Information

Finns det några specifika termer för att beskriva variant av befintliga gener i bakterier?

Finns det några specifika termer för att beskriva variant av befintliga gener i bakterier?


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 fråga angående en specifik term som beskriver varianten av befintliga gener. Jag analyserar helgenomsekvensering av ett bakterieisolat. Jag fann att det finns ett stort antal gener som har partiell sekvensidentitet eller ämne/fråga täckning för de kända referensgenerna.

Nu vet jag att genom att titta på sekvensidentitet och täckning kanske inte räcker för att analysera generna. Jag vet att någon gen kan ha 30% sekvensidentitet och fortfarande vikas på samma sätt som de ursprungliga generna. Men låt oss säga att dessa gener verkligen är en variant av de befintliga generna baserade på sekvensidentitet. Vad är begreppet att kalla dem?

Min PI sa till mig att de snabbt utvecklas gener. Jag sökte i lite papper och fann att snabbt utvecklande gener är gener som utsätts för positivt urval. Även om jag håller med om att vissa av dessa gener utvecklas snabbt eftersom de förmodligen är föremål för positiv selektion, kan jag inte se att alla gener faktiskt genomgår selektion samtidigt. Jag undrar om det finns en annan term att kalla dessa genvarianter. Om det finns något papper för att definiera dem kommer det att vara bra.

Tack


Allel

Från wikipedia > allel

En allel är en variant av en given gen

Jag håller inte med om denna definition i den meningen att den inte är tillräckligt generell. En allel är en variant på vilket lokus som helst (locus = position i genomet). Man kan prata om allel vid icke-kodande sekvenser. Dessutom, om du talar om en kodande sekvens, kan du definiera olika sekvenser som tillhörande olika alleler oavsett om deras proteinprodukter skiljer sig i funktion eller inte. Proteinerna kan till och med vara exakt samma för två olika alleler om den enda skillnaden mellan dessa alleler rör en synonym mutation (eller en mutation i ett intron).

Du kan gärna definiera de olika sekvenserna som olika alleler med någon form av godtycklig tröskelmått. Du behöver bara definiera det. Till exempel kan du definiera att olika sekvenser är olika alleler endast om de har minst 5% parvisa skillnader eller om du genom någon biofysisk beräkning fick reda på att de borde vikas olika eller för något annat godtyckligt mått.

Termen allel används mycket ofta inom evolutionsbiologi och du hittar dess användning i alla introduktionskurser till evolutionsbiologi.

Snabbt utvecklande gener

Så vitt jag vet finns det ingen gemensam definition av vad en gen som utvecklas snabbt. För mig är en snabbt utvecklande gen helt enkelt en kodande sekvens som utvecklades snabbare än andra referenssekvenser. I och för sig, även om det med stor sannolikhet skulle innebära positivt urval, tror jag inte att det är ett krav enligt definitionen av snabbt utvecklande gener. Det kan till exempel orsakas av en mycket hög mutationshastighet vid denna speciella sekvens eller av att balansera selektion som gör att alla nya sällsynta alleler är fördelaktiga.


Horisontell genöverföring

Våra redaktörer kommer att granska vad du har skickat in och avgöra om artikeln ska ändras.

Horisontell genöverföring, även kallad lateral genöverföring, överföring av DNA (deoxiribonukleinsyra) mellan olika genom. Horisontell genöverföring är känd för att ske mellan olika arter, till exempel mellan prokaryoter (organismer vars celler saknar en definierad kärna) och eukaryoter (organismer vars celler innehåller en definierad kärna), och mellan de tre DNA-innehållande organellerna i eukaryoter - kärnan, mitokondrien och kloroplasten. Förvärv av DNA genom horisontell genöverföring särskiljs från överföring av genetiskt material från föräldrar till avkomma under reproduktion, vilket är känt som vertikal genöverföring.

Horisontell genöverföring möjliggörs till stor del genom förekomsten av mobila genetiska element, såsom plasmider (extrakromosomalt genetiskt material), transposoner ("hoppande gener") och bakterieinfekterande virus (bakteriofager). Dessa element överförs mellan organismer genom olika mekanismer, som i prokaryoter inkluderar transformation, konjugering och transduktion. Vid transformation tar prokaryoter upp fria fragment av DNA, ofta i form av plasmider, som finns i deras miljö. Vid konjugering utbyts genetiskt material under en tillfällig förening mellan två celler, vilket kan innebära överföring av en plasmid eller transposon. Vid transduktion överförs DNA från en cell till en annan via en bakteriofag.

Vid horisontell genöverföring införlivas nyförvärvat DNA i mottagarens genom antingen genom rekombination eller insättning. Rekombination är i huvudsak omgruppering av gener, så att naturliga och främmande (nya) DNA-segment som är homologa redigeras och kombineras. Insättning sker när det främmande DNA som introduceras i en cell inte delar någon homologi med existerande DNA. I det här fallet är det nya genetiska materialet inbäddat mellan befintliga gener i mottagarens genom.

Jämfört med prokaryoter är processen för horisontell genöverföring i eukaryoter mycket mer komplex, främst eftersom förvärvat DNA måste passera genom både det yttre cellmembranet och kärnmembranet för att nå eukaryotens genom. Subcellulära sorterings- och signalvägar spelar en central roll i transporten av DNA till genomet.

Prokaryoter kan utbyta DNA med eukaryoter, även om mekanismerna bakom denna process inte är väl förstådda. Misstänkta mekanismer inkluderar konjugation och endocytos, som när en eukaryot cell uppslukar en prokaryot cell och samlar den i en speciell membranbunden vesikel för nedbrytning. Man tror att i sällsynta fall i endocytos, gener flyr från prokaryoter under nedbrytning och inkorporeras därefter i eukaryotens genom.

Horisontell genöverföring spelar en viktig roll i anpassning och evolution i både prokaryoter och eukaryoter. Till exempel, överföringen av en gen som kodar för ett unikt metaboliskt enzym från en art av Pasteurella bakterier till protozoparasiten Trichomonas vaginalis misstänks ha underlättat den senare organismens anpassning till sina djurvärdar. Likaså utbytet av en gen från en mänsklig cell till bakterien Neisseria gonorrhoeae-en överföring som verkar ha skett relativt nyligen i bakteriens utveckling - kan ha gjort det möjligt för organismen att anpassa sig och överleva hos människor. Forskare har också föreslagit att den senaste utvecklingen av metabolismens metylaspartatväg i den halofila (saltälskande) arkeiska Haloarcula marismortui har sitt ursprung i organismens förvärv av en specialiserad uppsättning gener via horisontell överföring.


Bakgrund

Ansamlingen av biomedicinsk kunskap växer exponentiellt. Det har gjorts enorma ansträngningar för att strukturera forskningsresultat som kommentarer om biologiska enheter (t.ex. gener, genetiska varianter och vägar). Dessa kommentarer är dock fragmenterade bland många resurser som varierar mycket vad gäller storlek, finansiering och synlighet (se t.ex. Ensembl [1], UniProt [2], PROSITE [3] och Reactome [4]). Verktyg för kunskapsintegration möjliggör effektivare analys av genomskala datamängder och upptäckt av relationer mellan biologiska enheter.

Bioinformatiker som står inför problem med dataintegrering följer i allmänhet en av två strategier: datalagring eller datafederation. Datalager innebär att man laddar ner platta filer från olika källor, skriver parsers för att bearbeta filerna och sedan laddar den analyserade datan till en lokal databas. Denna strategi har fördelen av mycket hög prestanda, men den kräver också betydande inledande ansträngningar för att skriva tolkarna och pågående ansträngningar för att hålla resursen uppdaterad. Å andra sidan fungerar datafederation genom att få åtkomst till fjärrdataresurser via webbtjänster. Federerade datalösningar är alltid uppdaterade, men extra försiktighet krävs för att upprätthålla länkarna, och stora frågor kan ta lång tid att återkomma på grund av server- och nätverksbegränsningar. Dessutom är pålitligheten hos federerade lösningar helt beroende av stabiliteten hos fjärrresurserna.


Resultat och diskussion

För att ta reda på hur många medlemmar av SDR-familjen som finns i E coli K-12 MG1655, hädanefter E coli, satte vi ihop enzymer identifierade med ett EC-nummer 1.1.1.x. Bland dessa finns enzymer med SDR-superfamiljens struktur- och sekvensegenskaper. Inledningsvis använde vi AllAllDb-programmet i Darwin-systemet [14] (efter att först separerat oberoende, sammansmälta proteiner i deras komponenter) för att samla in alla sekvensrelaterade E coli enzymer från denna grupp. Parametrar för den initiala parvisa likhetssökningen sattes som att kräva ett Pam-värde på minst 200, en inriktning av 83 rester och en involvering av minst 50 % av längden av det mindre proteinet i vilket sekvensliknande par som helst. Besläktade enzymer sattes samman genom transitiv relation. För att utöka medlemskapet i grupperna till att inkludera proteiner vars sekvens kan ha avvikit ytterligare, lämnade vi alla medlemmar till PSI-BLAST-analys [15].

E coli har 15 medlemmar av SDR-familjen vars substrat och reaktioner är kända (tabell 1). Vi fann att hela superfamiljen kunde delas upp baserat på deras sekvenslikhet i två separata grupper. En av dessa grupper innehöll alla dehydrogenaser/reduktaser, den andra alla epimeraser/dehydrataser. Även om reaktionerna från den andra gruppen inte är oxidativa förklaras den uppenbara anomalien av deras reaktionsmekanismer. För SDR-enzymer främjas reaktioner av epimerisering, dehydrering eller isomerisering med en oxidationsreduktionstyp av kemi som främjar både förlust och förstärkning av en proton för att ändra placeringen av substratets delar eller för att främja dehydrering. Båda typerna av reaktioner underlättas av en Ser-Tyr-Lys katalytisk triad vars rumsliga konfiguration och laddningsfördelning påverkas av bindningen av varje substrat [16].

Undersökning av sekvensanpassningarna av E coli SDR-enzymer avslöjade fyra regioner som var anpassade för alla medlemmar av den utökade familjen, substratbindningsstället, NAD(P)/H-bindande Rossman-vecket och två ställen med okänd funktion, som sannolikt är viktiga för veckning (Fig. 2). Var och en av de konserverade sekvenserna förekommer i ungefär samma region inom varje protein. Små förändringar i resterna i konserverade områden har stora effekter på affiniteten för särskilda substrat och på den specifika reaktion som katalyseras.

Uppriktning av E coli SDR familjemedlemmar. Enzymerna hos familjemedlemmarna är listade i tabell 1. Fyra konserverade regioner av proteinerna visas. Proteinsekvenserna inriktades med ClustalW 2.0.11. Identiska rester är markerade i mörkgrått medan konserverade och halvkonserverade rester är markerade i ljusgrått.

Tabell 1 visar uppdelningen i två typer av krotonaser och mångfalden av vägar och resulterande fenotyper som betjänas av SDR-superfamiljen. Vissa vägar används av många organismer, såsom fettsyrasyntes, men många produkter och processer är karakteristiska endast för de enteriska organismerna, såsom gallsyraemulgering, biosyntes av kolansyra, lipid A, enterobactin och enterobakteriellt vanligt antigen. Det verkar som om processen med duplicering och divergens har bidragit till de metaboliska egenskaperna hos en unik fylogenetisk grupp av bakterier.

Man kan fråga sig hur brett fenomenet familjer är bland E coli enzymer. Även innan sekvensen av E coli genomet fullbordades, observerades förekomsten av familjer av besläktade sekvenser inom dess genom [17, 18]. Sådana sekvensrelaterade familjer ses som paraloga familjer som uppstod genom duplicering av gener inom genomet av organismen själv eller i det hos en förfader, även om som tidigare nämnts vissa medlemmar av dessa familjer kunde ha introducerats genom lateral genöverföring. Efter fullbordandet av den fullständiga genomiska sekvensen av E coli [19] kunde den kompletta uppsättningen av paraloga familjer i förhållande till hela genomet bestämmas. Parvis besläktade sekvenser från hela genomet sattes ihop, med användning av likhetskriterierna som att ha Pam-värden under 200 och anpassningar av minst 83 rester. Genom att kräva en anpassning av 83 aminosyror eller mer försöker vi undvika gruppering av sekvenser efter små vanliga domäner eller motiv, såsom DNA-bindande domäner, istället upptäcker vi duplikationer på proteinnivå. Till exempel i RbsR/RbsD-fallet är den 45 aminosyror långa DNA-bindande domänen (PF00356) närvarande i 14 ytterligare E coli transkriptionsregulatorer. Eftersom huvudkomponenterna i dessa proteiner, de ligandbindande domänerna, inte är relaterade till RbsR, betraktar vi dem inte som paraloger. Våra grupper varierade i storlek från 92 medlemmar i den största gruppen ner till den minsta storleken, enkla par. Över hälften av E coli proteiner fanns i dessa sekvensrelaterade grupper [20-22].

Förekomsten av familjer av sekvensliknande proteiner som utgör en stor del av det genomiska innehållet stöder förslaget att duplicering följt av divergens är en viktig mekanism för molekylär evolution. De största grupperna i E coli genomet var de av besläktade transportproteiner, regulatoriska proteiner och redox (dvs järn-svavel) subenheter av enzymkomplex. Grupper av sekvensliknande enzymer var mindre, hade färre medlemmar än grupperna av transportörer och regulatorer. Vi koncentrerade oss dock på klassen av enzymer eftersom att studera enzymfamiljer har fördelen av att kunna dra nytta av den detaljerade kunskapen i den omfattande biokemiska litteraturen om deras egenskaper, protesgrupper, mekanismerna för de reaktioner de katalyserar och vägar de tillhör. . Man är i stånd att koppla genetisk information med biokemisk information och därmed med fenotyper hos organismen. Undersöker medlemmarna av enzymfamiljer av E coli tillät en syn på molekylär nivå av vilken typ av funktionsskapande som inträffade som en konsekvens av förmodad dubbelarbete och divergens.

En annan superfamilj som är strukturellt och mekanistiskt relaterad men som katalyserar olika reaktioner är krotonasfamiljen. Familjen kännetecknades ursprungligen av likheter i tredimensionell struktur av fyra enzymer härledda från olika källor. Även om de är strukturellt besläktade, sekvensrelaterade och mekanistiskt relaterade, visade deras biokemi att de katalyserade fyra olika reaktioner [23]. Efterföljande undersökningar har visat att krotonasenzymerna är relaterade i sekvens, men ofta på avstånd, och katalyserar ett brett spektrum av reaktioner, t.ex. dehalogenering, hydratisering/dehydrering, dekarboxylering, bildning/klyvning av kol-kolbindningar och hydrolys av tioestrar [24].

För att se på krotonaser i ett evolutionärt sammanhang kan man fråga sig om de kan ha uppstått genom duplicering och divergens. För att närma sig denna fråga skulle man kunna räkna upp alla krotonaser i en organism. Börjar med en krotonas i E coli, kodad i den N-terminala delen av FadB (här betecknad FadB_1) med påvisbar strukturell likhet på det aktiva stället med råttleverkrotonaset, satte vi ihop gruppen av sekvensliknande enzymer i E coli som tidigare av Darwin AllAllDb-programmet. Figur 3 visar inriktningen av rester vid det aktiva stället för E coli krotonasfamiljen. Den största aminosyrakonserveringen ses för resterna involverade i acyl-CoA-bindning och det katalytiska stället. Det finns ett CoA-bindningsställe och en expanderbar acylbindande ficka samt ett oxyanjonhål för bindning av tioesterns C = O-bindning, avgörande för reaktionen som katalyseras av medlemmar i denna superfamilj [23, 25]. Variationer i rester vid kritiska positioner i de aktiva ställena dikterar vilken av de relaterade reaktionerna som inträffar. Återigen, när det gäller SDR-familjen, kan man visualisera att den breda familjen av krotonaser, som spänner över flera typer av reaktioner, kunde ha uppstått genom genduplicering och divergens tidigt i evolutionär tid.

Uppriktning av E coli krotonas familjemedlemmar. Proteinfamiljemedlemskap bestämdes som proteiner med sekvenslikhet på 200 Pam-enheter eller mindre över åtminstone 50 % av sin längd. Medlemmar av E. coli-krotonasfamiljen är listade i tabell 3. Proteinsekvenserna inriktades med ClustalW 2.0.11. Identiska rester är markerade i mörkgrått medan konserverade och halvkonserverade rester är markerade i ljusgrått. Rester som bildar FadB-oxanjonhålet som används för att stabilisera reaktionsintermediärer visas i fet stil. FadB-reaktionscentret beskrivs.

Genom att sätta samman krotonasfamiljens medlemmar i ett fåtal organismer förväntar man sig att vissa individuella enzymer kommer att finnas i alla organismer eftersom de är praktiskt taget universella. Andra medlemmar av krotonasfamiljen förväntas dock skilja sig från en organism till en annan. Vi förväntar oss att bakterier i separata linjer skulle ha några enzymer som katalyserar olika reaktioner. Differentiering av bakterier när de utvecklats längs olika linjer förväntas vara delvis som en konsekvens av generering av olika enzymfamiljemedlemmar under divergensprocessen. Andra molekylära evolutionshändelser inträffar samtidigt som dupliceringen och divergensen, såsom laterala överföringar och genförlust. För att fokusera på genduplicering bestämde vi oss för att titta på familjer av enzymer i en uppsättning av både liknande och avlägsna bakterier.

Vi frågade om medlemmar av tre enzymfamiljer är desamma i de undersökta bakterierna eller om det finns skillnader som dikteras av separata evolutionära historier och separata selektiva tryck. Tre enzymfamiljer jämfördes i fyra bakterier. Familjerna som valdes för jämförelse var de krotonaser, pyridoxalfosfatkrävande aminotransferaser klass III och tiamindifosfatkrävande dekarboxylaser. De fyra bakterierna är E coli, Salmonella enterica subsp. enterica serovar Typhimurium LT2 (hädanefter S. enterica) den avlägsna y-proteobakterien Pseudomonas aeruginosa PAO1 och den grampositiva bakterien Bacillus subtilis subsp. subtilis stam 168 (hädanefter "B. subtilis).

Enzymfamiljerna sammanställdes för de tre organismerna med samma metoder som för E coli. Tabell 2, 3 och 4 listar medlemmar av aminotransferas-, dekarboxylas- respektive krotonas-superfamiljerna. Kända enzymer och starkt förutspådda enzymer som finns i var och en av de fyra bakterierna visas liksom antalet proteiner som för närvarande har okänd funktion.

Vi noterar att några av enzymerna finns i alla fyra bakterierna, vilket tyder på att de är integrerade delar av kärnmetaboliska funktioner. Detta stöds av de vägar de deltar i biotinsyntes och porfyrinsyntes (BioA och HemL), aminobutyratanvändning (GabT), pyruvatoxidation (PoxB/YdaP) och fettsyraoxidation (FadB).Man antar att sådana vanliga viktiga funktioner är bevarade i många bakterier i många taxa.

Andra enzymer skiljer sig åt i deras fördelning (närvaro eller frånvaro) bland de fyra organismerna. Detta är förmodligen ett resultat av olika evolutionära historia i olika linjer under divergensprocesserna, vilket leder till etablering av bakteriella taxa med biokemiska och metaboliska skillnader. Till exempel är MenD-dekarboxylas och MenB-krotonas som används för menakinonbiosyntes frånvarande från P. aeruginosa och finns i de andra tre organismerna. Denna fördelning reflekterar Pseudomonader som endast använder ubikinon, och inte både ubikinon och menakinon, som elektronbärare för andning. Gcl, tartronat-semialdehydsyntas av glyoxalatanvändning, finns i tre bakterier och inte i B. subtilis. Nedbrytning av glyxolat i B. subtilis har visat sig förekomma på en annan väg än de andra tre organismerna. I de två enteriska organismerna återspeglas deras speciella vägar för metabolisering av putrescin och karnitin i närvaro av putrescinaminotransferas (PatA) och karnityl-CoA-dehydratas (CaiD) i båda E coli och S. enterica.

Flera av aminotransferaserna är involverade i argininmetabolismen, och förekomsten av dessa enzymer varierar också mellan organismerna. E coli och dess nära släkting S. enterica båda har ArgD och AstC för biosyntes respektive nedbrytning av arginin. AruC används av P. aeruginosa för både argininsyntes och nedbrytning. Medan du är inne B. subtilis, ArgD används för argininsyntes och RocD, en annan medlem av aminotransferasfamiljen, används för att bryta ned arginin på en annan väg. Vi observerar att de två närmare besläktade enteriska organismerna har en högre likhet i deras aminotransferasinnehåll.

Några av proteinfamiljens medlemmar representerar isozymer, sekvenserar liknande enzymer som katalyserar samma reaktion men med definierbara skillnader såsom substratbredd, återkopplingsinhibering, bindningskonstanter, reaktionshastigheter och liknande. Baserat på isozymernas gemensamma natur antar vi att de har uppstått genom genduplicering och lätt divergens. Exempel på isozymer är trion av acetolaktatsyntaserna IlvB, IlvI och IlvG, som finns i E coli och S. enterica. Dessa isozymer fungerar i biosyntesvägen för isoleucin och valin, som var och en svarar på distinkt återkoppling. En kopia, IlvG, är muterad och inaktiv i E coli, rendering E coli valinkänslig. Denna fenotyp används i identifieringsprotokoll för att särskilja E coli och S. enterica. En andra typ av acetolaktatsyntas (AlsS) finns också i B. subtilis, men detta enzym används uteslutande för katabolism och inte syntes av isoleucin och valin.

E coli och S. enterica har en annan uppsättning isozymer, FadB och FadJ. Båda enzymerna används för fettsyraoxidation, men FadB används under aeroba förhållanden och FadJ används under anaeroba förhållanden. Andra isozymer är GabT och PuuE in E coli, GsaB och HemL in B. subtilis. Isozymer är ofta specifika för vägar, såsom PuuE, som är specifik för putrescinanvändning. Man antar att enbart genom små förändringar i dubbletter av gener, kan väginnehåll och biokemisk förmåga hos en organism expandera.

Dessutom finns det proteinfamiljemedlemmar som är unika för endast en av de fyra organismerna och frånvarande i de andra tre. Dessa enzymer ger ofta metaboliska egenskaper som är unika för deras värd. Ett exempel är oxalyl-CoA-dekarboxylas (Oxc) som är närvarande E coli där det tros ge oxalatnedbrytande förmåga. Som är fallet för alla enzymer som finns i en organism, inte de andra, kan genen ha förvärvats genom lateral överföring [26]. Men när ett enzym som oxalyl-CoA-dekarboxylas, finns i många bakterier, är det åtminstone som möjligt att det har uppstått genom genduplicering och divergens. Andra organismspecifika enzymer, i detta fall B. subtilis, inkluderar IolD för myo-inositol-nedbrytning och krotonaserna PksH och PksI som används för polyketidsyntes. Polyketider är en grupp av sekundära produkter som är speciella för baciller. Annat unikt B. subtilis enzymer AlsS, GsaB och RocD har nämnts ovan. Det verkar uppenbart att bildningen av olika enzymer genom unika divergenshändelser bidrar till skapandet av taxa med olika metaboliska egenskaper.

P. aeruginosa har det största antalet unika, eller organismspecifika, enzymer i vår datauppsättning. Detta visas för alla tre enzymfamiljerna (tabell 2, 3, 4). Dessa Pseudomonas specifika enzymer inkluderar syntes av sideroforen pyoverdin (PvdH) och användning av mandelat (MdlC), leucin och isovalerat (LiuC) och acykliska terpener (AtuE). Andra förutspådda familjemedlemmar inkluderar två aminotransferaser: PA5313, uppenbarligen ett isozym för 4-aminobutyrat, och OapT, troligen ett beta-alanin:pyruvat-enzym. Vart och ett av dessa enzymer bidrar till den distinkta metaboliska karaktären hos P. aeruginosa som en pseudomonad. Dessutom finns det 5 aminotransferaser, 5 dekraboxylaser och 14 krotonaser vars funktioner förblir okända i P. aeruginosa. Vår fylogenetiska analys [9] tyder på att dessa är unika enzymer som representerar ytterligare funktioner som ännu inte har upptäckts. Genom att kombinera gener med känd och okänd funktion för de tre familjerna, antalet unika P. aeruginosa gener (33) överträffar vida det för B. subtilis (12), E coli (2) och S. enterica (1). Det stora antalet Pseudomonas specifika enzymer som upptäckts överensstämmer med den väldokumenterade metaboliska mångsidigheten hos denna grupp [27, 28].

Dessa exempel på skillnader mellan enzymfamiljer i fyra organismer tyder på att de distinkta händelserna av divergens i gener från proteinfamiljer över tiden har genererat taxa av bakterier som delvis kännetecknas av deras metaboliska skillnader. Bakterier som är närbesläktade har färre skillnader i dessa familjer. För alla tre enzymfamiljerna noterade vi att de två närmast besläktade organismerna, E coli och S. enterica, innehåller det mest liknande komplementet av enzymer. Större skillnader i både antal olika enzymer och enzymfunktioner sågs när man jämförde båda B. subtilis eller P. aeruginosa till någon av de andra tre.

Sammantaget innehåller vår proteinfamiljeanalys flera exempel på hur den funktionella och metaboliska mångfalden hos dagens organismer återspeglas i en historia av duplicerade och divergerade genkopior i deras genomsekvenser. I vissa fall är genkopiorna desamma i alla bakterier. Dessa är enzymer för universella funktioner. Vissa av genkopiorna genomgick inte mycket divergens och resulterade i att isozymer katalyserar samma reaktioner men med olika egenskaper. Sådana enzymer bidrar vanligtvis till fenotypiska skillnader, till exempel genom förändringar i substratspecificitet eller reglering. Ytterligare andra genkopior hittades inte i andra bakterier. Dessa var funktioner som är karakteristiska för fenotypen av den speciella organismen. Vi föreslår inte att duplicering av gener var den enda källan till mångfald i dessa organismer. Dessutom skulle lateral överföring ha introducerat en ny funktion och även genförluster skulle ha förändrat sammansättningen av proteinfamiljer. Vissa analyser tyder på att lateral genöverföring har spelat en stor roll vid sammansättning av genfamiljer [29]. Man måste dock ta hänsyn till bristen på överensstämmelse mellan organismträd och genträd, de senare påverkas av olika selektiva tryck på enskilda enzymer (såsom genfamiljens sammansättning, kofaktor/substrat-tillgänglighet) jämfört med de som påverkar organismen som helhet. . Lawrence och Hendrickson [30] har på ett genomtänkt sätt diskuterat svårigheterna med att skilja horisontell överföring från duplicering av befintliga gener. Vi har därför inte försökt identifiera lateralt överförda gener i våra enzymfamiljer. Även om vi är där förväntar vi oss inte att de kommer att dominera. Sammanfattningsvis är det en kombination av alla dessa genetiska förändringar (dupliceringar, divergens, förluster och förvärv) hos förfäder till samtida organismer som har genererat de karakteristiska fenotyperna för dagens organismer.


Loppans snäll och unik anatomi

Det finns 1 830 olika sorters loppor kända över hela världen. De förekommer ofta på katter, hundar och andra husdjur. Idag känner vi dem som ektoparasiter och vektorer för sjukdomar, pest och annan pest.

Loppor är små (1,5 till 3,3 mm långa), lateralt tillplattade vinglösa insekter som bildar ordningen Siphonaptera (fig. 3 och 4). Loppor har väldesignade bakben och mundelar med en framträdande snabel anpassad för att sticka igenom vävnader (förmodligen växter från före hösten) såsom huden och sugande blod (förmodligen växtsafter före hösten). De äter växter, detritus och organiskt material som larver och stadier innan de blir vuxna. De vuxna behöver i första hand blod för att producera ägg.

Figur 3. Grundläggande loppanatomi. Bild återgiven från Wikimedia Commons.

Figur 4. Avancerad loppanatomi. Bild återgiven från Wikimedia Commons.

Loppor har ett unikt organ som kallas pygidium (plural pygidia), det terminala segmentet av loppan designat för att upptäcka luftströmmar. Pygidia kan hjälpa till att "lifta" på en värd (Roberts, Janovy och Nadler, 2013). Men när man tittar på en loppa under mikroskopet är den mest imponerande egenskapen dess exceptionellt långa bakben. De flesta loppor kan hoppa vertikalt ungefär en fot (vissa loppor så höga som 34 tum!), eller ungefär 150 gånger sin egen längd. Detta är verkligen värt en OS-medalj, och skulle motsvara en människa som hoppar upp över 1 000 fot. Den kan hoppa horisontellt cirka 13 tum, eller 100 gånger sin kroppslängd (Marquardt, Demaree och Grieve, 2000). Lyon (2007) rapporterar att vissa kan "längdhoppa" horisontellt upp till 200 gånger sin kroppslängd. Bakbenen på loppor är kopplade till en zon där kinetisk energi för hoppning frigörs. Loppans "vår" kommer från ett fantastiskt "gummiliknande" tvärbundet protein som kallas resilin. Detta ämne ger loppor kapacitet att enkelt hoppa på och lifta med ett däggdjur eller fågelvärd.

De flesta evolutionära biologer tror att loppor en gång hade vingar som förlorats genom tiden medan större bakben utvecklades och att de är ättlingar till Mecoptera (skorpionflugor). Men vi tror att de skapades speciellt som en distinkt "slag" - designade fullt utformade för att hoppa (inte flyga) och resa via en djurvärd. Fossila loppor består huvudsakligen av modernt utseende arter som förmodligen går tillbaka 65 miljoner år. En möjlig stor, icke-hoppande variant har hittats så låg som Jurassic.1 Fossils dokumenterar att loppor alltid har varit loppor (Rothschild et al., 1973).


Mekanismer för genetisk variation | Evolution | Arter | Biologi

I den här artikeln kommer vi att diskutera mekanismer som minskar och ökar genetisk variation.

Mekanismer som Minska genetisk variation:

Vissa typer av organismer inom en population lämnar fler avkommor än andra. Med tiden kommer frekvensen av den mer produktiva typen att öka. Skillnaden i reproduktionsförmåga kallas naturligt urval. Naturligt urval är den enda mekanismen för adaptiv evolution, det definieras som differentiell reproduktionsframgång för redan existerande klasser av genetiska varianter i genpoolen.

Den vanligaste åtgärden av naturligt urval är att ta bort olämpliga varianter när de uppstår via mutation. Med andra ord, naturligt urval förhindrar vanligtvis nya alleler från att öka dess frekvens. Detta fick en berömd evolutionist, George Williams, att säga "Evolutionen fortsätter trots naturligt urval."

Naturligt urval kan upprätthålla eller utarma genetisk variation beroende på hur det agerar. När selektion verkar för att sålla bort skadliga alleler, eller får en allel att svepa till fixering, utarmar det genetisk variation. När heterozygoter är lämpliga än någon av homozygoterna, gör dock selektion att genetisk variation upprätthålls.

Detta kallas för att balansera urval. Ett exempel på detta är upprätthållandet av sickle-cell-alleler i mänskliga populationer som är utsatta för malaria. Variation på ett enda ställe avgör om röda blodkroppar är formade normalt eller sickled. Om en människa har två alleler för sickle-cell, utvecklar han/hon anemi - formen av sickle-celler hindrar dem från att bära normala nivåer av syre.

Men heterozygoter som har en kopia av sickle-cell-allelen, i kombination med en normal allel, åtnjuter viss resistens mot malaria - formen av sickled-celler gör det svårare för plasmodia (malariaorsakande ämnen) att komma in i cellen. Således lider individer som är homozygota för den normala allelen mer malaria än heterozygoter.

Individer som är homozygota för sicklecell är anemiska. Heterozygoter har den högsta konditionen av dessa tre typer. Heterozygoter överför både sicklecell- och normala alleler till nästa generation. Således kan ingen av allelen elimineras från genpoolen. Sickle-cell allelen har sin högsta frekvens i regioner i Afrika där malaria är mest utbredd.

Balanserande urval är sällsynt i naturliga populationer. Endast en handfull andra fall förutom sickle-cell-exemplet har hittats. En gång trodde populationsgenetiker att balansering av urval kunde vara en allmän förklaring till nivåerna av genetisk variation som finns i naturliga populationer.

Så är det inte längre. Balanserande urval finns endast sällan i naturliga populationer. Och det finns teoretiska skäl till varför naturligt urval inte kan upprätthålla polymorfismer på flera loci via balanserande urval.

Individer väljs ut. Mörkfärgade nattfjärilar hade en högre reproduktionsframgång eftersom ljusfärgade nattfjärilar drabbades av en högre predationsfrekvens. Nedgången av ljusfärgade alleler orsakades av att ljusfärgade individer avlägsnades från genpoolen (selekterade mot). Enskilda organismer antingen reproducerar eller misslyckas med att reproducera och är därför enheten för urval.

Ett sätt som alleler kan förändras i frekvens är att inrymmas i organismer med olika reproduktionshastigheter. Gener är inte selektionsenheten (eftersom deras framgång också beror på organismens andra gener) och grupper av organismer är inte heller en selektionsenhet. Det finns några undantag från denna "regel", men det är en bra generalisering.

Organismer utför inga beteenden som är för deras arters bästa. En enskild organism tävlar i första hand med andra av sin egen art om sin reproduktionsframgång. Naturligt urval gynnar själviskt beteende eftersom varje verkligt altruistisk handling ökar mottagarens reproduktiva framgång samtidigt som donatorerna sänks.

Altruister skulle försvinna från en befolkning eftersom icke-altruisterna skulle skörda fördelarna, men inte betala kostnaderna, av altruistiska handlingar. Många beteenden verkar altruistiska. Biologer kan dock visa att dessa beteenden bara till synes är altruistiska. Att samarbeta med eller hjälpa andra organismer är ofta den mest själviska strategin för ett djur. Detta kallas reciprok altruism.

Ett bra exempel på detta är bloddelning hos vampyrfladdermöss. Hos dessa fladdermöss kommer de som har turen att hitta en måltid ofta dela en del av den med en misslyckad fladdermus genom att få lite blod i den andras mun.

Biologer har funnit att dessa fladdermöss bildar band med partners och hjälper varandra när den andra är behövande. Om en fladdermus visar sig vara en "fuskare" kommer hans partner att överge honom. Fladdermössen hjälper alltså inte varandra altruistiskt utan bildar pakter som är ömsesidigt fördelaktiga.

Att hjälpa närbesläktade organismer kan verka altruistiskt men detta är också ett själviskt beteende. Reproduktiv framgång (kondition) har två komponenter direkt kondition och indirekt kondition. Direkt kondition är ett mått på hur många alleler i genomsnitt en genotyp bidrar till den efterföljande generationens genpool genom att reproducera sig.

Indirekt kondition är ett mått på hur många alleler som är identiska med sin egen den hjälper till att komma in i genpoolen. Direkt fitness plus indirekt fitness är inkluderande fitness. J. B. S. Haldane anmärkte en gång att han gärna skulle drunkna, om han därigenom räddade två syskon eller åtta kusiner. Var och en av hans syskon skulle dela hälften av sina alleler med sina kusiner, en åttondel. De skulle potentiellt kunna lägga till så många av hans alleler till genpoolen som han kunde.

Naturligt urval gynnar egenskaper eller beteenden som ökar en genotyps inkluderande kondition. Närbesläktade organismer delar många av samma alleler. Hos diploida arter delar syskon i genomsnitt minst 50 % av sina alleler. Andelen är högre om föräldrarna är släkt. Så, genom att hjälpa nära släktingar att reproducera sig får en organisms egna alleler bättre representerade i genpoolen.

Nyttan av att hjälpa släktingar ökar dramatiskt hos höginavlade arter. I vissa fall kommer organismer helt att avstå från reproduktion och bara hjälpa sina släktingar att fortplanta sig. Myror och andra eusociala insekter har sterila kaster som bara tjänar drottningen och hjälper hennes reproduktiva ansträngningar. De sterila arbetarna reproducerar sig genom proxy.

Orden självisk och altruistisk har konnotationer i vardagsbruk som biologer inte har för avsikt. Själviskt betyder helt enkelt att bete sig på ett sådant sätt att ens egen inkluderande kondition maximeras. Altruistisk betyder att bete sig på ett sådant sätt att en annans kondition ökar på bekostnad av ens egen. Användningen av orden självisk och altruistisk är inte menad att antyda att organismer medvetet förstår sina motiv.

Möjligheten för naturligt urval att verka inducerar inte genetisk variation – urval skiljer bara mellan befintliga varianter. Variation är inte möjlig längs alla tänkbara axlar, så alla möjliga adaptiva lösningar är inte öppna för populationer. För att välja ett lite löjligt exempel kan en sköldpadda med stålskal vara en förbättring jämfört med vanliga sköldpaddor.

Sköldpaddor dödas en hel del av bilar nuförtiden för när de konfronteras med fara drar de sig tillbaka in i sina skal - det här är inte en bra strategi mot en två ton bil. Det finns dock ingen variation i metallinnehåll i skal, så det skulle inte vara möjligt att välja en stålsköldpadda.

Här är ett andra exempel på naturligt urval. Geospiza fortis lever på Galapagosöarna tillsammans med fjorton andra finkarter. Den livnär sig på fröna från växten Tribulus cistoides, specialiserad på de mindre fröna. En annan art, G. Magnirostris, har en större näbb och är specialiserad på de större fröna.

Hälsan hos dessa fågelpopulationer beror på fröproduktion. Fröproduktion beror i sin tur på ankomsten av den våta säsongen. 1977 var det torka. Nederbörden var långt under det normala och färre frön producerades. Allt eftersom säsongen fortskred tömde G. fortis-populationen på tillgången på små frön. Så småningom återstod bara större frön.

De flesta finkarna svälter befolkningen rasade från cirka tolvhundra fåglar till mindre än tvåhundra. Peter Grant, som hade studerat dessa finkar, noterade att större näbbfåglar klarade sig bättre än mindre näbbfåglar.Dessa större fåglar fick avkomma med motsvarande stora näbbar.

Därmed ökade andelen stora näbbfåglar i populationen nästa generation. För att bevisa att förändringen i näbbstorlek i Geospiza fortis var en evolutionär förändring var Grant tvungen att visa att skillnader i näbbstorlek åtminstone delvis var genetiskt baserade.

Han gjorde det genom att korsa finkar av olika näbbstorlekar och visa att en finks näbbstorlek påverkades av dess förälders gener. Stora näbbfåglar hade stor näbbavkomma. näbbstorleken berodde inte på miljöskillnader (till exempel i föräldravården).

Naturligt urval kanske inte leder till att en population har den optimala uppsättningen egenskaper. I vilken population som helst skulle det finnas en viss kombination av möjliga alleler som skulle producera den optimala uppsättningen av egenskaper (det globala optimum) men det finns andra uppsättningar av alleler som skulle ge en population nästan lika anpassad (lokal optima).

Övergången från ett lokalt optimum till det globala optimum kan hindras eller förbjudas eftersom befolkningen skulle behöva passera mindre adaptiva stater för att göra övergången. Naturligt urval fungerar bara för att föra populationer till närmaste optimala punkt. Den här idén är Sewall Wrights adaptiva landskap. Detta är en av de mest inflytelserika modellerna som formar hur evolutionsbiologer ser på evolution.

Det naturliga urvalet har ingen framförhållning. Det tillåter bara organismer att anpassa sig till sin nuvarande miljö. Strukturer eller beteenden utvecklas inte för framtida nytta. En organism anpassar sig till sin miljö i varje skede av sin evolution. När miljön förändras kan nya egenskaper väljas ut.

Stora förändringar i populationer är resultatet av kumulativt naturligt urval. Förändringar införs i populationen genom mutation, den lilla minoriteten av dessa förändringar som resulterar i en större reproduktiv produktion av deras bärare förstärks i frekvens genom selektion.

Komplexa egenskaper måste utvecklas genom livskraftiga intermediärer. För många egenskaper verkar det till en början osannolikt att intermediärer skulle vara genomförbara. Vad hjälper en halv vinge? En halv vinge är kanske inte bra för att flyga, men den kan vara användbar på andra sätt. Fjädrar tros ha utvecklats som isolering (någonsin burit en dunjacka?) och/eller som ett sätt att fånga insekter.

Senare kan proto-fåglar ha lärt sig att glida när de hoppar från träd till träd. Så småningom blev de fjädrar som ursprungligen fungerade som isolering nu adjungerade för användning under flygning. En egenskaps nuvarande nytta är inte alltid indikativ för dess tidigare nytta. Det kan utvecklas för ett syfte och senare användas för ett annat.

En egenskap som utvecklats för sin nuvarande nytta är en anpassning en egenskap som utvecklats för en annan nytta är en exaptation. Ett exempel på en exaptation är en pingvinvinge. Pingviner utvecklades från flygande förfäder nu de är flyglösa och använder sina vingar för att simma.

Hos många arter utvecklar hanar framträdande sekundära sexuella egenskaper. Några ofta citerade exempel är påfågelns svansfärgning och mönster hos fåglar i allmänhet, röstsamtal hos grodor och blixtar hos eldflugor. Många av dessa egenskaper är en skuld ur överlevnadssynpunkt. Alla uppseendeväckande drag eller bullriga beteenden som får uppmärksamhet kommer att varna såväl rovdjur som potentiella kompisar. Hur kunde då naturligt urval gynna dessa egenskaper?

Naturligt urval kan brytas ner i många komponenter, varav överlevnad är bara en. Sexuell attraktionskraft är en mycket viktig komponent i urvalet, så mycket att biologer använder termen sexuellt urval när de talar om denna delmängd av naturligt urval.

Sexuellt urval är naturligt urval som bygger på faktorer som bidrar till en organisms parningsframgång. Egenskaper som är ett ansvar för överlevnad kan utvecklas när en egenskaps sexuella attraktionskraft uppväger ansvaret för överlevnad. En hane som lever kort men får många avkommor är mycket mer framgångsrik än en långlivad som ger få.

Den förstnämndes gener kommer så småningom att dominera genpoolen för hans art. Hos många arter, särskilt polygyna arter där endast ett fåtal hanar monopoliserar alla honorna, har sexuellt urval orsakat uttalad sexuell dimorfism.

I dessa arter tävlar hanar mot andra hanar om kompisar. Tävlingen kan vara antingen direkt eller förmedlad av kvinnligt val. Hos arter där honorna väljer, tävlar hanarna genom att uppvisa slående fenotypiska egenskaper och/eller utföra utarbetade uppvaktningsbeteenden.

Honorna parar sig sedan med de hanar som intresserar dem mest, vanligtvis de med de mest besynnerliga uppvisningarna. Det finns många konkurrerande teorier om varför kvinnor attraheras av dessa skärmar.

Modellen med goda gener säger att displayen indikerar någon del av manlig kondition. En bra generförespråkare skulle säga att ljusa färger hos hanfåglar tyder på brist på parasiter. Honorna köar på någon signal som är korrelerad med någon annan komponent av livskraft.

Selektion för bra gener kan ses hos sticklebacks. Hos dessa fiskar har hanarna röd färg på sina sidor. Milinski och Bakker visade att färgintensiteten var korrelerad till både parasitbelastning och sexuell attraktionskraft. Honorna föredrog rödare hanar. Rodnaden tydde på att han bar på färre parasiter.

Evolution kan fastna i en positiv feedback-loop. En annan modell för att förklara sekundära sexuella egenskaper kallas modellen för skenande sexuellt urval. R. A. Fisher föreslog att honor kan ha en medfödd preferens för någon manlig egenskap innan den dyker upp i en population.

Honor skulle sedan para sig med manliga bärare när egenskapen dyker upp. Avkomman till dessa parningar har generna för både egenskapen och preferensen för egenskapen. Som ett resultat snöar processen tills det naturliga urvalet sätter den i schack. Anta att fågelhonor föredrar hanar med längre stjärtfjädrar än genomsnittet.

Muterade hanar med längre fjädrar än genomsnittet kommer att producera fler avkommor än de korta fjäderhanarna. I nästa generation kommer den genomsnittliga svanslängden att öka. Allt eftersom generationerna fortskrider kommer fjäderlängden att öka eftersom honorna inte föredrar en specifik längd svans, utan en längre svans än genomsnittet.

Så småningom kommer svanslängden att öka till en punkt där risken för överlevnad matchas av egenskapens sexuella attraktionskraft och en jämvikt kommer att etableras. Observera att hos många exotiska fåglar är hanfjäderdräkten ofta mycket prålig och många arter har faktiskt hanar med mycket långsträckta fjädrar. I vissa fall fälls dessa fjädrar efter häckningssäsongen.

Ingen av ovanstående modeller utesluter varandra. Det finns miljontals sexuellt dimorfa arter på denna planet och formerna av sexuellt urval varierar förmodligen bland dem.

Mekanismer som ökar genetisk variation:

Det cellulära maskineriet som kopierar DNA gör ibland misstag. Dessa misstag förändrar sekvensen av en gen. Detta kallas en mutation. Det finns många typer av mutationer. En punktmutation är en mutation där en "bokstav" i den genetiska koden ändras till en annan. Längder av DNA kan också raderas eller infogas i en gen, dessa är också mutationer. Slutligen kan gener eller delar av gener bli inverterade eller duplicerade.

Typiska mutationshastigheter är mellan 10-10 och 10-12 mutationer per baspar av DNA per generation.

De flesta mutationer anses vara neutrala med avseende på kondition. Endast en liten del av genomet hos eukaryoter innehåller kodande segment. Och även om en del icke-kodande DNA är involverat i genreglering eller andra cellulära funktioner, är det troligt att de flesta basförändringar inte skulle ha någon konditionskonsekvens.

De flesta mutationer som har någon fenotypisk effekt är skadliga. Mutationer som resulterar i aminosyrasubstitutioner kan ändra formen på ett protein, potentiellt förändra eller eliminera dess funktion. Detta kan leda till otillräckligheter i biokemiska vägar eller störa utvecklingsprocessen.

Organismer är tillräckligt integrerade för att de flesta slumpmässiga förändringar inte kommer att ge en konditionsfördel. Endast en mycket liten andel av mutationer är fördelaktiga. Förhållandet mellan neutrala och skadliga till fördelaktiga mutationer är okänt och varierar troligen med avseende på detaljerna i det aktuella stället och miljön.

Mutation begränsar evolutionens hastighet. Utvecklingshastigheten kan uttryckas i termer av nukleotidsubstitutioner i en linje per generation. Substitution är att en allel ersätts med en annan i en population.

Detta är en process i två steg - Först sker en mutation i en individ, vilket skapar en ny allel. Denna allel ökar därefter i frekvens till fixering i populationen. Utvecklingshastigheten är k = 2Nvu (i diploider) där k är nukleotidsubstitutioner, N är den effektiva populationsstorleken, v är mutationshastigheten och u är andelen mutanter som slutligen fixeras i populationen.

Mutation behöver inte vara begränsande över korta tidsperioder. Utvecklingshastigheten uttryckt ovan ges som en jämviktsekvation, den antar att systemet är i jämvikt. Med tanke på tidsramarna för en enskild mutant att fixa, är det oklart om populationer någonsin är i jämvikt. En förändring i miljön kan orsaka att tidigare neutrala alleler har selektiva värden på kort sikt kan utvecklingen köras på "lagrad" variation och är således oberoende av mutationshastigheten.

Andra mekanismer kan också bidra med valbar variation. Rekombination skapar nya kombinationer av alleler (eller nya alleler) genom att förena sekvenser med separata mikroevolutionära historier inom en population. Genflöde kan också förse genpoolen med varianter. Naturligtvis är den ultimata källan till dessa varianter mutation.

Mutation skapar nya alleler. Varje ny allel kommer in i genpoolen som en enda kopia bland många. De flesta går förlorade från genpoolen, organismen som bär dem misslyckas med att reproducera sig, eller reproducerar sig men skickar inte den specifika allelen vidare. En mutants öde delas med den genetiska bakgrunden den förekommer i.

En ny allel kommer initialt att kopplas till andra loci i sin genetiska bakgrund, även loci på andra kromosomer. Om allelen ökar i frekvens i populationen kommer den initialt att paras ihop med andra alleler på det lokuset – den nya allelen kommer primärt att bäras hos individer som är heterozygota för det lokuset.

Chansen att den paras ihop med sig själv är liten tills den når mellanfrekvens. Om allelen är recessiv kommer dess effekt inte att ses hos någon individ förrän en homozygot har bildats. Det slutliga ödet för allelen beror på om den är neutral, skadlig eller fördelaktig.

De flesta neutrala alleler går förlorade strax efter att de har dykt upp. Den genomsnittliga tiden (i generationer) fram till förlust av en neutral allel är 2(Ne/N) 1n (2N) där N är den effektiva populationsstorleken (antalet individer som bidrar till nästa generations genpool) och N är den totala populationen storlek.

Endast en liten andel av alleler fixar sig. Fixering är processen där en allel ökar till en frekvens vid eller nära en. Sannolikheten för att en neutral allel fixeras i en population är lika med dess frekvens. För en ny mutant i en diploid population är denna frekvens 1/2N.

Om mutationer är neutrala med avseende på Fitness, är substitutionshastigheten (k) lika med mutationshastigheten (v). Detta betyder inte att varje ny mutant så småningom når fixering. Alleler läggs till genpoolen genom mutation i samma takt som de går förlorade för att driva. För neutrala alleler som fixar tar det i genomsnitt 4N generationer att göra det.

Men vid jämvikt finns det flera alleler som segregerar i befolkningen. I små populationer uppträder få mutationer varje generation. De som fixar gör det snabbt i förhållande till stora populationer. I stora populationer uppträder fler mutanter under generationerna. Men de som fixar tar mycket längre tid att göra det. Således är graden av neutral utveckling (i substitutioner per generation) oberoende av befolkningens storlek.

Mutationshastigheten bestämmer nivån av heterozygositet vid ett lokus enligt den neutrala teorin. Heterozygositet är helt enkelt den andel av befolkningen som är heterozygot. Jämviktsheterozygositet ges som H = 4Nv/ [4Nv+1 ] (för diploida populationer). H kan variera från ett mycket litet antal till nästan ett.

I små populationer är H liten (eftersom ekvationen är ungefär ett mycket litet tal dividerat med ett). I (biologiskt orealistiskt) stora populationer närmar sig heterozygositeten ett (eftersom ekvationen är ungefär ett stort antal dividerat med sig själv).

Att direkt testa denna modell är svårt eftersom N och v endast kan uppskattas för de flesta naturliga populationer. Men heterozygositet tros vara för låg för att kunna beskrivas med en strikt neutral modell. Lösningar som erbjuds av neutralister för denna diskrepans inkluderar hypoteser om att naturliga populationer kanske inte är i jämvikt.

Vid jämvikt bör det finnas några få alleler med mellanfrekvens och många vid mycket låga frekvenser. Det här är Ewens-Watterson-distributionen. Nya alleler kommer in i en population varje generation, de flesta förblir i låg frekvens tills de går förlorade. Ett fåtal driver till mellanfrekvenser, ett fåtal driver hela vägen till fixering.

I Drosophila pseudoobscura har proteinet Xanthine dehydrogenase (Xdh) många varianter. I en enda befolkning, Keith, et. al., fann att 59 av 96 proteiner var av en typ, två andra representerades tio och nio gånger och nio andra typer var närvarande ensamma eller i lågt antal.

iv. Skadliga alleler:

Skadliga mutanter selekteras mot men förblir vid låg frekvens i genpoolen. Hos diploider kan en skadlig recessiv mutant öka i frekvens på grund av drift. Selektion kan inte se den när den är maskerad av en dominant allel. Många sjukdomsorsakande alleler förblir i låg frekvens av denna anledning.

Människor som är bärare lider inte av den negativa effekten av allelen. Om de inte parar sig med en annan bärare kan allelen helt enkelt fortsätta att föras vidare. Skadliga alleler finns också kvar i populationer med låg frekvens på grund av en balans mellan återkommande mutation och selektion. Detta kallas mutationsbelastningen.

De flesta nya mutanter går förlorade, även nyttiga sådana. Wright beräknade att sannolikheten för fixering av en fördelaktig allel är 2s. (Detta förutsätter en stor populationsstorlek, en liten konditionsfördel och att heterozygoter har en intermediär kondition. En fördel på 2s ger en total evolutionshastighet- k=4Nvs där v är mutationshastigheten till fördelaktiga alleler).

En allel som gav en ökning av konditionen med en procent har bara två procents chans att fixa sig. Sannolikheten för fixering av fördelaktig typ av mutant förstärks av återkommande mutation. Den nyttiga mutanten kan gå förlorad flera gånger, men så småningom kommer den att uppstå och fastna i en population. (Kom ihåg att även skadliga mutanter återkommer i en population.)

Riktningsselektion uttömmer genetisk variation vid det valda stället när fitter-allelen sveper till fixering. Sekvenser kopplade till den valda allelen ökar också i frekvens på grund av lifting. Ju lägre rekombinationshastighet, desto större sekvensfönster som liftar. Begun och Aquadro jämförde nivån av nukleotidpolymorfism inom och mellan arter med hastigheten för rekombination vid ett lokus.

Låga nivåer av nukleotidpolymorfism inom arter sammanföll med låga rekombinationshastigheter. Detta skulle kunna förklaras av molekylära mekanismer om rekombinationen i sig var mutagen. I detta fall är rekombination med också korrelerad med nukleotiddivergens mellan arter.

Men nivån av sekvensdivergens korrelerade inte med rekombinationshastigheten. Därför drog de slutsatsen att urvalet var orsaken. Korrelationen mellan rekombination och nukleotidpolymorfism lämnar slutsatsen att selektiva svep förekommer tillräckligt ofta för att lämna ett avtryck på nivån av genetisk variation i naturliga populationer.

Ett exempel på en fördelaktig mutation kommer från myggan Culex pipiens. I denna organism duplicerades en gen som var involverad i att bryta ner organofosfater – vanliga insekticidingredienser. Avkomma till organismen med denna mutation svepte snabbt över den globala myggpopulationen.

Det finns många exempel på att insekter utvecklat resistens mot kemikalier, särskilt DDT som en gång i tiden användes flitigt i detta land. Och, viktigast av allt, även om "bra" mutationer inträffar mycket mer sällan än "dåliga" så trivs organismer med "bra" mutationer medan organismer med "dåliga" dör ut.

Om nyttiga mutanter uppstår sällan, kommer de enda konditionsskillnaderna i en population att bero på nya skadliga mutanter och skadliga recessiva. Urvalet kommer helt enkelt att rensa bort olämpliga varianter. Endast ibland kommer en fördelaktig allel att svepa genom en population.

Den allmänna bristen på stora konditionsskillnader som segregerar i naturliga populationer hävdar att fördelaktiga mutanter verkligen uppstår sällan. Emellertid kan inverkan av en fördelaktig mutant på variationsnivån på ett lokus vara stor och bestående. Det tar många generationer för ett locus att återfå märkbara nivåer av heterozygositet efter ett selektivt svep.


Har du hört? En revolution har gripit vetenskapssamfundet. Inom bara några år har forskningslaboratorier över hela världen antagit en ny teknik som underlättar att göra specifika förändringar i DNA hos människor, andra djur och växter. Jämfört med tidigare tekniker för att modifiera DNA är detta nya tillvägagångssätt mycket snabbare och enklare. Denna teknik kallas för "CRISPR", och den har förändrat inte bara sättet på grundforskningen bedrivs, utan också hur vi nu kan tänka på att behandla sjukdomar [1,2].

Vad är CRISPR

CRISPR är en akronym för Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeat. Detta namn hänvisar till den unika organisationen av korta, delvis palindromiska upprepade DNA-sekvenser som finns i arvsmassan hos bakterier och andra mikroorganismer. Även om de verkar ofarliga, är CRISPR-sekvenser en avgörande komponent i immunsystemet [3] i dessa enkla livsformer. Immunsystemet är ansvarigt för att skydda en organisms hälsa och välbefinnande. Precis som vi kan bakterieceller invaderas av virus, som är små smittämnen. Om en virusinfektion hotar en bakteriecell kan CRISPR-immunsystemet motverka attacken genom att förstöra arvsmassan hos det invaderande viruset [4]. Virusets genom inkluderar genetiskt material som är nödvändigt för att viruset ska fortsätta replikera sig. Genom att förstöra virusgenomet skyddar CRISPR-immunsystemet således bakterier från pågående virusinfektion.

Hur fungerar det?

Stegen för CRISPR-medierad immunitet. CRISPR är regioner i bakteriegenomet som hjälper till att försvara sig mot invaderande virus. Dessa regioner är sammansatta av korta DNA-repetitioner (svarta diamanter) och spacers (färgade rutor). När ett tidigare osynligt virus infekterar en bakterie, inkorporeras en ny spacer som härrör från viruset bland befintliga spacers. CRISPR-sekvensen transkriberas och bearbetas för att generera korta CRISPR RNA-molekyler. CRISPR RNA associerar med och leder bakteriellt molekylärt maskineri till en matchande målsekvens i det invaderande viruset.Det molekylära maskineriet skär upp och förstör det invaderande virusgenomet. Figur anpassad från Molecular Cell 54, 24 april 2014 [5].

Insprängda mellan de korta DNA-upprepningarna av bakteriella CRISPRs finns på liknande sätt korta variabla sekvenser som kallas spacers (FIGUR 1). Dessa spacers härrör från DNA från virus som tidigare har attackerat värdbakterien [3]. Därför fungerar spacers som ett "genetiskt minne" av tidigare infektioner. Om en annan infektion av samma virus skulle inträffa kommer CRISPR-försvarssystemet att skära upp eventuell viral DNA-sekvens som matchar spacersekvensen och på så sätt skydda bakterien från virusangrepp. Om ett tidigare osynligt virus attackerar, skapas en ny spacer som läggs till i kedjan av spacers och upprepningar.

CRISPR-immunsystemet arbetar för att skydda bakterier från upprepade virusangrepp via tre grundläggande steg [5]:

Steg 1) Anpassning – DNA från ett invaderande virus bearbetas till korta segment som infogas i CRISPR-sekvensen som nya spacers.

Steg 2) Produktion av CRISPR RNA – CRISPR-repetitioner och spacers i bakteriens DNA genomgår transkription, processen att kopiera DNA till RNA (ribonukleinsyra). Till skillnad från den dubbelkedjiga helixstrukturen hos DNA är det resulterande RNA:t en enkelkedjig molekyl. Denna RNA-kedja skärs i korta bitar som kallas CRISPR-RNA.

Steg 3) Inriktning – CRISPR RNA styr bakteriellt molekylärt maskineri för att förstöra det virala materialet. Eftersom CRISPR RNA-sekvenser kopieras från de virala DNA-sekvenserna som förvärvats under anpassningen, är de exakta matchningar till det virala genomet och fungerar därför som utmärkta guider.

Specificiteten hos CRISPR-baserad immunitet för att känna igen och förstöra invaderande virus är inte bara användbar för bakterier. Kreativa tillämpningar av detta primitiva men eleganta försvarssystem har dykt upp inom så olika discipliner som industri, grundforskning och medicin.

Vilka är några tillämpningar av CRISPR-systemet?

CRISPR-systemets inneboende funktioner är fördelaktiga för industriella processer som använder bakteriekulturer. CRISPR-baserad immunitet kan användas för att göra dessa kulturer mer motståndskraftiga mot virusangrepp, vilket annars skulle hämma produktiviteten. Faktum är att den ursprungliga upptäckten av CRISPR-immunitet kom från forskare vid Danisco, ett företag inom livsmedelsindustrin [2,3]. Danisco-forskare studerade en bakterie som heter Streptococcus thermophilus, som används för att göra yoghurt och ostar. Vissa virus kan infektera denna bakterie och skada kvaliteten eller kvantiteten på maten. Det upptäcktes att CRISPR-sekvenser utrustade S. thermophilus med immunitet mot sådan viral attack. Att expandera bortom S. thermophilus på andra användbara bakterier kan tillverkare tillämpa samma principer för att förbättra kulturens hållbarhet och livslängd.

Utöver tillämpningar som omfattar bakteriellt immunförsvar, har forskare lärt sig hur man kan utnyttja CRISPR-teknologin i labbet [6] för att göra exakta förändringar i generna hos så olika organismer som fruktflugor, fiskar, möss, växter och till och med mänskliga celler. Gener definieras av deras specifika sekvenser, som ger instruktioner om hur man bygger och underhåller en organisms celler. En förändring i sekvensen för ens en gen kan avsevärt påverka cellens biologi och kan i sin tur påverka hälsan hos en organism. CRISPR-tekniker gör det möjligt för forskare att modifiera specifika gener samtidigt som de skonar alla andra, vilket förtydligar sambandet mellan en given gen och dess konsekvenser för organismen.

Istället för att förlita sig på bakterier för att generera CRISPR-RNA, designar och syntetiserar forskare först korta RNA-molekyler som matchar en specifik DNA-sekvens - till exempel i en mänsklig cell. Sedan, som i inriktningssteget för bakteriesystemet, transporterar detta "guide-RNA" molekylärt maskineri till det avsedda DNA-målet. När det väl har lokaliserats till DNA-området av intresse kan det molekylära maskineriet tysta en gen eller till och med ändra sekvensen för en gen (Figur 2)! Den här typen av genredigering kan liknas vid att redigera en mening med en ordbehandlare för att radera ord eller rätta till stavfel. En viktig tillämpning av sådan teknik är att underlätta tillverkning av djurmodeller med exakta genetiska förändringar för att studera framstegen och behandlingen av mänskliga sjukdomar.

Gentystnad och redigering med CRISPR. Guide-RNA utformat för att matcha DNA-regionen av intresse styr molekylärt maskineri för att skära båda strängarna av det riktade DNA:t. Under gentystnad försöker cellen reparera det trasiga DNA:t, men gör det ofta med fel som stör genen – vilket effektivt tystar den. För genredigering läggs en reparationsmall med en specificerad sekvensförändring till cellen och införlivas i DNA:t under reparationsprocessen. Mål-DNA:t är nu förändrat för att bära denna nya sekvens.

Med tidiga framgångar i labbet ser många mot medicinska tillämpningar av CRISPR-teknik. En ansökan är för behandling av genetiska sjukdomar. Det första beviset på att CRISPR kan användas för att korrigera en mutant gen och vända sjukdomssymtom hos ett levande djur publicerades tidigare i år [7]. Genom att ersätta den muterade formen av en gen med dess korrekta sekvens i vuxna möss, visade forskarna ett botemedel mot en sällsynt leversjukdom som kunde uppnås med en enda behandling. Förutom att behandla ärftliga sjukdomar kan CRISPR användas inom området infektionssjukdomar, vilket möjligen ger ett sätt att tillverka mer specifika antibiotika som endast riktar sig mot sjukdomsframkallande bakteriestammar samtidigt som man skonar nyttiga bakterier [8]. En färsk artikel från SITN Waves diskuterar hur denna teknik också användes för att göra vita blodkroppar resistenta mot HIV-infektion [9].

Framtiden för CRISPR

Naturligtvis tar all ny teknik lite tid att förstå och perfekt. Det kommer att vara viktigt att verifiera att ett visst guide-RNA är specifikt för sin målgen, så att CRISPR-systemet inte av misstag attackerar andra gener. Det kommer också att vara viktigt att hitta ett sätt att leverera CRISPR-terapier i kroppen innan de kan bli allmänt använda inom medicin. Även om mycket återstår att upptäcka råder det ingen tvekan om att CRISPR har blivit ett värdefullt verktyg inom forskningen. Faktum är att det finns tillräckligt med spänning på området för att motivera lanseringen av flera Biotech-start-ups som hoppas kunna använda CRISPR-inspirerad teknologi för att behandla mänskliga sjukdomar [8].

Ekaterina Pak är en Ph.D. student på programmet Biologiska och biomedicinska vetenskaper vid Harvard Medical School.

Referenser:

2. Pennisi, E. CRISPR Craze. (2013) Vetenskap, 341 (6148): 833-836.

3. Barrangou, R., Fremaux, C., Deveau, H., Richards, M., Boyaval, P., Moineau, S., Romero, D.A., och Horvath, P. (2007). CRISPR ger förvärvad resistens mot virus i prokaryoter. Science 315, 1709–1712.

4. Brouns, S.J., Jore, M.M., Lundgren, M., Westra, E.R., Slijkhuis, R.J., Snijders, A.P., Dickman, M.J., Makarova, K.S., Koonin, E.V. och van der Oost, J. (2008). Små CRISPR RNA styr antiviralt försvar i prokaryoter. Science 321, 960–964.

5. Barrangou, R. och Marraffini, L. CRISPR-Cas Systems: Prokaryotes Upgrade to Adaptive Immunity (2014). Molecular Cell 54, 234-244.

6. Jinkek, M. et al. Ett programmerbart dubbel-RNA-styrt DNA-endonukleas i adaptiv bakteriell immunitet. (2012) 337(6096):816-21.


Vilken är den senaste forskningen om autism?

Läkare har definierat autismspektrumstörning (ASD) som ett neurobiologiskt utvecklingstillstånd som kan påverka kommunikation, sensorisk bearbetning och sociala interaktioner. Även om nyligen genomförd forskning har förbättrat förståelsen av autism, finns det mycket mer att lära sig om de faktorer som påverkar denna neurotyp.

Dela på Pinterest Michele Pevide/Getty Images

Från och med den 26 mars 2021 rapporterar Centers for Disease Control and Prevention (CDC) att bland 8-åriga barn är en av 54 autister. Detta antal har ökat från den prevalens av 59 som rapporterats i tidigare uppskattningar.

Med ökande autismnivåer har forskarvärlden blivit desto mer intresserade av att avslöja de faktorer som är kopplade till autism.

Vissa forskare spekulerar i att genvarianter orsakar autism, medan andra tror att miljöfaktorer, såsom exponering för toxiner, bidrar till denna neurotyp. Ytterligare andra teoretiserar att obalanser i tarmmikrobiomet kan vara på spel.

Den senaste autismforskningen inkluderar undersökningar av faktorer associerade med denna neurotyp, såväl som genetiska varianter, obalanser i tarmbiome och neurologiska faktorer som kan bidra till den.

I denna specialfunktion, Medicinska nyheter idag undersöker de senaste vetenskapliga upptäckterna och vad forskare har lärt sig om autism.

En flerårig studie finansierad av CDC pågår för att lära sig mer om faktorer som potentiellt är kopplade till autism.

The Study to Explore Early Development är ett samarbete mellan sex studieplatser i USA. Dessa sajter ingår i nätverket för forskning och epidemiologi om autism och utvecklingsstörningar och fokuserar på barn i åldrarna 2–5 år.

Ett av målen med studien är att upptäcka vilka hälsotillstånd som förekommer hos autistiska och neurotypiska barn och vilka faktorer som är associerade med sannolikheten att utveckla ASD.

Ett annat syfte med studien är att särskilja de fysiska och beteendemässiga egenskaperna hos autistiska barn, barn med andra utvecklingstillstånd och de utan dessa tillstånd.

Denna pågående forskning har redan producerat flera publicerade studier. Den senaste fann ett samband mellan ASD och en mammas exponering för ozonföroreningar under graviditetens tredje trimester.

Forskare fann också att exponering för en annan typ av luftföroreningar som kallas partiklar under ett spädbarns första år också ökade sannolikheten för att spädbarnet senare får diagnosen ASD.

Denna forskning visas i tidskriften Epidemiologi .

Andra forskningsvägar om autism inkluderar undersökningar av genvarianter som kan spela en roll i utvecklingen av ASD.

En nyligen genomförd studie analyserade DNA från mer än 35 584 personer över hela världen, inklusive 11 986 autistiska individer. Forskarna identifierade varianter av 102 gener kopplade till en ökad sannolikhet att utveckla ASD.

Forskarna upptäckte också att 53 av generna som identifierades mestadels var förknippade med autism och inte andra utvecklingstillstånd.

Genom att utöka forskningen ytterligare fann teamet att autister som bar de ASD-specifika genvarianterna visade ökad intellektuell funktion jämfört med autistiska individer som inte hade varianterna.

Genvarianterna som forskarna identifierade finns huvudsakligen i hjärnbarken, som är ansvarig för komplexa beteenden.

Dessa varianter kan spela en roll i hur hjärnneuronerna ansluter och även hjälpa till att slå på eller stänga av andra gener - en möjlig faktor som kan bidra till autism.

Biologisk forskning har grävt fram några intressanta fynd som kopplar vissa typer av cellfel till ASD.

Forskare vid Lieber Institute for Brain Development i Baltimore, MD, upptäckte en minskning av integriteten hos myelin, ett skyddande hölje som omger nervceller i hjärnan, hos möss med en syndromisk form av ASD.

Studien, publicerad i Naturens neurovetenskap , visade en genvariant-baserad funktionsfel i oligodendrocyter, som är celler som producerar myelin.

Detta fel kan leda till otillräcklig myelinproduktion i nervcellerna och störa nervkommunikationen i hjärnan, vilket försämrar hjärnans utveckling.

Med hjälp av musmodeller undersöker forskare nu behandlingar som kan öka myelineringen i hjärnan för att se om detta förbättrar ASD-associerade beteenden som individer kan tycka är utmanande.

Den gastrointestinala, eller tarmen, mikrobiomet är ett annat område av intresse för forskare som letar efter faktorer som bidrar till autism.

Flera studier har etablerat ett samband mellan obalanser i tarmbiomet och ASD. Det finns också växande bevis för att balansering av populationerna av tarmmikrober kan hjälpa till att korrigera dessa skillnader och förbättra några av de oönskade symtomen och beteenden kopplade till autism.

En studie från 2017, publicerad i tidskriften Mikrobiom, undersökte om mikrobiotaöverföringsterapi (MTT) hos autistiska barn förbättrade tarmmikrobiotans mångfald och symtom associerade med autism.

Utredarna fann att efter MTT-behandlingen upplevde deltagarna mer tarmbakterier.

Även hos deltagarna som behandlades med MTT observerades en minskning av gastrointestinala (GI) symtom, såväl som förbättrat språk, social interaktion och beteendesymtom.

I en 2-årig uppföljningsundersökning fann forskarna att deltagarna som fick MTT-behandling fortfarande upplevde färre GI-problem och en fortsatt förbättring av autismrelaterade symtom.

Forskare har också nyligen upptäckt ett möjligt samband mellan gener och tarmmikrobiomet.

En studie som publicerades tidigare denna månad fann att möss som saknar CNTNAP2, en gen kopplad till autism, har en ovanlig population av mikrober i sina tarmar. De uppvisade också några sociala beteenden som liknar dem som ses hos vissa autister.

När mössen behandlades med Lactobacillus reuteri, en vanlig bakterie som saknas i deras mikrobiom, och en stam av tarmbakterier som vanligtvis finns i vildtypmöss, förbättrades deras sociala beteenden.

Autism kan vara utmanande att upptäcka, särskilt hos mycket små barn. Forskning har visat att tidig diagnos och behandlingsinsatser kan leda till bättre långsiktiga resultat för autister.

På grund av detta arbetar forskarsamhället för att hitta innovativa diagnostiska metoder som kan hjälpa till att upptäcka denna neurotyp mycket tidigare.

Hörseltest kan vara ett sådant diagnostiskt verktyg. Forskare från Harvard Medical School i Boston, MA, och University of Miami analyserade data från auditiv hjärnstamsvar (ABR) hörseltest som rutinmässigt ges till spädbarn strax efter födseln i delstaten Florida.

Teamet matchade sedan uppgifterna till Florida Department of Educations register över de barn som senare fick diagnosen ett utvecklingstillstånd.

Resultaten visade att spädbarn som senare fick en ASD-diagnos hade långsammare hjärnreaktioner på ljud under sina ABR-tester vid födseln.

Denna studie visas i tidskriften Autismforskning .

Utredarna hoppas kunna genomföra fler studier för att avgöra om ABR-testet kan hjälpa till att känna igen autism i tidig ålder.

Ytterligare framsteg när det gäller att erkänna autism inkluderar ny forskning om biomarkörer.

När man analyserade data från Children’s Autism Metabolome Project (CAMP), fann ett team av forskare metabotyper associerade med autism hos 357 barn i åldern 18–48 månader.

Efter att ha optimerat dessa och tidigare upptäckta metabotyper till screeningtest upptäckte forskargruppen autism hos 53 % av deltagarna i CAMP-studien.

Studieförfattaren Elizabeth L. R. Donley från Stemina Biomarker Discovery i Madison, WI, berättade MNT:

"Vår metod för att förstå autismens biologi kommer att revolutionera hur vi diagnostiserar och behandlar autism. Autism diagnostiseras genom beteendebedömning, men det finns bakomliggande biologiska orsaker till störningarna i neuroutvecklingen som resulterar i autismens beteenden."

Donley sa att skillnaderna som hennes team har identifierat i metabolismen hos autistiska barn kan ge insikt i mer specifika behandlingsalternativ där det är nödvändigt.

"De första metaboliska subtyperna vi publicerade från vår kliniska studie, [CAMP], kan vara adresserbara med ett tillägg. Biologin för andra subtyper kan vara mål för läkemedel eller nya indikationer för befintliga läkemedel, " förklarade Donley.

Hon tillade, "[Vårt tillvägagångssätt identifierar var dysreglering sker i barnets biologi så att terapier som behandlar denna biologi kan prioriteras snarare än att bara prova allt och allt utan precision."

Forskargruppen har redan validerat de tre första av fem planerade paneler som kan identifiera subtyper av metabolism associerad med autism. De förväntar sig att validera de återstående panelerna i år och påbörja den första kliniska studien av en parad terapi.

Med prevalensen av autism på uppgång, fortsätter forskare att avslöja vilka faktorer som är associerade med denna neurotyp.

Deras förhoppning är att, när de väl identifierat orsaksfaktorer, kan forskarna utveckla screeningtest för tidigare upptäckt och mer riktade behandlingar för symtom och hälsotillstånd relaterade till autism.

Samtidigt varnar ideella organisationer som drivs av autister, såsom Autistic Self Advocacy Network (ASAN), för att betrakta autism i sig som något som ska "behandlas" eller "botas".

ASAN säger att "[de flesta] självförespråkare är överens om att autism inte behöver botas. Istället för att slösa tid och pengar på något som inte är möjligt och som autister inte vill, borde vi fokusera på att stödja autister att leva bra liv.”

"Det viktigaste", tillägger ASAN, "är att all terapi ska hjälpa autister att få det vi vill ha och behöver, inte vad andra tror att vi behöver. Bra terapier fokuserar på att hjälpa oss att räkna ut våra mål och arbeta med oss ​​för att uppnå dem.”


CRISPR-kriget rasar inuti bakterier

(Inside Science) -- CRISPR-Cas-systemet är ett mycket noggrant genredigeringsverktyg som gentekniker har antagit från bakterier. Ingenjörerna använder den för att skapa genetiskt modifierade organismer och till och med behandla genetiska sjukdomar. Men människor är inte de första som anpassar detta system för sina egna syften - inuti bakterier har CRISPR tagits med i den pågående kampen mellan fritt flytande ringar av DNA i en bakteries cell, som kallas plasmider.

CRISPR-Cas-systemet utvecklades i bakterier och en annan typ av encelliga organismer, kallade archaea, som ett adaptivt immunsystem för att bekämpa inkräktare som virus. Det liknar hur våra antikroppar skyddar oss. Den registrerar den genetiska signaturen från tidigare inkräktare och använder den för att känna igen nya och hackar sedan inkräktarens arvsmassa i bitar. Systemet som vanligtvis används i laboratorier av geningenjörer kallas CRISPR-Cas9, men det finns dussintals andra varianter.

En av dessa varianter, känd som typ IV, har till stor del ignorerats av forskare, säger Rafael Pinilla-Redondo, mikrobiolog vid Köpenhamns universitet, eftersom den är sällsynt och saknar några av nyckelkomponenterna som skulle göra den intressant och användbar till gentekniker. Men Pinilla-Redondo och några andra är fascinerade av det, eftersom det inte finns i bakteriernas huvudgenom, utan på plasmider, som är oberoende DNA-rester som fungerar lite som parasiter, som finns inuti bakterierna och använder den cellulära bakterien. maskiner för att replikera och sprida.

"Det var ett tecken för mig att gräva djupare", sa han.

Pinilla-Redondo och hans kollegor minade databaser för allt de kunde hitta om de genetiska sekvenserna av typ IV CRISPR. De identifierade flera nya undertyper och rekonstruerade systemets evolutionära historia. Och de hittade något spännande.

"Vi fann att i motsats till nästan alla andra CRISPR-system, som riktar sig mot virus, riktar typ IV sig mot andra plasmider", säger Pinilla-Redondo. "Vi föreslår att det används i plasmid-mot-plasmidkrigföring inom bakterierna."

Även om plasmider ibland ger fördelar för sina värdbakterier - de är ett av sätten som bakterier kan få resistens mot antibiotika, till exempel - använder de fortfarande bakteriernas resurser. För många plasmider i en bakterie kan överbelasta dess cellulära maskineri och så småningom döda den.

"Allt i naturen tävlar om begränsade resurser och utrymme", sa Pinilla-Redondo. "Den största konkurrenten för plasmider är andra plasmider, så de behövde hitta sätt att eliminera konkurrensen."

Andra forskare har gått längre än Pinilla-Redondos databastrålningsarbete. Ryan Jackson, en biokemist vid Utah State University, i Logan, var den första som direkt i experiment på bakterier visade att typ IV-systemet kan försvara sig mot och rensa andra plasmider från värden. Men det finns fortfarande många obesvarade frågor, säger han.

För det första är typ IV-systemet konstigt. Det har inget nukleas - proteinet som faktiskt skär upp DNA. Så det är inte klart hur det faktiskt attackerar motsatta plasmider. Den har en helikas - ett protein som lindar upp DNA - vilket verkar vara viktigt. Så Jackson och Pinilla-Redondo spekulerar båda att det kanske är mer sannolikt att det går sönder naturligt av att varva ner DNA:t, eller så kanske helikasproteinet bara kommer i vägen för DNA-replikeringsmaskineriet och stoppar det döda. Men det finns inga bra bevis än.

För det andra saknar CRISPRs av typ IV det maskineri som används för att plocka upp och lagra delar av det invaderande genomet som fungerar som mugshots för att identifiera framtida inkräktare. Istället verkar det låna en del av värdbakteriernas CRISPR-maskineri för att göra detta, men den exakta mekanismen är oklart.

"Vi vet inte riktigt vad som händer," sa Jackson. "Det är ett stort mysterium."

Virus har också visat sig använda CRISPR för att slå ner cellulärt försvar, och megavirus har också sina egna CRISPR-system för att attackera celler och andra virus. Det verkar som att CRISPR är ett populärt och effektivt vapen i den mikrobiella världen. "Det är mycket selektivt tryck i den här kapprustningen", sa Jackson. "Plasmider, virus och bakterier vill alla hitta något som ger dem ett försprång."

Typ IV-systemet kan visa sig vara användbart för människor också. Eftersom plasmider är ett av de viktigaste sätten att bakterier plockar upp och delar antibiotikaresistensgener, är det möjligt att forskare kan hitta ett sätt att använda det för att bekämpa spridningen av resistens genom att attackera plasmiderna som bär det.

"Vi vet att dessa system har utvecklats för att bekämpa andra plasmider, så de är förmodligen ganska bra på det", säger Pinilla-Redondo. "Om de är bättre än andra sätt att bekämpa motstånd får vi ta reda på."


Komplett genomsekvens av den fakultativa anaeroba magnetotaktiska bakterien Magnetospirillum sp. stam AMB-1

Magnetospirillum sp. stam AMB-1 är en gramnegativ alfa-proteobakterie som syntetiserar magnetiter i nanostorlek, kallade magnetosomer, inriktade intracellulärt i en kedja. Potentialen för detta material i nanostorlek växer och kommer att kunna tillämpas på breda forskningsområden. Det har förväntats att genomanalys skulle belysa mekanismen för magnetosombildning av magnetiska bakterier. Här beskriver vi genomet av Magnetospirillum sp. AMB-1 vildtyp, som består av en enda cirkulär kromosom på 4967148 bp. För identifiering av gener som krävs för magnetosombildning utfördes transposonmutagenes och bestämning av magnetosommembranproteiner. Analys av ett icke-magnetiskt transposonmutantbibliotek fokuserade på tre okända gener från 2752 okända gener och tre gener från 205 signaltransduktionsgener. Partiell proteomanalys av magnetosommembranet visade att membranet innehåller många oxidations-/reduktionsproteiner och en signalsvarsregulator som kan fungera i magnetotaxi. Således analyserades oxidations-/reduktionsproteiner och utarbetade multidomänsignaleringsproteiner. Denna omfattande genomanalys kommer att möjliggöra upplösning av mekanismerna för magnetosombildning och tillhandahålla en mall för att bestämma hur magnetiska bakterier upprätthåller en artspecifik, nanostor, magnetisk enskild domän och paramagnetisk morfologi.


Titta på videon: Genetik för nybörjare (Juli 2022).


Kommentarer:

  1. Devron

    Jag skulle vilja prata med dig.

  2. Mashakar

    Du har fel. Skriv till mig i PM, vi pratar.

  3. Ardel

    Eh. Goosebumps har redan gått.

  4. Caedon

    Ganska rätt! Idé bra, det håller med dig.

  5. Agnimukha

    Underbar, mycket användbar information

  6. Chauncey

    Det håller med om att denna lysande idé är nödvändig just förresten

  7. Tojin

    Det är den helt enkelt magnifika frasen



Skriv ett meddelande