسيزيمات هي ريبوزيمات مع نشاط حمض الحمض النووي الريبي-الأميني. [55]

من خلال الشفرة الوراثية الموسعة ، يمكن توجيه الحمض الأميني غير الطبيعي وراثيًا إلى أي موقع يتم اختياره في البروتين محل الاهتمام. تتيح الكفاءة والدقة العالية لهذه العملية تحكمًا أفضل في وضع التعديل مقارنةً بتعديل البروتين بعد الترجمة ، والذي ، بشكل عام ، سيستهدف جميع الأحماض الأمينية من نفس النوع ، مثل مجموعة ثيول من السيستين و المجموعة الأمينية ليسين. [56] أيضًا ، تسمح الشفرة الوراثية الموسعة بإجراء تعديلات في الجسم الحي. تسمح القدرة على تحديد موقع الشقوق الكيميائية المُصنَّعة في المختبر على وجه التحديد إلى بروتينات بالعديد من أنواع الدراسات التي قد تكون صعبة للغاية ، مثل:

  • فحص بنية البروتين ووظيفته: باستخدام الأحماض الأمينية ذات الأحجام المختلفة قليلاً مثل ا- ميثيل تيروسين أو دانسيل ألانين بدلاً من التيروزين ، وعن طريق إدخال شقوق مراسلة مشفرة وراثيًا (متغيرة اللون و / أو نشطة الدوران) في مواقع بروتينية مختارة ، يمكن قياس المعلومات الكيميائية حول بنية البروتين ووظيفته.
  • استقصاء دور التعديلات اللاحقة للترجمة في بنية البروتين ووظيفته: باستخدام الأحماض الأمينية التي تحاكي التعديلات اللاحقة للترجمة مثل الفوسفوسرين ، يمكن الحصول على البروتين النشط بيولوجيًا ، ويمكن أن تؤدي الطبيعة الخاصة بالموقع لتضمين الأحماض الأمينية إلى المعلومات حول كيفية تأثير موضع وكثافة وتوزيع البروتين فسفرة البروتين على وظيفة البروتين. [57] [58] [59] [60]
  • تحديد وتنظيم نشاط البروتين: باستخدام الأحماض الأمينية الضوئية ، يمكن "تشغيل" وظيفة البروتين أو إيقاف تشغيلها عن طريق إضاءة الكائن الحي.
  • تغيير طريقة عمل البروتين: يمكن للمرء أن يبدأ بجين البروتين الذي يربط تسلسلًا معينًا من الحمض النووي ، ومن خلال إدخال حمض أميني نشط كيميائيًا في موقع الارتباط ، يتم تحويله إلى بروتين يقطع الحمض النووي بدلاً من ملزمة.
  • تحسين المناعة والتغلب على التسامح الذاتي: عن طريق استبدال التيروزينات المختارة استراتيجيًا بـ ص- نيترو فينيل ألانين ، وهو بروتين ذاتي يمكن تحمّله يمكن أن يكون مناعيًا. [61]
  • التدمير الانتقائي لمكونات خلوية محددة: باستخدام شفرة جينية موسعة ، يمكن دمج شقوق كيميائية غير طبيعية ومدمرة (تسمى أحيانًا "الرؤوس الحربية الكيميائية") في البروتينات التي تستهدف مكونات خلوية محددة. [62]
  • إنتاج بروتين أفضل: تطور عاثيات T7 على شكل غير متطور بكتريا قولونية السلالة التي شفر 3-iodotyrosine على الكودون الكهرماني ، نتج عنها مجموعة أكثر لياقة من النوع البري بفضل وجود اليودوتيروزين في بروتينها [63]

لا يزال توسع الشيفرة الجينية في مهده. تستخدم المنهجية الحالية فقط حمض أميني واحد غير قياسي في ذلك الوقت ، بينما يمكن استخدام عدة حمض أميني مثالي.

تحرير الجينوم الاصطناعي المعاد ترميزه

تتمثل إحدى طرق تحقيق ترميز العديد من الأحماض الأمينية غير الطبيعية في تخليق جينوم معاد كتابته. [64] في عام 2010 ، بتكلفة 40 مليون دولار للكائن الحي ، مختبرات الميكوبلازما، تم إنشاؤه بواسطة جينوم اصطناعي ، ولكن غير معاد تشفيره. [65] في عام 2019 ، الإشريكية القولونية تم إنشاء Syn61 ، بجينوم 4 ميغا بايت معاد ترميزه يتكون من 61 كودونًا فقط بدلاً من 64 كودون طبيعي. يتعرف الحمض الريبي النووي النقال (tRNA) على العديد من الكودونات [64]

توسيع الأبجدية الجينية تحرير

نهج آخر هو توسيع عدد القواعد النووية لزيادة قدرة التشفير.

الزوج الأساسي غير الطبيعي (UBP) عبارة عن وحدة فرعية مصممة (أو القاعدة النووية) من الحمض النووي التي يتم إنشاؤها في المختبر ولا تحدث في الطبيعة. تم إجراء عرض توضيحي لـ UBPs في المختبر بواسطة مجموعة Ichiro Hirao في معهد RIKEN في اليابان. في عام 2002 ، طوروا زوجًا أساسيًا غير طبيعي بين 2-amino-8- (2-thienyl) purine (s) and pyridine-2-one (y) الذي يعمل في المختبر في النسخ والترجمة لدمج موقع محدد للأحماض الأمينية غير القياسية في البروتينات. [66] في عام 2006 ، ابتكروا 7- (2-ثينيل) إيميدازو [4،5-ب] بيريدين (Ds) و pyrrole-2-carbaldehyde (Pa) كزوج أساسي ثالث للنسخ والنسخ. [67] بعد ذلك ، تم اكتشاف Ds و 4- [3- (6-aminohexanamido) -1-propynyl] -2-nitropyrrole (Px) كزوج عالي الدقة في تضخيم PCR. [68] [69] في عام 2013 ، قاموا بتطبيق زوج Ds-Px على توليد DNA aptamer بواسطة في المختبر اختيار (SELEX) وأظهر التوسع الأبجدي الجيني يزيد بشكل كبير من تقاربات أبتامر الحمض النووي لاستهداف البروتينات. [70]

في عام 2012 ، نشرت مجموعة من العلماء الأمريكيين بقيادة فلويد روميسبيرج ، عالم الأحياء الكيميائية في معهد سكريبس للأبحاث في سان دييغو ، كاليفورنيا ، أن فريقه صمم زوجًا أساسيًا غير طبيعي (UBP). [71] النيوكليوتيدات الاصطناعية الجديدة أو زوج قاعدة غير طبيعي (UBP) سميت "d5SICS" و "dNaM". بشكل أكثر تقنيًا ، تتميز هذه النيوكليوتيدات الاصطناعية التي تحمل قواعد نووية كارهة للماء ، بحلقتين عطريتين مدمجتين تشكلان مركبًا (d5SICS-dNaM) أو زوجًا أساسيًا في الحمض النووي. [72] [73] في عام 2014 ، أفاد نفس الفريق من معهد سكريبس للأبحاث أنهم صنعوا امتدادًا من الحمض النووي الدائري المعروف باسم البلازميد الذي يحتوي على أزواج قاعدية طبيعية من TA و CG جنبًا إلى جنب مع أفضل مختبر UBP Romesberg الذي صممه وأدخله في خلايا البكتيريا الشائعة بكتريا قولونية التي نجحت في تكرار أزواج القواعد غير الطبيعية عبر أجيال متعددة. [74] هذا هو أول مثال معروف لكائن حي يمرر رمزًا وراثيًا موسعًا إلى الأجيال اللاحقة. [72] [75] تم تحقيق ذلك جزئيًا عن طريق إضافة جين طحالب داعم يعبر عن ناقل ثلاثي الفوسفات للنيوكليوتيدات والذي يستورد بكفاءة ثلاثي الفوسفات لكل من d5SICSTP و dNaMTP إلى بكتريا قولونية بكتيريا. [72] بعد ذلك ، تستخدمها مسارات التكاثر البكتيرية الطبيعية لتكرار البلازميد الذي يحتوي على d5SICS-dNaM بدقة.

يعد الدمج الناجح لزوج أساسي ثالث في كائن حي دقيق تقدمًا مهمًا نحو هدف زيادة عدد الأحماض الأمينية التي يمكن ترميزها بواسطة الحمض النووي بشكل كبير ، وبالتالي توسيع إمكانات الكائنات الحية لإنتاج بروتينات جديدة. [74] لا تُشفِّر الأوتار الاصطناعية للحمض النووي لأي شيء حتى الآن ، لكن العلماء يتكهنون بإمكانية تصميمها لتصنيع بروتينات جديدة يمكن أن يكون لها استخدامات صناعية أو صيدلانية. [76]

في مايو 2014 ، أعلن الباحثون أنهم نجحوا في إدخال نوعين من النيوكليوتيدات الاصطناعية الجديدة في الحمض النووي البكتيري ، ومن خلال تضمين النيوكليوتيدات الصناعية الفردية في وسط المزرعة ، تمكنوا من تمرير البكتيريا 24 مرة لم ينتجوا عنها mRNA أو بروتينات قادرة على استخدام المادة الاصطناعية. النيوكليوتيدات. [72] [77] [78] [79]

طريقة دمج الضغط الانتقائي (SPI) لإنتاج البروتينات الخيفية تحرير

كانت هناك العديد من الدراسات التي أنتجت بروتينًا يحتوي على أحماض أمينية غير قياسية ، لكنها لا تغير الكود الجيني. يتم تصنيع هذا البروتين ، المسمى بروتين alloprotein ، عن طريق احتضان الخلايا بحمض أميني غير طبيعي في حالة عدم وجود حمض أميني مشفر مشابه من أجل دمج الأول في البروتين بدلاً من الأخير ، على سبيل المثال إل-2-aminohexanoic acid (Ahx) للميثيونين (Met). [80]

تعتمد هذه الدراسات على النشاط الطبيعي المختلط لـ aminoacyl tRNA synthetase لإضافة الحمض الأميني غير الطبيعي (أي التناظرية) إلى الحمض النووي الريبي المستهدف (أي التناظرية) على غرار الركيزة الطبيعية ، على سبيل المثال methionyl-tRNA synthase الذي يخلط بين isoleucine والميثيونين. [81] في دراسة بلورات البروتين ، على سبيل المثال ، تؤدي إضافة سيلينوميثيونين إلى وسط ثقافة سلالة ميثيونين-مساعدة التغذية إلى بروتينات تحتوي على سيلينوميثيونين بدلاً من ميثيونين (بمعنى. تشتت شاذ متعدد الأطوال الموجية لسبب). [82] مثال آخر هو إضافة الفوتولوسين والفوتوميثيونين بدلاً من الليوسين والميثيونين إلى البروتين المتقاطع. [83] وبالمثل ، يمكن لبعض الفطريات التي تتحمل التيلوريوم دمج التيلوروسيستين والتيلوروميثيونين في البروتين بدلاً من السيستين والميثيونين. [84] الهدف من توسيع الشفرة الجينية أكثر جذرية لأنه لا يحل محل حمض أميني ، لكنه يضيف واحدًا أو أكثر إلى الكود. من ناحية أخرى ، يتم إجراء الاستبدالات على مستوى البروتين بشكل أكثر كفاءة من خلال بدائل الأحماض الأمينية العالمية. على سبيل المثال ، تمت محاولة الاستبدالات العالمية على مستوى البروتين للأحماض الأمينية الطبيعية مع نظائرها المفلورة في بكتريا قولونية [85] و B. الرقيقة. [86] استبدال التربتوفان الكامل بالثينوبيرول-ألانين استجابة لـ 20899 كودونات UGG في بكتريا قولونية تم الإبلاغ عنه في عام 2015 من قبل Budisa و Söll. [87] علاوة على ذلك ، فإن العديد من الظواهر البيولوجية ، مثل طي البروتين واستقراره ، تستند إلى تأثيرات تآزرية في العديد من المواضع في تسلسل البروتين. [88]

في هذا السياق ، تولد طريقة SPI متغيرات البروتين المؤتلف أو البروتينات الخيفية مباشرة عن طريق استبدال الأحماض الأمينية الطبيعية بنظائرها غير الطبيعية. [89] يُستكمل مضيف التعبير المساعد للأحماض الأمينية بنظير من الأحماض الأمينية أثناء التعبير البروتيني المستهدف. [90] يتجنب هذا النهج مآزق الطرق القائمة على القمع [91] ويتفوق عليها من حيث الكفاءة والتكاثر والإعداد التجريبي البسيط للغاية. [92] أظهرت العديد من الدراسات كيف أن الاستبدال العالمي للأحماض الأمينية الكنسية بمثيلاتها المتوازنة المختلفة تسبب في الحد الأدنى من الاضطرابات الهيكلية ولكن تغيرات جذرية في الديناميكا الحرارية ، [93] الطي ، [94] التجميع [95] الخصائص الطيفية [96] [97] والنشاط الأنزيمي . [98]

في المختبر التوليف تحرير

توسيع الشفرة الجينية الموصوفة أعلاه هو في الجسم الحي. البديل هو تغيير الترميز في المختبر تجارب الترجمة. وهذا يتطلب استنفاد جميع الحمض النووي الريبي (tRNAs) وإعادة الإدخال الانتقائي لبعض الحمض الريبي النووي النقال aminoacylated-tRNAs ، وبعضها aminoacylated كيميائيًا. [99]

تحرير التوليف الكيميائي

هناك العديد من التقنيات لإنتاج الببتيدات كيميائيًا ، بشكل عام عن طريق كيمياء حماية المرحلة الصلبة. هذا يعني أنه يمكن إضافة أي حمض أميني (محمي) في التسلسل الناشئ.

في نوفمبر 2017 ، أفاد فريق من معهد سكريبس للأبحاث عن بناء شبه اصطناعي بكتريا قولونية يستخدم جينوم البكتيريا ستة أحماض نووية مختلفة (مقابل أربعة أحماض موجودة في الطبيعة). يشكل الحرفان الإضافيان زوجًا أساسيًا ثالثًا غير طبيعي. كانت الكائنات الحية قادرة على الازدهار وتكوين البروتينات باستخدام "الأحماض الأمينية غير الطبيعية". [100] [101] الزوج الأساسي غير الطبيعي المستخدم هو dNaM – dTPT3. [101] تم توضيح هذا الزوج الأساسي غير الطبيعي سابقًا ، [102] [103] ولكن هذا هو أول تقرير عن نسخ وترجمة البروتينات باستخدام زوج قاعدي غير طبيعي.


الرموز الجينية البديلة في الكائنات الحية المتسلسلة حديثًا - علم الأحياء

  • علم الأحياء الخارجية لديه القدرة على الكشف عن المعرفة الأساسية حول علم الأحياء وأصل الحياة. من أجل فهم أصل الحياة بشكل أفضل ، من الضروري معرفة سبب تطور الحياة على ما يبدو عبر عالم مبكر من RNA إلى نظام بروتين DNA-RNA وشفرته الوراثية العالمية تقريبًا. [6] هل كان ذلك "حادثًا" تطوريًا أم أن هناك قيودًا استبعدت أنواعًا أخرى من الكيمياء؟ من خلال اختبار "الحساء البدائي" الكيميائي الحيوي البديل ، من المتوقع أن نفهم بشكل أفضل المبادئ التي أدت إلى نشوء الحياة كما نعرفها.
  • علم الأحياء Xenobiology هو نهج لتطوير أنظمة الإنتاج الصناعي بقدرات جديدة عن طريق هندسة البوليمرات الحيوية المحسنة ومقاومة مسببات الأمراض. يشفر الكود الجيني في جميع الكائنات الحية 20 من الأحماض الأمينية الأساسية المستخدمة في التخليق الحيوي للبروتين. في حالات نادرة ، يمكن دمج الأحماض الأمينية الخاصة مثل سيلينوسيستين أو بيروليزين أو فورميل ميثيونين بواسطة جهاز الترجمة في بروتينات بعض الكائنات الحية. [7] باستخدام الأحماض الأمينية الإضافية من بين أكثر من 700 من الأحماض الأمينية المعروفة للكيمياء الحيوية ، يمكن تغيير قدرات البروتينات لإحداث وظائف تحفيزية أو مادية أكثر كفاءة. يهدف مشروع Metacode الذي تموله المفوضية الأوروبية ، [8] على سبيل المثال ، إلى دمج التبادل الكيميائي مزدوج التبادل (وظيفة تحفيزية مفيدة حتى الآن غير معروفة في الكائنات الحية) في الخلايا البكتيرية. يكمن سبب آخر وراء قدرة XB على تحسين عمليات الإنتاج في إمكانية تقليل خطر الإصابة بالفيروس أو تلوث العاثيات في الزراعة لأن الخلايا XB لم تعد توفر خلايا مضيفة مناسبة ، مما يجعلها أكثر مقاومة (نهج يسمى الاحتواء الدلالي)
  • تقدم Xenobiology خيار تصميم "جدار حماية جيني" ، وهو نظام احتواء حيوي جديد ، والذي قد يساعد في تعزيز وتنويع مناهج الاحتواء الحيوي الحالية. [2] أحد الاهتمامات المتعلقة بالهندسة الوراثية والتكنولوجيا الحيوية التقليدية هو نقل الجينات الأفقي إلى البيئة والمخاطر المحتملة على صحة الإنسان. تتمثل إحدى الأفكار الرئيسية في XB في تصميم رموز وراثية بديلة وكيمياء حيوية بحيث لا يصبح نقل الجينات الأفقي ممكنًا. [9] بالإضافة إلى ذلك ، تسمح الكيمياء الحيوية البديلة أيضًا بتكوين مساعدة اصطناعية جديدة. الفكرة هي إنشاء نظام بيولوجي متعامد لا يتوافق مع الأنظمة الوراثية الطبيعية. [10]

في علم الأحياء الغريبة ، الهدف هو تصميم وبناء أنظمة بيولوجية تختلف عن نظيراتها الطبيعية على مستوى أساسي واحد أو أكثر. من الناحية المثالية ، ستكون هذه الكائنات الجديدة على الطبيعة مختلفة في كل جانب كيميائي حيوي محتمل يعرض رمزًا جينيًا مختلفًا تمامًا. [11] الهدف طويل المدى هو بناء خلية تخزن معلوماتها الجينية ليس في الحمض النووي ولكن في بوليمر إعلامي بديل يتكون من أحماض نووية زينو (XNA) ، وأزواج قاعدية مختلفة ، باستخدام أحماض أمينية غير متعارف عليها ومركب متغير. الكود الجيني. حتى الآن تم بناء الخلايا التي تتضمن واحدة أو اثنتين فقط من هذه الميزات.

أحماض زينو النووية (XNA)

في الأصل ، كان هذا البحث حول الأشكال البديلة للحمض النووي مدفوعًا بمسألة كيفية تطور الحياة على الأرض ولماذا تم اختيار الحمض النووي الريبي والحمض النووي من خلال التطور (الكيميائي) على هياكل الأحماض النووية المحتملة الأخرى. [12] هناك فرضيتان لاختيار الحمض النووي الريبي والحمض النووي كعمود فقري للحياة ، إما أنهما مفضلان في ظل ظروف الحياة على الأرض ، أو أنهما كانا موجودين بالصدفة في كيمياء ما قبل الحياة ويستمر استخدامهما الآن. [13] أدت الدراسات التجريبية المنهجية التي تهدف إلى تنويع التركيب الكيميائي للأحماض النووية إلى إنتاج بوليمرات حيوية إعلامية جديدة تمامًا. حتى الآن ، تم تصنيع عدد من XNAs مع العمود الفقري الكيميائي الجديد أو المجموعة الخارجة من الحمض النووي ، [3] [14] [15] [16] على سبيل المثال: حمض نووي سداسي (HNA) ، [17] حمض الجليكول النووي (GNA) حمض سيكلوهكسينيل النووي (CeNA). [18] تم دمج XNA في البلازميد ، والذي يتضمن 3 أكواد HNA ، بالفعل في عام 2003. [19] يتم استخدام XNA في الجسم الحي (E coli) كقالب لتخليق الحمض النووي. تم تمديد هذه الدراسة ، باستخدام شريط وراثي ثنائي (G / T) وقاعدتين غير DNA (Hx / U) ، إلى CeNA ، بينما يبدو أن GNA غريب جدًا في هذه اللحظة بحيث لا يمكن استخدام النظام البيولوجي الطبيعي كقالب لتخليق الحمض النووي. [20] القواعد الموسعة التي تستخدم العمود الفقري الطبيعي للحمض النووي يمكن ، بالمثل ، تحويلها إلى دنا طبيعي ، وإن كان ذلك على نطاق محدود. [21]

بصرف النظر عن استخدامه كتمديدات لخيوط DNA النموذجية ، فقد تم اختبار نشاط XNA لاستخدامه كمحفزات جينية. على الرغم من أن البروتينات هي المكونات الأكثر شيوعًا للنشاط الأنزيمي الخلوي ، إلا أن الأحماض النووية تستخدم أيضًا في الخلية لتحفيز التفاعلات. وجدت دراسة أجريت عام 2015 عدة أنواع مختلفة من XNA ، وأبرزها FANA (2'-fluoroarabino nucleic acids) ، وكذلك HNA و CeNA و ANA (الأحماض النووية العربية) يمكن استخدامها لتقسيم الحمض النووي الريبي أثناء معالجة الحمض النووي الريبي بعد النسخ التي تعمل كـ XNA الإنزيمات ، ومن هنا جاء اسم XNAzymes. أظهرت FANA XNAzymes أيضًا القدرة على ربط ركائز DNA و RNA و XNA. [13] على الرغم من أن دراسات XNAzyme لا تزال أولية ، إلا أن هذه الدراسة كانت خطوة في اتجاه البحث عن مكونات الدوائر الاصطناعية الأكثر كفاءة من تلك التي تحتوي على DNA و RNA نظائرها التي يمكنها تنظيم DNA و RNA وركائزها الخاصة ، XNA.

توسيع الأبجدية الجينية تحرير

بينما قامت XNAs بتعديل العمود الفقري ، تستهدف التجارب الأخرى استبدال أو توسيع الأبجدية الجينية للحمض النووي بأزواج قاعدية غير طبيعية. على سبيل المثال ، تم تصميم الحمض النووي الذي يحتوي - بدلاً من القواعد القياسية الأربعة A و T و G و C - على ست قواعد A و T و G و C والقاعدتان الجديدتان P و Z (حيث يرمز Z إلى 6- Amino-5-nitro3- (l'-pD-2'-deoxyribofuranosyl) -2 (1H) -pyridone ، و P تعني 2-Amino-8- (1-beta-D-2'-deoxyribofuranosyl) imidazo [1 ، 2-a] -1،3،5-triazin-4 (8H)). [22] [23] [24] في دراسة منهجية ، Leconte et al. اختبرت قابلية 60 قاعدة مرشحة (مما أسفر عن 3600 زوج قاعدي محتمل) لإدماجها في الحمض النووي. [25]

في عام 2002 ، Hirao et al. طور زوجًا أساسيًا غير طبيعي بين 2-amino-8- (2-thienyl) purine (s) and pyridine-2-one (y) الذي يعمل في المختبر في النسخ والترجمة نحو رمز جيني لتخليق البروتين يحتوي على حمض أميني غير قياسي. [26] في عام 2006 ، ابتكروا 7- (2-ثينيل) إيميدازو [4،5-ب] بيريدين (Ds) وبيرول-2-كاربالديهايد (Pa) كزوج أساسي ثالث للنسخ والنسخ ، [27] و بعد ذلك ، تم اكتشاف Ds و 4- [3- (6-aminohexanamido) -1-propynyl] -2-nitropyrrole (Px) كزوج عالي الدقة في تضخيم PCR. [28] [29] في عام 2013 ، قاموا بتطبيق زوج Ds-Px على توليد DNA aptamer بواسطة في المختبر اختيار (SELEX) وأظهر التوسع الأبجدي الجيني يزيد بشكل كبير من تقاربات أبتامر الحمض النووي للبروتينات المستهدفة. [30]

في مايو 2014 ، أعلن الباحثون أنهم نجحوا في إدخال نوعين من النيوكليوتيدات الاصطناعية الجديدة في الحمض النووي البكتيري ، جنبًا إلى جنب مع النيوكليوتيدات الأربعة التي تحدث بشكل طبيعي ، ومن خلال تضمين النيوكليوتيدات الصناعية الفردية في وسط الاستزراع ، تمكنوا من تمرير البكتيريا 24 مرة لم ينتجوا الرنا المرسال. أو بروتينات قادرة على استخدام النيوكليوتيدات الاصطناعية. [31] [32] [33]

رواية polymerases تحرير

لا يتم التعرف على XNA ولا القواعد غير الطبيعية بواسطة البوليميرات الطبيعية. يتمثل أحد التحديات الرئيسية في إيجاد أو إنشاء أنواع جديدة من البوليميرات التي ستكون قادرة على تكرار هذه التركيبات الجديدة على الطبيعة. في إحدى الحالات ، تم العثور على متغير معدل من إنزيم النسخ العكسي لفيروس نقص المناعة البشرية ليكون قادرًا على تضخيم البوليميراز المتسلسل (PCR) قليل النوكليوتيد الذي يحتوي على زوج قاعدي من النوع الثالث. [34] [35] بينهيرو وآخرون. (2012) أوضح أن طريقة تطور البوليميراز وتصميمه أدت بنجاح إلى تخزين واستعادة المعلومات الوراثية (أقل من 100 نقطة أساس) من ستة بوليمرات جينية بديلة تعتمد على بنى حمض نووي بسيطة غير موجودة في الطبيعة ، أحماض زينو النووية. [36]

تعديل هندسة الكود الجيني

أحد أهداف علم الأحياء الغريبة هو إعادة كتابة الشفرة الجينية. الطريقة الواعدة لتغيير الكود هي إعادة تخصيص الكودونات التي نادرًا ما تستخدم أو حتى غير المستخدمة. [37] في سيناريو مثالي ، يتم توسيع الشفرة الجينية بواسطة كودون واحد ، وبالتالي تم تحريرها من وظيفتها القديمة وإعادة تخصيصها بالكامل إلى حمض أميني غير متعارف عليه (ncAA) ("توسيع الشفرة"). نظرًا لأن هذه الطرق شاقة في التنفيذ ، ويمكن تطبيق بعض الاختصارات المختصرة ("هندسة الكود") ، على سبيل المثال في البكتيريا التي تعتبر مساعدة للأحماض الأمينية المحددة وفي مرحلة ما من التجربة يتم تغذية نظائرها متساوية البنية بدلاً من الأحماض الأمينية الأساسية التي هم مساعدون في التغذية. في هذه الحالة ، يتم استبدال بقايا الأحماض الأمينية المتعارف عليها في البروتينات الأصلية بـ ncAAs. حتى إدخال العديد من ncAAs في نفس البروتين ممكن. [38] أخيرًا ، لا يمكن توسيع مرجع 20 من الأحماض الأمينية الكنسية فحسب ، بل يمكن أيضًا تقليله إلى 19. [39] عن طريق إعادة تعيين أزواج تخليق RNA (tRNA) / aminoacyl-tRNA synthetase ، يمكن تغيير خصوصية الكودون. وبالتالي ، فإن الخلايا الممنوحة بمثل هذه aminoacyl- [التركيبات tRNA] قادرة على قراءة متواليات [mRNA] التي لا معنى لها لآلية التعبير الجيني الحالية.[40] تغيير الكودون: قد تؤدي أزواج تركيبات الحمض النووي الريبي (tRNA) إلى دمج الأحماض الأمينية غير المتعارف عليها في البروتينات في الجسم الحي. [41] [42] في الماضي كانت عملية إعادة تعيين الكودونات تتم بشكل أساسي على نطاق محدود. ومع ذلك ، في عام 2013 ، أبلغ Farren Isaacs و George Church من جامعة هارفارد عن استبدال جميع أكواد الإيقاف الـ 321 TAG الموجودة في جينوم بكتريا قولونية مع أكواد TAA المرادفة ، مما يدل على أنه يمكن دمج البدائل الهائلة في سلالات عالية الترتيب دون آثار قاتلة. [43] بعد نجاح استبدال الكودون الواسع للجينوم ، واصل المؤلفون وحققوا إعادة برمجة 13 كودونًا في جميع أنحاء الجينوم ، مما أثر بشكل مباشر على 42 جينًا أساسيًا. [44]

التغيير الأكثر جذرية في الشفرة الجينية هو تغيير كودون ثلاثي إلى كودون رباعي وحتى خماسي صغير ابتكره سيسيدو في الأنظمة الخالية من الخلايا [45] وبواسطة شولتز في البكتيريا. [46] أخيرًا ، يمكن استخدام أزواج القواعد غير الطبيعية لإدخال حمض أميني جديد في البروتينات. [47]

تحرير التطور الموجهة

يمكن أيضًا الوصول إلى هدف استبدال الحمض النووي بواسطة XNA من خلال طريق آخر ، أي عن طريق هندسة البيئة بدلاً من الوحدات الجينية. تم إثبات هذا النهج بنجاح بواسطة Marlière و Mutzel من خلال إنتاج بكتريا قولونية سلالة يتكون حمضها النووي من نيوكليوتيدات قياسية A و C و G ولكنها تحتوي على نظير ثايمين صناعي 5-كلوروراسيل بدلاً من الثايمين (T) في المواضع المقابلة من التسلسل. تعتمد هذه الخلايا بعد ذلك على 5-chlorouracil الموفر خارجيًا للنمو ، ولكن بخلاف ذلك فإنها تبدو وتتصرف بشكل طبيعي بكتريا قولونية. ومع ذلك ، فإن هذه الخلايا في الوقت الحالي ليست مساعدة كاملة لقاعدة Xeno نظرًا لأنها لا تزال تنمو على الثايمين عندما يتم توفيره للوسط. [48]

تم تصميم أنظمة علم الأحياء الغريبة لتوصيل التعامد للأنظمة البيولوجية الطبيعية. إن الكائن الحي (الذي لا يزال افتراضيًا) الذي يستخدم XNA ، [49] أزواج قاعدية مختلفة وبوليميراتز وله شفرة جينية متغيرة لن يكون قادرًا على التفاعل مع أشكال الحياة الطبيعية على المستوى الجيني. وبالتالي ، فإن هذه الكائنات الحية الغريبة تمثل جيبًا وراثيًا لا يمكنه تبادل المعلومات مع الخلايا الطبيعية. [50] يؤدي تغيير الآلية الوراثية للخلية إلى الاحتواء الدلالي. قياساً على معالجة المعلومات في تكنولوجيا المعلومات ، يُطلق على مفهوم الأمان هذا اسم "جدار الحماية الجيني". [2] [51] يبدو أن مفهوم جدار الحماية الجيني يتغلب على عدد من قيود أنظمة الأمان السابقة. [52] [53] تم تحقيق أول دليل تجريبي للمفهوم النظري لجدار الحماية الجيني في عام 2013 من خلال بناء كائن حي مُعاد ترميزه جينومياً (GRO). في هذا GRO ، تم استبدال جميع أكواد التوقف UAG المعروفة في E.coli بكودونات UAA ، والتي سمحت بحذف عامل الإصدار 1 وإعادة تعيين وظيفة ترجمة UAG. أظهر GRO مقاومة متزايدة لعاثمة T7 ، مما يدل على أن الشفرات الجينية البديلة تقلل من التوافق الجيني. [54] ومع ذلك ، لا يزال هذا GRO مشابهًا جدًا لـ "الأصل" الطبيعي ولا يمكن اعتباره جدار حماية وراثي. تفتح إمكانية إعادة تعيين وظيفة عدد كبير من التوائم الثلاثة المنظور لوجود سلالات تجمع بين XNA ، وأزواج أساسية جديدة ، ورموز وراثية جديدة ، وما إلى ذلك ، والتي لا يمكنها تبادل أي معلومات مع العالم البيولوجي الطبيعي. بغض النظر عن التغييرات التي تؤدي إلى آلية احتواء دلالي في الكائنات الحية الجديدة ، لا يزال يتعين على أي أنظمة كيميائية حيوية جديدة الخضوع لفحص السموم. قد تمثل XNA ، والبروتينات الجديدة ، وما إلى ذلك ، سمومًا جديدة ، أو لديها إمكانية حساسية تحتاج إلى التقييم. [55] [56]

قد يتحدى علم الأحياء الغريبة الإطار التنظيمي ، حيث أن القوانين والتوجيهات الحالية تتعامل مع الكائنات المعدلة وراثيًا ولا تشير مباشرة إلى الكائنات المعدلة كيميائيًا أو جينومياً. مع الأخذ في الاعتبار أنه من غير المتوقع وجود كائنات بيولوجية حقيقية في السنوات القليلة المقبلة ، فإن صانعي السياسات لديهم بعض الوقت في متناول اليد لإعداد أنفسهم لتحدي الحكم القادم. منذ عام 2012 ، اختارت المجموعات التالية هذا الموضوع كقضية تطوير حوكمة: مستشارو السياسات في الولايات المتحدة ، [57] أربعة مجالس وطنية للسلامة الحيوية في أوروبا ، [58] منظمة البيولوجيا الجزيئية الأوروبية ، [59] والمفوضية الأوروبية العلمية لجنة المخاطر الصحية الناشئة والمحددة حديثًا (SCENIHR) في ثلاثة آراء (التعريف ، [60] منهجيات تقييم المخاطر وجوانب السلامة ، [61] والمخاطر على البيئة والتنوع البيولوجي المتعلقة بالبيولوجيا التركيبية وأولويات البحث في مجال البيولوجيا التركيبية . [62]).


تم اكتشاف رمز وراثي جديد يتحكم في بقاء البكتيريا أثناء العدوى

أربعة نيوكليوتيدات ، مختصرة A و C و G و T ، توضح تسلسل الحمض النووي الذي يرمز لجميع البروتينات التي تحتاجها الخلايا. اكتشف باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا الآن طبقة أخرى من التحكم ، بوساطة نقل الحمض النووي الريبي ، تساعد الخلايا على تحويل الموارد بسرعة في حالات الطوارئ. الائتمان: أرون تيو

الكود الجيني الذي يسمح للخلايا بتخزين المعلومات الضرورية للحياة معروف جيدًا. أربعة نيوكليوتيدات ، مختصرة A و C و G و T ، توضح تسلسل الحمض النووي الذي يرمز لجميع البروتينات التي تحتاجها الخلايا.

اكتشف باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا الآن طبقة أخرى من التحكم تساعد الخلايا على تحويل الموارد بسرعة في حالات الطوارئ. تستخدم العديد من البكتيريا ، بما في ذلك السلالات المسببة لمرض السل ، هذه الاستراتيجية للدخول في حالة تشبه السكون تتيح لها البقاء في بيئات معادية عند حرمانها من الأكسجين أو العناصر الغذائية. بالنسبة لمرض السل ، يمكن أن تستمر التهابات الرئة لسنوات ، قبل أن "تستيقظ" في النهاية وتسبب المرض مرة أخرى.

يقول بيتر ديدون ، أستاذ أندروود بريسكوت للهندسة البيولوجية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: "ما تفعله هذه الدراسة هو الكشف عن نظام تستخدمه البكتيريا لإغلاق نفسها والدخول إلى إحدى هذه الحالات الثابتة عندما تتعرض للتوتر".

درس ديدون وزملاؤه نوعًا من البكتيريا يعرف باسم Mycobacterium bovis ، وهو أحد السلالات البكتيرية العديدة التي يمكن أن تسبب مرض السل لدى البشر. تسبب هذه السلالة نسخة أخف من المرض من المتفطرة السلية الأكثر فتكًا وتستخدم في بعض البلدان للتطعيم ضد مرض السل.

إن استهداف نظام التحكم الجيني الذي تم تحديده حديثًا يمكن أن يساعد العلماء على تطوير مضادات حيوية جديدة ضد السل وأمراض أخرى ، كما يقول ديدون ، وهو المؤلف الرئيسي لورقة بحثية تصف النتائج في عدد 11 نوفمبر من المجلة. اتصالات الطبيعة. يوك هيان تشيونه ، باحث ما بعد الدكتوراة في تحالف سنغافورة-معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا للأبحاث والتكنولوجيا (SMART) ، هو المؤلف الرئيسي للورقة البحثية.

أظهر ديدون وزملاؤه سابقًا أن الضغوط مثل الإشعاع أو المواد الكيميائية السامة تثير خلايا الخميرة لتشغيل نظام يقوم بإجراء تعديلات كيميائية لنقل الحمض النووي الريبي (الحمض النووي الريبي) ، والذي يحول آلية بناء البروتين في الخلايا بعيدًا عن الأنشطة الروتينية إلى إجراءات الطوارئ.

في الدراسة الجديدة ، تعمق الباحثون في كيفية تأثير هذا التبديل على التفاعلات بين الحمض النووي الريبي (الحمض النووي الريبي) والحمض النووي الريبي المرسال (mRNA) ، والذي يحمل تعليمات لبناء البروتين من النواة إلى الهياكل الخلوية التي تسمى الريبوسومات. يتم "قراءة" الشفرة الجينية في mRNA على الريبوسوم كسلسلة من التسلسلات المكونة من ثلاثة أحرف تُعرف باسم الكودونات ، والتي يستدعي كل منها حمض أميني معين (اللبنات الأساسية للبروتينات).

يتم تسليم هذه الأحماض الأمينية إلى الريبوسوم بواسطة الحمض الريبي النووي النقال. مثل الأنواع الأخرى من الحمض النووي الريبي ، يتكون الحمض النووي الريبي من سلسلة من أربعة ريبونوكليوسيدات رئيسية - A و G و C و U. (U في بدائل RNA لـ T الموجودة في DNA.) يحتوي كل جزيء tRNA على مضاد كودون يطابق كودون mRNA ، التأكد من إدخال الحمض الأميني الصحيح في تسلسل البروتين. ومع ذلك ، يمكن ترميز العديد من الأحماض الأمينية بأكثر من كودون واحد. على سبيل المثال ، يمكن ترميز الحمض الأميني ثريونين بواسطة ACU أو ACC أو ACA أو ACG. في المجموع ، يحتوي الكود الجيني على 61 كودونًا تتوافق مع 20 حمضًا أمينيًا فقط.

بمجرد تصنيع جزيء tRNA ، يتم تغييره بعشرات التعديلات الكيميائية المختلفة. يُعتقد أن هذه التعديلات تؤثر على مدى إحكام ربط المضاد الحمض الريبي النووي النقال بكودون الرنا المرسال في الريبوسوم.

في هذه الدراسة ، وجد ديدون وزملاؤه أن بعض تعديلات الحمض النووي الريبي ارتفعت بشكل كبير عندما حُرمت البكتيريا من الأكسجين وتوقفت عن النمو.

تم العثور على أحد هذه التعديلات على ACG threonine anticodon ، لذلك قام الباحثون بتحليل الجينوم الكامل لـ Mycobacterium bovis بحثًا عن الجينات التي تحتوي على نسب عالية من كودون ACG مقارنة بكودونات الثريونين الأخرى. ووجدوا أن الجينات ذات المستويات العالية من ACG تشمل عائلة تعرف باسم DosR regulon ، والتي تتكون من 48 جينًا ضروريًا للخلايا لتتوقف عن النمو وتعيش في حالة تشبه السكون.

عندما ينقص الأكسجين ، تبدأ هذه الخلايا البكتيرية في إنتاج كميات كبيرة من بروتينات DosR regulon ، بينما يتم إنتاج البروتينات من الجينات التي تحتوي على أحد الكودونات الأخرى لقطرات threonine. تقوم بروتينات DosR Regulon بتوجيه الخلية إلى حالة تشبه السكون عن طريق إيقاف استقلاب الخلية ووقف انقسام الخلية.

يقول بول شيميل ، أستاذ البيولوجيا الخلوية والجزيئية في معهد سكريبس للأبحاث ، "يقدم المؤلفون مثالًا رائعًا للبيولوجيا العميقة الجديدة والناشئة لنقل الحمض النووي الريبي ، والتي تترجم الشفرة الجينية في جميع الكائنات الحية لتكوين البروتينات". لم يشارك في البحث. "تم النظر إلى هذه الوظيفة المعروفة منذ فترة طويلة بطريقة بسيطة ومباشرة لعقود. فهي تقدم تحليلًا قويًا وشاملاً لإظهار وجود طبقات وطبقات أعمق من أي وقت مضى لوظيفة الترجمة هذه."

"الشفرة الجينية البديلة"

أظهر الباحثون أيضًا أنه عندما قاموا بتبديل أكواد ثريونين مختلفة في المواقع الجينية حيث يوجد ACG عادةً ، فشلت الخلايا البكتيرية في الدخول في حالة نائمة عندما تنخفض مستويات الأكسجين. نظرًا لأن إجراء مفتاح تعديل الحمض النووي الريبي (tRNA) هذا أمر بالغ الأهمية لقدرة الخلايا البكتيرية على الاستجابة للإجهاد ، فإن الإنزيمات المسؤولة عن هذا التبديل يمكن أن تجعل أهدافًا جيدة للمضادات الحيوية الجديدة ، كما يقول ديدون.

يشتبه ديدون في أن عائلات الجينات الأخرى ، مثل تلك المطلوبة للاستجابة للمجاعة أو لتطوير مقاومة للأدوية ، يمكن تنظيمها بطريقة مماثلة من خلال تعديلات أخرى في الحمض النووي الريبي.

"إنه حقًا رمز جيني بديل ، حيث يتم إثراء أي عائلة جينية مطلوبة لتغيير النمط الظاهري للخلية بكودونات محددة" تتوافق مع الحمض الريبي النووي النقال المعدل ، كما يقول.

كما لاحظ الباحثون هذه الظاهرة في أنواع أخرى ، بما في ذلك الطفيلي المسبب للملاريا ، وهم يدرسونها الآن على البشر.


نتائج ومناقشة

سلالة جديدة من ريزاريا التي تعيش في الحشرات

كما ورد في Záhonová et al. [18] ، رمز غير المتعارف عليه بلاستوكريثيديا النيابة. (Trypanosomatida) عن طريق الخطأ من قبل أحدنا لاحظ أن مجموعة بندقية نصية (TSA) من heteropteran ليجوس هسبيروس [25] ملوثة بتسلسلات المثقبيات بما في ذلك كودونات النهاية داخل الإطار. من المدهش أن تبحث عن contigs في بيانات TSA من L. هسبيروس أظهر عرض أكواد الإنهاء في الإطار ليس فقط تلك التي لها ارتباطات واضحة في المثقبيات ، ولكن أيضًا بعضًا لا يمكن تخصيصه بسهولة لأي تصنيف حقيقي النواة عند مقارنته بواسطة blastx مقابل قاعدة بيانات تسلسل البروتين غير الزائدة عن الحاجة لـ NCBI. لذلك ، قمنا بالتحقيق في بيانات TSA من L. هسبيروس مع مجموعة من البروتينات المحفوظة المستخدمة في الدراسات السابقة لتطور نسالة حقيقيات النوى العالمية (انظر طرق للحصول على التفاصيل) واكتشفوا 71 من أخصائيي تقويم العظام الذين لم يتجمعوا مع metazoans ولا مع المثقبيات في أشجار البروتين الفردي الفردية (ملف إضافي 1: الجدول S1أ-ج). احتوى معظمهم على واحد أو أكثر من أكواد UAG داخل الإطار 62 من هذه التسلسلات المتفرعة مع دعم التمهيد (BS) و gt 50٪ حصريًا (بمعنى العشيرة [26]) مع متماثلات من Rhizaria ، في أغلب الأحيان (46 تسلسلًا ، 23 منها مع BS 90٪ على الأقل) كمجموعة شقيقة للأميبا التراكمية Guttulinopsis vulgaris. تم تجميع التسلسلات التسعة المتبقية مع متماثلات من مجموعات أخرى ، ولكن في حالتين فقط ، تم دعم مثل هذا التجميع بواسطة BS & gt بنسبة 50٪ ، وفي كلتا الحالتين تم دمج المتماثلات غير الجذرية في عشيرة أوسع تشتمل بشكل أساسي على متواليات جذرية (ملف إضافي 1 : الجدول S1C). على الرغم من الأدلة غير الحاسمة أو المتناقضة على علم الوراثة عن التقارب الجذري للتسلسلات التسعة ، فمن المحتمل أن تأتي جميعها من نفس الكائن الحي مثل أولئك الذين لديهم تقارب جذري واضح ، كما يتضح من وجود كودون UAG واحد على الأقل داخل الإطار في كل منهم. بالإضافة إلى ذلك ، العديد من الجينات في المجموعة المرجعية التي استخدمناها للبحث في TSA من L. هسبيروس (على سبيل المثال ، جينات البروتينات الريبوسومية) يتم التعبير عنها بشكل كبير ، لذا فإن تلوث TSA من قبل أكثر من نوع واحد سيتجلى من خلال وجود أكثر من أخصائي تقويم من هذه الجينات. وبغض النظر عن تلوث المثقبيات المكتشف سابقًا [18] ، لم يلاحظ أي أخصائيي تقويم حقيقيات النوى ، كما لم يكن هناك تسلسلات إضافية للرنا الريباسي 18S. لذلك ، افترضنا أن TSA من L. هسبيروس تلوثت من قبل نوعين مختلفين من الطلائعيات - بلاستوكريثيديا ص. (انظر [18]) و rhizarian مجهول ، “Rhizaria gen. ص. السابق ليجوس هسبيروس"، يشار إليه فيما بعد بالبساطة باسم exLh الجذري.

لإلقاء الضوء بشكل أكبر على هوية exLh الجذري ، أجرينا تحليلًا نسبيًا للاحتمالية القصوى (ML) لمصفوفة فائقة تحتوي على 70 بروتينًا تحتوي على 54 من أخصائيي تقويم العظام من هذا الكائن الحي (مجموعة فرعية من الجينات الـ 71 المذكورة أعلاه ، وتجاوز الحد الأدنى المفروض في البداية من الحد الأدنى تسلسل الهوية لأخصائيي تقويم العظام من حقيقيات النوى الأخرى). أظهرت الشجرة الناتجة أنها متفرعة بأقصى قدر من الدعم داخل Rhizaria ، وتحديداً داخل Filosa كنسب شقيق لـ G. vulgaris (ملف إضافي 2: الشكل S1). ومع ذلك ، يمكن تضمين عدد قليل جدًا من ممثلي Filosa في تحليل النشوء والتطور بسبب العدد المنخفض للغاية من الجينومات المتسلسلة أو النسخ من هذه المجموعة المتنوعة. لذلك ، سعينا إلى تحديد موضع النشوء والتطور من exLh الجذري داخل Filosa باستخدام جين 18S الريبوسوم RNA (rRNA) ، وهو أكثر علامات النشوء والتطور التي تم أخذ عينات منها على نطاق واسع لتطور جذور الجذور. البحث في L. هسبيروس كشفت تسلسلات TSA عن كونتيلين ثبت أنهما تسلسلان خياليان يتكونان من أجزاء مدمجة بشكل مصطنع من أصل مختلف ، بما في ذلك مقطع 3 بوصات من 18S rRNA يختلف عن أي تسلسل 18S rRNA في قاعدة بيانات GenBank (ومختلف تمامًا عن L. هسبيروس 18S تسلسل الرنا الريباسي الموجود في إدارة أمن النقل مثل كونتيج آخر انظر طرق للحصول على التفاصيل). باستخدام تسلسل الرنا الريباسي 18S الجزئي كبذرة وقراءة RNA-seq الأصلية ، قمنا بتجميع تسلسل كامل من الرنا الريباسي 18S الذي سقط نسبيًا في Filosa ، وتحديداً في المجموعة Sainouroidea (الشكل 1 أ). يتألف هذا الفرع من العديد من السوطيات والأميبات التي تعيش بحرية أو تعيش بشكل سيء. G. vulgaris [27]. وبالتالي فإن نتيجة تحليل الرنا الريباسي 18S تتوافق مع التحليل التطوري لتسلسل البروتين ، مما يدعم الافتراض بأن تسلسل الرنا الريباسي 18S المجمع يأتي من نفس الكائن الحي مثل نصوص ترميز البروتين. علاوة على ذلك ، فإنه يشير على وجه التحديد إلى أن exLh الجذري هو سلالة لم يتم اكتشافها سابقًا من Sainouroidea ، ويفترض أنها جنس منفصل.

دراسة الموقف النشئي للكائنات الحية. أ تطور نسالة حقيقيات النوى بما في ذلك exLh الجذري على أساس تسلسل 18S rDNA. تم استنتاج شجرة الاحتمالية القصوى (ML) باستخدام RAxML باستخدام نموذج الاستبدال GTRGAMMAI. تمثل القيم الموجودة في الفروع قيم RAxML BS متبوعة باحتمالات PhyloBayes اللاحقة (نموذج GTRCAT). ب بما في ذلك نسالة Fornicata I. spirale استنادًا إلى مجموعة بيانات متسلسلة من متواليات بروتين 18S rDNA و EF-1α و EF2 و HSP70 و HSP90. تم استنتاج شجرة ML باستخدام RAxML باستخدام نماذج الاستبدال GTRGAMMA (لـ 18S rDNA) و PROTGAMMALG4X (لتسلسل البروتين). تمثل القيم الموجودة في الفروع قيم RAxML BS متبوعة باحتمالات PhyloBayes اللاحقة (نموذج CAT Poisson). يشار إلى أقصى دعم (100/1) بنقاط سوداء. تشير العلامات النجمية إلى قيم دعم أقل من 50٪ أو 0.5 ، على التوالي ، تحدد الشرطات الفروع في شجرة ML التي لا توجد في شجرة PhyloBayes

وجود متواليات من الأنواع الجذرية في L. هسبيروس يمكن تفسير TSA من خلال تلوث عرضي أو خطأ في معالجة البيانات في مركز التسلسل. بدلاً من ذلك ، قد يعكس ارتباطًا ماديًا محددًا بين L. هسبيروس والجذري ، على الأرجح مع كون الأخير متعايشًا مع الأول. للتمييز بين هذه الاحتمالات ، حصلنا على العديد من الأفراد L. هسبيروس تم التقاطه في البرية (مقاطعة كيرن ، كاليفورنيا ، الولايات المتحدة الأمريكية) ، وعزل الحمض النووي من أفراد كامل ، ونفذ تفاعل PCR باستخدام بادئات محددة مصممة على أساس تسلسل الرنا الريباسي 18S المجمع من exLh الجذري. واحدة من ردود الفعل (مع قالب يتكون من DNA مجمّع من خمسة L. هسبيروس الأفراد) منتجًا بالحجم المتوقع 1200 نقطة أساس ، وكشف التسلسل أنه ، باستثناء استبداليين ، كان مطابقًا للمنطقة المعنية من تسلسل الرنا الريباسي 18S الذي تم الحصول عليه من البيانات النصية المنشورة من L. هسبيروس. تشير هذه النتيجة إلى أن exLh الجذري هو ساكن طبيعي ، وربما داخلي ، لـ L. هسبيروس. لا يزال يتعين التحقيق في طبيعة هذا الارتباط (التبادلية ، أو التعايش ، أو التطفل) والمجموعة المضيفة من exLh الجذري.

يستخدم exLh الجذري UAG لترميز الليوسين

قمنا بعد ذلك بالتحقيق في هوية وأهمية رموز الإنهاء التي تقاطع تسلسل الترميز لـ exLh الجذري. في المجموع ، حددنا 384 حالة من أكواد الإنهاء داخل الإطار في 71 جينًا (نسخًا) ، كان الكودون UAG في جميع الحالات. بناءً على مقارنة مع أطباء تقويم العظام من حقيقيات النوى الأخرى ، حددنا حسن النية رموز الإنهاء للنصوص ذات الصلة (أي النهايات الثلاثة لتسلسلات الترميز ذات الصلة) ، والتي تم تمثيلها حصريًا بواسطة UAA (56 حالة) أو UGA (15 حالة) (ملف إضافي 1: الجدول S1A-C). يشير هذا إلى أن كودون UAG قد تمت إعادة تعيينه كرمز إحساس في exLh الجذري ولم يعد يشير إلى إنهاء الترجمة بعد الآن. كشف الفحص البصري لمحاذاة تسلسل البروتينات المتعددة عن نمط واضح في توزيع أكواد UAG داخل الإطار - ميل قوي إلى الحدوث في المواضع التي تشغلها بقايا الليوسين المحفوظة (على سبيل المثال ، انظر محاذاة تسلسل البروتين Bat1 ، الشكل 2 أ). افترضنا أن UAG يقوم بترميز leucine في رواية rhizarian ، والتي تم اختبارها رسميًا من خلال نهجين.

أكواد UAG داخل الإطار في جينات ترميز البروتين في الجذور exLh و I. spirale. أ مثال على جين exLh الجذري مع العديد من أكواد UAG داخل الإطار: محاذاة تسلسلية متعددة لأخصائيي تقويم العظام لبروتين Bat1 (spliceosome RNA helicoase). ب التردد النسبي للمواضع المحفوظة بشكل كبير (على الأقل 90٪ من هوية الأحماض الأمينية عبر أخصائي تقويم العظام من 250 ممثلًا للمجموعات حقيقية النواة الرئيسية في المحاذاة) المقابلة للمواقع المحتوية على UAG في نصوص exLh الجذرية. ج مثال على I. spirale الجين الذي يحتوي على العديد من أكواد UAG داخل الإطار: محاذاة تسلسلية متعددة لأخصائيي تقويم العظام لبروتين Polr2a (المعروف أيضًا باسم الوحدة الفرعية RNA polymerase II RPB1). د التردد النسبي للمواضع المحفوظة بشكل كبير (على الأقل 90٪ من هوية الأحماض الأمينية عبر أطباء تقويم العظام من 54 ممثلاً لمجموعات حقيقية النواة الرئيسية في المحاذاة) تتوافق مع المواقع المحتوية على UAG في نصوص exLh الجذرية. ه, F هوية الأحماض الأمينية المهيمنة في مواضع المحاذاة المحفوظة (المحددة باستخدام عتبة 90٪ و 50٪) في مقارنة واسعة النطاق لـ I. spirale متواليات مع متماثلات حقيقية النواة. ه المواضع المقابلة لرموز UAG داخل الإطار بتنسيق I. spirale التسلسلات. F المواقف المقابلة لكودونات الجلوتامين الكنسي (CAG ، CAA) في I. spirale التسلسلات. في الشكل 2أ و ج ، يتم عرض المقاطع المحددة فقط من المحاذاة الكاملة (مفصولة بشرطة مائلة مزدوجة) من أجل التبسيط. تشير العلامات النجمية إلى المواضع مع أكواد UAG داخل الإطار في تسلسلات التشفير الأساسية. في الشكل 2ب و د ، يتم فرز المواضع المحفوظة بشكل كبير وفقًا لبقايا الأحماض الأمينية المحفوظة بشكل مفرط (يتم عرض أربع فئات فقط من المواضع الأكثر شيوعًا). جداول المصدر للشكل 2ب و د بما في ذلك البيانات من قراءة الخرائط متوفرة في ملف إضافي 1: الجدول S1D و S2C

بالنسبة للتحليل الأول ، قمنا بفحص محاذاة تسلسل البروتين المتعامد المستخدمة في التحليل التطوري الموصوف أعلاه وحددنا 192 موضعًا في الكتل المحفوظة جيدًا والتي تتوافق مع UAG داخل الإطار في التسلسلات من exLh الجذري. من هذه المواضع ، تم تصنيف 86 على أنها فائقة الحفظ ، أي مع هوية حمض أميني بنسبة 90 ٪ على الأقل عبر جميع التسلسلات في المحاذاة 95 ٪ (أي ، 82) والتي تتوافق مع ليوسين شديد الحفظ (الشكل 2 ب). للتأكد من أن وجود أكواد UAG داخل الإطار في هذه المواقع المحفوظة بشكل كبير كان مدعومًا ببيانات التسلسل الأصلية ، قمنا بفحص قراءات RNA-seq الأولية التي تم تعيينها على contigs الخاص بها. لم تكن هناك إشارة متضاربة فيما يتعلق بهوية النيوكليوتيدات المقابلة لأي من أكواد UAG هذه واضحة (تم دعم كل UAG داخل الإطار بأكثر من قراءة واحدة ، مع تباين القراءة أقل من 4.50٪) (ملف إضافي 1: الجدول S1D). كبديل للاستدلال المعتمد على الموضع المعتمد على معنى كودون UAG ، ابتكرنا طريقة قائمة على أساس علم النشوء والتطور والتي تراعي بشكل غير انتقائي جميع مواقف UAG (انظر الطرق للحصول على التفاصيل). باختصار ، استنتجنا أولاً نسالة الكائنات الحية باستخدام مجموعة بيانات أصغر من ثمانية بروتينات محفوظة (لتوفير وقت الحساب) ، مع الجينات المعنية من exLh الجذرية التي تحتوي على 71 كودون UAG داخل الإطار ، ممثلة على أنها حمض أميني غير محدد (X) في انتقام. قمنا بعد ذلك بإعداد 20 تعديلاً لمجموعة البيانات ، كل منها بحمض أميني مختلف تم النظر فيه في المواضع المقابلة لرموز UAG داخل الإطار في الجينات من exLh الجذري. بعد ذلك ، قمنا بحساب أفضل شجرة ML لكل مجموعة من مجموعات البيانات العشرين ، باستخدام نفس نموذج الاستبدال والشجرة من مجموعة البيانات الأولية كقيود. أظهرت مجموعة البيانات حيث تمت ترجمة UAG كـ leucine أعلى درجة احتمالية ، والاحتمال الشرطي الذي يقوم UAG بترميز leucine في exLh الجذري (المحسوب المشروط على UAG بتشفير حمض أميني واحد في جميع المواضع) هو تقريبًا 1.0 ، في حين أنه لا يكاد يذكر لأي شيء آخر حمض أميني (الجدول 1).

بناءً على هذه النتائج ، نستنتج أن UAG هو الكودون السابع لليوسين في exLh الجذري ولا يعمل ككودون توقف في هذا الكائن الحي. هذا لا يخلو من سابقة ، حيث تم الإبلاغ سابقًا عن إعادة تعيين UAG من نوع stop-to-leucine من جينومات الميتوكوندريا للعديد من الطحالب الخضراء من رتبة Sphaeropleales [22 ، 28] وفطر chytrid Spizellomyces punctatus وأقاربها [21]. ومن المثير للاهتمام ، أننا لاحظنا اختلافات مذهلة في وفرة كودون UAG بين مجموعات معينة من الجينات من exLh الجذري. تم تمثيل أكواد UAG داخل الإطار بشكل كبير في مكونات ترميز الجينات للبروتيازوم 26S ، حيث كان كودون UAG هو الكودون الأكثر وفرة لليوسين (الشكل 3 أ). في المقابل ، كان UAG أندر كودون ليسين في جينات بروتينات الريبوسوم. في المجموع ، حددنا التسلسلات المقابلة لـ 28 جينًا من البروتين الريبوزومي من exLh الجذري ، لكن 50 ٪ من هذه التسلسلات لم تحتوي على أي كودون UAG ، على الرغم من أنها جميعًا متفرعة مع متماثلات من Rhizaria ، في أغلب الأحيان (11/14) أخوات لتلك من G. vulgaris. يتم التعبير عن جينات البروتينات الريبوزومية بشكل كبير وتظهر عادةً تحيزًا قويًا لاستخدام الكودون مما يسهل التوليف الفعال لبروتينات الريبوسوم [29]. تشير الوفرة المنخفضة لكودون UAG في جينات البروتين الريبوسومي في exLh الجذري إلى أن هذا الكودون لم يُترجم بكفاءة مثل الكودونات القياسية الستة لليوسين.

ترددات الكودون النسبية في exLh و I. spirale. أ ترددات الكودون النسبية في مجموعتين مختلفتين من الجينات (لبروتينات الريبوسوم والوحدات الفرعية من البروتيازوم 26S المدرجة في الملف الإضافي 1: الجدولين S1A و S1B) في exLh الجذري. ب ترددات الكودون النسبية في مجموعة مرجعية من جينات I. spirale (مدرج في ملف إضافي 3: الجدولين S2A و S2B). يتم حساب ترددات الكودون النسبية كنسبة مئوية من الكودون بين جميع تكرارات الكودونات ذات المعنى نفسه (أي الترميز لنفس الحمض الأميني أو الترجمة النهائية)

I. spirale (Fornicata) يستخدم UAG لترميز الجلوتامين

تمت مصادفة الحالة الثانية لرمز جيني غير قانوني جديد بشكل غير متوقع عندما قمنا بتسلسل نسخة من I. spirale. وهو عبارة عن سوط لاهوائي تم وصفه مؤخرًا معزولًا عن براز أبو بريص الطازج فلسوما غرانديز ويعتبر إندوبيونت معوي [30]. تحليلات علم الوراثة على أساس جزء (

1000 نقطة أساس) من التسلسل الجيني 18S rRNA المنتسب I. spirale إلى "الكاربديموناس-مثل النسب 3 "(CL3 [31]) في Fornicata (واحدة من المجموعات الرئيسية الثلاث في Metamonada) ، على الرغم من أن مورفولوجيتها غير مألوفة للغاية بالنسبة للزنا [30]. لتأكيد هذه الرؤية الأولية ، استخدمنا البيانات من النسخة المتسلسلة حديثًا لـ I. spirale ونفذت تحليلين للتطور الوراثي متعدد المواضع. تحليل النشوء والتطور المكون من 70 بروتينًا (نفس ما تم استخدامه أعلاه لتحديد موضع التطور الجذري exLh) مع مجموعة البيانات بما في ذلك 60 أخصائي تقويم العظام من I. spirale أظهر هذا الكائن الحي كأخت متفرعة لممثلي Diplomonadida (ملف إضافي 2: الشكل S1). يتوافق هذا مع النتيجة السابقة بناءً على تسلسل الجين 18S rRNA الجزئي ومع حقيقة أنه لا يمكن تضمين أي زنا آخر غير دبلوماسي في التحليل بسبب نقص بيانات تسلسل مقياس الجينوم. اعتمد التحليل الثاني على مجموعة بيانات تشتمل على تسلسل 18S rRNA كامل ، والذي حددناه كواحد من contigs النسخ المجمعة ، وتسلسل أربعة بروتينات محفوظة استخدمت في دراسة تفصيلية سابقة لتطور نسالة Fornicata [32]. وضع هذا التحليل I. spirale بأقصى قدر من الدعم باعتباره السلالة الشقيقة لممثل CL3 Hicanonectes teleskopos (الشكل 1 ب) ، يتوافق مرة أخرى مع النتيجة التي تم الإبلاغ عنها مسبقًا. وبالتالي ، فقد ثبت ذلك الآن بقوة I. spirale هو زنا غير عادي. بالإضافة إلى ذلك ، فهو سلالة منفصلة جيدًا عن Hexamitinae ، وهي مجموعة فرعية من الدبلوماسيين ، وهو استنتاج مهم لتفسير تطور الشفرة الوراثية في الزناة (انظر أدناه).

أثناء تحليل تسلسل النسخ المجمعة من I. spirale، لاحظنا أكواد UAG عرضية داخل الإطار (على سبيل المثال ، انظر محاذاة متواليات بروتين Polr2a ، الشكل 2 ج). في المجموع ، قمنا بفحص التسلسلات التي تمثل 126 جينًا ، والتي تحتوي على 204 كودون UAG داخل الإطار (ملف إضافي 3: الجدولين S2A و S2B). لم يتم استخدام UAG كما هو واضح حسن النية كودون الإنهاء في أي من هذه النصوص ، حيث تم توقع 3-termini لتسلسل الترميز على أساس الحفظ مع التسلسلات المتعامدة مع UGA (في 15 حالة) ، وبشكل ملحوظ ، UAA (في 104 حالات) (النصوص السبعة المتبقية تم اقتطاعها). يشير هذا إلى أن UAG ، ولكن ليس UAA ، قد تمت إعادة تعيينه ككودون لترميز الأحماض الأمينية في I. spirale. استخدمنا طرقًا مماثلة كما هو مستخدم لتحليل الكود الجيني لـ rhizarian exLh لتحديد هوية هذا الحمض الأميني المشفر UAG (انظر طرق للحصول على التفاصيل). أولاً ، باستخدام مجموعة فرعية أصغر من الجينات التي تم أخذ عينات منها على نطاق واسع لتشمل ممثلين من معظم سلالات حقيقية النواة الرئيسية ، حددنا 28 موضعًا شديد الحفظ مع UAG داخل الإطار في I. spirale (في جميع الحالات التي أكدها فحص القراءات الأولية المعينة على النسخة المعنية) ، 22 منها (أي 79٪) تتوافق مع جلوتامين شديد الحفظ (الشكل 2 أ والملف الإضافي 3: الجدول S2C). في التحليل الثاني ، كانت محاذاة تسلسل البروتين المتسلسل تأخذ في الاعتبار الجلوتامين بدلاً من أكواد UAG داخل الإطار في I. spirale أعطت التسلسلات أعلى احتمالية بين جميع المتغيرات العشرين المحتملة (مع الأخذ في الاعتبار 20 نوعًا من الأحماض الأمينية المختلفة) عند اختبارها مقابل شجرة الأنواع المحسوبة مسبقًا ، والاحتمال الشرطي بأن يقوم UAG بترميز الجلوتامين في I. spirale كان ما يقرب من 1.0 ، مع وجود احتمالات ضئيلة تم الحصول عليها لأي حمض أميني آخر (الجدول 1).

لمزيد من الاختبار ، فإن UAG هو كود الإنهاء الوحيد المعاد تعيينه I. spirale وأن معناه هو ترميز الجلوتامين ، أجرينا تحليلًا أوسع لبيانات النسخ المتاحة (انظر طرق للحصول على التفاصيل). في المجموع ، قمنا بتحليل 730 contigs المخصصة لـ I. spirale (أي ، على ما يبدو ، لا تأتي من بدائيات النوى التي تلوث الثقافة) وتعرض متماثلات قريبة في حقيقيات النوى الأخرى 348 منها تحتوي على كودون UAG واحد على الأقل داخل المنطقة المحاذية للمتجانسات. بالنظر إلى المواضع التي تحتوي على 90 ٪ من هوية الأحماض الأمينية عبر المحاذاة مع أفضل 50 ضربة انفجار ، حددنا 231 موضعًا تتوافق مع كودون UAG في I. spirale تسلسل ، 95 (41.13٪) منها سيطر عليها الجلوتامين (ولم يصل أي حمض أميني آخر إلى مثل هذا التردد في المواضع الشكل 2 هـ). على الرغم من أن هذه القيمة قد تبدو منخفضة وغامضة ، فقد لوحظت نسبة مماثلة من مواضع المحاذاة المحفوظة التي يهيمن عليها الجلوتامين (44.08٪) للمواضع التي تشغلها أكواد الجلوتامين الكنسي في I. spirale متواليات (الشكل 2f). أسفر فرض عتبة أقل صرامة للحفاظ على الأحماض الأمينية عبر المحاذاة (50٪) عن 634 موضعًا مع كودون UAG في I. spirale التسلسل ، 147 (23.19٪) منها سيطر عليها الجلوتامين. بالنسبة إلى أكواد الجلوتامين الكنسي بتنسيق I. spirale كانت النسبة أقل (19.52٪). بالإضافة إلى ذلك ، لم تتضمن أي من النصوص الـ 730 التي تم فحصها كودون UAG ككودون إنهاء واضح يشير إلى نهاية تسلسل التشفير.

كل هذه النتائج تشير إلى أن UAG في I. spirale يشفر الجلوتامين ولا يعمل ككودون توقف. على النقيض من ذلك ، حدد إجراءنا فقط contigs (a2783c02 و a9294c03) مع رموز UAA أو UGA المرشح داخل الإطار ، لكن الفحص اليدوي كشف أن هذه الأكواد موجودة في مناطق تمثل الإنترونات المحتجزة الواضحة. وبالتالي ، لا يوجد دليل على إعادة التعيين أو المعنى المزدوج المعتمد على السياق لرموز UAA أو UGA في I. spirale وكلاهما يعمل على ما يبدو فقط ككودونات إنهاء قياسية ، مع كون UAA هو كود الإنهاء السائد في I. spirale (الشكل 3 ب). في الماضي ، كان متغير الشفرة الجينية (UAG = Q ، UAA = stop) يُنسب إلى جنس الهدب الجفن من قبل بعض المصادر ، انظر ، على سبيل المثال ، الكود 15 ("Blepharisma Macronuclear") في قائمة الرموز الجينية في صفحة ftp من NCBI [33] أو كتاب مدرسي حديث عن تطور الجزيئات والجينوم [34]. ومع ذلك ، كان هذا خطأ واضحًا ، حيث لا شك في ذلك الجفن النيابة. استخدم كلاً من UAA و UAG ككودونات توقف ، بينما أعادوا تعيين UGA ككودون التربتوفان [9 ، 16]. في الواقع ، فإن أحدث قائمة لجداول الشفرات الوراثية المتوفرة في صفحة أخرى من صفحات NCBI [35] تغفل الرمز 15. وبالتالي ، فإن الكود الذي نوثق هنا لـ I. spirale هو ، على حد علمنا ، غير مسبوق حقًا.

أصل تطوري للرموز الجينية غير المعيارية في exLh و I. spirale

الجذور مجموعة متنوعة للغاية من حقيقيات النوى ، لكن معرفتنا بالبيولوجيا العامة ، ناهيك عن التفاصيل الجزيئية ، لمعظم المجموعات الجذرية أمر مؤسف. وبالتالي ، فإن اكتشاف سلالة جذرية جديدة تُظهر ميزة خاصة بآلية التعبير الجيني الخاصة بها ليس أمرًا غير متوقع. تضع تحليلاتنا في علم الوراثة الجذرية الجديدة مع إعادة التعيين من وقف إلى لوسين لكودون UAG في المجموعة Sainouroidea (انظر أعلاه). لذلك يجب أن نسأل عن مدى انتشار هذه الميزة في Sainouroidea أو ربما كليد جذري أوسع. أقرب قريب من exLh الجذري ، والذي يتوفر له قدر كبير من تسلسل جينات ترميز البروتين (النصوص) ، هو G. vulgaris. براون وآخرون. [36] تسلسل نسخته باستخدام طريقة 454 ، لكنه لم يذكر أي ملاحظة تتعلق بالشفرة الجينية التي يستخدمها هذا الكائن الحي. لذلك ، قمنا بتحليل 147 تسلسل نص من G. vulgaris التي تم إصدارها بواسطة Brown et al. [36] إلى قاعدة بيانات GenBank (JT844885 – JT845030). يشتمل واحد فقط من هذه التسلسلات ، JT844913 ، على أكواد إنهاء واضحة داخل الإطار (على وجه التحديد بقعة مع UAG و UGA مفصولة بكودون جلوتامين ، انظر الملف الإضافي 4: الجدول S3) ، ولكن التحقق من بيانات Illumina RNA-Seq غير المنشورة من G. vulgaris كشف أن حدوث اثنين من أكواد الإنهاء في JT844913 هو خطأ في التسلسل (دكتور م. براون ، اتصال شخصي). ومن المثير للاهتمام ، أن الجميع ما عدا واحدًا متاحًا G. vulgaris تستخدم تسلسلات النسخ التي تغطي الطرف الثالث من تسلسل التشفير UAA كرمز الإنهاء ، مع الاستثناء الوحيد المفترض الذي يستخدم UAG (ملف إضافي 4: الجدول S3). هكذا، G. vulgaris على الأرجح لا يشترك في إعادة تعيين UAG من stop-to-leucine مع exLh الجذري ، على الرغم من أن انتشار UAG ككودون إنهاء يحتاج إلى التحقيق باستخدام بيانات تسلسل أكثر اكتمالاً. يتوفر القليل من البيانات حول جينات ترميز البروتين النووي للأشباه السينورويدية الأخرى ، وتحديداً تسلسل واحد لكل منها روسكولوس ص. (DQ388527.1) ، Helkesimastix (AY748812.1) و ساينورون أكرونيماتيكا (DQ098274.1). لا يعرض أي من هذين التسلسلين أكواد إنهاء داخل الإطار ، والجين من روسكولوس ص. يستخدم UAG باعتباره ملف حسن النية إنهاء كودون ، في حين أن التسلسلين المتبقيين قد اقتطاع 3’-نهايات. وبالتالي ، تتوافق هذه التسلسلات مع فكرة أن الكود الجيني قد تغير على وجه التحديد في سلالة exLh الجذرية ، ولكن هناك حاجة إلى استكشاف منهجي للنسخة أو الجينومات sainouroid لتحديد هذا الحدث التطوري بثقة أعلى.

بينما تكشف دراستنا عن الحالة الأولى لرمز نووي غير قانوني لجزيرة Rhizaria بأكملها ، فإن الخروج عن الكود القياسي المذكور هنا من I. spirale ليس غير مسبوق في Fornicata. على وجه التحديد ، hexamitin Diplonads (Hexamitinae) على سبيل المثال ، أعضاء من الأجناس سبيرونوكليوس, تريميتوس أو تريبوموناس، يقوم أيضًا بترميز الجلوتامين بواسطة أكواد غير قياسية [37 ، 38]. ومع ذلك ، على النقيض من I. spirale، أعادت جميع أصناف هيكساميتين التي تم التحقيق فيها تعيين كل من UAG و UAA ككودونات الجلوتامين. الدبلوماسيون غير الهكساميتين من الجنس الجيارديا من المعروف أنها تستخدم الكود الجيني القياسي ، وفحصنا للعدد المحدود لتسلسلات الجينات المشفرة للبروتين المتاحة من مختلف "الكاربديموناسمثل "الزناة [32] لم تكشف عن أي حالة من كودون UAG (أو UAA) داخل الإطار الذي يفترض أن يشفر الجلوتامين. Hexamitins و I. spirale وهكذا يبدو أن النسب عدل شفراتها الجينية بشكل مستقل عن بعضها البعض (الشكل 1 ب). الأقرب I. spirale النسبي ، الذي تتوافر منه تسلسلات جينات ترميز البروتين H. teleskopos. كل هذه التسلسلات الأربعة (أرقام انضمام GenBank AB600290.1 ​​إلى AB600293.1) تفتقر إلى أكواد UAG داخل الإطار ، مما يشير إلى أن إعادة تعيين UAG من Stop-to-glutamine حدثت فقط بعد ايوتانيما انقسام النسب من واحد هيكانونيكتس. ومع ذلك ، نحتاج إلى توخي الحذر ، حيث قد تكون وفرة كودون الإحساس UAG منخفضة (يتوافق فقط مع

8٪ من جميع أكواد الجلوتامين في I. spirale الشكل 3 ب) ، ونفتقر أيضًا إلى الدليل الإيجابي لـ UAG باعتباره كودون إنهاء في H. teleskopos بسبب اقتطاع 3’-end لجميع التسلسلات الأربعة. سيكون من المثير للاهتمام ليس فقط الحصول على بيانات أكثر اكتمالا للتحقيق في الشفرة الجينية لـ H. teleskopos، ولكن أيضًا لدراسة PCS المعزول الذي يعيش بحرية مجهولة الهوية [31] والذي يكون أقرب نسبيًا إلى I. spirale من H. teleskopos [30] ، وأعضاء من جنس endobiotic كافيوموناسالذي علاقته I. spirale تم اقتراحه من خلال التشابه المورفولوجي لأجهزتهم السوطية [30].

الآليات الجزيئية لإعادة تخصيص الكودون في exLh الجذري و I. spirale

دعونا الآن نتطرق بإيجاز إلى الأسس الجزيئية الفعلية للخصوصية المتغيرة لشفرة UAG في exLh و rhizarian I. spirale. يشير حدوث UAG ككودون حاسي إلى وجود aminoacyl-tRNA مشابه يترجم UAG إلى الحمض الأميني المناسب. نظرًا لأن aminoacyl-tRNA هذا يجب أن يتجاهل UAA في نفس الوقت ، والذي تم الاحتفاظ به ككودون توقف مهيمن في كلا التصنيفين ، فقد تركنا مع anticodon واحد محتمل ، CUA ، والذي يتزاوج مع كودون UAG ولكن ليس مع كودون UAA بسبب إلى C: عدم تطابق في أول أنتيكودون: موضع كودون ثالث. لذلك ، نتوقع أن تسلسل جينومات exLh الجذري و I. spirale سيكشف عن وجود tRNAs جديدة مع anticodon CUA وبسمات مميزة لـ tRNAs المعترف بها بواسطة مركب leucinyl-tRNA و glutaminyl-tRNA synthetase ، على التوالي. تم العثور على جينات لـ tRNA Leu (CUA) سابقًا في جينومات الميتوكوندريا في chytrid S. Punctatus [21] والعديد من الطحالب الخضراء من رتبة Sphaeropleales [22] ، لذا فإن الوجود المفترض لجين مشابه في exLh الجذري لا يخلو من سابقة. وبالمثل ، تم بالفعل توثيق حدوث tRNA Gln (CUA) ، وبالتحديد في الشركات العملاقة مع إعادة تعيين التوقف إلى الجلوتامين لرموز UAR ، على سبيل المثال ، رباعي الغشاء ثيرموفيلا [38] أو C. ماغنوم [16] ، وفي الهيكساميتين ، على سبيل المثال ، في سبيرونوكليوس سالمونيكيدا الجينوم (الجين tRNA SS50377_t0098 على سقالة scf7180000020657 رقم وصول GenBank KI546140.1).وتجدر الإشارة إلى أن مضادات الكودونات الخاصة بهذه الحمض النووي الريبي تختلف في موضع نيوكليوتيد واحد فقط من مضادات الكودونات من الحمض الريبي النووي النقال القياسي الذي يحمل الأحماض الأمينية المعنية ، أي tRNA Leu (CAA) يفك تشفير كودون UUG leucine و tRNA Gln (CUG) يفك تشفير كودون الجلوتامين CAG.

ومن ثم ، فإن أبسط سيناريو للأصل التطوري للـ tRNAs المفترض لفك تشفير UAG في exLh و rhizarian I. spirale عبارة عن طفرة في جينات tRNA Leu (CAA) و tRNA Gln (CUG) الموجودة مسبقًا (نسخ مكررة) ، على التوالي. أكد فحص مجموعة اختبار مكونة من 27 جينومًا نوويًا أن tRNA Leu (CAA) و tRNA Gln (CUG) يحدثان بشكل شائع في جينومات حقيقية النواة ، غالبًا في نسخ متعددة في الجينوم (ملف إضافي 5: الجدول S4) ، مما يؤدي إلى ظهور المتغيرات المتحولة المفترضة المطلوبة لقراءة كودون UAG. بالإضافة إلى ذلك ، لا تتعرف تركيبات leucinyl-tRNA عمومًا على anticodon كعنصر هوية tRNA [39-41] ، مما يشير إلى أن الشحن الفعال بواسطة leucine لـ tRNA Leu (CUA) الذي ظهر حديثًا لا يتطلب بالضرورة تغييرات في الإنزيم. على النقيض من ذلك ، تستخدم تركيبات الجلوتامينيل-الحمض الريبي النووي النقال المضاد كعنصر هوية الحمض الريبي النووي النقال ، وفي الواقع ، الحمض الريبي النووي النقال Gln (CUA) من رباعي الغشاء ثيرموفيلا لم يتم التعرف عليه كركيزة بواسطة مركب الجلوتامينيل-الحمض الريبي النووي النقال في الثدييات [42]. لسوء الحظ ، على حد علمنا ، تركيبة الجلوتامينيل-الحمض النووي الريبي من حقيقيات النوى التي تقوم بفك تشفير UAG (و UAA) حيث لم يتم دراسة الجلوتامين بالتفصيل ، لذا فإن التعديلات المفترضة اللازمة للشحن الفعال لـ tRNA Gln (CUA) غير معروفة. ومع ذلك ، فإن الحالات المستقلة المتعددة لإعادة تعيين UAG-stop-to-glutamine في العديد من حقيقيات النوى (الشكل 4) في حد ذاتها تشير إلى أن مثل هذه التعديلات يتم تحقيقها بسهولة.

التوزيع التطوري للرموز الجينية غير القانونية المعروفة في الجينات النووية لحقيقيات النوى. تم رسم شجرة النشوء والتطور التخطيطي على أساس التحليلات المتعلقة بالتطور والتطور بالنسبة لحقيقيات النوى ككل [60 ، 71 ، 72] (الشكل 1 والملف الإضافي 2: الشكل S1) وللمجموعات الفرعية ذات الصلة ذات الرموز غير المتعارف عليها [12 ، 13 ، 73-77]. يشير تعدد الأشكال إلى ترتيب تفريعي غير مؤكد أو مثير للجدل ، وتشير الفروع المتقطعة إلى مواضع مختلفة من الميتامونادا داخل حقيقيات النوى التي اقترحتها دراسات مختلفة ، والفروع المرسومة كخطوط مزدوجة تشير إلى مجموعات مجففة. تستند أنواع وتكرار مختلف الرموز غير المتعارف عليها إلى هذه الدراسة (الجذور exLh و ايوتانيما) والتقارير السابقة التالية: الفطريات [14 ، 15] Amoeboaphelidium [13] تناقض الغدد التناسلية [11] بلاستوكريثيديا [18] ulvophytes [12] ciliates [7 ، 9 ، 16 ، 17]. لاحظ أنه ، من أجل البساطة ، متغيرات الكود ذات المعنى المزدوج المعتمد على السياق لكودونات UAR أو UGA كأشكال إحساس أو إنهاء (UAR in بلاستوكريثيديا و ورم قشري، UGA في Parduczia و ورم قشري) عن أولئك الذين لديهم إعادة تعيين "كاملة". لقد حذفنا أيضًا بعض الأنواع الهدبية ذات الأكواد غير القانونية المفترضة المدعومة بقليل من البيانات المرتبطة على وجه التحديد وربما تشارك نفس الكود مع الأنواع المدروسة بشكل أفضل. يتم تعيين التغييرات في الشفرة الجينية على الشجرة بشكل أساسي (الدوائر السوداء) باستخدام شخل دولو (لا يُسمح بالعكس). تتم الإشارة إلى سيناريو الحد الأقصى من البخل البديل مع الانعكاسات المرجحة مثل التغييرات الأخرى بواسطة أرقام الكود ذات الصلة في الدوائر البيضاء. تم دعم ترتيب التفريع البديل للأمر الموضح في الشكل من قبل بعض الدراسات لبعض السلالات الهدبية ، لكن الطوبولوجيا البديلة لا تقلل من العدد الأدنى من عمليات إعادة تعيين الكودون المطلوبة لشرح توزيع الرموز الجينية غير القياسية

تحديد الحمض النووي الريبي (tRNAs) مشابه لكودون UAG في exLh الجذري و I. spirale وتوضيح أصلها التطوري ينتظر تسلسل جينومات هذين الكائنين. سيتطلب هذا تحديد واستنبات عمل exLh الجذري لتحقيق هذا الهدف في مختبرنا. تسلسل جينوم I. spirale معقد بسبب حقيقة أنه ينمو ببطء وأن البكتيريا تهيمن على الثقافة [30] ، والتي تستبعد بحد ذاتها التسلسل المباشر لجزيئات الحمض الريبي النووي النقال (tRNA) كنهج بديل. علاوة على ذلك ، تجدر الإشارة إلى أن تحديد الحمض النووي الريبي المسؤول عن قراءة رموز الإنهاء المعاد تعيينها قد لا يكون واضحًا حتى عندما يكون تسلسل الجينوم متاحًا. على سبيل المثال ، Swart et al. [16] فشل في العثور على جين لـ tRNA Trp (UCA) المتوقع في مسودة تسلسل الجينوم للهدب C. ماغنوم عند التحقيق في الكود الجيني لهذا الكائن الحي. لا تكون خصوصية الحمض النووي الريبي (tRNAs) واضحة بالضرورة من تسلسل الجين نفسه ، حيث قد يكون هناك أيضًا تدخل في التحرير اللاحق للنسخ أو تعديلات القاعدة. نتيجة لذلك ، تظل الحمض الريبي النووي النقال الفعلي المسؤول عن إنهاء إعادة تعيين الكودون غير معروف لمعظم الأكواد غير القانونية الموصوفة سابقًا في الجينومات النووية حقيقية النواة.

يُعتقد عمومًا أن إعادة التعيين الفعالة لأي من أكواد UAG أو UAA أو UGA تعتمد أيضًا على تغييرات محددة في آلية إنهاء الترجمة. في حقيقيات النوى ، يتم التوسط في إنهاء الترجمة عن طريق تفاعل جميع أكواد الإنهاء الثلاثة مع نفس البروتين ، eRF1 (عامل إطلاق حقيقيات النوى 1) ، وتحديداً مع مجالها الطرفي N [43 ، 44]. يشتمل هذا المجال على العديد من الأشكال المحفوظة للغاية أو البقايا الفردية المتضمنة بشكل مباشر أو غير مباشر في التعرف على أكواد الإنهاء أو ربطها ، وهي GTS و (TAS) NIKS و YxCxxxF و E55 و S70 [45 ، 46] (يعتمد ترقيم البقايا على تسلسل eRF1 البشري كمرجع). في الواقع ، أثبتت تسلسلات eRF1 في حقيقيات النوى التي غيرت معنى أكواد UAG أو UAA أو UGA أنها تعرض عادةً تعديلات مختلفة في هذه الأشكال عند مقارنتها بتسلسلات eRF1 من الكائنات الحية ذات الشفرة المتعارف عليها [9 ، 47 ، 48] ، وبعض من وقد تم إثبات أن هذه التغييرات مرتبطة سببيًا بخصوصية متغيرة لبروتين eRF1 تجاه رموز الإنهاء [45 ، 49].

حددنا النصوص التي ترميز eRF1 في كل من exLh الجذري و I. spirale وقارن المنطقة الحرجة لتسلسلات بروتين eRF1 ذات الصلة مع متماثلات من حقيقيات النوى المتنوعة ، بما في ذلك مجموعة واسعة من الأنواع ذات الرموز الجينية غير المتعارف عليها (ملف إضافي 6: الشكل S2). لا يُظهر تسلسل eRF1 من exLh الجذري أي انحراف واضح في العناصر المحفوظة التي لوحظت أعلاه ، ولكنه يُظهر بشكل ملحوظ بقايا ألانين في موضع Leu69 لبروتين eRF1 البشري. على الرغم من أن هذا الموضع لا يتم الحفاظ عليه بشكل خاص بين بروتينات eRF1 ، إلا أن استبدال الألانين فريد من نوعه بالنسبة لـ exLh الجذري (الملف الإضافي 6: الشكل S2) وقد تم إظهار طفرة L69A المقابلة لزيادة قراءة جميع أكواد الإيقاف الثلاثة ، لا سيما كودون UAG ، مما يشير إلى أن هذا الموقف مهم بشكل خاص للتعرف على الجوانين في موضع كودون التوقف الثالث بواسطة eRF1 [45]. لذلك ، من الممكن أن يكون هذا الاستبدال مسؤولًا جزئيًا عن الاستخدام الفعال لـ UAG كرمز معني في exLh الجذري. الميزة الأكثر وضوحا لبروتين eRF1 من I. spirale عبارة عن طفرة في نموذج GTS المحفوظ للغاية ، وتحديداً استبدال T32G (ملف إضافي 6: الشكل S2). يبدو أن هذا مهم. مع وجود الأدينوزين في الموضع الثاني من كودون الإنهاء ، يواجه Thr32 القاعدة في الموضع الثالث ، مكونًا رابطة هيدروجينية مع ذرة N2 من Guanosine في UAG [46]. ومن ثم ، يُفترض أن استبدال T32G يعطل هذا التفاعل ويضعف تقارب I. spirale eRF1 إلى كودون UAG. تحليل متواليات eRF1 من exLh الجذري و I. spirale وبالتالي يوفر فرضيات عمل قابلة للاختبار مثيرة للاهتمام حول كيفية تعديل جهاز الترجمة لهذين التصنيفين لتفسير كودون UAG على أنه معنى.


تستخدم بعض الفيروسات أبجدية جينية بديلة

آبي أولينا
29 أبريل 2021

في عام 1977 ، أظهر العلماء أن فيروسًا يسمى S-2L يصيب البكتيريا الزرقاء لا يحتوي على أدينين في جينومه. بدلاً من ذلك ، يستخدم S-2L نيوكليوتيد يُعرف باسم ديامينوبورين أو 2-أمينوادينين ، اختصارًا إلى Z ، والذي يصنع ثلاث روابط هيدروجينية - بدلاً من الاثنين اللذين يصنعهما الأدينين (أ) - عند إقرانه مع الثايمين (T). في ثلاث ورقات نُشرت اليوم (29 أبريل) في علم، أظهر الباحثون أن استخدام العاثيات Z بواسطة العاثيات ، تلك الفيروسات التي تصيب البكتيريا ، أكثر انتشارًا مما كان يُعتقد سابقًا ، وهم يصفون المسارات التي يتم من خلالها صنع النيوكليوتيدات البديلة ودمجها في جينومات العاثيات.

"من المعروف أن هناك هذه العاثية التي لا تحتوي على الأدينين في جينومها. . . يقول جيف بويكي ، عالم الأحياء الجزيئية في كلية غروسمان للطب بجامعة نيويورك ، والذي لم يشارك في العمل ، إن الأمر لم يُحل لغزًا بشأن كيفية قيامه بذلك. يقول إن هذه الأوراق "توضح ذلك بتفاصيل جزيئية رائعة" العالم. بالإضافة إلى ذلك ، فإن المؤلفين "قاموا بعمل شامل بشكل مذهل لإثبات أن هذا ليس غريبًا ، ولكن هناك مجموعة كاملة من العاثيات التي تحتوي على هذا النوع من المواد الجينية."

في عام 1998 ، قام بيير ألكسندر كامينسكي من معهد باستير وزملاؤه بترتيب تسلسل جينوم سيانوفاج S-2L على أمل فك رموز المسارات التي تسمح للفيروس بالالتفاف على شفرة النيوكليوتيدات المتعارف عليها. وجدوا تسلسل متعلق بـ بورا -الجين الذي يشفر سينثاز succinoadenylate ، وهو أحد الإنزيمات في مسار تخليق الأدينين - بدا وكأنه بداية جيدة ، لكنه أوقف المشروع بعد ذلك بسبب تحديات العمل مع العاثية ومضيفها السيانوبكتيري.

على مدى السنوات التالية ، بحث الباحثون بشكل دوري في قواعد البيانات وقارنوا التسلسلات المنشورة بـ بورا-مثل الجين. في أواخر عام 2015 ، وصلوا إلى تسلسل متماثل في فيبريو العاثية التي تصيب فيبريو، وهو جنس من البكتيريا سالبة الجرام التي يسهل التعامل معها أكثر من مضيف البكتيريا الزرقاء S-2L. تسلسل ملف بورا-مثل الجينات في S-2L و فيبريو كانت العاثيات أكثر تشابهًا مع بعضها البعض من الأخرى المعروفة بورا الجينات ، مما يشير إلى أن فيبريو قد تستخدم العاثية أيضًا الديامينوبورين في حمضها النووي.

منذ عام 1977 ، بدت الدودة الزرقاء وكأنها مشكلة لمرة واحدة وليست مثيرة جدًا للاهتمام ، لكنهم أوضحوا حقًا أن هذا موجود ، وفي أماكن أكثر مما نتوقع.

قام الفريق بتحليل تكوين فيبريو وجد DNA phage أنه يحتوي على ديامينوبورين بدلاً من الأدينين. يصفون هذه النتائج في إحدى الأوراق البحثية الصادرة اليوم ، بالإضافة إلى هيكل ووظيفة الإنزيم المشفر بواسطة بورامثل الجين الذي يسمونه PurZ. لقد أظهروا أن PurZ لها وظيفة مماثلة في مسار Z الحيوي لـ PurA في تخليق الأدينين ، وأن جينومات العاثيات تحتوي أيضًا على إنزيم آخر يشارك في صنع Z ، المعروف باسم PurB.

هم أيضا يحددون 19 بورز الجينات في أنواع مختلفة من العاثيات التي تتجمع نسبيًا مع بورا الجينات الموجودة في العتائق.

"إنه لأمر مذهل إلى أي مدى يذهب إلى الوراء. . . يقول ديفيد دنلاب ، عالم الفيزياء الحيوية في جامعة إيموري الذي لم يشارك في العمل. "هذه الأشياء تتطور بالتوازي لفترة طويلة. منذ عام 1977 ، بدت الدودة الزرقاء وكأنها مشكلة لمرة واحدة وليست مثيرة جدًا للاهتمام ، لكنهم أوضحوا حقًا أن هذا موجود ، وفي أماكن أكثر مما نتوقع ".

يرجى الاطلاع على "هل العاثيات التي تم التغاضي عنها كوسيط للصحة والمرض؟"

في دراسة ثانية ، حدد نفس الفريق جينات الملتهمة التي تشفر DNA polymerases التي تدمج بشكل انتقائي ديامينوبورين بدلاً من الأدينين. لا يبدو أن العاثية الأصلية S-2L تؤوي أحد هذه الجينات ، ولكن تسعة جينومات أخرى من العاثيات ، بما في ذلك فيبريو العاثية ، تشمل جين البلمرة ، الذي أطلقه المؤلفون dpoZ. في ال فيبريو فج وجينومات العاثيات الأخرى ، تم العثور على جين بوليميراز الدنا هذا بالقرب من بورز الجين.

أكدت مجموعة مستقلة ، بقيادة Huimin Zhao من جامعة إلينوي ، هذه النتائج في الدراسة الثالثة المنشورة اليوم ، بينما توصيف الإنزيمات المسؤولة عن تصنيع الجينومات المحتوية على Z و Z وتحديد العشرات من جينومات العاثيات الموزعة في جميع أنحاء العالم والتي تحتوي على ترميز الجينات هذه الانزيمات. عثرت مجموعة Zhao أيضًا على إنزيم محفوظ مشفر في العديد من جينومات العاثيات التي تدعم تخليق جينوم Z عن طريق استنفاد الأدينوزين ثلاثي الفوسفات وسلائفه من تجمع النوكليوتيدات للمضيف ، وبالتالي منع العاثيات من دمج A في جينوماتها.

بالإضافة إلى استخدام PurZ و PurB ، تقوم هذه العاثيات أيضًا باختطاف إنزيمات المضيف للمساعدة في تصنيع ديامينوبورين ودمجه في جينوم العاثيات. أخيرًا ، أظهر الباحثون أن الجينومات المحتوية على Z مقاومة للتحلل بواسطة إنزيمات تقييد المضيف.

يوضح دنلاب: "إذا كنت تريد أن تكون جينومًا يحتوي على ديامينوبورين ، فسيتعين عليك التخلص من المنافس". "العاثية تمشي في عالم الأدنين وعليها أن تفرض إرادتها."

يبحث Zhao وزملاؤه في كيفية الاستفادة من عرض الملتهمة هذا في تطبيقات مثل علاج الالتهابات البكتيرية. لقد استفاد الباحثون بالفعل من العاثيات لعلاج بعض الالتهابات البكتيرية ، كما يقول ، ولكن تضمين هذا المسار في تلك العاثيات قد يجعلها أكثر فاعلية ، لأنها ستكون مقاومة للتدهور من خلال أهدافها البكتيرية.

يقول كامينسكي: "هناك الكثير من الأسئلة التي لا تزال بلا إجابة". في ورقة بحثية صدرت في وقت سابق من هذا الشهر وشارك في تأليفه ، ألقى الباحثون الضوء على أحد هذه الأسئلة - كيف يتم نسخ جينوم S-2L - من خلال تحديد البوليميراز المناسب. لكن كامينسكي يوضح أن أحد أصعب الأسئلة التي يجب الإجابة عليها سيكون متى تتطور هذه الآلية. "من المفترض أن تكون قديمة لأنها جذورها عميقة في شجرة النشوء والتطور وبسبب تشابه البنى [الأنزيمية]" ، ولكن ليس من الواضح ما إذا كانت جينومات Z أو A تأتي أولاً.


هل الجينات مصيرنا؟ اكتشف العلماء أن الشفرة "المخفية" في الحمض النووي تتطور بسرعة أكبر من الكود الجيني

تسمح الشفرة "المخفية" المرتبطة بالحمض النووي للنباتات بتطوير وتمرير سمات بيولوجية جديدة بسرعة أكبر بكثير مما كان يعتقد سابقًا ، وفقًا لنتائج دراسة رائدة أجراها باحثون في معهد سالك للدراسات البيولوجية.

ونشرت الدراسة يوم 16 سبتمبر في المجلة علم، يقدم الدليل الأول على أن الشفرة "اللاجينية" للكائن الحي - طبقة إضافية من التعليمات الكيميائية الحيوية في الحمض النووي - يمكن أن تتطور بسرعة أكبر من الشفرة الجينية ويمكن أن تؤثر بقوة على السمات البيولوجية.

في حين اقتصرت الدراسة على نوع نباتي واحد يسمى Arabidopsis thaliana ، وهو ما يعادل الفئران المختبرية لعالم النبات ، تشير النتائج إلى أن سمات الكائنات الحية الأخرى ، بما في ذلك البشر ، قد تتأثر أيضًا بشكل كبير بالآليات البيولوجية التي يستخدمها العلماء فقط. بدأت في الفهم.

قال جوزيف إيكر ، الأستاذ في مختبر سالك للبيولوجيا الجزيئية والخلوية النباتية ، الذي قاد فريق البحث: "تظهر دراستنا أن الجينات ليست كلها". "وجدنا أن هذه النباتات لها رمز جيني أكثر مرونة وتأثيرًا مما كنا نتخيله. من الواضح أن هناك عنصرًا من عناصر التوريث لا نفهمه تمامًا. من الممكن أن يكون لدينا نحن البشر آلية جينية نشطة مماثلة تتحكم في خصائصنا البيولوجية وينتقل إلى أطفالنا ".

مع ظهور تقنيات رسم خرائط سريعة للحمض النووي للكائنات الحية ، وجد العلماء أن الجينات المخزنة في رمز الحمض النووي المكون من أربعة أحرف لا تحدد دائمًا كيفية تطور الكائن الحي واستجابته لبيئته. كلما زاد عدد علماء الأحياء الذين رسموا خريطة جينومات الكائنات الحية المختلفة (الشفرة الجينية بأكملها) ، زاد اكتشافهم للتناقضات بين ما تمليه الشفرة الجينية وكيف تبدو الكائنات الحية وتعمل بالفعل.

في الواقع ، استند العديد من الاكتشافات الرئيسية التي أدت إلى هذه الاستنتاجات إلى دراسات في النباتات. هناك سمات مثل شكل الزهرة وتصبغ الفاكهة في بعض النباتات التي تخضع لسيطرة هذا الرمز اللاجيني. هذه السمات ، التي تتحدى تنبؤات علم الوراثة الكلاسيكي المندلي ، توجد أيضًا في الثدييات. في بعض سلالات الفئران ، على سبيل المثال ، يمكن أن ينتقل الميل إلى السمنة من جيل إلى جيل ، ولكن لا يوجد فرق بين الكود الجيني للفئران السمينة والفئران النحيلة يفسر هذا الاختلاف في الوزن.

حتى أن العلماء وجدوا أن التوائم البشرية المتطابقة تظهر سمات بيولوجية مختلفة ، على الرغم من تطابق تسلسل الحمض النووي. لقد وضعوا نظرية مفادها أن مثل هذه التباينات غير المبررة يمكن أن تكون من عمل التباين اللاجيني.

قال إيكر: "نظرًا لعدم تطابق أي من أنماط التباين والوراثة هذه مع ما يقوله التسلسل الجيني ، فمن الواضح أن هناك عنصرًا مفقودًا في التوريث" الجيني "".

تتبع إيكر وعلماء آخرون هذه الأنماط الغامضة إلى علامات كيميائية تعمل كطبقة من التحكم الجيني أعلى تسلسل الحمض النووي. تمامًا كما يمكن أن تنشأ الطفرات الجينية تلقائيًا وتورثها الأجيال اللاحقة ، يمكن أن تظهر الطفرات اللاجينية في الأفراد وتنتشر في المجتمع الأوسع.

على الرغم من أن العلماء قد حددوا عددًا من السمات اللاجينية ، إلا أنه لم يُعرف سوى القليل جدًا عن عدد المرات التي نشأت فيها تلقائيًا ، ومدى سرعة انتشارها بين السكان ومدى تأثيرها على التطور البيولوجي والوظيفة.

قال روبرت شميتز ، باحث ما بعد الدكتوراه في مختبر إيكرز والمؤلف الرئيسي لهذه الورقة: "إن إدراك مدى التباين اللاجيني في النباتات من جيل إلى جيل يختلف اختلافًا كبيرًا داخل مجتمعنا العلمي". "لقد أجرينا التجربة بالفعل ، ووجدنا أنه بشكل عام هناك القليل جدًا من التغيير بين كل جيل ، ولكن التقرحات التلقائية موجودة بالفعل في المجموعات السكانية وتنشأ بمعدل أعلى بكثير من معدل طفرات الحمض النووي ، وفي بعض الأحيان كان لها تأثير قوي على كيفية تم التعبير عن جينات معينة ".

في دراستهم ، قام باحثو Salk والمتعاونون في معهد Scripps للأبحاث بتعيين Epigenome لمجموعة من نباتات Arabidopsis ، ثم لاحظوا كيف تغير هذا المشهد الكيميائي الحيوي بعد 30 جيلًا. يتكون هذا التعيين من تسجيل حالة جميع المواقع على جزيء الحمض النووي التي يمكن أن تخضع لتعديل كيميائي يُعرف باسم المثيلة ، وهو تغيير جيني رئيسي يمكن أن يغير كيفية التعبير عن جينات أساسية معينة. ثم راقبوا كيف تطورت حالات المثيلة لهذه المواقع عبر الأجيال.

كانت جميع النباتات مستنسخة من سلف واحد ، لذلك كانت تسلسلات الحمض النووي الخاصة بهم متطابقة بشكل أساسي عبر الأجيال. وبالتالي فإن أي تغييرات في كيفية تعبير النباتات عن سمات وراثية معينة من المحتمل أن تكون نتيجة للتغيرات العفوية في شفرتها اللاجينية - الاختلافات في مثيلة مواقع الحمض النووي - وليس نتيجة للاختلافات في تسلسل الحمض النووي الأساسي.

قال إيكر: "لا يمكنك إجراء هذا النوع من الدراسة على البشر ، لأن حمضنا النووي يتم خلطه كل جيل". "على عكس البشر ، يمكن استنساخ بعض النباتات بسهولة ، لذلك يمكننا رؤية التوقيع فوق الجيني بدون كل الضجيج الجيني."

اكتشف الباحثون أنه تم تغيير ما يصل إلى بضعة آلاف من مواقع المثيلة على الحمض النووي للنباتات كل جيل. على الرغم من أن هذا يمثل نسبة صغيرة من ستة ملايين موقع مثيلة يُقدر وجودها على DNA Arabidopsis ، إلا أنه يقزم معدل التغيير التلقائي المرئي على مستوى تسلسل الحمض النووي بحوالي خمسة أوامر من حيث الحجم.

يشير هذا إلى أن الشفرة اللاجينية للنباتات - والكائنات الأخرى ، بالتبعية - أكثر سيولة بكثير من شفرتها الجينية.

والأكثر إثارة للدهشة هو المدى الذي أدت به بعض هذه التغييرات إلى تشغيل الجينات أو إيقاف تشغيلها. كما شهد عدد من الجينات النباتية التي خضعت لتغيرات وراثية في المثيلة تغيرات كبيرة في تعبيرها - وهي العملية التي تتحكم بها الجينات في الوظيفة الخلوية من خلال إنتاج البروتين.

وهذا يعني أنه ليس فقط الإيبيجينوم للنباتات يتحول بسرعة على الرغم من عدم وجود أي ضغط بيئي قوي ، ولكن يمكن أن يكون لهذه التغييرات تأثير قوي على شكل ووظيفة النباتات.

قال إيكر إن نتائج الدراسة تقدم بعض الأدلة الأولى على أن الشفرة اللاجينية يمكن إعادة كتابتها بسرعة وإحداث تأثير كبير. وقال "هذا يعني أن الجينات ليست قدرًا". "إذا كنا مثل هذه النباتات ، فقد يخضع الإبيجينوم أيضًا لتغير تلقائي سريع نسبيًا يمكن أن يكون له تأثير قوي على سماتنا البيولوجية."

الآن بعد أن أظهروا مدى حدوث الطفرات الجينية العفوية ، يخطط باحثو Salk للكشف عن الآليات البيوكيميائية التي تسمح لهذه التغييرات بالظهور والانتقال من جيل إلى آخر.

يأملون أيضًا في استكشاف كيف يمكن أن تؤدي الظروف البيئية المختلفة ، مثل الاختلافات في درجة الحرارة ، إلى حدوث تغير جيني في النباتات ، أو على العكس من ذلك ، ما إذا كانت الصفات اللاجينية توفر للنباتات مزيدًا من المرونة في التعامل مع التغير البيئي.

قال إيكر: "نعتقد أن هذه الأحداث اللاجينية قد تُسكِت الجينات عندما لا تكون هناك حاجة إليها ، ثم تعيد تشغيلها عندما تستدعي الظروف الخارجية". "لن نعرف مدى أهمية هذه النتائج حتى نقيس التأثير على سمات النبات ، ونحن الآن فقط إلى النقطة التي يمكننا فيها إجراء هذه التجارب. إنه أمر مثير للغاية."

يتم دعم البحث من قبل مؤسسة العلوم الوطنية والمعاهد الوطنية للصحة ومعهد هوارد هيوز الطبي ومؤسسة جوردون وبيتي مور ومؤسسة ماري كيه تشابمان.


شاهد الفيديو: عدد أنواع الطرز الجينية والشكلية التي ينتجها أبوان معلوما الطرز الجيني. (أغسطس 2022).