Information

Hur förklarar man genom, gener, RNA och protein i en figur för icke-biolog?

Hur förklarar man genom, gener, RNA och protein i en figur för icke-biolog?


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.

Jag har en presentation att göra där icke-biologer deltar. För att introducera lite av mitt arbete måste jag göra en snabb sammanfattning om genom. Så vad är ett genom, en gen, ett mRNA och ett protein. Och det bästa vore att ha det i en figur, lätt att förstå. Jag hittade detta: http://dnamismatch.com/Test/wp-content/uploads/2013/07/Genes-and-genomes.png">genomes

Central dogm för molekylärbiologi

De molekylärbiologins centrala dogm är en förklaring av flödet av genetisk information inom ett biologiskt system. Det anges ofta som "DNA gör RNA, och RNA gör protein", [1] även om detta inte är dess ursprungliga betydelse. Det uttalades först av Francis Crick 1957, [2] [3] publicerades sedan 1958: [4] [5]

Den centrala dogmen. Detta säger att när "information" väl har passerat till protein kan den inte komma ut igen. Mer detaljerat kan överföring av information från nukleinsyra till nukleinsyra eller från nukleinsyra till protein vara möjlig, men överföring från protein till protein eller från protein till nukleinsyra är omöjligt. Information betyder här den exakta bestämningen av sekvensen, antingen av baser i nukleinsyran eller av aminosyrarester i proteinet.

Han återuppgav det i en Natur artikel publicerad 1970: "Den molekylära biologins centrala dogm handlar om detaljerad rest-för-rest-överföring av sekventiell information. Den säger att sådan information inte kan överföras tillbaka från protein till vare sig protein eller nukleinsyra." [6]

En andra version av den centrala dogmen är populär men felaktig. Detta är den förenklade DNA → RNA → proteinvägen publicerad av James Watson i den första upplagan av Genens molekylära biologi (1965). Watsons version skiljer sig från Cricks eftersom Watson beskriver en tvåstegsprocess (DNA → RNA och RNA → protein) som den centrala dogmen. [7] Medan dogmen, som ursprungligen påstods av Crick, förblir giltig idag, [6] gör inte Watsons version det. [2]

Dogmen är ett ramverk för att förstå överföringen av sekvensinformation mellan informationsbärande biopolymerer, i det vanligaste eller vanligaste fallet, i levande organismer. Det finns tre huvudklasser av sådana biopolymerer: DNA och RNA (båda nukleinsyror) och protein. Det finns 3 × 3 = 9 tänkbara direkta överföringar av information som kan ske mellan dessa. Dogmen klassificerar dessa i 3 grupper om 3: tre allmänna överföringar (tros förekomma normalt i de flesta celler), tre speciella överföringar (känd för att inträffa, men endast under specifika förhållanden i fallet med vissa virus eller i ett laboratorium) och tre okända överföringar (tros aldrig ske). De allmänna överföringarna beskriver det normala flödet av biologisk information: DNA kan kopieras till DNA (DNA-replikation), DNA-information kan kopieras till mRNA (transkription) och proteiner kan syntetiseras med hjälp av informationen i mRNA som mall (translation). De speciella överföringarna beskriver: RNA som kopieras från RNA (RNA-replikation), DNA som syntetiseras med hjälp av en RNA-mall (omvänd transkription), och proteiner som syntetiseras direkt från en DNA-mall utan användning av mRNA. De okända överföringarna beskriver: ett protein som kopieras från ett protein, syntes av RNA med hjälp av den primära strukturen av ett protein som en mall, och DNA-syntes med användning av den primära strukturen av ett protein som en mall - dessa tros inte förekomma naturligt. [6]


Central dogma för molekylärbiologi (med diagram) | Biologi

Processen för syntes av proteiner involverar en av de centrala dogmerna för molekylärbiologi, enligt vilken genetisk information strömmar från nukleinsyror till proteiner. Det föreslogs först av Crick år 1958. Det första steget i denna centrala dogm är syntesen av RNA från DNA. Detta är känt som transkription. Det andra steget innebär en ändring av kod från nukleotidsekvenser till aminosyrasekvenser och kallas translation.

Det kan illustreras på följande sätt:

DNA som finns i organismer har två huvudfunktioner - replikation och fenogenes. Fenogenes är en mekanism genom vilken fenotypen av en organism produceras under kontroll av DNA i en given miljö. Miljön inkluderar externa faktorer som temperatur, kvalitet och mängd ljus, och inre faktorer som hormoner och enzymer.

En organisms fenotyp är resultatet av olika embryologiska och biokemiska aktiviteter hos dess celler från det zygotiska till vuxenstadiet. Alla dessa aktiviteter involverar verkan av en mängd olika strukturella och funktionella enzymer. Enzymerna utför katalytiska funktioner som orsakar splittring eller förening av olika cellulära molekyler. Varje reaktion sker på ett stegvis sätt som involverar omvandling av ett ämne till ett annat.

De olika stegen involverar omvandlingen av en prekursorsubstans till dess slutprodukt som i slutändan är en strukturell eller funktionell fenotypisk egenskap. De olika stegen utgör en biosyntetisk väg. Varje steg i vägen katalyseras av ett specifikt enzym, som i sin tur produceras av en specifik gen.

DNA är dock inte direkt involverat i den biosyntetiska vägen. En mellanliggande molekyl som kallas mRNA är involverad i sammansättningen av aminosyror för att bilda enzymer. För att producera en speciell fenotypisk egenskap transkriberar DNA således mRNA som översätts till antingen ett enzymatiskt eller strukturellt protein. Grunden för ett funktionellt förhållande mellan gener och enzymer lades 1902 när Bateson rapporterade en sällsynt mänsklig defekt känd som alkaptonuria, som ärvs som en recessiv egenskap.

Senare under året 1909 publicerade en engelsk läkare, Archibald Garrod, populärt känd som fadern till biokemisk genetik, sitt arbete i sin bok ‘Inborn errors of metabolism’, vilket tyder på ett samband mellan gener och specifika kemiska reaktioner. Men hans arbete förblev obemärkt tills Beadle, Tatum och andra genetiker arbetade på Neurospora för att få en bättre förståelse av genverkan. De fann att mutationell förändring av gener kan orsaka förlust av specifika enzymer. Detta koncept var allmänt känt som ‘En gen ett enzymhypotes’.

Konceptet med ‘en gen ett enzym’ en fenotypisk effektrelation exemplifieras av Neurospora crassa. Vildtypen eller prototrofen av Neurospora kan leva i ett enkelt medium som innehåller oorganiska salter, en källa till organiskt kol och vitaminbiotin. Detta enkla medium är känt som minimalt medium.

Svampen har således en medfödd förmåga att syntetisera alla andra vitaminer, aminosyror och kvävebaser som krävs för normal utveckling. Enligt Beadle och Tatum styr en gen en strukturell eller funktionell egenskap genom att kontrollera syntesen av ett specifikt enzym som bildas av det senare.

De behandlade konidierna i Neurospora för röntgenstrålar eller UV-strålar och fick ett antal mutanter som kallas auxotrofer. Dessa är näringsmutanter, som inte kan växa på normalt eller minimalt medium. Beadle och Tatum valde ut tre mutanter för sin studie.

a. Ornitin som kräver auxotrofer:

Dessa kan inte syntetisera citrullin och arginin. De kunde dock syntetisera arginin om de kompletterades med ornitin.

b. Citrullin som kräver auxotrofer:

Dessa syntetiserar ornitin, men kunde inte göra arginin.

c. Arginin som kräver auxotrofer:

Dessa kan syntetisera både citrullin och ornitin. Dessa skulle växa normalt om de kompletteras med arginin.

Förekomsten av dessa tre typer av mutanter indikerar en sekvens av reaktioner involverade i syntesen av arginin. Beadles och Tatums arbete har sammanfattats i fig. 8.

De resonerade att mutationer orsakade defekter i enzymer. En mutation producerar endast ett defekt enzym. Beadle och Tatum tilldelades Nobelpriset för sitt bidrag 1958.

Men hypotesen "en gen ett enzym" har några begränsningar som är följande:

a. Alla gener producerar inte enzymer eller deras komponenter. Vissa av dem kontrollerar andra gener.

b. Alla proteiner är inte enzymer. Många proteiner är uppbyggda av subenheter som kallas polypeptider, med varje distinkt polypeptid under kontroll av en gen. Till exempel består enzymet tryptofansyntetas från bakterien Escherichia coli av två separata polypeptider, A och B.

Polypeptid A är av α-typ medan polypeptid B är β-typ. En förändring i någon av de två generna orsakar inaktivering av tryptofansyntetas genom icke-syntes av A- och B-typ. Inaktivering av enzym stoppar syntesen av tryptofan. På liknande sätt består vuxen humant hemoglobin av fyra polypeptidkedjor, 2a och 2b.

Varje polypeptidkedja kodas av en separat gen. Därför ändrades hypotesen för en gen ett enzym till hypotesen "en gen en polypeptid". Enligt vilken en strukturell gen specificerar syntesen av en enda polypeptid. Eftersom segmentet av DNA som kodar för en polypeptid kallas Cistron, kallas hypotesen också som en cistron en polypeptidhypotes.

År 1970 rapporterade HM Temin och D Baltimore förekomsten av ett enzym ‘RNA-beroende DNA-polymeras’ i vissa RNA-innehållande virus. Detta enzym skulle kunna syntetisera DNA från en enkelsträngad RNA-mall. Denna process är också känd som omvänd transkription eller teminism. Det nysyntetiserade DNA:t syntetiserar sedan mRNA genom transkription som i sin tur producerar polypeptid genom translation.

Detta enzym gav upphov till konceptet ‘central dogma reverse’ enligt vilket informationssekvensen inte nödvändigtvis är från DNA till RNA till protein utan också kan ske från RNA till DNA.


Vad är förhållandet mellan kromosomer, DNA och gener?

Kromosomer är strukturer i en cellkärna som består av många gener. Gener innehåller deoxiribonukleinsyra (DNA), som innehåller den genetiska information som används för att syntetisera proteiner.

Kromosomer är långa strängar i en cell som kan innehålla hundratals eller tusentals gener. Människor har allt från 20 000 till 30 000 gener. Varje mänsklig cell har ett par av 23 kromosomer, vilket ger totalt 46 kromosomer. Gener hjälper till att bilda egenskaper, och mer än en gen kan skapa en viss egenskap. Gener innehåller ibland genetiska avvikelser eller förvärvade mutationer, som i sin tur påverkar hur egenskaper utvecklas. Inom gener innehåller deoxiribonukleinsyra (DNA) fyra byggstenar, som är adenin, cytosin, guanin och tymin. Ordningen på dessa baser formar genomets instruktioner.

Kromosomparningar

Trots att kromosomerna har ett stort antal gener, är dessa gener ordnade i en mycket specifik sekvens. Varje gen har en speciell plats i en kromosom, som kallas dess locus. De flesta celler i människokroppen har 23 par kromosomer, med undantag av ett fåtal celler som röda blodkroppar, äggceller och spermier. Varje par av kromosomer innehåller genetisk information från en modercell och en fadercell. Av de 23 kromosomparen i en cell är 22 icke-könade kromosomer eller autosomala kromosomer. Det sista kromosomparet innehåller könskromosomerna, som är X och Y. Paret av könscellerna avgör avkommans kön. Hanar har en X-kromosom och en Y-kromosom. X kommer från mamman och Y-kromosomen kommer från pappan. Kvinnor har däremot två X-kromosomer. Den ena kromosomen kommer från mamman och den andra kommer från pappan. Vanligtvis kan gener i nonsex-kromosomerna uttryckas fullt ut. Ibland uppstår dock problem där så inte är fallet. Beroende på avvikelsen kan människor födas med eller utveckla milda till svåra utvecklingsproblem.

Kromosomavvikelser

Avvikelser som uppstår i kromosomerna kan ta flera olika former. Kromosomavvikelser kan uppstå som ett resultat av ett onormalt antal kromosomer eller när ett område av kromosomen utvecklas onormalt, till exempel sektioner som av misstag raderas eller placeras i en annan kromosom, vilket kallas translokation. Att ha ett onormalt antal kromosomer kan skapa allvarliga komplikationer. Att ha en extra nonsex-kromosom eller sakna en nonsex-kromosom, till exempel, kan vara dödligt för ett foster. Det kan också orsaka utvecklingsproblem, till exempel Downs syndrom, som uppträder i genetiken som att en person har tre kopior av kromosom 21. Stora kromosomområden som är onormala kan bero på en genetisk störning eller en förvärvad mutation. Ett exempel på denna abnormitet är kronisk myelogen leukemi, som uppstår när en del av kromosom 9 translokeras till kromosom 22.

Genetiska defekter

Ibland har människor genetiska avvikelser utan att drabbas av skadliga effekter. Människor har cirka 300 till 400 onormala gener, men de är mindre benägna att utveckla problem om en del av den påverkade kromosomen fortfarande är normal. Störningar uppstår när en individ har två kopior av samma onormala gener. Sannolikheten att en individ utvecklar en sjukdom är högre hos personer vars föräldrar har genetiska avvikelser än hos personer vars föräldrar inte har några genetiska problem.


Vad är den centrala dogmen för molekylärbiologi

Molekylärbiologins centrala dogm beskriver den process genom vilken informationen i gener strömmar in i proteiner: DNA → RNA → protein. DNA innehåller gener som kodar för proteiner. RNA är mellanliggande mellan DNA och proteiner. Det bär information i gener från kärnan till cytoplasman i eukaryoter. Proteiner är determinanter för strukturen och funktionen hos en viss cell. Ett protein är sammansatt av en aminosyrasekvens, som är den kodande sekvensen för en gen. Genuttryck är processen att syntetisera proteiner baserat på instruktionerna i gener. De två stegen av genuttryck är transkription och translation.

Figur 1: Central Dogma of Molecular Biology


Välkommen

Detta är webbplatsen för "Orchestrera encellsanalys med bioledare", en bok som lär användarna några vanliga arbetsflöden för analys av encellig RNA-seq-data (scRNA-seq). Den här boken kommer att lära dig hur du använder banbrytande Bioconductor-verktyg för att bearbeta, analysera, visualisera och utforska scRNA-seq-data. Dessutom fungerar den som en onlinekompanjon för manuskriptet "Orchestrera encellsanalys med bioledare".

Medan vi fokuserar här på scRNA-seq-data, en nyare teknologi som profilerar transkriptomer på encellsnivå, är många av verktygen, konventionerna och analysstrategierna som används i den här boken allmänt tillämpliga på andra typer av analyser. Genom att lära oss grammatiken i Bioconductors arbetsflöden hoppas vi kunna ge dig en startpunkt för utforskning av din egen data, oavsett om det är scRNA-seq eller annat.

Denna bok är organiserad i tre delar. I den Inledning, introducerar vi boken och dyker ner i resurser för att lära oss R och Bioconductor (både på nybörjar- och utvecklarnivå). Del I avslutas med en handledning för en viktig datainfrastruktur, den SingleCellExperiment klass, som används i hela Bioconductor för encellsanalys och i det efterföljande avsnittet.

Den andra delen, Fokus ämnen, börjar med en översikt över ramverket för analys av scRNA-seq-data, med djupare dykning i specifika ämnen som presenteras i varje efterföljande kapitel.

Den tredje delen, Arbetsflöden, tillhandahåller i första hand kod som beskriver analysen av olika datamängder genom hela boken.

Slutligen, den Bilaga lyfter fram våra bidragsgivare.

Boken är skriven i RMarkdown med bookdown. OSCA är ett samarbete som stöds av olika personer från Bioconductor-teamet som har bidragit med arbetsflöden, korrigeringar och förbättringar.

Denna webbplats är gratis att använda, och är licensierad under licensen Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0.


Transkription (grundläggande)

Transkription är den process genom vilken informationen i DNA kopieras till budbärar-RNA (mRNA) för proteinproduktion. Transkription börjar med ett knippe faktorer som samlas vid promotorsekvensen på DNA:t (i rött). Här är två transkriptionsfaktorer redan bundna till promotorn. Andra proteiner anländer som bär enzymet RNA-polymeras (i blått). För att initiera transkription kräver dessa sammansatta proteiner kontakt med aktivatorproteiner som binder till specifika sekvenser av DNA som kallas förstärkarregioner. När kontakten väl har tagits, rasar RNA-polymeraset längs DNA:t för att transkribera genen.

Längd: 1 minut, 52 sekunder

Vad du är på väg att se är DNA:s mest extraordinära hemlighet&mdashhur en enkel kod förvandlas till kött och blod. Det börjar med ett knippe faktorer som samlas i början av en gen. En gen är helt enkelt en längd av DNA-instruktioner som sträcker sig åt vänster. De sammansatta faktorerna utlöser den första fasen av processen, avläser den information som kommer att behövas för att göra proteinet. Allt är redo att rulla: tre, två, en, GÅ! Den blå molekylen som rasar längs DNA:t läser genen. Det är att öppna den dubbla helixen och kopiera en av de två trådarna. Den gula kedjan som slingrar sig ut från toppen är en kopia av det genetiska meddelandet och den är gjord av en nära kemisk kusin till DNA som kallas RNA. Byggstenarna för att få RNA att komma in genom ett intagshål. De matchas till DNA - bokstav för bokstav - för att kopiera genens As, Cs, Ts och Gs. Den enda skillnaden är att i RNA-kopian ersätts bokstaven T med en närbesläktad byggsten som kallas "U". Du tittar på denna process - som kallas transkription - i realtid. Det händer just nu i nästan varje cell i din kropp.

rna-polymeras, DNA-instruktioner, budbärare rna, central dogm, kemisk kusin, intagshål, genetiskt meddelande, dubbelspiral, transkriptionsfaktorer, kött och blod, platskod, berättande, byggstenar, molekyl, trådar, protein, animation, realtid


Coronavirusets genomstruktur och replikation

Förutom SARS-coronaviruset (behandlas separat på andra ställen i denna volym), de fullständiga genomsekvenserna för sex arter i coronavirus-släktet av coronavirusfamiljen [fågelinfektiös bronkitvirus-Beaudette-stam (IBV-Beaudette), bovin coronavirus-ENT-stam ( BCoV-ENT), humant coronavirus-229E-stam (HCoV-229E), murint hepatitvirus-A59-stam (MHV-A59), porcin transmissibel gastroenterit-Purdue 115-stam (TGEV-Purdue 115) och svinepidemi-diarrévirus-CV77-virus (PEDV-CV777)] har nu rapporterats. Deras längder sträcker sig från 27 317 nt för HCoV-229E till 31 357 nt för det murina hepatitviruset-A59, vilket etablerar coronavirusgenomet som det största kända bland RNA-virus. Den grundläggande organisationen av coronavirusgenomet delas med andra medlemmar av Nidovirusordningen (torovirussläktet, även i familjen Coronaviridae, och medlemmar av familjen Arteriviridae) genom att de icke-strukturella proteinerna som är involverade i proteolytisk bearbetning, genomreplikation och subgenomisk mRNA syntes (transkription) (uppskattningsvis 14-16 slutprodukter för coronavirus) kodas inom de 5'-proximala två tredjedelarna av genomet på gen 1 och de (för det mesta) strukturella proteinerna kodas inom den 3'-proximala tredjedelen av genomet (8-9 gener för coronavirus). Gener för de viktigaste strukturella proteinerna i alla coronavirus förekommer i 5' till 3' ordningen som S, E, M och N. Den exakta strategin som används av coronavirus för genomreplikering är ännu inte känd, men många egenskaper har fastställts. Det här kapitlet fokuserar på några av de kända egenskaperna och presenterar några aktuella frågor angående genomreplikeringsstrategi, de cis-verkande elementen som är nödvändiga för genomreplikering [som härleds från defekta interfererande (DI) RNA-molekyler], minimisekvenskraven för autonom replikering av en RNA-replikon och betydelsen av genordning i genomreplikation.


MRNA-teknik gav oss de första covid-19-vaccinerna. Det kan också höja läkemedelsindustrin

Jag hade stirrat henne i ögonen, som hon hade beordrat, men när en läkare på min andra sida började sticka mig med en nål, började jag vända på huvudet. “Titta inte på det,” sa den första läkaren. Jag lydde.

Detta var i början av augusti i New Orleans, där jag hade anmält mig för att delta i den kliniska prövningen av Pfizer-BioNTech COVID-19-vaccinet. Det var en blind studie, vilket innebar att jag inte skulle veta om jag hade fått placebo eller det riktiga vaccinet. Jag frågade läkaren om jag verkligen skulle kunna säga det genom att titta på sprutan. “Förmodligen inte,” svarade hon, “men vi vill vara försiktiga. Det här är väldigt viktigt att få rätt.”

Jag blev ett vaccin marsvin för att jag, förutom att jag ville vara användbar, hade ett djupt intresse för de underbara nya roller som nu spelas av RNA, det genetiska materialet som är kärnan i nya typer av vacciner, cancerbehandlingar och gen. -redigeringsverktyg. Jag skrev en bok om Berkeley-biokemisten Jennifer Doudna. Hon var en pionjär i att bestämma strukturen av RNA, vilket hjälpte henne och hennes doktorandrådgivare att ta reda på hur det kunde vara ursprunget till allt liv på denna planet. Sedan uppfann hon och en kollega ett RNA-styrt genredigeringsverktyg, som gav dem 2020 års Nobelpris i kemi.

Verktyget är baserat på ett system som bakterier använder för att bekämpa virus. Bakterier utvecklar klustrade upprepade sekvenser i sitt DNA, kända som CRISPRs, som kan komma ihåg farliga virus och sedan använda RNA-styrda saxar för att förstöra dem. Med andra ord, det är ett immunsystem som kan anpassa sig för att bekämpa varje ny våg av virus och precis vad vi människor behöver. Nu, med det nyligen godkända Pfizer-BioNTech-vaccinet och ett liknande från Moderna som sakta rullas ut i USA och Europa, har RNA distribuerats för att göra en helt ny typ av vaccin som, när det når tillräckligt många människor, kommer att ändra kursen. av pandemin.

Fram till förra året hade vacciner inte förändrats särskilt mycket, åtminstone i konceptet, på mer än två århundraden. De flesta har modellerats efter upptäckten som gjordes 1796 av den engelske läkaren Edward Jenner, som märkte att många mjölkpigor var immuna mot smittkoppor. De hade alla blivit infekterade av en form av koppor som drabbar kor men är relativt ofarliga för människor, och Jenner anade att kokopporna hade gett dem immunitet mot smittkoppor. Så han tog lite pus från en kokoppsblåsa, gned den till repor som han gjorde i armen på sin trädgårdsmästares 8-årige son och exponerade sedan barnet för smittkoppor (det här var dagarna innan bioetiska paneler). Han blev inte sjuk.

Innan dess gjordes ympningar genom att ge patienterna en liten dos av själva smittkoppsviruset, i hopp om att de skulle få ett lindrigt fall och sedan bli immuna. Jenners stora framsteg var att använda ett relaterat men relativt ofarligt virus. Ända sedan dess har vaccinationer byggt på idén att utsätta en patient för en säker fax av ett farligt virus eller annan bakterie. Detta är avsett att sätta igång personens adaptiva immunsystem. När det fungerar producerar kroppen antikroppar som ibland under många år kommer att avvärja alla infektioner om den verkliga bakterien attackerar.

Ett tillvägagångssätt är att injicera en säkert försvagad version av viruset. Dessa kan vara bra lärare, eftersom de ser väldigt ut som den riktiga varan. Kroppen reagerar genom att göra antikroppar för att bekämpa dem, och immuniteten kan vara en livstid. Albert Sabin använde det här tillvägagångssättet för oralt poliovaccin på 1950-talet, och det är så vi nu avvärjer mässling, påssjuka, röda hund och vattkoppor.

Samtidigt som Sabin försökte utveckla ett vaccin baserat på ett försvagat poliovirus, lyckades Jonas Salk med ett säkrare tillvägagångssätt: att använda ett dödat eller inaktiverat virus. Den här typen av vaccin kan fortfarande lära en persons immunsystem hur man bekämpar det levande viruset, men det är mindre troligt att det orsakar allvarliga biverkningar. Två kinesiska företag, Sinopharm och Sinovac, har använt detta tillvägagångssätt för att utveckla vacciner mot covid-19 som nu är i begränsad användning i Kina, Förenade Arabemiraten och Indonesien.

Ett annat traditionellt tillvägagångssätt är att injicera en underenhet av viruset, till exempel ett av proteinerna som finns på virusets päls. Immunsystemet kommer då ihåg dessa, vilket gör att kroppen kan ge ett snabbt och robust svar när den stöter på själva viruset. Vaccinet mot hepatit B-viruset fungerar till exempel på detta sätt. Att bara använda ett fragment av viruset innebär att de är säkrare att injicera i en patient och lättare att producera, men de är ofta inte lika bra på att producera långsiktig immunitet. Den Marylandbaserade biotekniken Novavax befinner sig i ett sent skede av kliniska prövningar för ett covid-19-vaccin med detta tillvägagångssätt, och det är grunden för ett av de två vaccinerna som redan rullas ut i Ryssland.

Peståret 2020 kommer att minnas som den tid då dessa traditionella vacciner ersattes av något fundamentalt nytt: genetiska vacciner, som levererar en gen eller bit av genetisk kod till mänskliga celler. De genetiska instruktionerna får sedan cellerna att på egen hand producera säkra komponenter av målviruset för att stimulera patientens immunsystem.

För SARS-CoV-2&mdash viruset som orsakar covid-19&mdash är målkomponenten dess spikeprotein, som täcker virusets yttre hölje och gör det möjligt för det att infiltrera mänskliga celler. En metod för att göra detta är att infoga den önskade genen, med hjälp av en teknik som kallas rekombinant DNA, i ett ofarligt virus som kan leverera genen till mänskliga celler. För att göra ett covid-vaccin redigeras en gen som innehåller instruktioner för att bygga en del av ett spikeprotein från coronavirus till DNA:t hos ett försvagat virus som ett adenovirus, vilket kan orsaka förkylning. Tanken är att det omarbetade adenoviruset ska maska ​​sig in i mänskliga celler, där den nya genen kommer att få cellerna att göra massor av dessa spikproteiner. Som ett resultat kommer personens immunsystem att vara redo att reagera snabbt om det verkliga coronaviruset slår till.

Detta tillvägagångssätt ledde till en av de tidigaste COVID-vaccinkandidaterna, utvecklad vid det passande namnet Jenner Institute vid University of Oxford. Forskare där konstruerade spike-proteingenen till ett adenovirus som orsakar förkylning hos schimpanser, men som är relativt ofarligt hos människor.

Ledande forskare vid Oxford är Sarah Gilbert. Hon arbetade med att utveckla ett vaccin mot luftvägssyndrom i Mellanöstern (MERS) med samma schimpansadenovirus. Den epidemin avtog innan hennes vaccin kunde sättas in, men det gav henne ett försprång när COVID-19 slog till. Hon visste redan att schimpans adenovirus framgångsrikt hade levererat genen för spikeproteinet från MERS till människor. Så snart kineserna publicerade den genetiska sekvensen för det nya coronaviruset i januari 2020, började hon konstruera dess spike-protein-gen till schimpansviruset och vaknade varje dag klockan 4 på morgonen.

Hennes 21-åriga trillingar, som alla studerade biokemi, anmälde sig frivilligt till att bli tidiga testare, få vaccinet och se om de utvecklade de önskade antikropparna. (Det gjorde de.) Försök på apor som utfördes vid ett primatcenter i Montana i mars gav också lovande resultat.

Bill Gates, vars stiftelse stod för mycket av finansieringen, fick Oxford att slå sig ihop med ett stort företag som kunde testa, tillverka och distribuera vaccinet. Så Oxford knöt ett partnerskap med AstraZeneca, det brittisk-svenska läkemedelsföretaget. Tyvärr visade sig de kliniska prövningarna vara slarviga, med felaktiga doser som gavs till vissa deltagare, vilket ledde till förseningar. Storbritannien godkände det för akut användning i slutet av december, och USA kommer sannolikt att göra det under de kommande två månaderna.

Johnson & Johnson testar ett liknande vaccin som använder ett humant adenovirus, snarare än ett schimpansvirus, som leveransmekanism för att bära en gen som kodar för att göra en del av spikeproteinet. Det är en metod som har visat lovande tidigare, men den kan ha nackdelen att människor som redan har exponerats för det adenoviruset kan ha viss immunitet mot det. Resultat från dess kliniska prövning väntas senare denna månad.

Dessutom finns två andra vacciner baserade på genetiskt modifierade adenovirus nu i begränsad distribution: ett tillverkat av CanSino Biologics och används på militären i Kina och ett annat vid namn Sputnik V från det ryska hälsoministeriet.

Det finns ett annat sätt att få in genetiskt material i en mänsklig cell och få den att producera komponenterna i ett farligt virus, som spikproteinerna, som kan stimulera immunförsvaret. Istället för att omvandla genen för komponenten till ett adenovirus kan du helt enkelt injicera den genetiska koden för komponenten i människor som DNA eller RNA.

Låt oss börja med DNA-vacciner. Forskare vid Inovio Pharmaceuticals och en handfull andra företag skapade 2020 en liten cirkel av DNA som kodade för delar av spikproteinet från coronaviruset. Tanken var att om det kunde komma in i cellkärnan, skulle DNA:t mycket effektivt kunna ta fram instruktioner för produktionen av spik-proteindelarna, som tjänar till att träna immunförsvaret att reagera på det äkta.

Den stora utmaningen för ett DNA-vaccin är leverans. Hur kan man få in den lilla ringen av DNA inte bara in i en mänsklig cell utan in i cellens kärna? Att injicera mycket av DNA-vaccinet i en patients arm kommer att göra att en del av DNA:t kommer in i cellerna, men det är inte särskilt effektivt.

Några av utvecklarna av DNA-vacciner, inklusive Inovio, försökte underlätta leveransen till mänskliga celler genom en metod som kallas elektroporation, som levererar elektriska stötpulser till patienten vid injektionsstället. Det öppnar porerna i cellmembranen och låter DNA komma in. De elektriska pulspistolerna har massor av små nålar och är nervösa att se. Det är inte svårt att förstå varför den här tekniken är impopulär, särskilt bland de som är mottagarna. Hittills har ingen enkel och pålitlig leveransmekanism utvecklats för att få in DNA-vacciner i kärnan av mänskliga celler.

Det leder oss till molekylen som har visat sig vara segrande i COVID-vaccinloppet och förtjänar titeln som TIME Magazines Molecule of the Year: RNA. Dess syskon-DNA är mer känt. Men som många kända syskon gör DNA inte så mycket jobb. Den förblir huvudsakligen bunkrad i kärnan i våra celler, och skyddar informationen den kodar för. RNA å andra sidan går faktiskt ut och får saker gjorda. Generna som kodas av vårt DNA transkriberas till RNA-bitar som tar sig ut från kärnan i våra celler till den proteintillverkande regionen. Där övervakar detta budbärar-RNA (mRNA) sammansättningen av det specificerade proteinet. Med andra ord, istället för att bara sitta hemma och kurera information, gör den riktiga produkter.

Forskare inklusive Sydney Brenner vid Cambridge och James Watson vid Harvard identifierade och isolerade mRNA-molekyler först 1961. Men det var svårt att utnyttja dem för att göra vårt bud, eftersom kroppens immunsystem ofta förstörde det mRNA som forskare konstruerade och försökte introducera in i kroppen. Sedan 2005 visade ett par forskare vid University of Pennsylvania, Katalin Kariko och Drew Weissman, hur man justerar en syntetisk mRNA-molekyl så att den kunde komma in i mänskliga celler utan att bli attackerad av kroppens immunsystem.

When the COVID-19 pandemic hit a year ago, two innovative young pharmaceutical companies decided to try to harness this role played by messenger RNA: the German company BioNTech, which formed a partnership with the U.S. company Pfizer and Moderna, based in Cambridge, Mass. Their mission was to engineer messenger RNA carrying the code letters to make part of the coronavirus spike protein&mdasha string that begins CCUCGGCGGGCA … &mdashand to deploy it in human cells.

BioNTech was founded in 2008 by the husband-and-wife team of Ugur Sahin and Ozlem Tureci, who met when they were training to be doctors in Germany in the early 1990s. Both were from Turkish immigrant families, and they shared a passion for medical research, so much so that they spent part of their wedding day working in the lab. They founded BioNTech with the goal of creating therapies that stimulate the immune system to fight cancerous cells. It also soon became a leader in devising medicines that use mRNA in vaccines against viruses.

In January 2020, Sahin read an article in the medical journal Lancet about a new coronavirus in China. After discussing it with his wife over breakfast, he sent an email to the other members of the BioNTech board saying that it was wrong to believe that this virus would come and go as easily as MERS and SARS. “This time it is different,” he told them.

BioNTech launched a crash project to devise a vaccine based on RNA sequences, which Sahin was able to write within days, that would cause human cells to make versions of the coronavirus’s spike protein. Once it looked promising, Sahin called Kathrin Jansen, the head of vaccine research and development at Pfizer. The two companies had been working together since 2018 to develop flu vaccines using mRNA technology, and he asked her whether Pfizer would want to enter a similar partnership for a COVID vaccine. “I was just about to call you and propose the same thing,” Jansen replied. The deal was signed in March.

By then, a similar mRNA vaccine was being developed by Moderna, a much smaller company with only 800 employees. Its chair and co-founder, Noubar Afeyan, a Beirut-born Armenian who immigrated to the U.S., had become fascinated by mRNA in 2010, when he heard a pitch from a group of Harvard and MIT researchers. Together they formed Moderna, which initially focused on using mRNA to try to develop personalized cancer treatments, but soon began experimenting with using the technique to make vaccines against viruses.

In January 2020, Afeyan took one of his daughters to a restaurant near his office in Cambridge to celebrate her birthday. In the middle of the meal, he got an urgent text message from the CEO of his company, Stéphane Bancel, in Switzerland. So he rushed outside in the freezing temperature, forgetting to grab his coat, to call him back.

Bancel said that he wanted to launch a project to use mRNA to attempt a vaccine against the new coronavirus. At that point, Moderna had more than 20 drugs in development but none had even reached the final stage of clinical trials. Nevertheless, Afeyan instantly authorized him to start work. “Don’t worry about the board,” he said. “Just get moving.” Lacking Pfizer’s resources, Moderna had to depend on funding from the U.S. government. Anthony Fauci, head of the National Institute of Allergy and Infectious Diseases, was supportive. “Go for it,” he declared. “Whatever it costs, don’t worry about it.”

It took Bancel and his Moderna team only two days to create the RNA sequences that would produce the spike protein, and 41 days later, it shipped the first box of vials to the National Institutes of Health to begin early trials. Afeyan keeps a picture of that box on his cell phone.

An mRNA vaccine has certain advantages over a DNA vaccine, which has to use a re-engineered virus or other delivery mechanism to make it through the membrane that protects the nucleus of a cell. The RNA does not need to get into the nucleus. It simply needs to be delivered into the more-accessible outer region of cells, the cytoplasm, which is where proteins are constructed.

The Pfizer-BioNTech and Moderna vaccines do so by encapsulating the mRNA in tiny oily capsules, known as lipid nanoparticles. Moderna had been working for 10 years to improve its nanoparticles. This gave it one advantage over Pfizer-BioNTech: its particles were more stable and did not have to be stored at extremely low temperatures.

By November, the results of the Pfizer-BioNTech and Moderna late-stage trials came back with resounding findings: both vaccines were more than 90% effective. A few weeks later, with COVID-19 once again surging throughout much of the world, they received emergency authorization from the U.S. Food and Drug Administration and became the vanguard of the biotech effort to beat back the pandemic.

The ability to code messenger RNA to do our bidding will transform medicine. As with the COVID vaccines, we can instruct mRNA to cause our cells to make antigens&mdashmolecules that stimulate our immune system&mdashthat could protect us against many viruses, bacteria, or other pathogens that cause infectious disease. In addition, mRNA could in the future be used, as BioNTech and Moderna are pioneering, to fight cancer. Harnessing a process called immunotherapy, the mRNA can be coded to produce molecules that will cause the body’s immune system to identify and kill cancer cells.

RNA can also be engineered, as Jennifer Doudna and others discovered, to target genes for editing. Using the CRISPR system adapted from bacteria, RNA can guide scissors-like enzymes to specific sequences of DNA in order to eliminate or edit a gene. This technique has already been used in trials to cure sickle cell anemia. Now it is also being used in the war against COVID. Doudna and others have created RNA-guided enzymes that can directly detect SARS-CoV-2 and eventually could be used to destroy it.

More controversially, CRISPR could be used to create “designer babies” with inheritable genetic changes. In 2018, a young Chinese doctor used CRISPR to engineer twin girls so they did not have the receptor for the virus that causes AIDS. There was an immediate outburst of awe and then shock. The doctor was denounced, and there were calls for an international moratorium on inheritable gene edits. But in the wake of the pandemic, RNA-guided genetic editing to make our species less receptive to viruses may someday begin to seem more acceptable.

Throughout human history, we have been subjected to wave after wave of viral and bacterial plagues. One of the earliest known was the Babylon flu epidemic around 1200 B.C. The plague of Athens in 429 B.C. killed close to 100,000 people, the Antonine plague in the 2nd century killed 5 million, the plague of Justinian in the 6th century killed 50 million, and the Black Death of the 14th century took almost 200 million lives, close to half of Europe’s population.

The COVID-19 pandemic that killed more than 1.8 million people in 2020 will not be the final plague. However, thanks to the new RNA technology, our defenses against most future plagues are likely to be immensely faster and more effective. As new viruses come along, or as the current coronavirus mutates, researchers can quickly recode a vaccine’s mRNA to target the new threats. “It was a bad day for viruses,” Moderna’s chair Afeyan says about the Sunday when he got the first word of his company’s clinical trial results. “There was a sudden shift in the evolutionary balance between what human technology can do and what viruses can do. We may never have a pandemic again.”

The invention of easily reprogrammable RNA vaccines was a lightning-fast triumph of human ingenuity, but it was based on decades of curiosity-driven research into one of the most fundamental aspects of life on planet earth: how genes are transcribed into RNA that tell cells what proteins to assemble. Likewise, CRISPR gene-editing technology came from understanding the way that bacteria use snippets of RNA to guide enzymes to destroy viruses. Great inventions come from understanding basic science. Nature is beautiful that way.

Isaacson, a former editor of TIME, is the author of The Code Breaker: Jennifer Doudna, Gene Editing, and the Future of the Human Race, to be published in March. After the Pfizer vaccine was approved, he opted to remain in the clinical trial and has not yet been “unblinded.”


Titta på videon: AP Bio Chapter 17-1 (Juli 2022).


Kommentarer:

  1. Kagarisar

    Detta här, om jag inte tar fel.

  2. Prior

    Jag kan inte komma ihåg, där jag om det läser.

  3. Parsefal

    Jag emot.



Skriv ett meddelande