Πληροφορίες

11.2: Αλληλουχία DNA - Βιολογία

11.2: Αλληλουχία DNA - Βιολογία


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.

Η αλληλουχία DNA καθορίζει τη σειρά των νουκλεοτιδικών βάσεων μέσα σε ένα δεδομένο θραύσμα του DNA. Αυτές οι πληροφορίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να συμπεράνουν την αλληλουχία RNA ή πρωτεΐνης που κωδικοποιείται από το γονίδιο, από την οποία μπορούν να γίνουν περαιτέρω συμπεράσματα σχετικά με τη λειτουργία του γονιδίου και τη σχέση του με άλλα γονίδια και γονιδιακά προϊόντα. Οι πληροφορίες αλληλουχίας DNA είναι επίσης χρήσιμες στη μελέτη της ρύθμισης της γονιδιακής έκφρασης. Εάν η αλληλουχία DNA εφαρμόζεται στη μελέτη πολλών γονιδίων, ή ακόμα και ολόκληρου γονιδιώματος, θεωρείται παράδειγμα γονιδιωματικής.

Αλληλουχία διδοξίας

Θυμηθείτε ότι οι πολυμεράσες DNA ενσωματώνουν νουκλεοτίδια (dNTPs) σε έναν αναπτυσσόμενο κλώνο του DNA, με βάση την αλληλουχία ενός κλώνου προτύπου. Οι πολυμεράσες DNA προσθέτουν μια νέα βάση μόνο στην ομάδα 3'-ΟΗ ενός υπάρχοντος κλώνου DNA. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο απαιτούνται εκκινητές στη φυσική σύνθεση DNA και σε τεχνικές όπως η PCR. Οι περισσότερες από τις επί του παρόντος χρησιμοποιούμενες τεχνικές προσδιορισμού αλληλουχίας DNA βασίζονται στην τυχαία ενσωμάτωση τροποποιημένων νουκλεοτιδίων που ονομάζονται τερματιστές. Παραδείγματα τερματιστών είναι τα διδεοξυ νουκλεοτίδια (ddNTP), οι οποίες δεν έχουν ομάδα 3'-ΟΗ και επομένως δεν μπορούν να χρησιμεύσουν ως θέση προσκόλλησης για την προσθήκη νέων βάσεων σε έναν αναπτυσσόμενο κλώνο DNA (Εικόνα (PageIndex{1})). Μετά την ενσωμάτωση ενός ddNTP σε έναν κλώνο DNA, δεν μπορεί να συμβεί περαιτέρω επιμήκυνση. Οι τερματιστές επισημαίνονται με μία από τις τέσσερις φθορίζουσες βαφές, η κάθε μία ειδική για μία από τις τέσσερις βάσεις νουκλεοτιδίων.

Για την αλληλουχία ενός θραύσματος DNA, χρειάζεστε πολλά αντίγραφα αυτού του θραύσματος (Εικόνα (PageIndex{2})). Σε αντίθεση με την PCR, η αλληλουχία DNA δεν ενισχύει την αλληλουχία στόχο και χρησιμοποιείται μόνο ένας εκκινητής. Αυτός ο εκκινητής υβριδοποιείται στο μετουσιωμένο πρότυπο DNA και καθορίζει πού στο σκέλος του προτύπου θα ξεκινήσει η αντίδραση προσδιορισμού αλληλουχίας. Ένα μείγμα dNTPs, τερματιστές με φθορίζουσα σήμανση και πολυμεράση DNA προστίθεται σε ένα σωλήνα που περιέχει το υβρίδιο εκμαγείου-εκκινητή. Η DNA πολυμεράση θα συνθέσει στη συνέχεια έναν νέο κλώνο DNA μέχρι να ενσωματωθεί ένα σημασμένο με φθορισμό νουκλεοτίδιο, στο οποίο σημείο τερματίζεται η επέκταση. Επειδή η αντίδραση περιέχει εκατομμύρια πρότυπα μόρια, συντίθεται ένας αντίστοιχος αριθμός μικρότερων μορίων, το καθένα τελειώνει σε μια φθορίζουσα ετικέτα που αντιστοιχεί στην τελευταία ενσωματωμένη βάση.

Οι νεοσυντιθέμενοι κλώνοι μπορούν να μετουσιωθούν από το πρότυπο και στη συνέχεια να διαχωριστούν ηλεκτροφορητικά με βάση το μήκος τους (Εικόνα (PageIndex{3})). Δεδομένου ότι κάθε ζώνη διαφέρει κατά μήκος κατά ένα νουκλεοτίδιο και η ταυτότητα αυτού του νουκλεοτιδίου είναι γνωστή από τον φθορισμό του, η αλληλουχία DNA μπορεί να διαβαστεί απλώς από τη σειρά των χρωμάτων στις διαδοχικές ζώνες. Στην πράξη, το μέγιστο μήκος αλληλουχίας που μπορεί να διαβαστεί από μία αντίδραση αλληλουχίας είναι περίπου 700 bp.

Μια ιδιαίτερα ευαίσθητη μέθοδος ηλεκτροφόρησης που χρησιμοποιείται στην ανάλυση αντιδράσεων αλληλουχίας DNA ονομάζεται τριχοειδής ηλεκτροφόρηση (Εικόνα ( PageIndex {6} )). Σε αυτή τη μέθοδο, ένα ρεύμα τραβά τα προϊόντα αλληλουχίας μέσω μιας μήτρας που μοιάζει με πηκτή που είναι εγκλωβισμένη σε ένα λεπτό σωλήνα από διαφανές πλαστικό. Όπως και στη συμβατική ηλεκτροφόρηση, τα μικρότερα θραύσματα κινούνται ταχύτερα μέσω του τριχοειδούς. Καθώς περνούν από ένα σημείο κοντά στο άκρο του τριχοειδούς, διαβάζεται η ένταση φθορισμού κάθε βαφής. Αυτό παράγει ένα γράφημα που ονομάζεται χρωματογράφημα. Η αλληλουχία προσδιορίζεται με τον προσδιορισμό της υψηλότερης κορυφής (δηλαδή της βαφής με το πιο έντονο σήμα φθορισμού) σε κάθε θέση.

Αλληλουχία επόμενης γενιάς

Η πρόοδος της τεχνολογίας τις τελευταίες δύο δεκαετίες αύξησε την ταχύτητα και την ποιότητα της αλληλουχίας, ενώ μείωσε το κόστος. Αυτό έγινε ιδιαίτερα αληθές με τις πιο πρόσφατα αναπτυγμένες μεθόδους που ονομάζονται αλληλουχίες επόμενης γενιάς. Δεν βασίζονται όλες αυτές οι νέες μέθοδοι σε τερματιστές, αλλά μια μέθοδος που χρησιμοποιείται σε όργανα που πωλούνται από μια εταιρεία που ονομάζεται IlluminaΤο Τα συστήματα αλληλουχίας Illumina χρησιμοποιούν μια ειδική παραλλαγή της PCR που ονομάζεται Bridge PCR για να δημιουργήσουν πολλές χιλιάδες αντίγραφα ενός μικρού τμήματος προτύπου (45bp). Κάθε ένα από αυτά τα μικρά θραύσματα προτύπου συνδέεται σε ένα σύμπλεγμα σε ένα μικρό σημείο σε μια επιφάνεια αντίδρασης. Εκατομμύρια άλλες συστάδες, το καθένα κατασκευασμένο από διαφορετικό θραύσμα μήτρας, βρίσκονται σε άλλες θέσεις στην επιφάνεια της αντίδρασης. Η σύνθεση DNA σε κάθε κλώνο προτύπου στη συνέχεια προχωρά χρησιμοποιώντας τερματιστές επισημασμένους με βαφή που χρησιμοποιούνται είναι αναστρέψιμοι. Συνεπώς, η σύνθεση τερματίζεται (προσωρινά) μετά την ενσωμάτωση κάθε νουκλεοτιδίου. Έτσι, αφού το πρώτο νουκλεοτίδιο ενσωματωθεί σε κάθε κλώνο, μια κάμερα καταγράφει το χρώμα του φθορισμού που εκπέμπεται από κάθε σύμπλεγμα. Οι τερματιστές στη συνέχεια τροποποιούνται, και ένα δεύτερο νουκλεοτίδιο ενσωματώνεται σε κάθε κλώνο, και πάλι η επιφάνεια της αντίδρασης φωτογραφίζεται. Αυτός ο κύκλος επαναλαμβάνεται συνολικά 45 φορές. Επειδή εκατομμύρια προτύπων 45 bp αλληλουχούνται παράλληλα σε μία μόνο διαδικασία, η αλληλουχία Illumina είναι πολύ αποτελεσματική σε σύγκριση με άλλες τεχνικές αλληλούχισης. Ωστόσο, το μικρό μήκος των προτύπων περιορίζει επί του παρόντος την εφαρμογή αυτής της τεχνολογίας.


11 Μοριακή Βιολογία του Γονιδίου

Η μοριακή βιολογία είναι ο κλάδος της βιολογίας που αφορά τη μοριακή βάση της βιολογικής δραστηριότητας μέσα και μεταξύ των κυττάρων, συμπεριλαμβανομένης της μοριακής σύνθεσης, τροποποίησης, μηχανισμών και αλληλεπιδράσεων. Η μοριακή βιολογία προέκυψε ως μια προσπάθεια απάντησης στα ερωτήματα σχετικά με τους μηχανισμούς γενετικής κληρονομικότητας και τη δομή ενός γονιδίου. Το 1953, ο James Watson και ο Francis Crick δημοσίευσαν τη διπλή ελικοειδή δομή του DNA χάρη στην εργασία κρυσταλλογραφίας ακτίνων Χ που έγινε από τους Rosalind Franklin και Maurice Wilkins. Οι Watson και Crick περιέγραψαν τη δομή του DNA και τις αλληλεπιδράσεις μέσα στο μόριο. Αυτή η δημοσίευση ξεκίνησε την έρευνα στη μοριακή βιολογία και αύξησε το ενδιαφέρον για το θέμα.

Τα νουκλεϊκά οξέα είναι βιοπολυμερή που είναι απαραίτητα για όλες τις γνωστές μορφές ζωής. Ο όρος νουκλεϊκό οξύ είναι η συνολική ονομασία για το DNA και το RNA. Αποτελούνται από νουκλεοτίδια, τα οποία είναι τα μονομερή που αποτελούνται από τρία συστατικά: ένα σάκχαρο 5 άνθρακα, μια φωσφορική ομάδα και μια αζωτούχα βάση. Εάν το σάκχαρο είναι μια σύνθετη ριβόζη, το πολυμερές είναι RNA (ριβονουκλεϊκό οξύ) εάν το σάκχαρο προέρχεται από ριβόζη ως δεοξυριβόζη, το πολυμερές είναι DNA (δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ).

Σε μια επιρροή που δημοσιεύτηκε το 1941, οι George Beadle και Edward Tatum πρότειναν την ιδέα ότι τα γονίδια ενεργούν μέσω της παραγωγής ενζύμων, με κάθε γονίδιο υπεύθυνο για την παραγωγή ενός ενζύμου που με τη σειρά του επηρεάζει ένα μόνο βήμα σε μια μεταβολική οδό. Η ιδέα προέκυψε από την εργασία σε γενετικές μεταλλάξεις στο καλούπι Neurospora crassa, και στη συνέχεια ονομάστηκε "υπόθεση ενός γονιδίου - ενός ενζύμου" από τον συνεργάτη τους Norman Horowitz. Το 2004 ο Norman Horowitz θυμήθηκε ότι «αυτά τα πειράματα ίδρυσαν την επιστήμη αυτού που ο Beadle και ο Tatum ονόμασαν «βιοχημική γενετική». Αυτά τα πειράματα θεωρούνται από ορισμένους ότι αποτελούν την αρχή αυτού που έγινε μοριακή γενετική και η ανάπτυξη της υπόθεσης ενός γονιδίου-ένα ενζύμου είναι συχνά θεωρείται το πρώτο σημαντικό αποτέλεσμα σε αυτό που ονομάστηκε μοριακή βιολογία. Παρόλο που είχε εξαιρετικά μεγάλη επιρροή, η υπόθεση αναγνωρίστηκε αμέσως μετά την πρότασή της ως υπεραπλούστευση. Ακόμη και η επακόλουθη αναδιατύπωση της υπόθεσης «ένα γονίδιο-ένα πολυπεπτίδιο» θεωρείται πλέον πολύ απλή για να περιγράψει τη σχέση μεταξύ γονιδίων και πρωτεϊνών. Αποδίδοντας εκπαιδευτικό ρόλο στα γονίδια, οι Beadle και Tatum έδωσαν σιωπηρά στα γονίδια μια πληροφοριακή ικανότητα. Αυτή η εικόνα παρείχε τη βάση για την έννοια του γενετικού κώδικα. Ωστόσο, μέχρι που πραγματοποιήθηκαν τα πειράματα που έδειξαν ότι το DNA ήταν το γενετικό υλικό, ότι οι πρωτεΐνες αποτελούνται από μια καθορισμένη γραμμική αλληλουχία αμινοξέων και ότι η δομή του DNA περιείχε μια γραμμική ακολουθία ζευγών βάσεων, υπήρχε μια σαφής βάση για την επίλυση του γενετικός κώδικας.

Αποδίδοντας εκπαιδευτικό ρόλο στα γονίδια, οι Beadle και Tatum έδωσαν σιωπηρά στα γονίδια μια πληροφοριακή ικανότητα. Αυτή η εικόνα παρείχε τη βάση για την έννοια του γενετικού κώδικα. Ωστόσο, μέχρι που πραγματοποιήθηκαν τα πειράματα που έδειξαν ότι το DNA ήταν το γενετικό υλικό, ότι οι πρωτεΐνες αποτελούνται από μια καθορισμένη γραμμική αλληλουχία αμινοξέων και ότι η δομή του DNA περιείχε μια γραμμική ακολουθία ζευγών βάσεων, υπήρχε μια σαφής βάση για την επίλυση του γενετικός κώδικας.

Αν και ήταν γνωστό ότι υπάρχουν γονίδια στα χρωμοσώματα, τα χρωμοσώματα αποτελούνται τόσο από πρωτεΐνη όσο και από DNA, και οι επιστήμονες δεν γνώριζαν ποιο από τα δύο είναι υπεύθυνο για την κληρονομικότητα. Το 1928, ο Frederick Griffith ανακάλυψε το φαινόμενο του μετασχηματισμού: τα νεκρά βακτήρια θα μπορούσαν να μεταφέρουν γενετικό υλικό για να «μεταμορφώσουν» άλλα νεκρά βακτήρια. Δεκαέξι χρόνια αργότερα, το 1944, το πείραμα Avery – MacLeod – McCarty αναγνώρισε το DNA ως το μόριο που ευθύνεται για τον μετασχηματισμό. Ο ρόλος του πυρήνα ως αποθήκη γενετικών πληροφοριών σε ευκαρυώτες είχε καθοριστεί από τον Hämmerling το 1943 στο έργο του για το μονοκύτταρο φύκι Acetabularia. Το πείραμα Hershey–Chase το 1952 επιβεβαίωσε ότι το DNA (και όχι η πρωτεΐνη) είναι το γενετικό υλικό των ιών που μολύνουν τα βακτήρια, παρέχοντας περαιτέρω στοιχεία ότι το DNA είναι το μόριο που ευθύνεται για την κληρονομικότητα.

Οι James Watson και Francis Crick προσδιόρισαν τη δομή του DNA το 1953, χρησιμοποιώντας το έργο κρυσταλλογραφίας ακτίνων Χ των Rosalind Franklin και Maurice Wilkins που έδειξαν ότι το DNA έχει ελικοειδή δομή (δηλαδή, σε σχήμα τιρμπουσόν). Το μοντέλο τους με διπλή έλικα είχε δύο κλώνους DNA με τα νουκλεοτίδια να δείχνουν προς τα μέσα, το καθένα να ταιριάζει με ένα συμπληρωματικό νουκλεοτίδιο στο άλλο σκέλος για να σχηματίσει αυτό που μοιάζει με σκάλες σε μια στριμμένη σκάλα. Αυτή η δομή έδειξε ότι υπάρχουν γενετικές πληροφορίες στην αλληλουχία νουκλεοτιδίων σε κάθε κλώνο του DNA. Η δομή πρότεινε επίσης μια απλή μέθοδο αντιγραφής: εάν οι κλώνοι διαχωριστούν, μπορούν να ανακατασκευαστούν νέα συνεργαζόμενα σκέλη για καθένα με βάση την ακολουθία του παλιού κλώνου. Αυτή η ιδιότητα είναι αυτή που δίνει στο DNA την ημι-συντηρητική φύση του, όπου ένας κλώνος νέου DNA προέρχεται από ένα αρχικό μητρικό σκέλος.

Εικόνα 11.1: Αναπαράσταση κινουμένων σχεδίων του DNA βασισμένο σε ατομικές συντεταγμένες του PDB 1BNA, που αποδίδεται με εργαλείο μοριακής απεικόνισης ανοιχτού κώδικα PyMol.

Αν και η δομή του DNA έδειξε πώς λειτουργεί η κληρονομικότητα, δεν ήταν ακόμη γνωστό πώς το DNA επηρεάζει τη συμπεριφορά των κυττάρων. Τα επόμενα χρόνια, οι επιστήμονες προσπάθησαν να καταλάβουν πώς το DNA ελέγχει τη διαδικασία παραγωγής πρωτεϊνών. Ανακαλύφθηκε ότι το κύτταρο χρησιμοποιεί το DNA ως πρότυπο για να δημιουργήσει αντίστοιχο RNA αγγελιοφόρο, μόρια με νουκλεοτίδια πολύ παρόμοια με το DNA. Η νουκλεοτιδική αλληλουχία ενός αγγελιοφόρου RNA χρησιμοποιείται ως πρότυπο από ριβοσώματα για να δημιουργήσει μια αλληλουχία αμινοξέων στην πρωτεΐνη. Αυτή η αντιστοιχία μεταξύ αλληλουχιών νουκλεοτιδίων και αλληλουχιών αμινοξέων είναι γνωστή ως γενετικός κώδικας.

Με τη νέα μοριακή κατανόηση της κληρονομικότητας ήρθε μια έκρηξη έρευνας. Μια σημαντική εξέλιξη ήταν ο προσδιορισμός αλληλουχίας DNA με τερματισμό αλυσίδας το 1977 από τον Frederick Sanger. Αυτή η τεχνολογία επιτρέπει στους επιστήμονες να διαβάσουν την αλληλουχία νουκλεοτιδίων ενός μορίου DNA. Το 1983, ο Kary Banks Mullis ανέπτυξε την αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης, παρέχοντας έναν γρήγορο τρόπο απομόνωσης και ενίσχυσης ενός συγκεκριμένου τμήματος DNA από ένα μείγμα. Οι προσπάθειες του Human Genome Project, Department of Energy, NIH, και οι παράλληλες ιδιωτικές προσπάθειες της Celera Genomics οδήγησαν στον προσδιορισμό της αλληλουχίας του ανθρώπινου γονιδιώματος το 2003.


14.2 Δομή και αλληλουχία DNA

Σε αυτήν την ενότητα, θα διερευνήσετε τις ακόλουθες ερωτήσεις:

  • Ποια είναι η μοριακή δομή του DNA;
  • Τι είναι η μέθοδος Sanger προσδιορισμού αλληλουχίας DNA; Τι είναι η εφαρμογή αλληλουχίας DNA;
  • Ποιες είναι οι ομοιότητες και οι διαφορές μεταξύ ευκαρυωτικού και προκαρυωτικού DNA;

Σύνδεση για μαθήματα AP

Το επί του παρόντος αποδεκτό μοντέλο της δομής του DNA προτάθηκε το 1953 από τους Watson και Crick, οι οποίοι έφτιαξαν το μοντέλο τους αφού είδαν μια φωτογραφία του DNA που είχε τραβήξει ο Franklin χρησιμοποιώντας κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ. Η φωτογραφία έδειξε το σχήμα και τις διαστάσεις της διπλής έλικας του μορίου. Οι δύο κλώνοι που αποτελούν τη διπλή έλικα είναι συμπληρωματικές και αντιπαράλληλες στη φύση τους. Δηλαδή, ένας κλώνος τρέχει στην κατεύθυνση 5 'έως 3', ενώ ο συμπληρωματικός κλώνος τρέχει στην κατεύθυνση 3 'έως 5'. (Η σημασία της κατευθυντικότητας θα είναι σημαντική όταν διερευνήσουμε πώς το DNA αντιγράφει τον εαυτό του.) Το DNA είναι ένα πολυμερές νουκλεοτιδίων που αποτελείται από σάκχαρο δεοξυριβόζης, μια φωσφορική ομάδα και μία από τις τέσσερις αζωτούχες βάσεις—A, T, C και G—με μια πουρίνη που πάντα συνδυάζεται με μια πυριμιδίνη (όπως βρήκε ο Chargaff). Η γενετική «γλώσσα» του DNA βρίσκεται σε αλληλουχίες των νουκλεοτιδίων. Κατά τη διάρκεια της κυτταρικής διαίρεσης κάθε θυγατρικό κύτταρο λαμβάνει ένα αντίγραφο του DNA σε μια διαδικασία που ονομάζεται αντιγραφή. Στα χρόνια μετά την ανακάλυψη της δομής του DNA, έχουν αναπτυχθεί πολλές τεχνολογίες, συμπεριλαμβανομένης της αλληλουχίας του DNA, που μας επιτρέπουν να κατανοήσουμε καλύτερα το DNA και τον ρόλο του στα γονιδιώματά μας.

Οι πληροφορίες που παρουσιάζονται και τα παραδείγματα που επισημαίνονται στην ενότητα υποστηρίζουν έννοιες που περιγράφονται στη Μεγάλη Ιδέα 3 του Πλαισίου Προγραμμάτων Σπουδών Βιολογίας AP. Οι Μαθησιακοί Στόχοι που αναφέρονται στο Πλαίσιο Προγράμματος Σπουδών παρέχουν μια διαφανή βάση για το μάθημα AP ® Βιολογία, μια εργαστηριακή εμπειρία βασισμένη στην έρευνα, εκπαιδευτικές δραστηριότητες και ερωτήσεις εξετάσεων AP ®. Ένας μαθησιακός στόχος συγχωνεύει το απαιτούμενο περιεχόμενο με μία ή περισσότερες από τις επτά επιστημονικές πρακτικές.

Μεγάλη ιδέα 3 Τα ζωντανά συστήματα αποθηκεύουν, ανακτούν, μεταδίδουν και ανταποκρίνονται σε πληροφορίες απαραίτητες για τις διαδικασίες της ζωής.
Διαρκής κατανόηση 3.Α Οι κληρονομικές πληροφορίες παρέχουν τη συνέχεια της ζωής.
Βασική Γνώση 3.A.1 Το DNA, και σε ορισμένες περιπτώσεις το RNA, είναι η κύρια πηγή κληρονομήσιμων πληροφοριών.
Επιστήμη Πρακτική 6.5 Ο μαθητής μπορεί να αξιολογήσει εναλλακτικές επιστημονικές εξηγήσεις.
Στόχος της μάθησης 3.1 Ο μαθητής είναι σε θέση να κατασκευάσει επιστημονικές εξηγήσεις που χρησιμοποιούν τις δομές και τους μηχανισμούς του DNA για να υποστηρίξουν τον ισχυρισμό ότι το DNA είναι η κύρια πηγή κληρονομήσιμων πληροφοριών.
Βασική Γνώση 3.A.1 Το DNA, και σε ορισμένες περιπτώσεις το RNA, είναι η κύρια πηγή κληρονομήσιμων πληροφοριών.
Επιστήμη Πρακτική 4.1 Ο μαθητής μπορεί να αιτιολογήσει την επιλογή του είδους των δεδομένων που χρειάζονται για να απαντήσει σε μια συγκεκριμένη επιστημονική ερώτηση.
Στόχος της μάθησης 3.2 Ο μαθητής είναι σε θέση να αιτιολογήσει την επιλογή δεδομένων από ιστορικές έρευνες που υποστηρίζουν τον ισχυρισμό ότι το DNA είναι η πηγή κληρονομήσιμων πληροφοριών.
Βασική Γνώση 3.A.1 Το DNA, και σε ορισμένες περιπτώσεις το RNA, είναι η κύρια πηγή κληρονομήσιμων πληροφοριών.
Επιστήμη Πρακτική 6.4 Ο μαθητής μπορεί να κάνει ισχυρισμούς και προβλέψεις για φυσικά φαινόμενα με βάση επιστημονικές θεωρίες και μοντέλα.
Στόχος της μάθησης 3.5 Ο μαθητής μπορεί να αιτιολογήσει τον ισχυρισμό ότι οι άνθρωποι μπορούν να χειριστούν τις κληρονομικές πληροφορίες προσδιορίζοντας τουλάχιστον δύο κοινώς χρησιμοποιούμενες τεχνολογίες.

Υποστήριξη εκπαιδευτικών

Οι εικόνες περίθλασης ακτίνων Χ του Franklin βοήθησαν στην ανακάλυψη της δομής του DNA, αλλά οι Watson και Crick δεν ανέφεραν τον Franklin στη θεμελιώδη εργασία τους του 1953, η οποία μπορεί να βρεθεί εδώ. Αυτή η εργασία περιλαμβάνει σχολιασμούς που βοηθούν την τοποθέτηση του έργου σε ιστορικό πλαίσιο. Οι μαθητές μπορεί να ενδιαφέρονται να μάθουν πώς οι Watson και Crick ανακάλυψαν τη δομή του DNA. Λεπτομέρειες μπορείτε να βρείτε σε αυτόν τον ιστότοπο του PBS. Αν είναι δυνατόν, βρείτε ένα αντίγραφο της ανακοίνωσης της ανακάλυψης όπως εμφανίστηκε στο The Νιου Γιορκ ΤαιμςΤο Η διατύπωση είναι ενδιαφέρουσα και η σημασία της ανακάλυψης υποτιμάται.

Οι Ερωτήσεις Επιστημονικής Πρακτικής Πρόκλησης περιέχουν πρόσθετες δοκιμαστικές ερωτήσεις για αυτήν την ενότητα που θα σας βοηθήσουν να προετοιμαστείτε για τις εξετάσεις AP. Αυτές οι ερωτήσεις αφορούν τα ακόλουθα πρότυπα:
[APLO 3,3][APLO 3,5][APLO 3,13]

Τα δομικά στοιχεία του DNA είναι νουκλεοτίδια. Τα σημαντικά συστατικά του νουκλεοτιδίου είναι μια αζωτούχος βάση, η δεοξυριβόζη (ζάχαρη 5 άνθρακα) και μια φωσφορική ομάδα (Εικόνα 14.5). Το νουκλεοτίδιο ονομάζεται ανάλογα με την αζωτούχα βάση. Η αζωτούχα βάση μπορεί να είναι μια πουρίνη όπως η αδενίνη (Α) και η γουανίνη (G), ή μια πυριμιδίνη όπως η κυτοσίνη (C) και η θυμίνη (Τ).

Τα νουκλεοτίδια συνδυάζονται μεταξύ τους με ομοιοπολικούς δεσμούς γνωστούς ως φωσφοδιεστερικούς δεσμούς ή δεσμούς. Οι πουρίνες έχουν δομή διπλού δακτυλίου με εξαμελή δακτύλιο συγχωνευμένο με πενταμελή δακτύλιο. Οι πυριμιδίνες είναι μικρότερες σε μέγεθος και έχουν μονή εξαμελή δομή δακτυλίου. Τα άτομα άνθρακα της ζάχαρης πέντε άνθρακα αριθμούνται 1 ', 2', 3 ', 4' και 5 '(το 1' διαβάζεται ως "ένα πρώτο"). Το φωσφορικό υπόλειμμα συνδέεται με την υδροξυλομάδα του άνθρακα 5 'ενός σακχάρου ενός νουκλεοτιδίου και την υδροξυλομάδα του άνθρακα 3' του σακχάρου του επόμενου νουκλεοτιδίου, σχηματίζοντας έτσι έναν φωσφοδιεστερικό δεσμό 5'-3 '.

Στη δεκαετία του 1950, ο Francis Crick και ο James Watson συνεργάστηκαν για να καθορίσουν τη δομή του DNA στο Πανεπιστήμιο του Cambridge, στην Αγγλία. Άλλοι επιστήμονες όπως ο Linus Pauling και ο Maurice Wilkins εξερευνούσαν επίσης ενεργά αυτό το πεδίο. Ο Pauling είχε ανακαλύψει τη δευτερογενή δομή των πρωτεϊνών χρησιμοποιώντας κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ. Στο εργαστήριο του Wilkins, η ερευνητής Rosalind Franklin χρησιμοποίησε μεθόδους περίθλασης ακτίνων Χ για να κατανοήσει τη δομή του DNA. Ο Watson και ο Crick μπόρεσαν να συνθέσουν το παζλ του μορίου DNA με βάση τα δεδομένα του Franklin επειδή ο Crick είχε επίσης μελετήσει περίθλαση ακτίνων Χ (Εικόνα 14.6). Το 1962, οι Τζέιμς Γουότσον, Φράνσις Κρικ και Μορίς Γουίλκινς πήραν το Νόμπελ Ιατρικής. Δυστυχώς, μέχρι τότε ο Φράνκλιν είχε πεθάνει και τα βραβεία Νόμπελ δεν απονέμονται μετά θάνατον.

Ο Watson και ο Crick πρότειναν ότι το DNA αποτελείται από δύο κλώνους που στριφογυρίζουν ο ένας γύρω από τον άλλο για να σχηματίσουν μια δεξιόχειρη έλικα. Ο συνδυασμός βάσεων λαμβάνει χώρα μεταξύ πουρίνης και πυριμιδίνης, δηλαδή ζεύγη Α με ζεύγη Τ και G με C. Η αδενίνη και η θυμίνη είναι συμπληρωματικά ζεύγη βάσεων και η κυτοσίνη και η γουανίνη είναι επίσης συμπληρωματικά ζεύγη βάσεων. Τα ζεύγη βάσεων σταθεροποιούνται από δεσμούς υδρογόνου αδενίνη και η θυμίνη σχηματίζουν δύο δεσμούς υδρογόνου και η κυτοσίνη και η γουανίνη σχηματίζουν τρεις δεσμούς υδρογόνου. Οι δύο κλώνοι είναι αντιπαράλληλοι στη φύση τους, δηλαδή, το 3' άκρο του ενός κλώνου βλέπει στο άκρο 5' του άλλου κλώνου. Η ζάχαρη και το φωσφορικό άλας των νουκλεοτιδίων αποτελούν τη ραχοκοκαλιά της δομής, ενώ οι αζωτούχες βάσεις στοιβάζονται στο εσωτερικό τους. Κάθε ζεύγος βάσεων διαχωρίζεται από το άλλο ζεύγος βάσεων κατά απόσταση 0,34 nm, και κάθε στροφή της έλικας μετρά 3,4 nm. Επομένως, υπάρχουν δέκα ζεύγη βάσεων ανά στροφή της έλικας. Η διάμετρος της διπλής έλικας του DNA είναι 2 nm και είναι ομοιόμορφη παντού. Μόνο ο συνδυασμός πουρίνης και πυριμιδίνης μπορεί να εξηγήσει την ομοιόμορφη διάμετρο. Η συστροφή των δύο κλώνων μεταξύ τους οδηγεί στο σχηματισμό ομοιόμορφα απομακρυσμένων μεγάλων και δευτερευουσών αυλακώσεων (Εικόνα 14.7).

Σύνδεση επιστημονικής πρακτικής για μαθήματα AP®

Δραστηριότητα

Διαβάστε το πρωτότυπο του Watson και του Crick Φύση άρθρο, «Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid», Πώς βασίστηκε το μοντέλο των Watson και Crick στα ευρήματα της Rosalind Franklin; Πώς βασίστηκε το μοντέλο του DNA στα ευρήματα των Hershey και Chase και άλλων, δείχνοντας ότι το DNA μπορεί να κωδικοποιήσει και να μεταδώσει πληροφορίες στην επόμενη γενιά;

Σκέψου το

Το έργο των Watson και Crick καθόρισε τη δομή του DNA. Ωστόσο, ήταν ακόμα σχετικά άγνωστο πώς το DNA κωδικοποίησε πληροφορίες σε γονίδια. Επιλέξτε μια σύγχρονη μορφή βιοτεχνολογίας και ερευνήστε τις βασικές μεθόδους της στο διαδίκτυο. Στα παραδείγματα περιλαμβάνονται η αλληλουχία γονιδίων, η αποτύπωση DNA, η PCR (αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης), τα γενετικά τροποποιημένα τρόφιμα κ.λπ. Περιγράψτε συνοπτικά την τεχνολογία που επιλέξατε και τι οφέλη μας προσφέρει. Στη συνέχεια, περιγράψτε πώς τα ευρήματα των Watson και Crick ήταν ζωτικής σημασίας για την ανάπτυξη της τεχνολογίας που επιλέξατε.

Υποστήριξη εκπαιδευτικών

Η δραστηριότητα είναι μια εφαρμογή του Learning Objective 3.1 και του Science Practice 6.5 επειδή οι μαθητές αναλύουν το μοντέλο του Watson και του Crick για το DNA σε σχέση με τα ευρήματα άλλων ερευνητών DNA που διαπίστωσαν ότι το DNA είναι το μόριο της κληρονομικότητας. Η δραστηριότητα είναι επίσης μια εφαρμογή του μαθησιακού στόχου 3.2 και της πρακτικής επιστήμης 4.1, επειδή οι μαθητές αναλύουν τα ιστορικά δημοσιευμένα αποτελέσματα των Watson και Crick και επιλέγουν στοιχεία ότι ο Watson και ο Crick χρησιμοποίησαν για να δημιουργήσουν το μοντέλο του DNA τους και περαιτέρω δείχνουν ότι το DNA είναι το μόριο της κληρονομικότητας .

Πιθανή απάντηση:

Το ερώτημα Think About It είναι μια εφαρμογή του Learning Objective 3.5 και του Science Practice 6.4 επειδή οι μαθητές ερευνούν τις μεθόδους με τις οποίες οι άνθρωποι μπορούν να χειριστούν τις κληρονομικές πληροφορίες και περιγράφουν πώς αυτές οι μέθοδοι βασίστηκαν στις επιστημονικές θεωρίες και μοντέλα των Watson και Crick.

Πιθανή απάντηση:

Τεχνικές αλληλουχίας DNA

Μέχρι τη δεκαετία του 1990, η αλληλουχία του DNA (ανάγνωση της ακολουθίας του DNA) ήταν μια σχετικά ακριβή και μακρά διαδικασία. Η χρήση ραδιοσημασμένων νουκλεοτιδίων ενίσχυσε επίσης το πρόβλημα λόγω ανησυχιών για την ασφάλεια. Με την τρέχουσα διαθέσιμη τεχνολογία και αυτοματοποιημένα μηχανήματα, η διαδικασία είναι φθηνή, ασφαλέστερη και μπορεί να ολοκληρωθεί σε λίγες ώρες. Ο Fred Sanger ανέπτυξε τη μέθοδο αλληλουχίας που χρησιμοποιείται για το έργο προσδιορισμού αλληλουχίας ανθρώπινου γονιδιώματος, η οποία χρησιμοποιείται ευρέως σήμερα (Εικόνα 14.8).

Σύνδεσμος προς τη μάθηση

Επισκεφτείτε αυτόν τον ιστότοπο για να παρακολουθήσετε ένα βίντεο που εξηγεί την τεχνική ανάγνωσης αλληλουχίας DNA που προέκυψε από το έργο του Sanger.

  1. Η μέθοδος του Σάνγκερ μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αλληλουχία περισσότερων από έναν κλώνους κάθε φορά που είναι λιγότερο χρονοβόρος. Οι προκλήσεις της μεθόδου του Sanger περιλαμβάνουν τη μειωμένη ακρίβειά της στον προσδιορισμό της αλληλουχίας των κλώνων DNA.
  2. Η μέθοδος του Sanger είναι ένας αξιόπιστος και ακριβής τρόπος προσδιορισμού της αλληλουχίας των κλώνων του DNA. Ωστόσο, μόνο ένας κλώνος κάθε φορά μπορεί να προσδιοριστεί με σειρά. Επίσης, μπορεί να αναζητήσει μία βάση μόνο τη φορά που μπορεί να είναι χρονοβόρος.
  3. Η μέθοδος του Sanger είναι εξαιρετικά φθηνή και λιγότερο ακριβής. Ωστόσο, δεν προσαρμόζεται εύκολα σε εμπορικά κιτ.
  4. Η μέθοδος του Sanger είναι λιγότερο χρονοβόρα και εξαιρετικά ακριβής. Ωστόσο, είναι πιο ακριβό από άλλες διαθέσιμες μεθόδους για αλληλουχία.

Η μέθοδος είναι γνωστή ως μέθοδος τερματισμού της διδεοξυ αλυσίδας. Η μέθοδος αλληλουχίας βασίζεται στη χρήση τερματιστών αλυσίδας, τα διδεοξυνουκλεοτίδια (ddNTPs). Τα διδεοξυνουκλεοτίδια, ή ddNTPSs, διαφέρουν από τα δεοξυνουκλεοτίδια από την έλλειψη ελεύθερης ομάδας 3 'OH επί της ζάχαρης πέντε άνθρακα. Εάν ένα ddNTP προστεθεί σε έναν κλώνο DNA που αναπτύσσεται, η αλυσίδα δεν επεκτείνεται περαιτέρω επειδή η ελεύθερη ομάδα 3 'OH που απαιτείται για την προσθήκη ενός άλλου νουκλεοτιδίου δεν είναι διαθέσιμη. Χρησιμοποιώντας μια προκαθορισμένη αναλογία δεοξυνουκλεοτιδίων προς διδεοξυνουκλεοτίδια, είναι δυνατή η δημιουργία θραυσμάτων DNA διαφορετικών μεγεθών.

Το προς ανάλυση δείγμα DNA μετουσιώνεται ή διαχωρίζεται σε δύο κλώνους με θέρμανση σε υψηλές θερμοκρασίες. Το DNA χωρίζεται σε τέσσερις σωλήνες στους οποίους προστίθεται ένας εκκινητής, πολυμεράση DNA και τα τέσσερα νουκλεοτίδια (Α, Τ, G και C). Εκτός από κάθε έναν από τους τέσσερις σωλήνες, περιορισμένες ποσότητες ενός από τα τέσσερα διδεοξυνουκλεοτίδια προστίθενται σε κάθε σωλήνα αντίστοιχα. Οι σωλήνες επισημαίνονται ως A, T, G και C σύμφωνα με το ddNTP που προστέθηκε. Για σκοπούς ανίχνευσης, καθένα από τα τέσσερα διδεοξυνουκλεοτίδια φέρει διαφορετική φθορίζουσα επισήμανση. Η επιμήκυνση της αλυσίδας συνεχίζεται έως ότου ενσωματωθεί ένα φθορίζον διδεοξυ νουκλεοτίδιο, μετά το οποίο δεν λαμβάνει χώρα περαιτέρω επιμήκυνση. Αφού τελειώσει η αντίδραση, γίνεται ηλεκτροφόρηση. Μπορεί να ανιχνευθεί ακόμη και μια διαφορά στο μήκος μιας μεμονωμένης βάσης. Η ακολουθία διαβάζεται από ένα σαρωτή λέιζερ. Για το έργο του στον προσδιορισμό αλληλουχίας DNA, ο Sanger έλαβε το Νόμπελ Χημείας το 1980.

Σύνδεσμος προς τη μάθηση

Η αλληλουχία γονιδιώματος του Sanger οδήγησε σε έναν αγώνα για την αλληλουχία ανθρώπινων γονιδιωμάτων με γρήγορη ταχύτητα και χαμηλό κόστος, που συχνά αναφέρεται ως $ 1000 σε μια ακολουθία μίας ημέρας. Μάθετε περισσότερα επιλέγοντας την κινούμενη εικόνα Sequencing at Speed ​​εδώ.

  1. Η ταχύτερη γενετική αλληλουχία θα βοηθήσει στην γρήγορη ανάλυση της γενετικής σύνθεσης των βακτηρίων που μπορούν να προκαλέσουν ασθένειες στους ανθρώπους για καλύτερες και πιο αποτελεσματικές θεραπείες. Επίσης, η αλληλουχία του DNA ενός καρκινικού κυττάρου μπορεί να προσφέρει καλύτερους τρόπους για τη θεραπεία ή την πρόληψη του καρκίνου.
  2. Η γρήγορη ανάλυση αλληλουχίας DNA μπορεί να μας βοηθήσει να αναλύσουμε γρήγορα τις γενετικές πληροφορίες των υφιστάμενων μόνο βακτηρίων (όχι νέων στελεχών) μόνο που προκαλούν ασθένεια στον άνθρωπο, γεγονός που μπορεί να οδηγήσει σε πιο αποτελεσματικές θεραπείες.
  3. Ο γρήγορος προσδιορισμός αλληλουχίας DNA μπορεί να βοηθήσει τους γιατρούς να θεραπεύσουν και να διαγνώσουν ασθένειες που δεν είναι σπάνιες σε πληθυσμούς.
  4. Η ταχύτερη γενετική αλληλουχία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη θεραπεία και την πρόληψη μερικών τύπων καρκίνου και, κατά συνέπεια, για την αύξηση του προσδόκιμου ζωής των ασθενών που πάσχουν από τις ασθένειες.

Η ηλεκτροφόρηση γέλης είναι μια τεχνική που χρησιμοποιείται για τον διαχωρισμό θραυσμάτων DNA διαφορετικών μεγεθών. Συνήθως το τζελ είναι κατασκευασμένο από μια χημική ουσία που ονομάζεται αγαρόζη. Η σκόνη αγαρόζης προστίθεται σε ρυθμιστικό διάλυμα και θερμαίνεται. Μετά την ψύξη, το διάλυμα γέλης χύνεται σε ένα δίσκο χύτευσης. Μόλις το πήκτωμα στερεοποιηθεί, το DNA φορτώνεται στο πήκτωμα και εφαρμόζεται ηλεκτρικό ρεύμα. Το DNA έχει καθαρό αρνητικό φορτίο και μετακινείται από το αρνητικό ηλεκτρόδιο προς το θετικό ηλεκτρόδιο. Το ηλεκτρικό ρεύμα εφαρμόζεται για αρκετό χρόνο για να αφήσει το DNA να διαχωριστεί ανάλογα με το μέγεθος, τα μικρότερα θραύσματα θα είναι μακρύτερα από το πηγάδι (όπου φορτώθηκε το DNA) και τα βαρύτερα τμήματα μοριακού βάρους θα είναι πιο κοντά στο πηγάδι. Μόλις διαχωριστεί το DNA, το πήκτωμα χρωματίζεται με ειδική για το DNA βαφή για προβολή (Εικόνα 14.9).

Σύνδεση Evolution

Νεάντερταλ γονιδίωμα: Πώς σχετιζόμαστε;

Η πρώτη πρόχειρη ακολουθία του γονιδιώματος του Νεάντερταλ δημοσιεύτηκε πρόσφατα από τους Richard E. Green et al. το 2010. 1 Οι Νεάντερταλ είναι οι πιο κοντινοί πρόγονοι των σημερινών ανθρώπων. Knownταν γνωστό ότι ζούσαν στην Ευρώπη και τη Δυτική Ασία πριν εξαφανιστούν από τα απολιθώματα πριν από περίπου 30.000 χρόνια. Η ομάδα του Green μελέτησε απολιθώματα σχεδόν 40.000 ετών που επιλέχθηκαν από τοποθεσίες σε όλο τον κόσμο. Χρησιμοποιήθηκαν εξαιρετικά εξελιγμένα μέσα προετοιμασίας δείγματος και προσδιορισμού αλληλουχίας DNA λόγω της εύθραυστης φύσης των οστών και της βαριάς μικροβιακής μόλυνσης. Στη μελέτη τους, οι επιστήμονες μπόρεσαν να αλληλουχήσουν περίπου τέσσερα δισεκατομμύρια ζεύγη βάσεων. Η ακολουθία του Νεάντερταλ συγκρίθηκε με αυτή των σημερινών ανθρώπων από όλο τον κόσμο. Μετά τη σύγκριση των αλληλουχιών, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι το γονιδίωμα του Νεάντερταλ είχε 2 έως 3 τοις εκατό μεγαλύτερη ομοιότητα με τους ανθρώπους που ζούσαν εκτός Αφρικής από ό, τι με τους ανθρώπους στην Αφρική. Ενώ οι τρέχουσες θεωρίες έχουν προτείνει ότι όλοι οι σημερινοί άνθρωποι μπορούν να εντοπιστούν σε έναν μικρό πληθυσμό προγόνων στην Αφρική, τα δεδομένα από το γονιδίωμα του Νεάντερταλ μπορεί να έρχονται σε αντίθεση με αυτήν την άποψη. Ο Green και οι συνεργάτες του ανακάλυψαν επίσης τμήματα DNA μεταξύ των ανθρώπων στην Ευρώπη και την Ασία που μοιάζουν περισσότερο με αλληλουχίες Νεάντερταλ παρά με άλλες σύγχρονες ανθρώπινες ακολουθίες. Μια άλλη ενδιαφέρουσα παρατήρηση ήταν ότι οι Νεάντερταλ σχετίζονται τόσο στενά με ανθρώπους από την Παπούα Νέα Γουινέα όσο και με αυτούς από την Κίνα ή τη Γαλλία. Αυτό προκαλεί έκπληξη γιατί απολιθώματα Νεάντερταλ εντοπίστηκαν μόνο στην Ευρώπη και τη Δυτική Ασία. Πιθανότατα, η γενετική ανταλλαγή έγινε μεταξύ Νεάντερταλ και σύγχρονων ανθρώπων καθώς οι σύγχρονοι άνθρωποι βγήκαν από την Αφρική, πριν από την απόκλιση Ευρωπαίων, Ανατολικών Ασιατών και Παπούα Νέας Γουινέας.

Πολλά γονίδια φαίνεται να έχουν υποστεί αλλαγές από τους Νεάντερταλ κατά την εξέλιξη των σημερινών ανθρώπων. Αυτά τα γονίδια εμπλέκονται στη δομή του κρανίου, τον μεταβολισμό, τη μορφολογία του δέρματος και τη γνωστική ανάπτυξη. Ένα από τα γονίδια που παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον είναι RUNX2, το οποίο είναι διαφορετικό στους σύγχρονους ανθρώπους και στους Νεάντερταλ. Αυτό το γονίδιο είναι υπεύθυνο για το εμφανές μετωπιαίο οστό, το κλουβί σε σχήμα καμπάνας και τις οδοντικές διαφορές που παρατηρούνται στους Νεάντερταλ. Εικάζεται ότι μια εξελικτική αλλαγή σε RUNX2 ήταν σημαντική στην προέλευση των σύγχρονων ανθρώπων και αυτό επηρέασε το κρανίο και το πάνω μέρος του σώματος.

  1. Οι πρώτοι άνθρωποι αναδύθηκαν από την Αφρική και στη συνέχεια εξαπλώθηκαν για να κατοικήσουν σε διάφορα μέρη του πλανήτη. Ένας απομονωμένος πληθυσμός αυτών των πρώιμων ανθρώπων διασταυρώθηκε με τους Νεάντερταλ.
  2. Οι πρώτοι άνθρωποι διασταυρώθηκαν με Νεάντερταλ, προέκυψαν από την Αφρική, και στη συνέχεια εξαπλώθηκαν για να κατοικήσουν διαφορετικά μέρη του πλανήτη.
  3. Οι πρώτοι άνθρωποι βγήκαν από την Αφρική, διασταυρώθηκαν με Νεάντερταλ, και στη συνέχεια εξαπλώθηκαν για να κατοικήσουν διαφορετικά μέρη του πλανήτη.
  4. Οι πρώτοι άνθρωποι δεν διασταυρώθηκαν με τους Νεάντερταλ, αλλά έχουμε πολλές γενετικές ομοιότητες επειδή μοιραζόμαστε έναν κοινό πρόγονο.

Σύνδεσμος προς τη μάθηση

Παρακολουθήστε την ομιλία του Svante Pääbo που εξηγεί την έρευνα του γονιδιώματος του Νεάντερταλ στο ετήσιο συνέδριο του 2011 TED (Technology, Entertainment, Design).

  1. Έχει προταθεί ότι όλοι οι άνθρωποι κατάγεται πιθανότατα από την Αφρική. Αυτό υποστηρίζεται από την έρευνα ότι η γενετική διακύμανση στην Αφρική βρέθηκε και στον υπόλοιπο κόσμο.
  2. Η θεωρία ότι οι άνθρωποι κατάγονται από την Αφρική υποστηρίζεται από την έρευνα ότι τα περισσότερα από τα ανθρώπινα γονιδιώματα που ελέγχθηκαν εκτός Αφρικής είχαν στενούς δεσμούς με τα γονιδιώματα των ανθρώπων στην Αφρική, αλλά μια γενετική διακύμανση στην Αφρική δεν βρέθηκε στον υπόλοιπο κόσμο.
  3. Οι άνθρωποι πιθανότατα κατάγονται από την Αφρική. Αυτή η έρευνα υποστηρίζεται από το γεγονός ότι όλα τα ανθρώπινα γονιδιώματα που ελέγχθηκαν εκτός Αφρικής είχαν στενούς δεσμούς με τα γονιδιώματα των ανθρώπων στην Αφρική. Επίσης, υπάρχει μια γενετική διακύμανση στην Αφρική που δεν βρέθηκε στον υπόλοιπο κόσμο.
  4. Η μετάβαση στους σύγχρονους ανθρώπους συνέβη στην Αφρική, η οποία ήταν ξαφνική. Έτσι, τα ανθρώπινα γονιδιώματα που δοκιμάστηκαν εκτός Αφρικής είχαν στενούς δεσμούς με τα γονιδιώματα των ανθρώπων στην Αφρική.

Συσκευασία DNA σε κύτταρα

Κατά τη σύγκριση των προκαρυωτικών κυττάρων με τα ευκαρυωτικά κύτταρα, τα προκαρυωτικά είναι πολύ πιο απλά από τα ευκαρυωτικά σε πολλά από τα χαρακτηριστικά τους (Εικόνα 14.10). Τα περισσότερα προκαρυωτικά περιέχουν ένα μόνο, κυκλικό χρωμόσωμα που βρίσκεται σε μια περιοχή του κυτταροπλάσματος που ονομάζεται νουκλεοειδές.

Οπτική σύνδεση

  1. Η διαμερισματοποίηση σε ευκαρυωτικά κύτταρα επιτρέπει τη δημιουργία πιο πολύπλοκων πρωτεϊνών και προϊόντων RNA. Στους προκαρυώτες, το πλεονέκτημα είναι ότι η σύνθεση RNA και πρωτεϊνών γίνεται πολύ πιο γρήγορα επειδή συμβαίνει σε ένα μόνο διαμέρισμα.
  2. Η διαμερισματοποίηση σε προκαρυωτικά κύτταρα επιτρέπει την κατασκευή πιο πολύπλοκων πρωτεϊνών και προϊόντων RNA. Στα ευκαρυωτικά, το πλεονέκτημα είναι ότι η σύνθεση RNA και πρωτεΐνης συμβαίνει πολύ πιο γρήγορα επειδή συμβαίνουν σε ένα μόνο διαμέρισμα.
  3. Η διαμερισματοποίηση σε ευκαρυωτικά κύτταρα επιτρέπει τη δημιουργία απλούστερων πρωτεϊνών και προϊόντων RNA. Στα προκαρυωτικά, το πλεονέκτημα είναι μόνο απλούστερες πρωτεΐνες και προϊόντα RNA επειδή δεν χρειάζονται πολύπλοκα.
  4. Η διαμερισματοποίηση σε ευκαρυωτικά κύτταρα επιτρέπει τη δημιουργία πιο πολύπλοκων πρωτεϊνών και προϊόντων RNA. Στους προκαρυώτες, το πλεονέκτημα είναι ότι η σύνθεση RNA και πρωτεϊνών απαιτεί περισσότερο χρόνο επειδή συμβαίνει σε ένα μόνο διαμέρισμα.

Το μέγεθος του γονιδιώματος σε ένα από τα πιο καλά μελετημένα προκαρυωτικά, E.coli, είναι 4,6 εκατομμύρια ζεύγη βάσεων (περίπου 1,1 mm, εάν κοπούν και τεντωθούν). Πώς ταιριάζει λοιπόν αυτό μέσα σε ένα μικρό βακτηριακό κύτταρο; Το DNA περιστρέφεται από αυτό που είναι γνωστό ως υπερψύξη. Η υπερπίεση σημαίνει ότι το DNA είναι είτε υπο-πληγωμένο (λιγότερο από μία στροφή της έλικας ανά 10 ζεύγη βάσεων) είτε υπερ-τραυματισμένο (περισσότερο από 1 στροφή ανά 10 ζεύγη βάσεων) από την κανονική χαλαρή του κατάσταση. Μερικές πρωτεΐνες είναι γνωστό ότι εμπλέκονται στην υπερέλιξη άλλες πρωτεΐνες και ένζυμα όπως η γυράση του DNA βοηθούν στη διατήρηση της υπερτυλιγμένης δομής.

Οι ευκαρυώτες, των οποίων τα χρωμοσώματα αποτελούνται από ένα γραμμικό μόριο DNA, χρησιμοποιούν διαφορετικό τύπο στρατηγικής συσκευασίας για να χωρέσουν το DNA τους στον πυρήνα (Εικόνα 14.11). Στο πιο βασικό επίπεδο, το DNA τυλίγεται γύρω από πρωτεΐνες γνωστές ως ιστόνες για να σχηματίσει δομές που ονομάζονται νουκλεοσώματα. Οι ιστόνες είναι εξελικτικά διατηρημένες πρωτεΐνες που είναι πλούσιες σε βασικά αμινοξέα και σχηματίζουν ένα οκταμερές. Το DNA (το οποίο είναι αρνητικά φορτισμένο λόγω των φωσφορικών ομάδων) τυλίγεται σφιχτά γύρω από τον πυρήνα της ιστόνης. Αυτό το νουκλεόσωμα συνδέεται με το επόμενο με τη βοήθεια ενός συνδετικού DNA. Αυτό είναι επίσης γνωστό ως δομή "χάντρες σε μια χορδή". Αυτό συμπιέζεται περαιτέρω σε μια ίνα 30 nm, που είναι η διάμετρος της δομής. Στο στάδιο της μεταφάσης, τα χρωμοσώματα είναι πιο συμπαγή, έχουν πλάτος περίπου 700 nm και βρίσκονται σε συνδυασμό με πρωτεΐνες σκαλωσιάς.

Στη μεσοφάση, τα ευκαρυωτικά χρωμοσώματα έχουν δύο διακριτές περιοχές που μπορούν να διακριθούν με χρώση. Η σφιχτά συσκευασμένη περιοχή είναι γνωστή ως ετεροχρωματίνη και η λιγότερο πυκνή περιοχή είναι γνωστή ως ευχρωματίνη. Η ετεροχρωματίνη συνήθως περιέχει γονίδια που δεν εκφράζονται και βρίσκεται στις περιοχές του κεντρομερούς και των τελομερών. Η ευχρωματίνη συνήθως περιέχει γονίδια που μεταγράφονται, με το DNA συσκευασμένο γύρω από τα νουκλεοσώματα αλλά όχι περαιτέρω συμπιέζεται.

Υποσημειώσεις

Ως συνεργάτης της Amazon κερδίζουμε από αγορές που πληρούν τις προϋποθέσεις.

Θέλετε να αναφέρετε, να μοιραστείτε ή να τροποποιήσετε αυτό το βιβλίο; Αυτό το βιβλίο είναι Creative Commons Attribution License 4.0 και πρέπει να αποδώσετε το OpenStax.

    Εάν αναδιανέμετε ολόκληρο ή μέρος αυτού του βιβλίου σε μορφή εκτύπωσης, τότε πρέπει να συμπεριλάβετε σε κάθε φυσική σελίδα την ακόλουθη απόδοση:

  • Χρησιμοποιήστε τις παρακάτω πληροφορίες για να δημιουργήσετε μια παραπομπή. Σας συνιστούμε να χρησιμοποιήσετε ένα εργαλείο παραπομπής όπως αυτό.
    • Συγγραφείς: Julianne Zedalis, John Eggebrecht
    • Εκδότης/ιστότοπος: OpenStax
    • Τίτλος βιβλίου: Biology for AP® Courses
    • Ημερομηνία δημοσίευσης: 8 Μαρτίου 2018
    • Τοποθεσία: Χιούστον, Τέξας
    • Διεύθυνση URL βιβλίου: https://openstax.org/books/biology-ap-courses/pages/1-introduction
    • URL ενότητας: https://openstax.org/books/biology-ap-courses/pages/14-2-dna-structure-and-sequencing

    © 12 Ιανουαρίου 2021 OpenStax. Το περιεχόμενο σχολικών βιβλίων που παράγεται από το OpenStax έχει άδεια βάσει άδειας Creative Commons Attribution License 4.0. Το όνομα OpenStax, το λογότυπο OpenStax, τα εξώφυλλα βιβλίων OpenStax, το όνομα του OpenStax CNX και το λογότυπο OpenStax CNX δεν υπόκεινται στην άδεια Creative Commons και δεν μπορούν να αναπαραχθούν χωρίς την προηγούμενη και ρητή γραπτή συγκατάθεση του Πανεπιστημίου Rice.


    Μύηση

    το έναρξη αντιγραφής εμφανίζεται σε συγκεκριμένη νουκλεοτιδική αλληλουχία που ονομάζεται προέλευσης αντιγραφής, όπου διάφορες πρωτεΐνες συνδέονται για να ξεκινήσει η διαδικασία αντιγραφής. Ε. Coliέχει μια μοναδική προέλευση αντιγραφής (όπως και οι περισσότεροι προκαρυώτες), που ονομάζεται oriC, στο ένα του χρωμόσωμα. Η αρχή της αντιγραφής έχει μήκος περίπου 245 ζεύγη βάσεων και είναι πλούσια σε αλληλουχίες αδενίνης-θυμίνης (ΑΤ).

    Μερικές από τις πρωτεΐνες που συνδέονται με την προέλευση της αντιγραφής είναι σημαντικές για να καταστούν οι μονόκλωνες περιοχές του DNA προσβάσιμες για αναπαραγωγή. Το χρωμοσωμικό DNA τυλίγεται τυπικά ιστόνες (σε ευκαρυώτες και αρχαία) ή πρωτεΐνες που μοιάζουν με ιστόνη (στα βακτήρια), και είναι υπερσπειρωμένος, ή εκτενώς τυλιγμένο και στριμμένο από μόνο του. Αυτή η συσκευασία καθιστά απρόσιτες τις πληροφορίες στο μόριο του DNA. Ωστόσο, τα ένζυμα που ονομάζονται τοποϊσομεράσες αλλάζουν το σχήμα και την υπερέλιξη του χρωμοσώματος. Για να ξεκινήσει η αντιγραφή του βακτηριακού DNA, το υπερσπειρωμένο χρωμόσωμα χαλαρώνει τοποϊσομεράση II, επίσης λέγεται DNA γυράσηΤο Στη συνέχεια, ένα ένζυμο που ονομάζεται ελικάση διαχωρίζει τους κλώνους του DNA σπάζοντας τους δεσμούς υδρογόνου μεταξύ των ζευγών αζωτούχων βάσεων. Θυμηθείτε ότι οι αλληλουχίες ΑΤ έχουν λιγότερους δεσμούς υδρογόνου και, ως εκ τούτου, havDNA gyrasee ασθενέστερες αλληλεπιδράσεις από τις αλληλουχίες γουανίνης-κυτοσίνης (GC). Αυτά τα ένζυμα απαιτούν υδρόλυση ΑΤΡ. Καθώς το DNA ανοίγει, καλούνται δομές σε σχήμα Υ πιρούνια αντιγραφής σχηματίζονται. Δύο διχτυωτές διχάλες σχηματίζονται στην αρχή της αντιγραφής, επιτρέποντας την αμφίδρομη αντιγραφή και το σχηματισμό μιας δομής που μοιάζει με φυσαλίδα όταν τη βλέπουμε με ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο μετάδοσης ως αποτέλεσμα, αυτή η δομή ονομάζεται φυσαλίδα αναπαραγωγήςΤο Το DNA κοντά σε κάθε διχάλα αντιγραφής είναι επικαλυμμένο με μονόκλωνες δεσμευτικές πρωτεΐνες για να αποτρέψει την αναδίπλωση του μονόκλωνου DNA σε διπλή έλικα.

    Μόλις το μονόκλωνο DNA είναι προσβάσιμο στην αρχή της αντιγραφής, μπορεί να ξεκινήσει η αντιγραφή του DNA. Ωστόσο, το DNA pol III μπορεί να προσθέσει νουκλεοτίδια μόνο στην κατεύθυνση 5' προς 3' (ένας νέος κλώνος DNA μπορεί να επεκταθεί μόνο προς αυτή την κατεύθυνση). Αυτό συμβαίνει επειδή η πολυμεράση DNA απαιτεί μια ελεύθερη ομάδα 3'-OH στην οποία μπορεί να προσθέσει νουκλεοτίδια σχηματίζοντας έναν ομοιοπολικό φωσφοδιεστερικό δεσμό μεταξύ του 3'-OH άκρου και του 5 'φωσφορικού άλατος του επόμενου νουκλεοτιδίου. Αυτό σημαίνει επίσης ότι δεν μπορεί να προσθέσει νουκλεοτίδια εάν δεν είναι διαθέσιμη μια ελεύθερη ομάδα 3'-ΟΗ, κάτι που ισχύει για έναν μόνο κλώνο DNA. Το πρόβλημα λύνεται με τη βοήθεια μιας αλληλουχίας RNA που παρέχει το ελεύθερο άκρο 3'-OH. Επειδή αυτή η αλληλουχία επιτρέπει την έναρξη της σύνθεσης του DNA, ονομάζεται κατάλληλα το αλφαβητάριΤο Ο εκκινητής έχει μήκος πέντε έως 10 νουκλεοτίδια και είναι συμπληρωματικός προς το γονικό ή το πρότυπο DNA. Συντίθεται από την RNA πριμάση, η οποία είναι ένα RNA πολυμεράσηΤο Σε αντίθεση με τις πολυμεράσες DNA, οι πολυμεράσες RNA δεν χρειάζονται μια ελεύθερη ομάδα 3'-ΟΗ για να συνθέσουν ένα μόριο RNA. Τώρα που ο εκκινητής παρέχει την ελεύθερη ομάδα 3'-ΟΗ, η DNA πολυμεράση III μπορεί τώρα να επεκτείνει αυτόν τον εκκινητή RNA, προσθέτοντας νουκλεοτίδια DNA ένα προς ένα που είναι συμπληρωματικά στον κλώνο του εκμαγείου (Εικόνα 1).


    Ο συνολικός πόρος αλληλουχίας γονιδιώματος προσδιορίζει 18 νέα υποψήφια γονίδια για διαταραχή φάσματος αυτισμού

    Εκτελούμε αλληλουχία ολόκληρου γονιδιώματος οικογενειών με διαταραχή φάσματος αυτισμού (ASD) για να δημιουργήσουμε έναν πόρο (MSSNG) για υποκατηγοριοποίηση των φαινοτύπων και των υποκείμενων γενετικών παραγόντων που εμπλέκονται. Εδώ αναφέρουμε τον προσδιορισμό αλληλουχίας 5.205 δειγμάτων από οικογένειες με ASD, συνοδευόμενες από κλινικές πληροφορίες, δημιουργώντας μια βάση δεδομένων προσβάσιμη σε πλατφόρμα cloud και μέσω διαδικτυακής πύλης ελεγχόμενης πρόσβασης. Βρήκαμε κατά μέσο όρο 73,8 de novo παραλλαγές ενός νουκλεοτιδίου και 12,6 de novo εισαγωγές και διαγραφές ή παραλλαγές αριθμού αντιγράφων ανά άτομο ASD. Εντοπίσαμε 18 νέα υποψήφια γονίδια με κίνδυνο ASD και διαπιστώσαμε ότι οι συμμετέχοντες που φέρουν μεταλλάξεις σε γονίδια ευαισθησίας είχαν σημαντικά χαμηλότερη προσαρμοστική ικανότητα (P = 6 × 10 -4). Σε 294 από 2.620 (11,2%) των περιπτώσεων ASD, θα μπορούσε να προσδιοριστεί μια μοριακή βάση και το 7,2% από αυτές να φέρουν παραλλαγές αριθμού αντιγράφων ή/και χρωμοσωμικές ανωμαλίες, τονίζοντας τη σημασία της ανίχνευσης όλων των μορφών γενετικής παραλλαγής ως διαγνωστικών και θεραπευτικών στόχων στην ASD .

    Δήλωση σύγκρουσης συμφερόντων

    Ανταγωνιστικά οικονομικά συμφέροντα: Οι συγγραφείς δεν δηλώνουν ανταγωνιστικά οικονομικά συμφέροντα.

    Φιγούρες

    Εικόνα 1. Σχηματικό δείγμα και δεδομένα…

    Εικόνα 1. Σχηματική επεξεργασία δειγμάτων και δεδομένων στο MSSNG

    Εκτελεστική επιτροπή επιβλέπει την…

    Εικόνα 2. Χαρακτηριστικά και ποιότητα του WGS…

    Εικόνα 2. Χαρακτηριστικά και ποιότητα WGS από διαφορετικές πλατφόρμες αλληλουχίας

    Εικόνα 3. Γονίδια/τόποι ευαισθησίας ASD

    Εικόνα 3. Γονίδια/τόποι ευαισθησίας σε ASD

    (α) Γονίδια κινδύνου ASD με υψηλότερο από το αναμενόμενο ποσοστό μετάλλαξης από MSSNG…

    Εικόνα 4. Ο χαρακτηρισμός CNV μέσω WGS διαβάζει…

    Εικόνα 4. Ο χαρακτηρισμός CNV μέσω WGS διαβάζεται στην πύλη MSSNG

    Σχήμα 5. Σύγκριση φαινοτύπου για τα δείγματα…

    Σχήμα 5. Σύγκριση φαινοτύπου για τα δείγματα με και χωρίς προσδιορισμένες μεταλλάξεις


    Αποτελέσματα

    Διατηρήσαμε 175.326 συνολικές αναγνώσεις μετά από αυστηρό ποιοτικό φιλτράρισμα και περικοπή, που κυμαίνονται από 3.965 έως 50.063 ανάγνωση σε επτά τοποθεσίες δειγματοληψίας. Από αυτά, 59.705 ταυτοποιήθηκαν μέσω BLAST ως αλληλουχίες γονιδίου 16S rRNA. Το BC07 διατήρησε τον χαμηλότερο αριθμό αναγνώσεων με 506, ενώ παρέμειναν 27.629 αναγνώσεις για το BC02. Η ανάλυση Qiime2 με χρήση κλειστού vsearch με αποκοπή ταυτότητας 80% εντόπισε συνολικά 53 medusozoan OTU (Συμπληρωματικό Σχήμα 4). Παρά τη χαμηλή μέτρηση ανάγνωσης για πολλά δείγματα, η ανάλυση αραίωσης άλφα ποικιλομορφίας έδειξε ότι η μέθοδός μας ήταν επαρκής για την αξιολόγηση της προόδου στην ανάκτηση αντιπροσωπευτικού medusozoan eDNA ανά θέση δείγματος, δεδομένου του βάθους αλληλουχίας μας (Συμπληρωματικά Σχήματα 5,6). Μια αναζήτηση BLASTN του ανακτημένου φιλτραρισμένου συνόλου δεδομένων του γονιδίου 16S rRNA έδωσε 59 μοναδικά μεσοζωωτικά ταξινομικά, υποδηλώνοντας ότι μπορεί να προκύψουν μικρές αποκλίσεις με παραλλαγές στη βάση δεδομένων και τον αλγόριθμο (ομαδοποίηση έναντι ομολογίας) που χρησιμοποιούνται για ταξινόμηση ανάγνωσης. Επιπλέον, αν και οι αλληλουχίες που αντιστοιχούν στο eDNA για το γονίδιο COI ήταν σε μεγάλο βαθμό ένας δευτερεύων στόχος σε αυτή τη μελέτη, καταφέραμε να ανιχνεύσουμε τρεις μεσοζωοτικές OTU που περιλαμβάνουν δύο υδροζωάνες και C. frondosa (Λεπτομέρειες παρέχονται στα Συμπληρωματικά Σχήματα 5Α, Β) αυτά τα δεδομένα δεν ενσωματώθηκαν στις αναλύσεις βιοποικιλότητας μεσοζωικής μας.

    Medusozoan Fauna στα Florida Keys

    Συνολικά, ο μεσογειακός πλούτος OTU ήταν ο χαμηλότερος στο Rock Harbor-BC02 (24 OTU), ακολουθούμενος από το Aquarium control-BC04 (15 OTU) (Εικόνες 6C, D). Το Buttonwood Sound (BC03) και το Finger Pier (BC05), αμφότερα πελαγικά ενδιαιτήματα, είχαν τον μεγαλύτερο αριθμό OTU (42) (Εικόνες 6B,E). Κατά μέσο όρο, εντοπίσαμε 30 OTU από προστατευμένες τοποθεσίες (BC01 και BC02) και 36 OTU από πελαγικές τοποθεσίες (BC03, BC05, BC06 και BC07) (Εικόνα 6). Αν και το Hydrozoa αντιπροσώπευε την κατηγορία με τον υψηλότερο αριθμό OTU που ανιχνεύθηκαν, κατά μέσο όρο, το 65,2% των αναγνώσεων εκχωρήθηκε στο Scyphozoa, το 26,7% στο Hydrozoa, ακολουθούμενο από το 18,6% στο Cubozoa, με το Staurozoa να αντιπροσωπεύεται από τις λιγότερες αναγνώσεις (0,9%). Με εξαίρεση το Buttonwood Sound, Κασσιόπη ήταν σταθερά το πιο εκπροσωπούμενο ταξίνο (με βάση τις συνολικές αντίστοιχες αναγνώσεις) σε κάθε τοποθεσία.

    Εικόνα 6. Χάρτης που απεικονίζει την κατανομή των ειδών μεδουσών σε τοποθεσίες δειγματοληψίας Florida Keys με βάση το γονίδιο 16S rRNA. Άνω Κλειδιά (Key Largo και Marathon Key), δείγματα νερού (14 Μαΐου �, 2018). (ένα) Buttonwood Sound (BC03). 25.10143, �.43861. (σι) Λατομείο (BC01). 24.74975, �.97812. (ντο) Rock Harbour (BC02). 25.07924, �.45245. (ρε) Ενυδρείο (BC04). 25.10135, �.43861. Κάτω κλειδιά (Fleming Key), δείγματα νερού (17 Μαΐου 2018). (μι) Αποβάθρα δακτύλων (BC05). 24.57581, �.79922. (φά) Πύργος SFUWOS FAA (BC06). 24.59015, �.79704. (σολ) SFUWOS Drop (BC07). 24.59181, �.79487 Αρνητικός έλεγχος (BC08) δεν απεικονίζεται. Τα κόκκινα σύμβολα αντιστοιχούν σε τοποθεσίες δειγματοληψίας στο χάρτη. Μεγάλα, πολύχρωμα διαγράμματα πίτας δείχνουν μεσοζωική ποικιλομορφία που ανιχνεύεται σε κάθε τοποθεσία και συνολικός αριθμός 16S rRNA αναγνώσεων ανάγνωσης ανά τοποθεσία με βάση την ανάλυση Qiime2. Τα ποσοστά πάνω από τα μικρότερα μονοχρωματικά γραφήματα πίτας αναδεικνύουν το ποσοστό του συνόλου των αναγνωσμάτων που αντιστοιχεί σε Κασσιόπη και κυβόζωα, αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα από τη λειτουργία Qiime2 barplot τροποποιήθηκαν και απεικονίστηκαν εδώ χρησιμοποιώντας το Krona (Ondov et al., 2011). Τα ποσοστά αντανακλούν τις αναλογίες πριν από την ανάλυση σπανιότητας (ομαλοποίηση υποδείγματος), η οποία είχε ως αποτέλεσμα την απώλεια τριών ελάχιστων αντιπροσωπευόμενων ταξινομικών μονάδων.

    Κασσιόπη τα αναγνώσματα ανακτήθηκαν από όλους τους χώρους δειγματοληψίας, αλλά τα περισσότερα από αυτά ήταν από προστατευμένους χώρους, με C. xamachana διαβάζει το 96,3% του Κασσιόπη ανάγνωση που δημιουργήθηκε για το Rock Harbor (Εικόνα 6 και Συμπληρωματικό Σχήμα 6). Παρόλο Κασσιόπη οι μεζούρες δεν επιβεβαιώθηκαν οπτικά στο Fleming Key, η ανίχνευση του eDNA για αυτό το ταξίνο ήταν αναμενόμενη δεδομένου ότι η ανάποδη μέδουσα είναι η πιο κοινή μέδουσα στα Florida Keys και έχει τεκμηριωθεί σε μαγκρόβια του γειτονικού Key West, αρκετά χιλιόμετρα μακριά (NOAA , 2020). Η φυλογενετική ανάλυση της συναίνεσης διαβάζεται, όπως προσδιορίστηκε από το BLASTN, αποκάλυψε ότι τρία υποθετικά Κασσιόπη είδη είναι πιθανώς παρόντα στο Florida Keys. C. xamachana κυριαρχεί σε όλα τα Florida Keys σε σχέση με το ανιχνευμένο eDNA (Εικόνα 7) και την οπτική επιβεβαίωση (Ohdera et al., 2018), ενώ C. frondosa εμφανίζεται λιγότερο συχνά (Πίνακας 1).

    Εικόνα 7. Η πανίδα του Medusozoa ταυτοποιήθηκε από το γονίδιο 16S rRNA χρησιμοποιώντας FeDS. Ο πίνακας υπογραμμίζει τα μορφολογικά χαρακτηριστικά και την κατοικία στις περιοχές δειγματοληψίας Florida Keys ή την πλησιέστερη γεωγραφική τοποθεσία. Τα σχέδια γραμμής προς τα αριστερά απεικονίζουν ένα αντιπροσωπευτικό ταξί για κάθε κλάση, σχεδιασμένο σε συγκριτική κλίμακα. Τα βέλη δείχνουν είδη για τα οποία έχουν δημοσιευθεί μερικώς σχολιασμένα γονιδιώματα (Ohdera et al., 2019). BH, ύψος καμπάνας BW, πλάτος καμπάνας L, μήκος υδροειδούς W, πλάτος ND, δεν υπάρχουν διαθέσιμα δεδομένα FLMNH, Μουσείο Φυσικής Ιστορίας της Φλόριντα NMNH, Εθνικό Μουσείο Φυσικής Ιστορίας, Smithδρυμα Smithsonian.

    Επιπρόσθετα Κασσιόπη, εντοπίσαμε ένα δεύτερο σκυφοζωικό γένος Αυρηλία, για το οποίο η συναίνεση των αναγνωστών στο όριο ταυτότητας 80% (BLASTN) μοιράστηκε �% ομοιότητα με Aurelia aurita (GenBank DQ787873) – ένα ευρέως κατανεμημένο σύμπλεγμα ειδών μεδουσών που είναι γνωστό ως μέδουσες σελήνης (Dawson, 2003), με τουλάχιστον ένα είδος γνωστό στα νερά της Φλόριντα (Εικόνα 7). Χρησιμοποιώντας το Qiime2, αυτή η αντιστοίχιση ανακτήθηκε μόνο με τη χρήση περικοπών ταυτότητας ποσοστού κάτω από 75%. Είναι ενδιαφέρον ότι η συναίνεση ανάγνωσης στο όριο ταυτότητας 80% στην αναζήτηση BLASTN μας έδειξε 㺘% ταυτότητα σε αδημοσίευτες ακολουθίες Αυρηλία sp. δείγματα από τη νότια Βραζιλία (J. Lawley, pers comm.). Ως εκ τούτου, είναι πιθανό ότι οι αλληλουχίες DNA των ειδών που εντοπίσαμε δεν υπάρχουν ακόμη από τη GenBank, υπογραμμίζοντας τη σημασία της δημιουργίας ισχυρών βάσεων δεδομένων αναφοράς γενετικών γραμμωτών κωδίκων.

    Τα δηλητηριώδη είδη μέδουσας κιβωτίου (Cubozoa) που ανιχνεύθηκαν με μετα -κρυπτογράφηση eDNA περιλαμβάνουν ταξινομικά είδη των κυβόζωων οικογενειών Alatinidae και Tamoyidae (Εικόνες 4 𠄷). Αν και αναφέρθηκε προηγουμένως από την περιοχή της Καραϊβικής και της Φλόριντα Keys (Εικόνα 7), καμία μέδουσα από οποιαδήποτε οικογένεια δεν επιβεβαιώθηκε οπτικά κατά τη διάρκεια αυτής της μελέτης. Καθώς αυτές οι μέδουσες μέδουσες είναι μάλλον μεγάλες και ευδιάκριτες (Εικόνα 7), είναι κατανοητό ότι οι αλληλουχίες μας αντιστοιχούσαν στο eDNA από μικροσκοπικά στάδια ζωής (πλάνους ή πολύποδες) που υπάρχουν στις τοποθεσίες συλλογής, σύμφωνα με πρόσφατα ευρήματα σήματος eDNA που ανιχνεύθηκε για βενθικούς κνιδάριους (Sawaya et al., 2019 Bolte et al., 2021). Α. Αλάτα είναι το καλύτερα τεκμηριωμένο είδος της οικογένειας Alatinidae, αλλά τουλάχιστον ένα άλλο έχει αναφερθεί στον Κόλπο του Μεξικού (Graham, 1998 Lewis et al., 2013 Lasley et al., 2016 Lawley et al., 2016). Τα αρχικά μας αποτελέσματα έδειξαν ότι δύο είδη Tamoyidae είχαν εντοπιστεί σε αυτή τη μελέτη: Η Ταμόγια βλ. απλονέμα (ταιριάζει με ένα δείγμα του New Jersey GenBank KR093033) και μια πολύ παρόμοια ακολουθία Tamoya ohboya (ταιριάζει με δείγμα της Καραϊβικής GenBank GQ150263). Η Ταμόγια είδη έχουν αναφερθεί στο παρελθόν σε αυτή τη γεωγραφική περιοχή (Collins et al., 2011 Εικόνα 7), αν και απαιτούνται περαιτέρω μελέτες για τη σωστή οριοθέτηση των ειδών αυτού του γένους. Ενώ δύο διαφορετικές παραδειγματικές αλληλουχίες αναγνωρίστηκαν με μέγιστες βαθμολογίες BLASTN, οι συναινετικές ακολουθίες αυτών των αναγνωστών είχαν και οι δύο σχεδόν 100% ταυτότητα Τ. βλ. απλονέμα rRNA γονίδιο από το New Jersey. Επιπλέον, το μικροσκοπικό κυβόζωο, Tripedalia cystophora, ανιχνεύθηκε επίσης μέσω eDNA (ως απλό). Περιγράφηκε για πρώτη φορά από την Τζαμάικα, Τ. Cystophora έχει τεκμηριωθεί μόλις πρόσφατα στα ύδατα της Φλόριντα (Orellana and Collins, 2011 Lasley et al., 2016). Τέλος, ένα σύνολο 17 αναγνωσμάτων που αντιστοιχεί σε ένα μη αναγνωρισμένο είδος Carybdea (που ταιριάζουν στενά με τις ακολουθίες των ειδών της Καραϊβικής Carybdea xaymacana), υποδηλώνουν την παρουσία ενός άλλου ακόμη ακατάλληλου είδους ζελατίνας στο Florida Keys (Εικόνα 7).

    Παρόλο που κανένα είδος των βενθικών μελισσόψυχων στην κατηγορία Staurozoa δεν αναφέρθηκε προηγουμένως από τη Φλόριντα (Miranda et al., 2018), σε αυτή τη μελέτη εντοπίσαμε eDNA των σταυροζωών Calvadosia cruxmelitensis και Haliclystus βλ. tenuis (Εικόνες 4 𠄷). Το πρώτο παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον καθώς το γονιδίωμά του δημοσιεύτηκε πρόσφατα μαζί με αυτό του C. xamachana και Α. Αλάτα (Ohdera et al., 2019). Τα σταυρόζωα είναι σχετικά μικρά μεσοζωοειδή (Εικόνα 7), και συχνά κρυπτικά και δύσκολα βρίσκονται στο χωράφι επειδή ζουν και συνδυάζονται καλά με τα μακροφύκη. Αυτά τα είδη είναι αποκλειστικά βενθικά, οπότε η παρουσία αλληλουχιών που αντιστοιχούν σε αυτές τις κατηγορίες (C. cruxmelitensis που αντιπροσωπεύεται σε κάθε θέση δειγματοληψίας σε αυτή τη μελέτη) υποδηλώνει ότι το FeDS ήταν σε θέση να ανιχνεύσει eDNA βενθικών ειδών εκτός από αυτό των πελαγικών μέδουσες. H. tenuis περιγράφηκε αρχικά από την Ιαπωνία (Kishinouye, 1910), αλλά πρόσφατα θεωρήθηκε εισαγόμενο είδος στον βόρειο Ατλαντικό (Holst and Laakmann, 2019) δεν έχει αναφερθεί ποτέ από τον δυτικό Ατλαντικό (Εικόνα 7). C. cruxmelitensis διανέμεται σε όλες τις Βρετανικές Νήσους, ενώ οι συγγενείς είναι οι μόνες γνωστές σταυρόζωες που διανέμονται σε ζεστά τροπικά και υποτροπικά νερά, συμπεριλαμβανομένων αναφορών C. hawaiiensis από τη Χαβάη (Edmondson, 1930), ένα απροσδιόριστο είδος από την Ινδία (Panikkar, 1944), και C. corbini από τη Βραζιλία (Grohmann et al., 1999), το Πουέρτο Ρίκο (Capriles and Martinez, 1970 Larson, 1980), και τον δυτικό Κόλπο του Μεξικού (Lechuga and Fern ández-Álamo, 2005). Ενώ οι γνωστές γεωγραφικές κατανομές των σταυρόζωων (Miranda et al., 2018) υποδηλώνουν ότι C. corbini είναι το πιο πιθανό είδος που συναντάται στα ύδατα της Φλόριντα, τα δεδομένα μας το αναφέρουν κατηγορηματικά C. cruxmelitensis κατοικεί στο Florida Keys (Εικόνα 7). Παρ 'όλα αυτά, αυτός ο ισχυρισμός πρέπει να επιβεβαιωθεί μέσω οπτικής επιθεώρησης κατάλληλων παράκτιων οικοτόπων της Φλόριντα για την αξιολόγηση μιας υποθετικής εισαγωγής. Συνολικά, αυτά τα αποτελέσματα υποδηλώνουν ότι η εκτεταμένη ανάλυση eDNA θα μπορούσε να προωθήσει γρήγορα την κατανόηση της κατανομής των κρυπτικών οργανισμών.

    Εντοπίσαμε 36 OTU Hydrozoa, παρά μόνο το 15% της συνολικής ανάγνωσης χαρτογράφησης σε υδροζωικές αλληλουχίες. Αρκετά από αυτά τα taxa (π.χ. είδη του Αγλαοφενία, Ευδένδριο, και Χαλοτέρης) δεν διαθέτουν στάδιο μέδουσας, παρέχοντας περισσότερα στοιχεία ότι η δειγματοληψία eDNA κατέλαβε βενθικά ταξίδια (Εικόνες 4, 7). Δεδομένης της εκτεταμένης υδροζωικής ποικιλομορφίας άνω των 3.500 γνωστών ειδών, συμπεριλαμβανομένων εκατοντάδων που περιγράφονται από την Καραϊβική, η αναπαράσταση άνω του 50% όλων των OTU από τα ταξίδια των υδροζωικών δεν ήταν απροσδόκητη (Εικόνες 4, 5).


    Περιεχόμενα

    Οποιοδήποτε στάδιο έκφρασης γονιδίου μπορεί να τροποποιηθεί, από το βήμα μεταγραφής DNA-RNA έως τη μετα-μεταφραστική τροποποίηση μιας πρωτεΐνης. Ακολουθεί μια λίστα σταδίων στα οποία ρυθμίζεται η γονιδιακή έκφραση, το πιο εκτενώς χρησιμοποιούμενο σημείο είναι η έναρξη μεταγραφής:

    Στους ευκαρυώτες, η προσβασιμότητα μεγάλων περιοχών του DNA μπορεί να εξαρτάται από τη δομή της χρωματίνης, η οποία μπορεί να μεταβληθεί ως αποτέλεσμα των τροποποιήσεων ιστόνης που κατευθύνονται από μεθυλίωση DNA, ncRNA ή πρωτεΐνη που δεσμεύει το DNA. Επομένως, αυτές οι τροποποιήσεις μπορεί να ρυθμίζουν πάνω ή κάτω την έκφραση ενός γονιδίου. Μερικές από αυτές τις τροποποιήσεις που ρυθμίζουν την έκφραση των γονιδίων είναι κληρονομήσιμες και αναφέρονται ως επιγενετική ρύθμιση.

    Δομική Επεξεργασία

    Η μεταγραφή του DNA υπαγορεύεται από τη δομή του. Γενικά, η πυκνότητα της συσκευασίας του είναι ενδεικτική της συχνότητας μεταγραφής. Τα σύμπλοκα οκταμερικών πρωτεϊνών που ονομάζονται ιστόνες μαζί με ένα τμήμα του DNA που περιβάλλεται από τις οκτώ πρωτεΐνες ιστόνης (μαζί αναφέρονται ως νουκλεόσωμα) είναι υπεύθυνα για την ποσότητα υπερ -περιτύλιξης του DNA και αυτά τα σύμπλοκα μπορούν να τροποποιηθούν προσωρινά με διαδικασίες όπως φωσφορυλίωση ή πιο μόνιμα τροποποιείται με διαδικασίες όπως η μεθυλίωση. Τέτοιες τροποποιήσεις θεωρούνται υπεύθυνες για περισσότερο ή λιγότερο μόνιμες αλλαγές στα επίπεδα γονιδιακής έκφρασης. [2]

    Chemical Edit

    Η μεθυλίωση του DNA είναι μια κοινή μέθοδος γονιδιακής σίγησης. Το DNA τυπικά μεθυλιώνεται από ένζυμα μεθυλτρανσφεράσης σε νουκλεοτίδια κυτοσίνης σε αλληλουχία δινουκλεοτιδίων CpG (επίσης ονομάζεται "νησιά CpG" όταν είναι πυκνά ομαδοποιημένο). Η ανάλυση του προτύπου μεθυλίωσης σε μια δεδομένη περιοχή DNA (που μπορεί να είναι ένας προαγωγέας) μπορεί να επιτευχθεί μέσω μιας μεθόδου που ονομάζεται χαρτογράφηση διθειώδους. Τα υπολείμματα μεθυλιωμένης κυτοσίνης παραμένουν αμετάβλητα από την επεξεργασία, ενώ τα μη μεθυλιωμένα μετατρέπονται σε ουρακίλη. Οι διαφορές αναλύονται με προσδιορισμό αλληλουχίας DNA ή με μεθόδους που αναπτύχθηκαν για τον ποσοτικό προσδιορισμό των SNPs, όπως Pyrosequencing (Biotage) ή MassArray (Sequenom), μετρώντας τις σχετικές ποσότητες C/T στο διουκλεοτίδιο CG. Τα μη φυσιολογικά πρότυπα μεθυλίωσης πιστεύεται ότι εμπλέκονται στην ογκογένεση. [3]

    Η ακετυλίωση ιστόνης είναι επίσης μια σημαντική διαδικασία στη μεταγραφή. Τα ένζυμα ακετυλοτρανσφεράσης ιστόνης (HATs) όπως η πρωτεΐνη που δεσμεύει CREB επίσης διαχωρίζουν το DNA από το σύμπλεγμα ιστόνης, επιτρέποντας να προχωρήσει η μεταγραφή. Συχνά, η μεθυλίωση του DNA και η αποακετυλίωση ιστόνης συνεργάζονται για τη σίγαση των γονιδίων. Ο συνδυασμός των δύο φαίνεται να είναι ένα σήμα για το DNA να είναι πιο πυκνά συσκευασμένο, μειώνοντας την γονιδιακή έκφραση. [ αναφορά που απαιτείται ]

    Η ρύθμιση της μεταγραφής ελέγχει έτσι πότε λαμβάνει χώρα η μεταγραφή και πόσο RNA δημιουργείται. Η μεταγραφή ενός γονιδίου από πολυμεράση RNA μπορεί να ρυθμιστεί με διάφορους μηχανισμούς. Οι παράγοντες εξειδίκευσης μεταβάλλουν την εξειδίκευση της RNA πολυμεράσης για έναν δεδομένο υποκινητή ή ένα σύνολο προαγωγέων, καθιστώντας το περισσότερο ή λιγότερο πιθανό να συνδεθεί με αυτούς (δηλαδή, παράγοντες σιγμα που χρησιμοποιούνται στην προκαρυωτική μεταγραφή). Οι καταστολείς συνδέονται με τον Χειριστή, κωδικοποιώντας αλληλουχίες στον κλώνο DNA που βρίσκονται κοντά ή επικαλύπτουν την περιοχή του προαγωγέα, εμποδίζοντας την πρόοδο της RNA πολυμεράσης κατά μήκος του κλώνου, εμποδίζοντας έτσι την έκφραση του γονιδίου. Η εικόνα στα δεξιά δείχνει ρύθμιση από έναν καταστολέα στο οπερόνιο lac. Οι γενικοί παράγοντες μεταγραφής τοποθετούν την πολυμεράση RNA στην αρχή μιας αλληλουχίας κωδικοποίησης πρωτεΐνης και στη συνέχεια απελευθερώνουν την πολυμεράση για να μεταγράψουν το mRNA. Οι ενεργοποιητές ενισχύουν την αλληλεπίδραση μεταξύ της RNA πολυμεράσης και ενός συγκεκριμένου προαγωγέα, ενθαρρύνοντας την έκφραση του γονιδίου. Οι ενεργοποιητές το κάνουν αυτό αυξάνοντας την έλξη της RNA πολυμεράσης για τον υποκινητή, μέσω αλληλεπιδράσεων με υπομονάδες της RNA πολυμεράσης ή έμμεσα αλλάζοντας τη δομή του DNA. Οι ενισχυτές είναι τοποθεσίες στην έλικα του DNA που δεσμεύονται από ενεργοποιητές προκειμένου να περιτυλίξουν το DNA φέρνοντας έναν συγκεκριμένο προαγωγέα στο σύμπλεγμα έναρξης. Οι ενισχυτές είναι πολύ συχνότεροι στους ευκαρυωτικούς από τους προκαρυωτικούς, όπου υπάρχουν μόνο μερικά παραδείγματα (μέχρι σήμερα). [4] Οι σιγαστήρες είναι περιοχές αλληλουχιών DNA που, όταν συνδέονται με συγκεκριμένους παράγοντες μεταγραφής, μπορούν να σιωπήσουν την έκφραση του γονιδίου.

    Στα σπονδυλωτά, η πλειονότητα των προαγωγέων γονιδίων περιέχει μια νησίδα CpG με πολλές θέσεις CpG. [5] Όταν μεθυλιώνονται πολλές από τις θέσεις προαγωγού ενός γονιδίου, το γονίδιο αποσιωπάται. [6] Οι καρκίνοι του παχέος εντέρου έχουν συνήθως 3 έως 6 μεταλλάξεις οδηγού και 33 έως 66 μεταλλάξεις ωτοστόπ ή επιβατών. [7] Ωστόσο, η μεταγραφή σιωπής μπορεί να έχει μεγαλύτερη σημασία από τη μετάλλαξη στην πρόκληση εξέλιξης στον καρκίνο. Για παράδειγμα, στους καρκίνους του παχέος εντέρου περίπου 600 έως 800 γονίδια αποσιωπούνται μεταγραφικά με μεθυλίωση του νησιού CpG (βλ. Ρύθμιση της μεταγραφής στον καρκίνο). Η μεταγραφική καταστολή στον καρκίνο μπορεί επίσης να συμβεί με άλλους επιγενετικούς μηχανισμούς, όπως η τροποποιημένη έκφραση των μικροRNA. [8] Στον καρκίνο του μαστού, η μεταγραφική καταστολή του BRCA1 μπορεί να συμβεί συχνότερα από υπερ-εκφρασμένο microRNA-182 παρά με υπερμεθυλίωση του προαγωγέα BRCA1 (βλ. Χαμηλή έκφραση του BRCA1 σε καρκίνους μαστού και ωοθηκών).

    Ένα από τα βασικά χαρακτηριστικά του εθισμού είναι η επιμονή του. Οι επίμονες αλλαγές συμπεριφοράς φαίνεται να οφείλονται σε μακροχρόνιες αλλαγές, που προκύπτουν από επιγενετικές αλλοιώσεις που επηρεάζουν την έκφραση γονιδίων, σε συγκεκριμένες περιοχές του εγκεφάλου. [9] Τα ναρκωτικά κατάχρησης προκαλούν τρεις τύπους επιγενετικής αλλοίωσης στον εγκέφαλο. Αυτές είναι (1) ακετυλίωση ιστόνης και μεθυλίωση ιστόνης, (2) μεθυλίωση DNA σε θέσεις CpG και (3) επιγενετική προς τα κάτω ρύθμιση ή ανοδική ρύθμιση των microRNAs. [9] [10] (Βλ. Επιγενετική του εθισμού στην κοκαΐνη για μερικές λεπτομέρειες.)

    Η χρόνια πρόσληψη νικοτίνης σε ποντίκια μεταβάλλει τον επιγενετικό έλεγχο των κυττάρων της γονιδιακής έκφρασης μέσω ακετυλίωσης των ιστονών. Αυτό αυξάνει την έκφραση στον εγκέφαλο της πρωτεΐνης FosB, σημαντική στον εθισμό. [11] Ο εθισμός στο τσιγάρο μελετήθηκε επίσης σε περίπου 16.000 ανθρώπους, συμπεριλαμβανομένων των μη καπνιστών, των σημερινών καπνιστών και εκείνων που είχαν κόψει το κάπνισμα για έως και 30 χρόνια. [12] Στα κύτταρα του αίματος, περισσότερες από 18.000 θέσεις CpG (από τις περίπου 450.000 αναλυθείσες θέσεις CpG στο γονιδίωμα) είχαν συχνά μεταβάλλει τη μεθυλίωση μεταξύ των σημερινών καπνιστών. Αυτές οι θέσεις CpG εμφανίστηκαν σε πάνω από 7.000 γονίδια, ή περίπου το ένα τρίτο των γνωστών ανθρώπινων γονιδίων. Η πλειονότητα των διαφορικά μεθυλιωμένων θέσεων CpG επέστρεψε στο επίπεδο των μη καπνιστών εντός πέντε ετών από τη διακοπή του καπνίσματος. Ωστόσο, 2.568 CpGs μεταξύ 942 γονιδίων παρέμειναν διαφορικά μεθυλιωμένα σε πρώην έναντι ποτέ καπνιστών. Τέτοιες εναπομείνασες επιγενετικές αλλαγές μπορούν να θεωρηθούν ως «μοριακές ουλές» [10] που μπορεί να επηρεάσουν την έκφραση των γονιδίων.

    Σε μοντέλα τρωκτικών, τα ναρκωτικά κατάχρησης, συμπεριλαμβανομένης της κοκαΐνης, [13] μεθαμφαμίνη, [14] [15] αλκοόλ [16] και προϊόντων καπνού καπνού, [17] όλα προκαλούν βλάβη στο DNA στον εγκέφαλο. Κατά την επιδιόρθωση βλαβών του DNA, ορισμένα μεμονωμένα γεγονότα επιδιόρθωσης μπορούν να αλλάξουν τη μεθυλίωση του DNA και/ή τις ακετυλιώσεις ή μεθυλιώσεις των ιστονών στα σημεία της βλάβης, και έτσι μπορούν να συμβάλουν στο να αφήσει μια επιγενετική ουλή στη χρωματίνη. [18]

    Τέτοιες επιγενετικές ουλές πιθανώς συμβάλλουν στις επίμονες επιγενετικές αλλαγές που εντοπίζονται στον εθισμό.

    Στα θηλαστικά, η μεθυλίωση της κυτοσίνης (βλ. Εικόνα) στο DNA είναι ένας κύριος ρυθμιστικός μεσολαβητής. Οι μεθυλιωμένες κυτοσίνες εμφανίζονται κυρίως σε αλληλουχίες δινουκλεοτιδίων όπου η κυτοσίνη ακολουθείται από μια γουανίνη, μια θέση CpG. Ο συνολικός αριθμός των θέσεων CpG στο ανθρώπινο γονιδίωμα είναι περίπου 28 εκατομμύρια. [19] και γενικά περίπου το 70% όλων των θέσεων CpG έχουν μεθυλιωμένη κυτοσίνη. [20]

    Σε έναν αρουραίο, μια επώδυνη μαθησιακή εμπειρία, η προετοιμασία του φόβου με βάση τα συμφραζόμενα, μπορεί να οδηγήσει σε μια δια βίου τρομακτική μνήμη μετά από ένα μόνο εκπαιδευτικό γεγονός. [21] Η μεθυλίωση κυτοσίνης μεταβάλλεται στις περιοχές προαγωγού περίπου 9,17% όλων των γονιδίων στο DNA νευρώνα ιππόκαμπου αρουραίου που έχει υποβληθεί σε μια σύντομη εμπειρία ρύθμισης φόβου. [22] Ο ιππόκαμπος είναι όπου αρχικά αποθηκεύονται νέες μνήμες.

    Η μεθυλίωση των CpGs σε μια περιοχή προαγωγέα ενός γονιδίου καταστέλλει τη μεταγραφή [23] ενώ η μεθυλίωση των CpGs στο σώμα ενός γονιδίου αυξάνει την έκφραση. [24] Τα ένζυμα TET παίζουν κεντρικό ρόλο στην απομεθυλίωση των μεθυλιωμένων κυτοσινών. Η απομεθυλίωση των CpGs σε έναν προαγωγέα γονιδίου από τη δραστηριότητα του ενζύμου TET αυξάνει τη μεταγραφή του γονιδίου. [25]

    Όταν εφαρμόζεται η προσαρμογή του φόβου σε έναν αρουραίο, εμφανίζονται περισσότερες από 5.000 διαφορικά μεθυλιωμένες περιοχές (500 νουκλεοτίδια το καθένα) στο νευρικό γονιδίωμα του ιππόκαμπου αρουραίου και μία ώρα και 24 ώρες μετά τη ρύθμιση στον ιππόκαμπο. [22] Αυτό προκαλεί ρύθμιση περίπου 500 γονιδίων (συχνά λόγω απομεθυλίωσης των θέσεων CpG σε μια περιοχή προαγωγέα) και περίπου 1.000 γονίδια να μειώνονται (συχνά λόγω της νεοσύστατης 5-μεθυλκυτοσίνης σε θέσεις CpG σε έναν προαγωγέα περιοχή). Το μοτίβο των επαγόμενων και κατασταλμένων γονιδίων μέσα στους νευρώνες φαίνεται να παρέχει μια μοριακή βάση για τον σχηματισμό της πρώτης παροδικής μνήμης αυτού του εκπαιδευτικού γεγονότος στον ιππόκαμπο του εγκεφάλου του αρουραίου. [22]

    Αφού μεταγραφεί το DNA και σχηματιστεί mRNA, πρέπει να υπάρχει κάποια ρύθμιση σχετικά με το πόσο το mRNA μεταφράζεται σε πρωτεΐνες. Τα κύτταρα το κάνουν αυτό διαμορφώνοντας το κάλυμμα, το μάτισμα, την προσθήκη μιας ουράς Poly(A), τους ειδικούς για την αλληλουχία ρυθμούς πυρηνικής εξαγωγής και, σε διάφορα πλαίσια, τη δέσμευση του μεταγράφου RNA. These processes occur in eukaryotes but not in prokaryotes. This modulation is a result of a protein or transcript that, in turn, is regulated and may have an affinity for certain sequences.

    Three prime untranslated regions (3'-UTRs) of messenger RNAs (mRNAs) often contain regulatory sequences that post-transcriptionally influence gene expression. [26] Such 3'-UTRs often contain both binding sites for microRNAs (miRNAs) as well as for regulatory proteins. Συνδέοντας σε συγκεκριμένες θέσεις εντός του 3'-UTR, τα miRNAs μπορούν να μειώσουν την γονιδιακή έκφραση διαφόρων mRNAs είτε αναστέλλοντας τη μετάφραση είτε προκαλώντας άμεσα υποβάθμιση της μεταγραφής. Το 3'-UTR μπορεί επίσης να έχει περιοχές σιγαστήρα που δεσμεύουν πρωτεΐνες καταστολέα που αναστέλλουν την έκφραση ενός mRNA.

    The 3'-UTR often contains miRNA response elements (MREs). Τα MRE είναι αλληλουχίες στις οποίες συνδέονται τα miRNA. Αυτά είναι διαδεδομένα μοτίβα εντός 3'-UTR. Μεταξύ όλων των ρυθμιστικών μοτίβων εντός των 3'-UTRs (π.χ. συμπεριλαμβανομένων των περιοχών σιγαστήρα), τα MRE αποτελούν περίπου το ήμισυ των μοτίβων.

    As of 2014, the miRBase web site, [27] an archive of miRNA sequences and annotations, listed 28,645 entries in 233 biologic species. Από αυτά, 1.881 miRNA ήταν σε σχολιασμένους ανθρώπινους τόπους miRNA. Τα miRNA προβλέφθηκαν ότι έχουν κατά μέσο όρο περίπου τετρακόσια mRNA-στόχους (που επηρεάζουν την έκφραση αρκετών εκατοντάδων γονιδίων). [28] Freidman et al. [28] estimate that >45,000 miRNA target sites within human mRNA 3'-UTRs are conserved above background levels, and >60% of human protein-coding genes have been under selective pressure to maintain pairing to miRNAs.

    Άμεσα πειράματα δείχνουν ότι ένα μόνο miRNA μπορεί να μειώσει τη σταθερότητα εκατοντάδων μοναδικών mRNAs. [29] Other experiments show that a single miRNA may repress the production of hundreds of proteins, but that this repression often is relatively mild (less than 2-fold). [30] [31]

    Τα αποτελέσματα της δυσρύθμισης του miRNA της γονιδιακής έκφρασης φαίνεται να είναι σημαντικά στον καρκίνο. [32] For instance, in gastrointestinal cancers, a 2015 paper identified nine miRNAs as epigenetically altered and effective in down-regulating DNA repair enzymes. [33]

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

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

      is a process in which a molecule (e.g., a drug) induces (i.e., initiates or enhances) the expression of an enzyme.
  • The induction of heat shock proteins in the fruit fly Drosophila melanogaster.
  • The Lac operon is an interesting example of how gene expression can be regulated.
  • Viruses, despite having only a few genes, possess mechanisms to regulate their gene expression, typically into an early and late phase, using collinear systems regulated by anti-terminators (lambda phage) or splicing modulators (HIV).
  • Gal4 is a transcriptional activator that controls the expression of GAL1, GAL7, and GAL10 (all of which code for the metabolic of galactose in yeast). The GAL4/UAS system has been used in a variety of organisms across various phyla to study gene expression. [37]
  • Αναπτυξιακή βιολογία Επιμέλεια

    A large number of studied regulatory systems come from developmental biology. Τα παραδείγματα περιλαμβάνουν:

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

    Up-regulation and down-regulation Edit

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

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

    Inducible vs. repressible systems Edit

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

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

    The GAL4/UAS system is an example of both an inducible and repressible system. Gal4 binds an upstream activation sequence (UAS) to activate the transcription of the GAL1/GAL7/GAL10 cassette. On the other hand, a MIG1 response to the presence of glucose can inhibit GAL4 and therefore stop the expression of the GAL1/GAL7/GAL10 cassette. [40]

    Theoretical circuits Edit

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

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

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


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

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

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


      11.2: DNA Sequencing - Biology

      Google Classroom codes for second Semester

      Tests and Quiz

      Chapter 14 Test -EVEN ONLY

      Chapter 14 Test - ODD ONLY

      Assignment and Video Links

      Make Up Tests

      με Permission only during CAT30

      Extra Credit Assignments and Publisher Practice Tests

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

      An excellent way to study for your tests is to complete

      the chapters which we are covering this semester.

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

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

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

      Dear Biology Students,

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


      Πίνακας περιεχομένων

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


      Δες το βίντεο: 11. Η Αντιγραφή του DNA. Δράση DNA πολυμεράσης 1 2ο κεφ. - Βιολογία Γ λυκείου. (Νοέμβριος 2022).