معلومة

كيف يمكنك معرفة ما إذا كان الجين المشفر للبروتين نوويًا أم ميتوكوندريا؟

كيف يمكنك معرفة ما إذا كان الجين المشفر للبروتين نوويًا أم ميتوكوندريا؟


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.

جديد في مجال الجينات ، وعليه قراءة الأدب للعثور على الجينات المرشحة لدراسة معينة. لا أستطيع طوال فترة فهمي إذا تم تصنيف جميع الجينات إما في فئة "النووية" أو "الميتوكوندريا" ... هل هناك المزيد من الفئات؟ بعضها سهل ، مثل جينات الوحدة الفرعية السيتوكرومية تُكتب دائمًا باسم "ميتوكوندريا" ثم تتم كتابة رودوبسين على أنها نووية ... لكن الجينات الأخرى مثل ATPase وما إلى ذلك ليس لديها تلك الأوصاف. عندما أقوم بإجراء مزيد من البحث على الإنترنت ، لا يزال الأمر غير واضح ، لذلك أتساءل الآن عما إذا كان هناك المزيد من الفئات لهذا؟


لقد حددت إجابتي للإشارة إلى البشر ، لكن النصيحة تعمم على الخلايا حقيقية النواة الأخرى.

في الخلايا البشرية ، توجد جميع الجينات التي ترمز للبروتينات تقريبًا في الجينوم الموجود في النواة. تمتلك الميتوكوندريا مادتها الجينية الخاصة بها ، ومع ذلك ، فإن جينات الميتوكوندريا تشفر فقط 14 بروتينًا. تشير الإجابة على هذا السؤال أيضًا إلى وجود DNA دائري خارج الصبغيات. هناك أيضًا عدد من البروتينات (1192) التي تم التحقق من وجودها ولكن موقعها الجينومي غير مؤكد حاليًا.

ذكرت في تعليقاتك ATP1 ولاحظت أنها كذلكيسمى بروتين الغشاء.ال الجين يقع على الكروموسوم 19 في النواة. ال بروتين، يتم ترميزها بواسطة الجينيمكن العثور عليها في أماكن مختلفة ، بما في ذلك النواة والميتوكوندريا أيضًا. يتم ترميز الجين الخاص بالوحدة الفرعية 1 Cytochrome c أوكسيديز (CO1 / COX1) في جينوم الميتوكوندريا ويتم توطينه في الغشاء الداخلي للميتوكوندريا.

جميع الروابط في هذه الإجابة تشير إلى Uniprot. هذا ما أستخدمه للحصول على فكرة عن الوظائف الأساسية للبروتينات. تتضمن قاعدة البيانات جينات المعلومات ولكن الغرض الأساسي منها هو وصف البروتينات ووظائفها. المعلومات صحيحة تقريبًا ، ليست مثالية. يتضمن العديد من الأنواع ويرتبط بعدد من الأدوات ، بما في ذلك علم الوجود الجيني الذي يحاول توصيف البروتينات باستخدام مفردات محكومة.


هندسة جينات الميتوكوندريا الجديدة لاستعادة وظيفة الميتوكوندريا (MitoSENS)

تؤدي الميتوكوندريا وتدعم العديد من الوظائف الحيوية في الخلية ، ويلعب الجينوم البديل ، mtDNA ، دورًا مهمًا في صيانة العضية. هناك أدلة متزايدة على أن وظيفة الميتوكوندريا تتدهور مع تقدم العمر ، وأن الميتوكوندريا المختلة تساهم بشكل سلبي في العديد من الأمراض الأيضية والعصبية العضلية. هدفنا هو معالجة الأخطاء المكتسبة بالعمر والخلقية للطفرة في mtDNA باستخدام نهج العلاج الجيني. نحن نستكشف:

  1. التعبير التآصلي (التعبير عن جينات mtDNA من النواة) ، و
  2. استبدال العضيات الكاملة

كاستراتيجيات لتنشيط وظيفة الميتوكوندريا. يستخدم نهجنا متعدد التخصصات ثقافة الخلية ونماذج الماوس لتحقيق أهدافنا.


ملخص eLife

تشبه الميتوكوندريا بطاريات خلايانا فهي تؤدي المهمة الأساسية لتحويل العناصر الغذائية إلى طاقة كيميائية. تعتمد الخلية على الميتوكوندريا الخاصة بها من أجل بقائها ، لكنها ليست بالكامل تحت سيطرة الخلية. تمتلك الميتوكوندريا الحمض النووي الخاص بها ، المنفصل عن الحمض النووي للخلية المخزن في النواة. يحتوي على عدد قليل من الجينات التي تحمل رمز بعض البروتينات المهمة اللازمة لإنتاج الطاقة.

تصنع هذه البروتينات في الميتوكوندريا نفسها ، ويتم تعديل مستوياتها لتلبية احتياجات الخلية الحالية من الطاقة. للقيام بذلك ، تقوم الميتوكوندريا بعمل نسخ من جيناتها وتغذي هذه النسخ في آلية إنتاج البروتين الخاصة بها. من خلال التحكم في عدد نسخ الجينات التي يصنعونها ، يمكن للميتوكوندريا التحكم في كمية البروتين التي تنتجها. لكن العملية لها عدة خطوات. تأتي النسخ في شكل جزيء يشبه الحمض النووي يسمى RNA ، وفي البداية ، تحتوي على عدة جينات متصلة الواحدة تلو الأخرى. للوصول إلى كل جين ، تحتاج الميتوكوندريا إلى تقطيعها. ثم يقومون بمعالجة الأجزاء ، وضبط عدد نسخ كل جين. تحدث هذه العملية - التي تسمى التعبير الجيني - في الميتوكوندريا ، لكنهم لا يستطيعون القيام بذلك بمفردهم ، فهم بحاجة إلى بروتينات مشفرة داخل الحمض النووي في نواة الخلية.

يمكن أن تؤثر الجينات في نواة الخلية على التعبير الجيني في الميتوكوندريا ، مما يؤدي إلى تغيير مصدر طاقة الخلية. لا يعرف العلماء بعد كل الجينات المعنية ، أو كيف يمكن أن يختلف ذلك بين الأنسجة المختلفة أو بين الأفراد المختلفين. لمعرفة ذلك ، علي وآخرون. فحص أكثر من 11000 سجل لتسلسل الحمض النووي الريبي من 36 خلية وأنسجة بشرية مختلفة ، بما في ذلك الدم والدهون والجلد. كشف هذا عن قدر كبير من الاختلاف في التعبير عن جينات الميتوكوندريا. تغيرت الطريقة التي عالجت بها الميتوكوندريا جيناتها في خلايا مختلفة وفي أشخاص مختلفين. لمعرفة الجينات في النواة المسؤولة عن الاختلافات في الميتوكوندريا ، كانت الخطوة التالية هي مقارنة مستويات الحمض النووي الريبي من الميتوكوندريا مع تسلسل الحمض النووي في النواة. وذلك لأن التغييرات في تسلسل الحمض النووي بين مختلف الأشخاص - تسمى المتغيرات الجينية - يمكن أن تؤثر أيضًا على كيفية عمل الجينات وكيفية التعبير عنها. كشفت هذه المقارنة عن 64 متغيرًا جينيًا من الحمض النووي في نواة الخلية مرتبطة بالتعبير عن الجينات في الميتوكوندريا. كان لبعض هؤلاء صلة معروفة بالمتغيرات الجينية المرتبطة بأمراض مثل حالة الجلد البهاق أو ارتفاع ضغط الدم.

لذلك ، على الرغم من احتواء الميتوكوندريا على الحمض النووي الخاص بها ، إلا أنها تعتمد على جينات من نواة الخلية لتعمل. يمكن للتغييرات في الجينات في النواة أن تغير الطريقة التي تعالج بها الميتوكوندريا شفرتها الجينية. إن فهم كيفية تفاعل هاتين المجموعتين من الجينات يمكن أن يكشف كيف ولماذا تسوء الميتوكوندريا. يمكن أن يساعد هذا في البحث المستقبلي في أمراض مثل أمراض القلب والسرطان.


الحمض النووي للميتوكوندريا في السرطان: جينوم صغير ، تأثير كبير

Mitochondria Credit: Cancer Research UK

تعتبر الميتوكوندريا رواجًا ، حيث يتنوع المخلصون من علماء فيزيولوجيا التمرين وعلماء الرياضة إلى علماء الأحياء الجزيئية والأطباء الذين يتحدون جميعًا حول هذه العضيات غير العادية.

نظرًا لموقعها كمحور استقلابي وحيوي ، فضلاً عن دورها المركزي في التحكم في موت الخلايا ، تعد الميتوكوندريا أيضًا مجالًا يركز عليه العديد من علماء السرطان. ومع ذلك ، فإن أحد الجوانب الأساسية لبيولوجيا الميتوكوندريا في السرطان لا يزال غير مكتشفة الحمض النووي للميتوكوندريا (mtDNA).

قطعة مميزة جسديًا وراثيًا من الحمض النووي تنتقل عبر الأجيال عبر خط الأم ، mtDNA موجود فقط داخل الميتوكوندريا. كشف العمل الأخير من مختبري في معهد بيتسون لأبحاث السرطان في المملكة المتحدة ، بالتعاون مع العلماء في مركز ميموريال سلون كيترينج للسرطان في الولايات المتحدة بقيادة الدكتور إد ريزنيك ، عن تأثير الطفرات الجوهرية في mtDNA في السرطان. يمكن أن يؤدي فهم هذا إلى تقديم مؤشرات جديدة للتشخيص بالمرض وتوفير تركيز جديد للعلاجات المستقبلية.

الميتوكوندريا - لغز عبر المملكة

على المستوى الجزيئي ، يتم تجميع مكونات الميتوكوندريا في الثدييات من الفيروسات والبكتيريا وحقيقيات النوى. على هذا النحو ، فإن العضية التي نراها في الخلايا البشرية اليوم هي خليط عبر المملكة لا يشبه تمامًا أي من أسلافه.

mtDNA البشري هو جينوم صغير ، طوله 16.569 زوجًا أساسيًا فقط. تمشيا مع أسلافه البكتيري ، فإن mtDNA هو أيضًا دائري ومتعدد النسخ - مع وجود مئات إلى آلاف النسخ في كل خلية. mtDNA مضغوط وراثيًا للغاية ويشفر 13 بروتينًا فقط ، وكلها وحدات فرعية أساسية لمجمعات الفسفرة المؤكسدة (OXPHOS).

تعتبر مجمعات OXPHOS ، الموجودة فقط داخل الميتوكوندريا ، فريدة من نوعها في علم الأحياء البشري لأنها الهياكل الخلوية الوحيدة المكونة من البروتينات المشفرة بواسطة جينات من الجينومين المنفصلين. يوفر الحمض النووي النووي حوالي 90 ٪ من البروتينات المطلوبة لـ OXPHOS ، ويوفر mtDNA نسبة 10 ٪ المتبقية.

الميتوكوندريا والمرض: تاريخ مشحون

من خلال عملية OXPHOS ، يتراكم التدرج الكهروكيميائي في الميتوكوندريا ، مما يتسبب في أن تصبح داخل الميتوكوندريا سالبة الشحنة. يتم بعد ذلك تسخير هذا الاختلاف النسبي في الشحنة بواسطة أجزاء من آلية OXPHOS لإنتاج جزيئات نشطة قابلة للاستخدام ، ولكن جميع وظائف الميتوكوندريا الأخرى تقريبًا ، غير المرتبطة بـ OXPHOS ، تتطلب أيضًا هذه الحالة المشحونة للعمل. بدونها ، تبدأ سلائف ونواتج التفاعلات التي تحدث في الميتوكوندريا بالتراكم على الجوانب الخاطئة لأغشية الميتوكوندريا ، ولا يمكن نقلها كالمعتاد بسبب الاتزان الكهروكيميائي للعضية. ينتج عن هذا أشكال مختلفة من الخلل الأيضي ، وهي السمة المميزة لأمراض الميتوكوندريا النادرة التي تحدث عندما يولد الأفراد بطفرات في الحمض النووي المتقدري لديهم. بشكل عام ، تؤدي هذه الطفرات إلى تحول في التمثيل الغذائي نحو زيادة استخدام الجلوكوز وهو حل كيميائي حيوي قصير المدى للمشكلة الأساسية التي تؤدي غالبًا إلى مرض شديد.

الآن ، OXPHOS ليس الطريقة الوحيدة لتوليد الطاقة ولبنات البناء للخلايا. لقد بذلت جهود ضخمة لأبحاث السرطان في تفصيل الطرق التي يمكن من خلالها إعادة توصيل الخلايا السرطانية للبقاء على قيد الحياة والخضوع لنمو سريع للخلايا.

واحدة من هذه التغييرات الأيضية هي ظاهرة نوقشت كثيرًا تُعرف باسم تأثير واربورغ ، حيث تولد الأورام كميات كبيرة من اللاكتات عن طريق تفضيل استخدام الجلوكوز كمصدر للوقود ، على الرغم من وجودها في ظروف يمكن أن تلتقط فيها الميتوكوندريا الركود. اقترح أوتو واربورغ ، والعديد منذ ذلك الحين ، أن التمثيل الغذائي المتغير المرتبط بهذا التأثير ، والأشكال الأخرى من الخلل الوظيفي الأيضي ، هي المحرك لبدء السرطان وتطوره. ومع ذلك ، لم يتم التوصل إلى توافق في الآراء بشأن هذا الرأي في مجتمع أبحاث السرطان وغالبًا ما يُنظر إلى هذه التغييرات الأيضية على أنها نتيجة للسرطان وليست سببًا محتملاً.

في ضوء التطورات الأخيرة ، قد يحتاج هذا الرأي إلى التطور. في حين أن الأدلة القصصية لطفرات mtDNA الناشئة في الأورام كانت موجودة منذ ما يقرب من عقدين من الزمن ، في السنوات الخمس الماضية أو نحو ذلك ، خلصت العديد من الدراسات باستخدام بيانات التسلسل واسعة النطاق إلى أن ما يقرب من 60 ٪ من الأورام تحمل طفرات في mtDNA (1،2،3). في حين أن هذه الدراسات افتقرت إلى القوة الإحصائية والرؤية السريرية ، فإن مثل هذه الروابط الواضحة بين المصدر الوفير للغاية والمعقول لخلل وظائف الميتوكوندريا والسرطان لم تكن موجودة من قبل. كان هناك إغراء متزايد بين البعض للنظر إلى هذه الأورام على أنها مجموعات معزولة من الخلايا المصابة بالسرطان وأمراض الميتوكوندريا الشديدة.

في بحث نُشر مؤخرًا في استقلاب الطبيعةمختبري وزملائي من مركز ميموريال سلون كيترينج للسرطان ، يوضحون بالتفصيل الأنماط الكامنة وراء طفرات mtDNA ، وتأثيرات هذه الطفرات على الأورام والآثار السريرية لذلك على مرضى سرطان القولون والمستقيم (CRC). بالاتفاق مع الدراسات السابقة ، وجدنا أن حوالي 60٪ من الأورام تحتوي على طفرة أو أكثر من mtDNA. وجدنا أيضًا طفرات شديدة التكرار تحدث في جميع الأورام عند امتدادات معينة من الحمض النووي حيث تتكرر قاعدة DNA واحدة ، تُعرف باسم البوليمر المتجانس. هذا مهم لأن التكرار هو مؤشر على الضغط الانتقائي - فهو يشير إلى أن الطفرة تمنح ميزة للسرطان.

حسبنا أيضًا معدل طفرة مقارن لجميع الجينات المعروفة المرتبطة بالسرطان ، والتي تضمنت جينات mtDNA. والمثير للدهشة أن هذا قادنا إلى استنتاج مفاده أن جينات mtDNA هي من بين الجينات الأكثر تحورًا في جميع أنواع السرطان ، حيث يتم تشفير 25 من أصل 30 جينة متحولة في mtDNA. في حين أن مقارنة mtDNA والحمض النووي النووي لها حدودها - يمكن للفهم النسبي لهذه الطفرات أن يمنحنا إحساسًا بالسياق والتناسب عند التفكير في جينات السرطان. بالإضافة إلى ذلك ، أظهرنا أن العبء الطفري في mtDNA لا علاقة له بالعبء الطفري في النواة. هذا مهم ، لأن العبء الطفري للحمض النووي النووي في العديد من الأورام يرتبط باستجابتها ، من بين أمور أخرى ، للعلاجات الموجهة للمناعة. من السهل أن نرى كيف يمكن تسخير الحالة الطفرية للميتوكوندريا لتخصيص مثل هذه العلاجات بشكل أفضل ، إذا لم تسمح بتطوير علاجات مناعية تستهدف الميتوكوندريا والتي قد يكون لها مزايا على أهداف العلاج المناعي الحالية. ومن المثير للاهتمام ، أننا رأينا أن عبء الطفرات في mtDNA قد انتشر بشكل غير متساوٍ عبر مجمعات OXPHOS. يلمح هذا إلى كيف يمكن للأورام أن تسخر أشكالًا معينة من الخلل الوظيفي في الميتوكوندريا ، بينما تكافح من أجل البقاء مع الآخرين ويمكن أن تفيد في الأساليب العلاجية المستقبلية.

تمنح الطفرات فائدة للبقاء على قيد الحياة

لا تظهر الطفرات التي اكتشفناها في mtDNA في وقت متأخر من تطور الورم ولكنها موجودة في أورام المرحلة 1 بمعدل مماثل لأورام المرحلة 3. كما أنها تسبب تغييرًا واضحًا في طريقة التعبير عن الحمض النووي للخلية السرطانية. ارتبطت الزيادات في جينات OXPHOS المشفرة نوويًا والنقصان في الجينات المرتبطة بالمناعة الفطرية بطفرات mtDNA المتنوعة عبر جميع أنواع السرطان التي تمت دراستها تقريبًا. الأهم من ذلك ، وجدنا فائدة كبيرة للبقاء على قيد الحياة لمرضى CRC الذين تحمل أورامهم طفرات mtDNA ، مع انخفاض خطر الوفاة بنسبة 57-93 ٪ لغالبية هؤلاء في هذه الفئة.

يحتمل أن يحمل هذا آثارًا فورية كبيرة على رعاية مرضى CRC ، ومع ذلك ، فإنه يثير أيضًا العديد من الأسئلة الأخرى: هل سيظهر هذا التأثير في أنواع السرطان الأخرى أم فقط CRC؟ ما هي الفروق الدقيقة بين mtDNA mutant و non-mutant cancer ، فيما وراء تغيرات mtDNA؟ هل تعمل بعض طرق العلاج لهؤلاء المرضى بشكل أفضل أم أسوأ بسبب هذا؟ وبعيدًا عن هذه الأسئلة المحددة والمباشرة ، هل تسبب طفرات الحمض النووي الميتوكوندري في الواقع أو تجعل الخلايا سرطانية ، وكيف تم إغفال ذلك لفترة طويلة؟

يجب القيام بالكثير من الأعمال السريرية والمخبرية لمعالجة هذه المشكلات. ومع ذلك ، من الأسهل معالجة بعض القضايا. على سبيل المثال ، فيما يبدو الآن أنه خطأ كبير ، تم استبعاد mtDNA بشكل نشط من تحليل الأورام المتسلسلة كمسألة بالطبع ، ويرجع ذلك في الغالب إلى المشكلات الفنية التي تنشأ عند تضمين mtDNA في البيانات. هذا سبب مؤسف ولكن محتمل لإغفال علاقته بالسرطان.

في معظم تاريخ أبحاث السرطان ، ولسبب وجيه ، ركز العلماء بشدة على الحمض النووي النووي. أدت هذه الجهود إلى أن ينظر الكثيرون إلى السرطان على أنه مرض يصيب الجينوم ، وهو فهم تقترح اكتشافاتنا الحديثة أنه ينبغي توسيعه. السرطان: لم يعد مرض الجينوم ، بل مرض الجينوم.

جيمس ب ستيوارت وآخرون. رسم خرائط الحمض النووي والحمض النووي الريبي المتزامن لطفرات الميتوكوندريا الجسدية عبر سرطانات بشرية متنوعة ، علم الوراثة PLOS (2015). DOI: 10.1371 / journal.pgen.1005333

undefined غير محدد وآخرون. التوصيف الجزيئي الشامل لجينومات الميتوكوندريا في السرطانات البشرية ، علم الوراثة الطبيعي (2020). DOI: 10.1038 / s41588-019-0557-x


مناقشة

التطور الهيكلي لميتوجينوم أكرودونتان

في هذه الدراسة ، تم جمع التسلسلات الانقسامية من السلالات التمثيلية الرئيسية لـ Acrodonta لتوفير فرصة لمقارنة الهياكل الانقسامية بين ثلاث عائلات إغوانية. كانت الانقسام الخيطي Iguanid متحفظة للغاية مع عدم وجود إعادة ترتيب للجينات. يبدو أيضًا أنها تطورت بشكل أبطأ بكثير من نظيراتها العجمية والحرامية كما تم الحكم عليها من أطوال الفروع القصيرة نسبيًا داخل Iguanidae (الشكل 3). من ناحية أخرى ، فإن ميتوجينومات أكرودونتان (خاصة agamid) لها اتجاه مختلف تمامًا مع إعادة ترتيب الجينات العرضية وزيادة معدلات التطور الجزيئي.

في الشكل 5 ، تم تعيين الأنساب المحتملة لعمليات إعادة التنظيم الانقسامية الموصوفة هنا على طول نسالة المنشأ بناءً على معيار البخل. على الرغم من أن الميتوجينومات agamid لها العديد من الأمثلة على إعادة ترتيب الجينات ، إلا أنه يمكن تخصيص معظمها لسلالات معينة دون تغييرات متوازية متعددة ، مما يدعم الندرة والطبيعة الأقل تشابهًا في إعادة ترتيب الجينات الميتوكوندريا [22]. التغيير المثلي الوحيد الممكن هو انتقال جين tRNA Pro من الجانب 5 'إلى 3' من CR في كل من Agaminae و Chamaeleonidae. ومع ذلك ، يتم وضع جينات tRNA Pro في هذه الأصناف في سياق جينومي مختلف نوعًا ما ، أي أن التسلسلات المجاورة المكونة من نوعين من التسلسلات الغنية بـ AT موجودة دائمًا في الحرباء (الشكل 2). هذا يدعم أن عمليات نقل الجين tRNA Pro في agamines والحرباء نتجت عن أحداث مستقلة. علاوة على ذلك ، إذا حدث هذا الانتقال مرة واحدة في سلالة أسلاف مشتركة من Agaminae و Chamaeleonidae ، فيجب افتراض الانتكاسات المتعددة إلى الموقع الأصلي لجين tRNA Pro في العديد من سلالات agamid ، والذي يبدو غير مرجح (الشكل 5). لقد ثبت أن إعادة ترتيب الجينات حول CR تحدث بشكل مستقل في سلالات متعددة بواسطة آلية الازدواج والحذف المتعارف عليها [22].

حدوث تغيرات هيكلية ميتوجينية في سحالي أكرودون. تم افتراض السلالات التي حدثت عليها التغييرات الفردية بواسطة معيار البخل بناءً على إطار التطور الوراثي (الشكل 3) وتوزيعات الترتيبات الجينية في الأنواع الموجودة. انظر الشكل 1 للتغيرات الفعلية في الترتيبات الجينية. التغيير المضاد في جين tRNA Pro هو TGG إلى CGG (انظر النص).

على حد علمنا ، فإن عددًا قليلاً جدًا من الدراسات [38 ، 49] قد ميز التنظيم الهيكلي وتطور الـ CRs في الانقسام الخيطي السحالي. تُظهر الدراسة الحالية أن المنطقة التي تشمل الصناديق C و D و F تحتفظ بتشابه ملحوظ بين أكرودونتس وحتى بين مجموعات متنوعة من الفقاريات (ملف إضافي 1). من ناحية أخرى ، لا يبدو أن سجلات CR acrodontan تحافظ على CSB II في المجال 3 ولا تحتفظ agamids حتى بـ CSB III (ملف إضافي 1). هذا في تناقض حاد مع CRs للعديد من الإغوانيدات ، والجيكونيدات ، واللاكرتيدات التي تحافظ على الأعضاء الثلاثة من CSBs (الملف الإضافي 1 [38]) ، مما يقدم دليلًا آخر على الطبيعة الأكثر تحفظًا لميتوجينومات الإغوانيد من نظرائهم الأكرودونتان.

علاقات النشوء والتطور

كما هو موضح سابقًا ، أعيد بناء نسالة أكرودونتان في الأصل باستخدام البيانات المورفولوجية ، والتي تم تقييمها باستخدام البيانات الجزيئية باستخدام بعض متواليات الجينات الميتوكوندريا والنووية. تناولت الدراسة الحالية هذه المشكلة باستخدام أطول مجموعة بيانات جزيئية حتى الآن (9،386 نقطة أساس). كمقايضة لاكتساب عدد كبير من المواقع ، كان علينا التضحية إلى حد ما بعمق أخذ عينات الأصناف. وبالتالي من المهم تقييم أحاديات المجموعات الفردية من أجل تفسير نتائجنا فيما يتعلق بالعلاقات بين الأسرة أو العلاقات العامة.

لحسن الحظ ، قدمت الدراسات الجزيئية السابقة التي استخدمت عددًا من الأصناف ولكن عددًا أقل من المواقع دليلًا قويًا على عدد من الكليد في Agamidae و Chamaeleonidae. على سبيل المثال ، Honda et al. [12] ، ماسي وآخرون.[13] وعامر وكومازاوا [50] بقوة ، من حيث ارتفاع الحذاء أو قيم دعم الأشجار الأخرى ، اقترحت monophylies من Uromastycinae و Amphibolurinae و Draconinae و Agaminae داخل Agamidae. تحتوي الفصائل الفرعية المتبقية Leiolepidinae و Hydrosaurinae على أعداد محدودة من الأنواع الموجودة كما تم دعم أحادي بعض أنواع الليوليبيدين بشدة [13]. بالإضافة إلى ذلك ، فإن حدوث إعادة ترتيب الجينات الخاصة بالعائلة الفرعية (الشكل 5 [24 ، 25]) يتوافق مع أحاديات المجموعات المقابلة. داخل Chamaeleonidae ، دعمت الدراسات الجزيئية الحديثة باستخدام تسلسلات جينية متعددة [46 ، 51] أحاديات اثنين من الأجناس الستة التقليدية (أي ، بروكسيا وفورسيفر). باقي الأجناس التقليدية شامايليو, كالوما ، براديبوديون و رامفوليون قد يكون كل منها عبارة عن تجميع لعدد قليل من المجموعات أحادية النمط [14 ، 15 ، 46 ، 51] ولكن لم يتم الحصول على استنتاج نهائي بشأن علاقات التطور الخاصة بهم.

تدعم شجرتنا الانقسامية (الشكل 3) بشدة أحادي الطبقة من Agamidae بالنسبة إلى Chamaeleonidae (قيم 1.00 Bayes-PP و 100٪ ML-BP). هذه ليست قطعة أثرية بسبب ، على سبيل المثال ، جاذبية الفرع الطويل لأن جميع سلالات أكرودونتان يبدو أنها تمتلك معدلات تطورية جزيئية متسارعة بالنسبة للإغوانيدات (الشكل 3). لم تدعم التحليلات المورفولوجية (على سبيل المثال ، [7 ، 10]) وبعض التحليلات الجزيئية (على سبيل المثال ، [16 ، 41 ، 52]) الأحادي العجميد بينما فعلت الدراسات الجزيئية الأخرى (على سبيل المثال ، [13 ، 17 ، 53]). على الرغم من أن Agamidae قد تم اعتباره ميتاتاكسون في ظل الافتراض المبدئي لأحاديه [2 ، 3 ، 10] ، إلا أن هذا لم يعد ضروريًا في ضوء دليلنا الجزيئي القوي على أحادي العجميد.

قدمت البيانات Mitogenomic العلاقات المتداخلة subfamid agamid مع قيم دعم شجرة قوية بشكل عام (الشكل 3). تتوافق هذه العلاقات مع الشجرة الأكثر شحًا التي حصل عليها Macey et al. [13] باستخدام

1500 زوج من التسلسل الجيني للميتوكوندريا. ومع ذلك ، فإن النظرة المورفولوجية التقليدية تميل إلى الاتحاد أوروماستيكس و Leiolepis في كليد قاعدية (على سبيل المثال ، [3]). اقترح اختبار Kishino-Hasegawa (البيانات غير معروضة) أن هذه العلاقة الشقيقة لـ أوروماستيكس و Leiolepis غير محتمل ، على الرغم من عدم رفضه (ص = 0.275). تعتبر علاقة المجموعة الشقيقة لـ Agaminae و Draconinae مشتركة بين النتائج المورفولوجية [3] والجزيئية (الشكل 3).

كانت شجرتنا الانقسامية (الشكل 3) متوافقة مع الدراسات الجزيئية الأخرى [14 ، 46] فيما يتعلق بالتباعد الأساسي للجنس بروكسيا والتباعد اللاحق لـ رامفوليون + ريبليون مجموعة. ومع ذلك ، فإن هذه العلاقة التطورية لم تكن واضحة في تاونسند ولارسون [15] اللذين استخدما

1500 زوج قاعدي تسلسل الجينات الميتوكوندريا للاستدلال النشوء والتطور. أجرينا تحليلات Bayesian باستخدام متواليات جينات الميتوكوندريا المدمجة التي استخدمها Raxworthy et al. [14] و Townsend و Larson [15] والنتائج (البيانات غير معروضة) دعمت أيضًا معظم الاختلاف الأساسي في بروكسيا كما هو موضح في Townsend et al. [51]. بالرغم ان بروكسيا (الحرباء أوراق مدغشقر) و رامفوليون (حرباء الأوراق الأفريقية) تم تجميعها مرة واحدة في فصيلة فرعية مشتركة Brookesiinae [5] ، اقترحت دراسة مورفولوجية أخرى تعتمد على الخصائص العظمية [6] الاختلاف الأساسي لـ بروكسيا وحده. إذا أخذنا في الاعتبار معًا ، ولكن استنادًا في المقام الأول إلى سلالتنا الانقسامية (الشكل 3) ، فإننا نستنتج أن مدغشقر بروكسيا يمثل أقرب تبادل لاطلاق النار من الحرباء الموجودة.

monophyly الجنس التقليدي شامايليو تم اقتراحه بقوة من خلال التحليلات المورفولوجية القائمة على التشابك العصبي المتميز (على سبيل المثال ، أربع رولات في نصف القضيب) وتم دعمه لاحقًا من خلال دراسة جزيئية [14]. ومع ذلك ، وجدت دراسة جزيئية أخرى [15] حدوثًا منفصلاً للجنين الفرعيين (شامايليو و تريوسيروس) في سلالة الحرباء ، وإن كان ذلك مع القليل من التقييم الإحصائي لكونها غير أحادية. أظهرت أحدث دراسة جزيئية [46] دليلًا أقوى على فصل شامايليو و تريوسيروس، مع اقتراح ترقيتهم إلى أجناس متميزة. أظهرت تحليلاتنا الانقسامية (الشكل 3) ذلك Trioceros melleri يتم وضعه بشكل مميز من بين 6 ممثلين من شامايليو. رفض اختبار كيشينو هاسيغاوا (ص = 0.017) أفضل شجرة تم الحصول عليها عن طريق تقييد شامايليو + تريوسيروس أحادي (الشجرة 5 في الجدول 2 ، انظر أيضًا الملف الإضافي 2). لم يرفض اختبار Shimodaira-Hasegawa الأكثر تحفظًا (الجدول 2) هذه الشجرة ولكن احتمالها كان منخفضًا جدًا (ص = 0.137) ، مما يدعم الارتفاع الرسمي لـ شامايليو و تريوسيروس لأجناس متميزة [46].

إلى جانب نتائج اختبار بعض الفرضيات المحددة المستمدة من التحليلات المورفولوجية والجزيئية السابقة (الجدول 2) ، يبدو أن البيانات الانقسامية توفر مستوى معينًا من الدقة على سلالة الحرباء. على حد علمنا ، تجميع فورسيفر مع مجموعة من كالوما تحتوي جيم بارسوني (الشكل 3) لم تقترحه الدراسات السابقة. ولم يكن تجميع هذين التصنيفين مع تريوسيروس (تين. 3). إن تقييم هذه العلاقات الجديدة ، التي لم تتلق دعمًا قويًا للتمهيد (الشكل 3) ، ينتظر مزيدًا من أخذ عينات تصنيفية لبيانات الجينات الانقسامية و / أو النووية.

الجغرافيا الحيوية التاريخية

لم تفترض الدراسات السابقة حول الجغرافيا الحيوية التاريخية لـ Acrodonta بالضرورة monophylies لـ Agamidae و Iguanidae. وبالتالي ، فقد تم استخدام مصطلحات مثل أصول الإغوانا ، وأكرودونتا ، وأغاميداي بشكل مربك. قدمت هذه الدراسة أدلة قوية على monophylies من Agamidae و Iguanidae ، والتي يمكن من خلالها إعادة تقييم فرضيات الجغرافيا الحيوية السابقة. هنا ، نناقش الجغرافيا الحيوية أكرودونتان بناءً على الأدلة الجزيئية والحفرية والجيولوجية دون بداهة افتراض التناوب أو التشتت (انظر الشكل 6).

الجغرافيا الحيوية التاريخية لسحالي أكرودون بناءً على الأدلة الجزيئية والحفرية والجيولوجية. تم عرض خرائط جغرافية قديمة في ستة أوقات مختلفة [63] حيث تم توضيح فرضية حول أصل ومسارات الهجرة للعجامات (الأحمر) والحرابيون (الأزرق). أقدم السجلات الأحفورية لأكرودونتس والحرباء هي ، على التوالي ، أوائل العصر الجوراسي الأوسط (165-200 MYA) بهاراتواجاما من تكوين كوتا الهند [61] والميوسيني (

26 سنة) Chamaeleo caroliquarti من بوهيميا [64]. تم العثور على حفريات Acrodont من Priscagamidae من Aptian-Albian (100-120 MYA) و Campanian (

80 MYA) آسيا الوسطى ومنغوليا [43 ، 54 ، 55]. أحفورة أخرى من أكرودونت لسحلية مزلقة شيانغ لونغ تم العثور عليها من أوائل العصر الطباشيري في الصين [56].

كانت هناك فرضيتان رئيسيتان حول أصل Acrodonta ، أي حيث كان أحدث سلف مشترك لـ Agamidae و Chamaeleonidae إما Laurasian أو Gondwanan. أدى حدوث أحافير أكرودونتان بريسكاجاميد (وحتى بلورودونت إيغوانيان) من منتصف أواخر العصر الطباشيري في آسيا (الشكل 6.3) بعض الباحثين إلى افتراض الأصل اللوراسي (بشكل أكثر تحديدًا في آسيا الوسطى أو المنغولية) لإغوانا وأكرودونتا (على سبيل المثال ، [54 ، 55] ). تقرير حديث عن سحلية مزلقة أكرودون (شيانغ لونغ) من أوائل العصر الطباشيري في الصين [56] قد تدعم هذه الفكرة أيضًا. يتم توزيع السحالي العجمية الموجودة في المقام الأول في أوراسيا ولكن بعضها يحدث في أستراليا وأفريقيا. تتوافق السلالات الجزيئية الحديثة ([12 ، 25 ، 50 ، 57] ولكن انظر [13 ، 58]) مع وجهة نظر مفادها أن Agamidae الموجودة نشأت من آسيا وأن بعض السلالات المنحدرة (على سبيل المثال ، Amphibolurinae و Uromastycinae) تشتت إلى أستراليا وأفريقيا خلال أوقات حقب الحياة الحديثة عندما كانوا مرتبطين جغرافياً بأوراسيا أو بالقرب منها. من ناحية أخرى ، هناك اتفاق جيد في الجندوان (وبشكل أكثر تحديدًا مدغشقر أو أفريقي) أصل الحرباء الموجودة [5 ، 6 ، 14 ، 59]. مجتمعة ، فإن الأصل Laurasian من Acrodonta يتطلب التشتت عبر المسافات الطويلة لأسلاف الحرباء من أوراسيا إلى مدغشقر / أفريقيا.

اقترح Estes [60] أصل الجندوان للإغوانا بناءً على بعض الأدلة الأحفورية والتباعد الأساسي للإغوانا من Scleroglossa ، وهو أمر لا يمكن الدفاع عنه من قبل السلالات الجزيئية الحديثة. ماسي وآخرون [13] استخدم علم التطور الجزيئي للدفاع عن أصل الجندوان لـ Acrodonta واقترح أن السلالات الرئيسية من acrodontan تباعدت بشكل متعاقب و / أو هاجرت إلى نصف الكرة الشمالي عن طريق الصفائح التكتونية (أي اصطدام شبه القارة الهندية أو غيرها من الكتل الأرضية الجندوانية إلى أوراسيا). على الرغم من أن دراسة جزيئية حديثة [17] قد دعمت أيضًا الإشعاع خارج الهند لعائلة فرعية Agaminae ، فإن دراسات جزيئية أخرى [25 ، 50 ، 57] شككت في بديل الجندوان أو الهجرات المتعددة باتجاه الشمال لبعض السلالات على الأقل (على سبيل المثال ، Amphibolurinae و Uromastycinae).

في الآونة الأخيرة ، ألقت بعض الأدلة الأحفورية الضوء على هذه المسألة. بهاراتاجاما من تشكيل كوتا الجوراسي الأوسط المبكر في الهند (الشكل 6.2) يمثل أقدم سجل لإغوانيان أكرودونتي المبكرة [61]. قد يدعم هذا السجل الأحفوري الأصل الجندواني للأكرودونتس [47 ، 61]. إذا كانت أكرودونت قد نشأت بالفعل من Gondwanaland ، فإنها تتوافق مع أصل Gondwanan المحتمل لـ Iguanidae سينسو لاتو ([18] المراجع فيه) ولكن أسلاف agamids الموجودة ، والتي كان من المفترض أن تكون في آسيا (انظر أعلاه) ، قد تحتاج إلى الهجرة من نصف الكرة الجنوبي إلى النصف الشمالي من خلال الانتشار عبر النقل البحري.

اقترحت الدراسة الحالية (الشكل 4) أن Agamidae و Chamaeleonidae هما أحادي النمط وأنهما تباعدا عن بعضهما البعض في منتصف العصر الطباشيري (96-122 MYA) على الرغم من أن التأريخ الجزيئي المستقل باستخدام الجينات النووية اقترح تواريخ أصغر إلى حد ما حول 85 MYA [42) ]. أظهر Okajima و Kumazawa [18] سابقًا أن الفجوة الملموسة في وقت الاختلاف المقدر لإغوانيدات الأوبلورين بين متواليات الجينات الميتوكوندريا [18] والنووية [62] يمكن أن تكون بسبب عوامل متعددة ، مثل الاختلافات في طوبولوجيا الأشجار والقيود الزمنية المفترضة لكل دراسة ، خاصية البيانات الجوهرية لمتواليات الميتوكوندريا والنووية ، وسجلات أحافير الحرشفية الضعيفة نسبيًا [47] التي يمكن استخدامها لتقييد اختلافات الحرشفات الداخلية بدقة.

على الرغم من هذه الدقة المنخفضة نوعًا ما في تقدير الوقت ، فإن نتائج التأريخ الجزيئي (الشكل 4 [42]) تشير باستمرار إلى أن Agamidae و Chamaeleonidae قد تم فصلهما بعد تفكك الجوراسي الأوسط والمتأخر لـ Pangea إلى Laurasia و Gondwanaland (الشكل 6.2) ) وعندما تم تفتيت القارتين الفائقتين الأخيرين بشكل أكبر بواسطة الصفائح التكتونية [63]. تشير البيانات الجيولوجية إلى أن الهند ومدغشقر انجرفتا من جوندوانالاند في أوائل العصر الطباشيري (120-130 MYA) (الشكل 6.3) وانفصلا عن بعضهما البعض في أواخر العصر الطباشيري (

90 MYA) (الشكل 6.4) [63]. ثم انتقلت الهند شمالًا وتراكمت في أوراسيا من العصر الطباشيري الأحدث إلى العصر الأيوسيني (الشكل 6.5) [63].

بافتراض أصل Gondwanan لـ Acrodonta ، فإن نتائج التأريخ الجزيئي (96-122 MYA من الشكل 4 و

85 MYA من [42] لتباعد Agamidae و Chamaeleonidae) تتفق مع وجهة نظر مفادها أن Agamidae تباعدت بشكل متعاقب من Chamaeleonidae على اليابسة في الهند / مدغشقر. قد يُفترض أيضًا أن Agamidae هاجر إلى أوراسيا في شبه القارة الهندية المنجرفة (الشكل 6.5) بينما تُركت Chamaeleonidae داخل مدغشقر وهاجر أحفادها إلى إفريقيا عبر قناة موزمبيق وبعد ذلك إلى أوراسيا (الشكل 6.6). يشير التأريخ الجزيئي (الشكل 4) إلى أن أجناس الحرباء الباقية تباعدت خلال عصور حقب الحياة الحديثة. يتم توزيع بعضها حصريًا في مدغشقر (فورسيفر, كالوما و بروكسيا) بينما يتوزع الآخرون في إفريقيا (رامفوليون/ريبليون و براديبوديون/كينيونجيا/Nadzikambia) أو في إفريقيا + أوراسيا (شامايليو/تريوسيروس). نظرًا لأن إفريقيا ومدغشقر قد تم فصلهما بوضوح في حقب الحياة الحديثة [63] ، لا يمكن ربط الإشعاعات العامة للحرباء بالتناوب الجندواني. كما افترض المؤلفون السابقون [14 ، 15] ، من المحتمل أن تكون الحرباء قد تعرضت لتشتت عبر قناة موزمبيق عدة مرات. على حد علمنا ، أقدم سجل أحفوري مؤكد من Chamaeleonidae هو Chamaeleo caroliquarti من غرب بوهيميا [64]. لطالما كانت إفريقيا معزولة عن القارات الأخرى ولكنها مرتبطة بأوراسيا في العصر الميوسيني [63]. وبالتالي ، فإن حدوث هذه الحفرية في العصر الميوسيني في أوروبا يتوافق مع التفسير الجغرافي الحيوي المذكور أعلاه.

كما اقترح التأريخ الجزيئي (الشكل 4) أن الفصائل الفرعية العجمية الموجودة تباعدت عن بعضها البعض في أواخر العصر الطباشيري. إذا هاجرت Agamidae إلى أوراسيا في الهند كما هو مفترض أعلاه ، فإن نتيجة التأريخ تشير إلى أن الإشعاعات تحت الأسرة من agamids حدثت في شبه القارة الهندية المنجرفة. قد يبدو هذا غير مرجح إلى حد ما ولكن هذا ليس مستحيلًا في ظل افتراض أن عددًا من السلالات العجمية القديمة تشع وتشتت محليًا في آسيا وانقرضت. فاستاناجاما سوساني و Tinosaurus indicus من أوائل العصر الأيوسيني في الهند تُعرف بأنها أقدم حفريات أجاميد معينة في جنوب آسيا [65].

بعد ذلك ، كيف يمكن لهذه الفرضية القائمة على الأصل الجندواني لمجموعات acrodont الموجودة أن تتصالح مع أوائل العصر الطباشيري شيانغ لونغ وأكرودونتس بريسكاجاميد منتصف أواخر العصر الطباشيري من مواقع لوراسيا (آسيا الوسطى ومنغوليا)؟ شيانغ لونغ و priscagamids هي سحالي acrodont جذعية من غير المحتمل أن تتداخل داخل agamids الموجودة ولكن مواقعها التطورية الدقيقة غير معروفة بعد [56 ، 66]. لذلك ، ربما تباعدوا عن فرع طويل من acrodonts الجذعية 110-200 MYA (انظر الشكل 4). قد تكون هذه المجموعات المنقرضة من الآثار اللوراسية لسحالي أكرودون التي تباعدت عن أكرودونت غوندوان (أي الأسلاف المشتركة المباشرة للأغاميدات الموجودة والحرباء) قبل تفكك بانجيان إلى لوراسيا وجوندوانالاند. بدلاً من ذلك ، قد يكونون قد اشتقوا ببساطة من أسلاف الجندوان عن طريق التشتت عبر النقل البحري.


تقييم قيمة الجينات النووية والميتوكوندريا في توضيح أصل وتطور Isotoma klovstadi Carpenter (Insecta ، Collembola)

من أجل استنتاج أصل وتطور القطب الجنوبي Collembola ، يلزم إجراء تحليل نسبي صحيح يصور العلاقات بين الأنواع في أنتاركتيكا وغير أنتاركتيكا. تم إجراء تقييم أولي لقيمة تسلسل الحمض النووي في إعادة بناء العلاقات النشوء والتطور بين متماثل القطب الجنوبي وأنواع أخرى غير أنتاركتيكا من خلال تسلسل جين ميتوكوندريا واحد (Cytochrome c oxidase ، الوحدة الفرعية II) وجينان نوويان (جزء من 28S) rDNA وعامل الاستطالة -1α). كشفت تقديرات عدم تجانس التركيب الأساسي أن مواقع موضع الكودون الثالثة في جيني ترميز البروتين (COII و EF-1α) غير متجانسة جدًا من الناحية التركيبية ، وبالتالي تم إجراء تحليل هذين الجينين فقط في مواقع موضع الكود الأول والثاني. كشفت تحليلات علم الوراثة باستخدام الحد الأقصى من الاحتمالية ، والحد الأقصى من البخل والحد الأدنى من التطور ، أن جينات COII و EF-1α أكثر ملاءمة من جزء D3 لإعادة بناء العلاقات التطورية ضمن عائلة Isotomidae التي تنتمي إليها Isotomidae والعديد من الأجناس الأخرى من Collembola أنتاركتيكا.


أنظمة تحرير الحمض النووي الريبي النووي والميتوكوندريا لها تأثيرات معاكسة على تنوع البروتين

يمكن أن ينتج عن تحرير الحمض النووي الريبي منتجات بروتينية تختلف عن تلك التي تم تشفيرها مباشرة بواسطة الحمض النووي الجيني. هذه العملية منتشرة في الميتوكوندريا للعديد من حقيقيات النوى ، حيث تؤدي في الغالب إلى استعادة تسلسل بروتين الأسلاف. تخضع أيضًا mRNAs النووية في metazoans للتعديل (بدائل الأدينوزين إلى الإينوزين أو بدائل "A-to-I") ، ويبدو أن معظم هذه التعديلات "أخطاء" غير قابلة للتكيف لنزمات الأدينوزين. ومع ذلك ، وجد التحليل الأخير لنسخة رأسيات الأرجل أن العديد من مواقع التحرير يتم مشاركتها بواسطة سلالات متباينة قديمًا داخل هذه المجموعة ، مما يشير إلى أنها تلعب دورًا تكيفيًا. كشفت الاكتشافات الحديثة أيضًا أن بعض الفطريات لديها آلية تحرير متطورة بشكل مستقل من A-to-I ، مما أدى إلى إعادة ترميز مكثف لـ mRNAs النووية الخاصة بها. هنا ، تم استخدام مقارنات النشوء والتطور لتحديد ما إذا كان تحرير الحمض النووي الريبي (RNA) يستعيد بشكل عام متواليات بروتين الأسلاف أو يخلق متغيرات مشتقة. على عكس أنظمة الميتوكوندريا ، يؤدي تحرير الحمض النووي الريبي في النسخ النووية الميتازوان والفطرية بأغلبية ساحقة إلى تسلسلات جديدة غير موجودة في بروتينات الأسلاف المستنتجة. حتى بالنسبة لمجموعة فرعية من مواقع تحرير الحمض النووي الريبي التي تشترك فيها سلالات رأسيات الأرجل شديدة التباين ، فإن التأثير الأساسي للتحرير النووي هو زيادة - وليس نقص - في تباعد البروتين. تشير هذه النتائج إلى اختلافات جوهرية في القوى المسؤولة عن تطور تحرير الحمض النووي الريبي في الأنظمة النووية مقابل أنظمة الميتوكوندريا.

1 المقدمة

تنص "العقيدة المركزية للبيولوجيا الجزيئية" على أن المعلومات الجينية المخزنة في الحمض النووي يتم فك تشفيرها إلى بروتينات وظيفية ، حيث تعمل الرنا المرسال (mRNAs) كوسائط مخلصة. التحذير المهم هو أن تحرير الحمض النووي الريبي يمكن أن ينتج عنه تسلسلات من الأحماض الأمينية تختلف عن تلك المشفرة في الجينوم [1]. يمكن أن يتضمن التحرير استبدالات أساسية فردية وكذلك indels القصيرة. غالبًا ما تكون مثل هذه التغييرات مهمة للوظيفة الخلوية والعضوية المناسبة ، حيث يمكن أن يكون لتعطيل التحرير عواقب نمطية ضارة وحتى قاتلة [2،3]. ومع ذلك ، فمن غير الواضح ما إذا كان يمكن اعتبار التحرير تكيفيًا بمعنى أنه يوفر بعض مزايا اللياقة على الترميز المباشر للتسلسلات المصححة في الحمض النووي الجيني. تم تطوير العديد من الفرضيات التكيفية (على سبيل المثال المتعلقة بالتخزين المؤقت الطفري ، وتنظيم الجينات ، وتنويع البروتينات وتحسين محتوى GC الجيني) ، ولكن تم أيضًا وصف الآليات غير التكيفية لانتشار مواقع التحرير [4].

يمكن الحصول على نظرة ثاقبة حول أصول تحرير الرنا المرسال والحفاظ عليه من خلال التحقيق في آثاره على حفظ البروتين وتنوعه. تمت دراسة التحرير جيدًا وغالبًا ما يكون منتشرًا في الميتوكوندريا لحقيقيات النوى المتنوعة ، بما في ذلك النباتات الأرضية ، والتريبانوزومات ، والدبلونيميدات ، والسوطيات ، والسوطيات غير المتجانسة ، والفطريات الفطرية ، وبعض الميتازوان [1،5-7]. يعد التحرير في أنظمة الميتوكوندريا هذه ترميميًا بشكل عام ، مما يعني أنه يميل إلى إنتاج تسلسلات بروتينية شبيهة بالأجداد والتي تشبه إلى حد بعيد المتماثلات في حقيقيات النوى الأخرى [1]. في الواقع ، هناك طريقة بسيطة وفعالة للتنبؤ بمواقع تحرير الرنا المرسال في جينومات عضية النباتات البرية (حيث يكون تحرير السيتيدين إلى اليوريدين أو تحرير C-to-U) هو مسح الجينات بحثًا عن المواقع التي يتغير فيها C-to-T. من شأنه أن يزيد من الحفاظ على تسلسل البروتين مع الأنواع ذات الصلة [8]. تعتبر التأثيرات التصالحية في الأنظمة ذات التحرير الإدراج أكثر دراماتيكية لأنها "تصحح" إطارات القراءة المتغيرة بشكل عام والتي من شأنها أن تنتج بروتينات غير مرتبطة تمامًا. في كثير من الحالات ، يكون تحرير mRNA للميتوكوندريا واسع النطاق لدرجة أن تسلسلات الجينات غير المعدلة لا يمكن التعرف عليها بشكل أساسي [6].

تمتلك Metazoans نظامًا لتحرير الحمض النووي الريبي النووي ، حيث يتم إدخال بدائل الأدينوزين إلى الإينوزين (A-to-I) عن طريق فئة معينة من ديامينازات الأدينوزين المعروفة باسم ADARs [2]. أثناء الترجمة ، يُقرأ الإينوزين على أنه غوانوزين ، لذلك يمكن أن يؤدي تحرير A-to-I إلى تغييرات في تسلسل الأحماض الأمينية. إن تأثيرات التحرير النووي A-to-I على حفظ البروتين أقل وضوحًا من تأثيرات أنظمة الميتوكوندريا الموضحة أعلاه. غالبًا ما يوصف تحرير A-to-I بأنه آلية تنوع البروتينات [9] ، ولكن قيل أيضًا أنه يعمل بشكل تفضيلي في المواقع التي شهدت تغيرًا تاريخيًا من G-to-A على المستوى الجيني وبالتالي استعادة الأجداد تسلسل البروتين [10،11]. أدت الأنماط المرصودة لتحرير الرنا المرسال لدى البشر إلى استنتاج مفاده أن التغييرات في تسلسل ترميز البروتين غير قابلة للتكيف بشكل عام. تتم مشاركة عدد قليل جدًا من مواقع التحرير مع الثدييات الأخرى [10] ، ويبدو أن التحرير أكثر شيوعًا في المواقع الأقل أهمية من الناحية الوظيفية (مثل المواقع المترادفة) [12] ، مما يشير إلى أن معظم التعديلات يمكن قبولها فقط من المنتجات الثانوية لنشاط الإنزيم المختلط . يُعتقد أن هذا الاستنتاج يمتد إلى أنظمة metazoan الأخرى ، لكن الأبحاث الحديثة أشارت إلى أن تحرير A-to-I mRNA أكثر شمولاً وربما تكيفًا في رأسيات الأرجل القولونية [13]. وتجدر الإشارة إلى أن بعض مواقع التحرير التي تم تحديدها تتم مشاركتها عبر ممثلي مجموعات رأسيات الأرجل المتباينة التي تمتد لمئات الملايين من السنين من التطور (مثل الأخطبوط والحبار والحبار) [14].

تم اكتشاف تحرير A-to-I للـ mRNAs النووي أيضًا في جنس الفطريات الفيوزاريوم [15] وغيرها من الفطريات الخيطية [16] ، مع تأثيرات كبيرة متوقعة على تسلسل البروتين أثناء التطور الجنسي. ومن المثير للاهتمام ، أن نظام تحرير الحمض النووي الريبي هذا يبدو أنه تطور بشكل مستقل لأن الفطريات تفتقر إلى ADARs ، وهي المسؤولة عن تحرير mRNA في metazoans.

هنا ، تتم مقارنة النتائج المترتبة على تنوع البروتين الناتج عن تحرير A-to-I لنصوص الرنا المرسال النووي في الأنساب الميتازوان والفطرية بالتأثيرات التصالحية الموثقة جيدًا في أنظمة الميتوكوندريا. يكشف هذا التحليل أن أنظمة التحرير النووية والميتوكوندريا لها تأثيرات معاكسة بشكل لافت للنظر على حفظ البروتين. بدلاً من استعادة تسلسل بروتين الأسلاف ، تقدم الغالبية العظمى من تعديلات A-to-I mRNA تغييرات في الأحماض الأمينية المشتقة تطوريًا.

2. المواد والأساليب

تم الحصول على مجموعات البيانات المنشورة لتحرير النصوص النووية في أربعة أنواع محورية -الانسان العاقل [12], ذبابة الفاكهة سوداء البطن [17], الأخطبوط bimaculoides [14] و الحزام الفيوزاريوم [15] - ولتحرير C-to-U لنصوص الميتوكوندريا في كاسيات البذور نبات الأرابيدوبسيس thaliana [18]. لكل نوع ، تم تعيين تسلسل البروتين الذي تم تحريره باستخدام NCBI BLAST v.2.2.30+ إما لقواعد بيانات البروتين (blastp) أو الجينوم / النسخ (tblastn) من نوعين متتاليين خارج المجموعة (الجدول 1) لتحديد حالات الأحماض الأمينية في المواضع التقويمية . سبق أن تبين أن المجموعات الخارجية للميتازوان المختارة تشترك في جزء صغير جدًا من مواقع التحرير مع الأنواع البؤرية [10،14،17] ، ويبدو أيضًا أن نسبة مواقع التحرير المشتركة منخفضة جدًا بين الفطريات الخيطية [16]. تمت أتمتة عمليات البحث واستخراج معلومات التسلسل باستخدام البرامج النصية BioPerl المخصصة. اقتصر التحليل على مواقع التحرير غير المترادفة التي تشترك فيها كلتا المجموعتين الخارجيتين في نفس الأحماض الأمينية بحيث يمكن استنتاج حالة الأجداد بثقة. تم تعريف التحرير على أنه "تصالحي" أو "تنويع" إذا كان الحمض الأميني الأسلاف يطابق الحالة المحررة وغير المعدلة ، على التوالي. تم استبعاد المواقع إذا كانت كلتا الحالتين المحررة وغير المحررة مختلفة عن الأحماض الأمينية الأجداد (المواد التكميلية الإلكترونية ، الجدول S1). تم إجراء التحليل الإحصائي في R v. 3.3.3 (انظر المواد التكميلية الإلكترونية ، الطرق).

الجدول 1. الأنواع البؤرية والمجموعات الخارجية لتحليل تحرير الحمض النووي الريبي وإعادة بناء الدول الأجداد.

3. النتائج

تحليل مواقع تحرير C-to-U بتنسيق A. thaliana أكد أن تحرير mRNA في الميتوكوندريا النباتية يزيد بشكل عام من تشابه البروتين عبر الأصناف. في 98.0٪ من المواقع التي تم تحليلها ، يعيد التحرير الحمض الأميني الموجود في مجموعتين من الطحالب الخضراء الخارجية (الشكل 1). وعلى العكس من ذلك ، فإن 2.0٪ فقط من هذه التعديلات تحل محل حالة الأجداد بحمض أميني مشتق يختلف عن المجموعتين الخارجيتين. تختلف تأثيرات تحرير الرنا النووي A-to-I في metazoans بشكل كبير. يؤدي جزء صغير فقط من مواقع A-to-I التي تم تحليلها إلى استعادة حالة الأجداد: 0.6٪ و 4.1٪ و 5.9٪ في D. melanogaster, H. العاقل و O. bimaculoides، على التوالي (الشكل 1).

الشكل 1. الاختلافات في معدلات التغييرات التصالحية للتحرير النووي A-to-I في أربعة أنواع مختلفة وتحرير الميتوكوندريا C-to-U في كاسيات البذور أرابيدوبسيس. في حين أن تحرير mRNA يستعيد بشكل عام تسلسل البروتين الشبيه بالأسلاف في معظم أنظمة الميتوكوندريا (بما في ذلك النباتات الأرضية كما هو موضح هنا) ، نادرًا ما يكون التحرير النووي A-to-I ترميميًا. تستند الحروف على آخر مخصص مقارنات بين كل مجموعة زوجية من الأنواع (المواد التكميلية الإلكترونية ، الطرق). تختلف الأنواع التي لا تشترك في حرف واحد اختلافًا كبيرًا عن بعضها البعض. تمثل أشرطة الخطأ خطأين قياسيين في النسبة. يشار إلى عدد المواقع التي تم تحليلها بين قوسين.

يعد تحرير الحمض النووي الريبي (RNA) وفيرًا بشكل خاص في رأسيات الأرجل القولونية ، والتحليل السابق لـ O. bimaculoides أظهر أن معظم مواقع التحرير الخاصة به إما فريدة من نوعها لتلك الأنواع أو يتم مشاركتها فقط مع نظائرها ذات الصلة الوثيقة O. الشائع [14]. ومع ذلك ، تم تحديد نسبة صغيرة من مواقع التحرير على أنها مشتركة مع سلالات متباينة قديمة أخرى من رأسيات الأرجل القولونية [14]. هذه المواقع المشتركة ، التي تمثل المرشحين الأكثر احتمالاً للعب أدوار مهمة وظيفيًا ، تُظهر أيضًا معدلًا منخفضًا من التغييرات التصالحية. في الواقع ، في O. bimaculoides، فإن نسبة التغييرات التصالحية إلى التنويع تنخفض إلى قيم أقل لمواقع التحرير التي يتم مشاركتها على نطاق واسع مع رأسيات الأرجل الأخرى (الشكل 2أ الجدول 2).

الشكل 2. الأخطبوط bimaculoides تم تمييز مواقع التحرير بناءً على ما إذا كانت موجودة فقط في O. bimaculoides ("فريد") ، مشتركة مع المتجانسة O. الشائع ولكن ليس مع رأسيات الأرجل الأخرى ("الأخطبوط") ، المشتركة مع الحبار Doryteuthis pealeii ولكن ليس مع جميع رأسيات الأرجل التي تم أخذ عينات منها ("oct-squid") ، أو مشاركتها مع جميع رأسيات الأرجل التي تم أخذ عينات منها ("رأسيات الأرجل") [14]. (أ) تتناقص نسبة التعديلات التي تستعيد تسلسل بروتين الأسلاف لفئات مواقع التحرير التي يتم مشاركتها على نطاق واسع عبر رأسيات الأرجل. (ب) المواقع التي تتم مشاركتها على نطاق واسع لها أيضًا معدل تحرير أعلى (أي يتم تحرير نسبة أكبر من النصوص في ذلك الموقع) [14]. ومع ذلك ، داخل كل مجموعة ، فإن التعديلات التي تستعيد الحمض الأميني الأسلاف لها متوسط ​​تكرار تحرير أعلى من تلك التي تؤدي إلى تغيير مشتق. تمثل أشرطة الأخطاء خطأ معياريًا واحدًا للنسبة (أ) أو من المتوسط ​​(ب). يشار إلى عدد المواقع التي تم تحليلها بين قوسين.

الجدول 2. نموذج لوغاريتم يتنبأ باحتمالية أن يكون التعديل تصالحيًا استنادًا إلى تكرار التحرير في الموقع ومدى الحفظ الوراثي لموقع التحرير. يتم التعبير عن مستوى التحرير بنسبة مئوية (0-100) ، ويتم التعبير عن معلمات الحفظ الوراثي بالنسبة لفئة "رأسيات الأرجل" الأكثر انتشارًا (الشكل 2).

بالإضافة إلى انخفاض معدلات التحرير التصالحي ، فإن فصول التحرير الأكثر حفظًا على نطاق واسع في O. bimaculoides تم عرضها سابقًا لإظهار أعلى مستويات التحرير (أي جزء النصوص التي تم تحريرها في موقع معين) [14] (الشكل 2ب). بشكل عام ، ومع ذلك ، يتم تحرير مواقع التحرير التي تستعيد حالة الأحماض الأمينية السلفية عند مستوى أعلى بكثير (11.9٪) في المتوسط ​​من تلك التي تنتج تغييرًا مشتقًا (9.2٪ جدول 2). هذا التأثير مدفوع بالمستوى الأعلى من التحرير في المواقع الإصلاحية داخل كل فئة من فئات حفظ النشوء والتطور - لا سيما بالنسبة لمواقع التحرير التي تنفرد بها O. bimaculoides أو مشاركتها فقط داخل أخطبوط جنس (الشكل 2ب) - وهو ما يوازن أكثر من الارتباط السلبي الموجود عبر الفئات بين متوسط ​​مستوى التحرير ومعدلات التحرير التصالحي (الشكل 2).

على الرغم من أن تحرير A-to-I في الفطريات الخيطية يبدو مستقلاً تطوريًا عن نظام ADAR في metazoans ، فإن الفطريات F. graminearum يعرض معدلات منخفضة بالمثل من التحرير التصالحي. 4.6٪ فقط من مواقع A-to-I التي تم تحليلها في F. graminearum تؤدي mRNAs النووية إلى استعادة حالة الأجداد (الشكل 1).

4. مناقشة

أدت الأبحاث السابقة حول تحرير A-to-I mRNA في metazoans إلى استنتاجات مفادها أن "التحرير يمكن أن يتوسط ذاكرة RNA على المقاييس الزمنية التطورية للحفاظ على المعلومات الجينية للأسلاف" [11] و "التحرير يعمل كآلية للتعويض عن فقدان النمط الظاهري الناجم بواسطة تطور G-to-A '[10]. أظهرت هذه الدراسات أن مواقع تحرير A-to-I من المرجح أن تكون قد تعرضت لتغير G-to-A سابق في تسلسل الحمض النووي أكثر من تغيير C-to-A أو T-to-A. هذه الأنماط مهمة ولكن يمكن تفسيرها إلى حد كبير من خلال حقيقة أن المواقع التي استوعبت تاريخياً G ستميل إلى أن تكون أكثر تساهلاً في تحرير A-to-I [12]. من هذا المنظور ، يمكن القول إن التركيز على دور تحرير A-to-I في عكس طفرات G-to-A قد يخطئ الصورة الأكبر وهي أنه من الشائع جدًا أن يقدم تحرير A-to-I أحماض أمينية جديدة ومشتقة أكثر من لاستعادة تسلسل بروتين الأسلاف (الشكل 1). أظهر التحليل الحالي أن هذا النمط لا ينطبق فقط على سلالات metazoan المتنوعة ولكن أيضًا على أصل مستقل للتحرير النووي A-to-I في الفطريات.

تميزه هذه الميزة لتحرير mRNA النووي عن أنظمة تحرير الميتوكوندريا ، والتي لها بشكل عام تأثيرات تصالحية على تسلسل البروتين. يتم تمثيل هذه التأثيرات هنا من خلال تعديلات C-to-U في جينومات الميتوكوندريا النباتية الأرضية (الشكل 1) ، ولكن تم توثيقها في العديد من أنظمة الميتوكوندريا [1،5-7]. قد تعكس التأثيرات المتباينة للتحرير النووي A-to-I ، جزئيًا ، اختلافات ميكانيكية. في العديد من أنظمة الميتوكوندريا ، هناك تحديد دقيق (نسبيًا) لمواقع التحرير بناءً على عبرعوامل التمثيل أو صارمة رابطة الدول المستقلة الزخارف المتسلسلة [19] ، في حين يبدو أن ديمينازات الأدينوزين المسؤولة عن تحرير A-to-I في metazoans لها خصوصية محدودة. تهيمن أيضًا على ملف تعريف تحرير mRNA النووي A-to-I مواقع ذات ترددات تحرير منخفضة. تحليل O. bimaculoides حدد الترنسكريبتوم عشرات الآلاف من مواقع التحرير في تسلسل ترميز البروتين [14] ، لكن المستوى المتوسط ​​للتحرير كان 3.4٪ فقط. وبالتالي ، حتى في رأسيات الأرجل ، حيث يوجد دليل على أن تحرير تسلسلات ترميز البروتين من A-to-I يلعب دورًا أكبر وأكثر تكيفًا مما هو عليه في metazoans الأخرى [13،14] ، فمن المحتمل أن معظم مواقع التحرير التي تم تحديدها هي مع ذلك نتيجة لنشاط غير قابل للتكيف خارج الهدف.

ومع ذلك ، فإن الاختلافات بين أنظمة تحرير الحمض النووي الريبي للميتوكوندريا والتحرير النووي A-to-I لا يمكن أن تُعزى بالكامل إلى الاختلافات في اختلاط الإنزيم. معدلات التغييرات التصالحية منخفضة للغاية أيضًا للمجموعة الفرعية من مواقع A-to-I التي يتم تحريرها بمستويات عالية ومشاركتها بين الأقارب البعيدين (الشكل 2). إحدى الفرضيات الرئيسية لشرح انتشار تحرير RNA هي أن وجود نشاط التحرير يسهل الانتشار المحايد عن طريق الانجراف الجيني للطفرات الضارة. عند الوصول إلى التثبيت ، ستجعل مثل هذه الطفرات نشاط التحرير غير التكيفي سابقًا ضرورة وظيفية [4]. يُعرف الآن باسم "التطور المحايد البناء" [20] ، يقدم هذا النموذج غير التكيفي تفسيرًا مقنعًا للتحرير التصالحي الشامل في جينومات الميتوكوندريا ولكنه يبدو غير مناسب لأنماط التحرير في الجينات النووية. بدلاً من ذلك ، من المحتمل أن يُعزى تطور التحرير النووي A-to-I وتأثيراته في المواقع الوظيفية الرئيسية في تسلسل تشفير البروتين إلى تفسيرات تكيفية أكثر تقليدية مرتبطة بتنظيم وتوسيع التنوع البروتيني.

الوصول إلى البيانات

يتم توفير بيانات كل موقع على حدة كمواد تكميلية إلكترونية ، ملف S1.


نتائج

السلالات ومواقعها الجينية

سبع عزلات جغرافية من C.reinhardtii تم توظيفهم في هذه الدراسة يتم عرض أرقام سلالاتهم وأنواع التزاوج وأصول العزلة واختصارات السلالة في الجدول 1. للوصول إلى مستويات التنوع الجيني ، قمنا بتسلسل جينوم الميتوكوندريا الكامل وأجزاء من 7 جينات نووية أحادية النسخة من كل من 7 عزلات. خريطة وراثية لـ C.reinhardtii يظهر جينوم الميتوكوندريا في الشكل 1 ، وتظهر الخرائط الجينية الجزئية للجينات النووية السبعة في الشكل 2. قمنا بترتيب تسلسل الحمض النووي المتقدري بأكمله من أجل استخدام المناطق بين الجينات والمواقع المترادفة في حساباتنا لـ πصامتة - الدراسات السابقة حول التنوع الجيني في جينومات الميتوكوندريا ، بسبب ندرة بيانات التسلسل غير المحدد ، تميل إلى استخدام المواقع المترادفة فقط لتقدير πصامتة. علاوة على ذلك ، تسلسلات mtDNA كاملة من C.reinhardtii تسمح للمقارنة بين تنوع النوكليوتيدات في الموقع المرادف (πمزامنة) في الجينات المعيارية لترميز بروتين الميتوكوندريا إلى تلك الموجودة في rtl، وهو إطار قراءة مفتوح للميتوكوندريا (ORF) في ملف C.reinhardtii ترميز mtDNA لبروتين مزعوم يشبه المنتسخة العكسية [15]. لقد تم اقتراح أن المواقع المترادفة في rtl تخضع لقيود أقل انتقائية من تلك الخاصة بجينات ترميز بروتين mtDNA القياسية وأنها قد تكون أكثر ملاءمة لتقدير معدل الطفرة المحايدة في حجرة الميتوكوندريا [7]. بالنسبة للمواقع النووية ، قمنا بتسلسل الإنترونات في الغالب بدلاً من exons لأنه يُعتقد أنه في C.reinhardtii مواقع intronic الجينوم النووي تتطور بشكل محايد أكثر من المواقع المترادفة وقد تعطي تقديرات أكثر موثوقية لمعدل الطفرات المحايدة [6]. تم الإبلاغ سابقًا عن تسلسل اثنين من المواقع النووية من العزلات السبعة [16-18] مما يسمح لنا بتأكيد كل من تخصيصات الإجهاد وطرق التسلسل.

الخريطة الجينية لـ كلاميدوموناس رينهاردتي جينوم الميتوكوندريا ، بما في ذلك جميع الإنترونات الاختيارية المحددة حاليًا. تكون مناطق ومناطق ترميز البروتينات التي ترميز الحمض النووي الريبي الهيكلي باللونين الأحمر والبرتقالي ، على التوالي. تمثل S1 - S4 الوحدات الصغيرة لتشفير الرنا الريباسي L1 – L8 الوحدات الفرعية الكبيرة لتشفير الرنا الريباسي. التكرارات الطرفية المقلوبة (IR) سوداء. المناطق الداخلية وإطارات القراءة المفتوحة الخاصة بها محاصرة باللون الأزرق داخل الجينات المرتبطة بها. ال C.reinhardtii السلالات (الجدول 1) التي تحدث فيها الإنترونات المختلفة موضحة بين قوسين. الأسهم الصلبة تشير إلى القطبية النسخية. ملحوظة: بسبب وجود / عدم وجود إنترونات بين السلالات المختلفة ، فإن حجم C.reinhardtii يمكن أن يختلف جينوم الميتوكوندريا من 15782 نانومتر إلى 18990 نانومتر.

الخرائط الجينية الجزئية لل 7 كلاميدوموناس رينهاردتي الجينات المشفرة نوويا المستخدمة في التحليل. يمثل المقطع بين قوسين أسفل كل خريطة المنطقة التي تم تضخيمها PCR. يوجد على يسار كل خريطة اسم الجين والحجم التقريبي للمنطقة التي تم تضخيم PCR وموقع الجين داخل C.reinhardtii الجينوم النووي - تعتمد المواقع على C.reinhardtii مسودة تسلسل الجينوم النووي الإصدار 3.0 [8]. الإكسونات حمراء وتم تصنيفها بحرف "E" ورقم يشير إلى موقعها داخل الجين. الإنترونات زرقاء اللون ومُشار إليها برقم روماني يشير إلى موقعها داخل الجين. ملحوظة: كل من هذه الجينات موجود مرة واحدة فقط في C.reinhardtii الجينوم النووي.

تمكنا من الحصول على تسلسل mtDNA الكامل من سلالة 8 من C.reinhardtii (CC-503) عن طريق جمع وتجميع تسلسلات mtDNA التي تم إنشاؤها من ملف C.reinhardtii مشروع تسلسل الجينوم النووي [8 ، 19]. على حد سواء C.reinhardtii CC-503 و C.reinhardtii CC-277 (واحدة من 7 عزلات موصوفة في الجدول 1) عبارة عن طفرات ذات جدار خلوي أقل تم استردادها من نفس الخلفية البرية من النوع "Ebersold-Levine" C.reinhardtii، لكنهما انفصلا منذ 35 عامًا على الأقل [20]. تسلسل mtDNA لـ C.reinhardtii CC-503 مطابق لتلك الخاصة بـ C.reinhardtii CC-277 وعندما قمنا بتنزيل تسلسل المواقع النووية السبعة لـ C.reinhardtii CC-503 ، كانوا أيضًا متطابقين مع C.reinhardtii CC-277. لذلك ، لغرض هذه الدراسة سوف ندرس C.reinhardtii MA-1 مرادف لـ C.reinhardtii CC-277 و CC-503.

قبل هذه الدراسة تسلسل كامل ل mtDNA C.reinhardtii كان متاحًا بالفعل (رقم انضمام Genbank NC_001638) هذا التسلسل ، والذي نتج عن الجهود المتراكمة لأطراف متعددة ، جاء معظمها من C.reinhardtii CC-277 ، أو في بعض الحالات من سلالات لها نفس الخلفية الجينية مثل C.reinhardtii CC-277. تسلسل mtDNA لـ C.reinhardtii يختلف CC-277 المقدم هنا في 46 موقعًا بالنسبة إلى NC_001638 لأن 44 من هذه الاختلافات الـ 46 موجودة أيضًا في mtDNA للستة الأخرى C.reinhardtii العزلات الموصوفة هنا ولأن C.reinhardtii تبين أن تسلسل CC-277 mtDNA من هذه الدراسة متطابق مع C.reinhardtii جينوم الميتوكوندريا CC-503 ، نشعر أن نسختنا من C.reinhardtii CC-277 mtDNA هو الأكثر دقة حاليًا وأن التناقضات بين تسلسلنا و NC_001638 هي نتيجة لأخطاء التسلسل في الأخير.

من المهم أن نلاحظ أن شرحنا لملف C.reinhardtii لا يحتوي جينوم الميتوكوندريا (الشكل 1) على ما يسمى بوحدات ترميز الرنا الريباسي L2b و L3a. في الدراسات السابقة ، كان يُفترض أن كل هذه الوحدات النمطية ترمز لمنطقة غير أساسية للوحدة الفرعية الكبيرة (LSU) rRNA [21]. ومع ذلك ، نظرًا لأنه لم يتم تحديد متماثلات التسلسل لـ L2b و L3a في mtDNA للأقارب المقربين C.reinhardtii [7 ، 22 ، 23] ، أو في أي جينوم آخر ، قمنا بتصنيف هذه المناطق على أنها DNA بين الجينات ، وعاملناها على هذا النحو في جميع التحليلات الجينية.

تنوع النوكليوتيدات

إحصائيات موجزة عن تنوع النيوكليوتيدات في C.reinhardtii موضحة في الجدول 2. تم استخدام مقياسين لتنوع النيوكليوتيدات لحساب التباين داخل C.reinhardtii جينومات الميتوكوندريا والنووية: π ، وهو متوسط ​​عدد الفروق النوكليوتيدية الزوجية لكل موقع بين التسلسلات في عينة [24] ، ودبليو، والتي تعتمد على عدد المواقع متعددة الأشكال في عينة من المتواليات ولكنها مستقلة عن تواترها [25]. فيما يتعلق بكلا المقياسين ، تُظهر الحجرة النووية تنوعًا أكبر بكثير من النوكليوتيدات في الموقع الصامت من حجرة الميتوكوندريا: القيم الصافية لـ πصامتة بالنسبة للحمض النووي النووي و mtDNA كانت 31.96 × 10 -3 و 8.54 × 10 -3 ، على التوالي. صافي قيم θدبليو في المواقع الصامتة أعلى قليلاً عند 33.02 × 10 -3 للمقصورة النووية و 9.18 10 -3 لمقصورة الميتوكوندريا. في جميع الحالات ، تُظهر المواقع الصامتة في المواقع النووية المختلفة تنوعًا أكبر من المواقع الصامتة في حجرة الميتوكوندريا. الاستثناء الوحيد لهذا هو الجين النووي CBLP، الذي يحتوي على تنوع أقل في الموقع المرادف (πمزامنة = 2.77 × 10 -3) من مناطق ترميز بروتين الميتوكوندريا. داخل حجرة الميتوكوندريا ، يكون التنوع في المواقع بين الجينات والمرادفات متشابهًا (8.92 × 10 -3 مقابل 8.52 × 10 -3) ، كما هو الحال مع تنوع مناطق ترميز البروتين والمناطق لترميز الحمض النووي الريبي الهيكلي (2.06 × 10 -3 مقابل . 2.42 × 10 -3). جين الميتوكوندريا rtl، الذي يشفر نسخة عكسية مفترضة ، يُظهر تنوعًا أكبر من جينات ترميز بروتين الميتوكوندريا الأخرى عندما يتم النظر في جميع مواقع الكودون الثلاثة (3.07 × 10 -3 مقابل 2.06 × 10 -3) وتنوع أقل قليلاً عند النظر فقط إلى المواقع المترادفة (7.88 × 10 -3 مقابل 8.52 × 10 -3) ومع ذلك ، فمن غير المرجح أن تكون هذه الملاحظات ذات دلالة إحصائية.

عمليات الإدراج والحذف

لكل من المقصورات النووية والميتوكوندريا ، تمثل عمليات الإدراج والحذف (indels) نسبة كبيرة من الأشكال المتعددة المرصودة (الجدول 2). في تحالفاتنا للمواقع النووية من 7 سلالات مختلفة من C.reinhardtii، 36٪ من النيوكليوتيدات غير المتطابقة تنتج من indels. يتراوح طول الإندلات النووية من 1 إلى 31 نيوكليوتيدات (nt) ومتوسط ​​حجمها 4.5 nt. في حجرة الميتوكوندريا ، تمثل indels 20٪ من النيوكليوتيدات غير المتطابقة. يتراوح طول إنديل الميتوكوندريا من 1 إلى 6 نانومتر ويبلغ متوسط ​​حجمها 2.5 نانومتر. من المهم ملاحظة أن تقديراتنا لتنوع النيوكليوتيدات الموضحة في الجدول 2 مشتقة من مواقع في المحاذاة حيث جميع السلالات السبع من C.reinhardtii لديها نيوكليوتيد لذلك ، تمت إزالة المواقع المقابلة للإنديلز من المحاذاة. إذا تم تعديل طرقنا لحساب π لتشمل indels (عن طريق حساب كل فجوة في المحاذاة كتغيير نيوكليوتيد) ، فإن القيم الإجمالية لـ πصامتة في المقصورات النووية والميتوكوندريا تصبح 49.27 × 10 -3 (± 4.89 × 10 -3) و 10.93 × 10 -3 (± 1.96 × 10 -3) ، على التوالي.

اختبار الحياد

تم إجراء اختبارين إحصائيين على مجموعات البيانات الخاصة بالميتوكوندريا والنووية لفحص آثار الاختيار: Tajima's د- الاختبار ، الذي يقارن متوسط ​​عدد الفروق النوكليوتيدية بين أزواج التسلسلات مع العدد الإجمالي لمواقع الفصل [24] ، واختبار ماكدونالد-كريتمان ، الذي يقارن نسبة غير المرادفات للاختلافات المرادفة التي لوحظت داخل الأنواع مع تلك الملاحظة بين الأنواع [26]. تاجيما د سلبي قليلاً في جميع الحالات المتعلقة بحجرة الميتوكوندريا وفي معظم الحالات المتعلقة بالمقصورة النووية ، لكنها إيجابية قليلاً بالنسبة لعدد قليل من المواقع النووية (exons of مات 3 و PDK، وإنترونات CBLP ، PETC ، PDK، و ACTIN) (الجدول 2). في أي حال من الأحوال هو تاجيما د- اختبار ذو دلالة إحصائية. تم إجراء اختبار McDonald-Kreitman من خلال مقارنة نسبة غير المرادف إلى تعدد الأشكال المترادف داخل C.reinhardtii إلى نسبة الاختلاف غير المرادف إلى الفروق الثابتة المترادفة بين C.reinhardtii و كلاميدوموناس انسيرتا (أحد أقرب الأقارب المعروفين غير القائمين على الإنجاب C.reinhardtii [27]) (الجدول 3) - تم إجراء ذلك لجميع مناطق ترميز البروتين التي تم مسحها في هذه الدراسة. بشكل عام ، لم يتم الكشف عن أي خروج كبير عن التوقعات المحايدة لأي من مواقع الميتوكوندريا أو المواقع النووية ، ولا يعتبر اختبار McDonald-Kreitman ذا دلالة إحصائية بأي حال من الأحوال.

الإنترونات الميتوكوندريا

ثلاثة من C.reinhardtii سلالات (PA-1 ، MA-2 ، و FL) لها introns في mtDNA الخاصة بهم (الشكل 1). C.reinhardtii يحتوي MA-2 على intron واحد ، يتم إدخاله في قطعة خبز C.reinhardtii يحتوي FL على 2 introns ، أحدهما في وحدة ترميز L5-rRNA (L5-intron) والآخر في وحدة ترميز L7-rRNA (L7-intron) و C.reinhardtii يحتوي PA-2 على 3 إنترونات ، اثنان في cox1 و L5-intron (ملاحظة: تسلسل DNA لـ L5-intron in C.reinhardtii PA-2 مطابق لتلك الخاصة بـ C.reinhardtii FL). من هذه الإنترونات فقط قطعة خبز في C.reinhardtii تم وصف MA-2 مسبقًا [13]. مثل intron من قطعة خبز في C.reinhardtii MA-2 ، يحتوي كل من الإنترونات الأربعة المعروضة هنا على ORF حيث يُظهر تسلسل الأحماض الأمينية المستنتج تشابهًا مع نوكلياز من نوع LAGLIDADG. تؤكد تجارب RT-PCR أن جميع الإنترونات الخمسة ، بما في ذلك ORFs الخاصة بهم ، مقسمة في نصوص ناضجة. تشير نمذجة البنية الثانوية إلى أن الإنترونات في cox1 هي إنترونات المجموعة الأولى التي تنتمي إلى المجموعة الفرعية D. تشير تحليلاتنا للإنترونات L5- و L7 إلى أنها تفتقر إلى التسلسل الأساسي والبنية الثانوية المحتملة اللازمة لتصنيفها على أنها إنترونات المجموعة الأولى أو المجموعة الثانية ، وبالتالي فهي في الوقت الحالي تعتبر الإنترونات "غير المصنفة" شديدة التدهور. تم العثور على جزء مكرر 35-nt من وحدة ترميز L5-rRNA في نهاية 5 'من تجارب L5-intron RT-PCR للتحقق من أن هذا الجزء هو في الواقع أحد مكونات intron. مواقع الإدراج للإنترونات L5- و L7 داخل C.reinhardtii تم وصف mtDNA وطبيعة التكرار الموجود داخل L5-intron في الشكل 3A و B و 3 C على التوالي. مواقع الإدراج للإنترونات L5- و L7 في سياق لـ C.reinhardtii يتم عرض تسلسل LSU rRNA في الشكل ثلاثي الأبعاد.

مخطط الإنترونات في وحدات ترميز L5 و L7-rRNA. الأسهم الرأسية في أ إظهار مواقع إدراج intron داخل C.reinhardtii متدنا. ب و ج تصور الإنترونات في وحدات ترميز L5- و L7-rRNA ، على التوالي ، تكون مناطق ترميز الرنا الريباسي عبارة عن إنترونات برتقالية هي إطارات قراءة مفتوحة زرقاء فاتحة محاصرة باللون الأزرق الداكن داخل الإنترونات الخاصة بها ، يشير L5-frag إلى مقطع مكرر من L5 - وحدة ترميز rRNA (يتم تكرار أول 35 nt من الوحدة النمطية) تمثل الأجزاء الموجودة بين قوسين من الخريطة المناطق التي تم عرضها على أنها مقسمة في النصوص الناضجة. د يصور مواقع إدخال intron في سياق الوحدة الفرعية الكبيرة (LSU) تسلسل RNA الريبوسومي من C.reinhardtii تشير الأسهم إلى المنطقة التي يتم فيها إدخال الإنترونات ، حيث تشير الأرقام فوق الأسهم إلى موضع البقايا التي تسبق موقع الإدخال مباشرة: الأرقام غير الموضوعة بين قوسين تتوافق مع البقايا في جين 23S rRNA لـ الإشريكية القولونية [44] والأرقام الموضوعة بين قوسين تتوافق مع البقايا في نموذج البنية الثانوية LSU-rRNA للبوير والرمادي [21]. لاحظ ال C.reinhardtii السلالات التي تحدث فيها هذه الإنترونات موضحة في الشكل 1.


كيف تحلل الجينوم الجزء الأول - الحمض النووي للميتوكوندريا

التركيب الأصلي للوحدة الفرعية لبروتين MT-Cyb البشري. الائتمان: proteinmodelportal.org

تحليل الجينوم اليوم أعمى بشكل أساسي. عادةً ما يتم ذلك عن طريق الفحص العشوائي لمجموعة صغيرة من المتغيرات المحتملة التي ترتبط ارتباطًا وثيقًا ببعض الأمراض أو السمات الجسدية. ما لم تكن لديك بالفعل مشكلة صحية كبيرة ، فمن غير المرجح أن يغير هذا النوع من لعبة الكرابشوت ذات التركيز الضيق قواعد اللعبة بالنسبة لك.

في هذا الفراغ ، نود أن نقدم نهجًا أكثر منهجية - صيغة بسيطة لتحليل الجينومات منطقيًا في نقاطها الحرجة ، وإنشاء تنبؤات فسيولوجية موثوقة وذات صلة بأي شخص. لكن أولاً ، هناك حاجة إلى القليل من الخلفية.

إن جينوماتنا هي كائنات هجينة تم إنشاؤها بواسطة الفيروسات والبكتيريا. لدينا اثنان منهم ، جينوم كبير وواحد صغير. تجاهلت المعلوماتية الحيوية بشكل عام في الغالب الحمض النووي للميتوكوندريا ذو الموقع 16500 البسيط (mtDNA) ، وبدلاً من ذلك ركزت بشكل حصري تقريبًا على الحمض النووي المعقد المكون من 3 مليارات موقع (nucDNA). كما سنرى ، هذا متخلف تمامًا.

باستثناء الببتيد الصغير المسمى humanin ، تُستخدم جميع البروتينات التي تم ترميزها داخل الانقسام الخيطي البشري الصغير حصريًا في المجمعات التنفسية من الأول إلى V. بثق ونشر كل وحدة فرعية في حجرة التجميع المناسبة. بمجرد الوصول إلى هناك ، تقوم عوامل التجميع الخاصة بكل معقد بتجميع بعضها معًا بالتسلسل. يستضيف جانب مصفوفة الميتوكوندريا من هذا الغشاء جسيمات الميتوريبوزومات بينما يستضيف جانب الخلية الريبوسومات الخلوية.

يعمل العصاري الخلوي والميتوريبوسومات جنبًا إلى جنب على جانبي غشاء الميتوكوندريا المزدوج. الائتمان: Wikipedia.org

تطورت الميتوكوندريا على أنها تعايشات بكتيرية. قاموا ببناء أول نواة حقيقية النواة ، وكل نواة منذ ذلك الحين ، باستخدام أجهزة نسخ ولصق وتعديل استعاروها من الفيروسات. تتم قراءة أشرطة النوكليوتيدات وكتابتها وتعديلها باستخدام الحمض النووي الخاص بالميتوكوندريا وبوليمرات الحمض النووي الريبي التي تم تفريغها منذ فترة طويلة إلى النواة للتخزين ، جنبًا إلى جنب مع معظم البروتينات الأساسية الأخرى. سيكون فهم مشروع بناء الميتوكوندريا هذا هو مفتاحنا لفتح الجينوم بأكمله.

هناك ما لا يقل عن 1500 مكان في nucDNA التي نهتم بها. هذه هي المواقع التي ترمز للبروتينات ، وبعض الرناوات المستخدمة في الميتوكوندريا. الحيلة في التعرف على هذه الجينات هي أنها تبدأ عادةً بتسلسل توطين الميتوكوندريا الذي يستهدفها إلى العضية الصحيحة. ليست كل هذه الجينات التي تم استيعابها ثقافيًا في النواة مهاجرة من النواة. لقد قام الكثيرون ببساطة بنسخ أنفسهم من الجينات النووية الموجودة ومن ثم ابتكروا طريقة بديلة للالتصاق في فكرة توطين العضية.

في حين أن القائمة الكاملة لهذه الجينات ("الجينوم الميتوني النووي") ، لم يتم اكتشافها بالكامل بعد ، فإن العديد من تلك الجينات التي تم استخراجها حتى الآن موجودة على الإنترنت على موقع MitoCharta. يواصل الباحثون العثور على العديد من مواطني جينوم ميتونوي. لا يتم التعبير عن هذه بواسطة جميع الأنسجة ، ولا تحتوي دائمًا على عناصر توطين ، ولكن يمكن أن تشق طريقها إلى الميتوكوندريا. بشكل جماعي ، هذه هي النقاط الحاسمة للجينوم الهجين.

بعبارة أخرى ، تكمن النقطة الجيدة في علم الجينوم في الأماكن التي يتقاطع فيها الجينومان. لتحليلها ، يجب علينا البحث عن الارتباطات بين تعدد الأشكال في الجينوم التاجي المتوسع والميتوجينوم الصغير. وبشكل أكثر تحديدًا ، نحتاج إلى إنشاء مجموعة من التأثيرات التي قد تكون متوقعة عند العثور على متغيرات في الجينوم الميتونيوي الذي يزيد قوته عن 1500 فرد جنبًا إلى جنب مع متغيرات محددة في الجينوم الانقسامي المكون من 13 عنصرًا.

حتى وقت قريب ، كان البحث في قواعد بيانات المرض عن متغيرات فردية قد تتطابق مع المريض هو الطريقة الوحيدة لتحليل المخاطر أو تشخيص العديد من الاضطرابات النادرة. مرض الميتوكوندريا ، الذي كان يعتبر يومًا نادرًا للغاية ، هو في الواقع شيء يؤثر على الجميع بشكل أو بآخر. في حين أنه من الممكن إنشاء خلايا هجينة أو `` cybrids '' لاستكشاف تأثيرات طفرات mtDNA معينة في بيئة بحثية ، إلا أن هذا لا يتم عادةً للأفراد. لحسن الحظ ، هناك الآن طريق آخر للمضي قدمًا ، ألا وهو النمذجة الهيكلية والمحاكاة الديناميكية الجزيئية.

يكمن جمال هذا النهج في أنه يمكن أن يتفوق على عمليات البحث في قاعدة البيانات الأولية لأعمال الآخرين (وفي كثير من الأحيان الكائنات الحية الأخرى) التي تعيد فقط خليطًا منتشرًا من المطابقات الضعيفة لمجموعة معينة من المتغيرات للفرد. الآن ، يمكن إجراء هندسة عكسية لأي ملف جيني بشكل مباشر. بعبارة أخرى ، يمكننا تمييز جميع المتغيرات الخاصة بنا بشكل فردي ، ثم استكشاف الآثار المترتبة على كل منها على أساس معقد تلو الآخر.

يتم تضمين كل مجمع داخل محيط من مكونات الاستيراد والتكرار والترجمة والدورة الأيضية المرتبطة بالترسانة النووية التي تنظم في مجمعات ماكرو مختلفة في ظل ظروف مختلفة. بالإضافة إلى الطفرات التي تغير الأنشطة التحفيزية الأساسية للوحدات الفرعية الفردية ، فمن المعروف الآن على نطاق واسع أن التغييرات في الأحماض الأمينية المحيطية حيث تتفاعل الوحدات الفرعية غالبًا ما تعطي التأثيرات المرئية بسهولة. هذه الأحماض الأمينية الحدودية هي تلك التي تتحكم بشكل مباشر في تجميع الوحدات الفرعية في هياكل ذات ترتيب أعلى - وصولًا إلى المعقد التنفسي الفائق المراوغ.

تتمثل إحدى الطرق الجيدة لبدء التحليل في استخدام مثال على mtDNA الحقيقي. حصلت مؤخرًا على تسلسل كامل للجينوم (WGS) من مختبرات Dante مع طلب خاص لتسلسل mtDNA الذي تكلف بضع مئات من الدولارات فقط. لقد تلقيت نتائج mtDNA بعد بضعة أسابيع في شكل ملفين بتنسيق شائع يعرف باسم FASTQ. يحتوي كل ملف على بيانات التسلسل كما تم الحصول عليها عن طريق تسلسل أجزاء من الحمض النووي في اتجاه واحد. لمقارنة النتائج مع تسلسل Cambridge Reference Mitochondrial Sequence (CRS) ، واستخراج المتغيرات الخاصة بي ، قمت بتحميل ملفاتي على موقع ويب يسمى mtDNA-Server ، واستخدمت "نهاية مفردة" لنوع الملف.

بالإضافة إلى سرد المتغيرات الخاصة بك ، نتائج التسلسل "المتجانسة" الأكثر وفرة من العينة التي أرسلتها ، ستتلقى أيضًا نتائج حول التغاير. تتكون هذه البيانات من قراءات إضافية منخفضة الوفرة ، بشكل أساسي من ما يسمى شرائح الحمض النووي للميتوكوندريا النووية (NUMTs). هذه في الغالب نسخ بقايا غير وظيفية من mtDNA الموجودة على العديد من الكروموسومات. للمضي قدمًا ، سيكون من المهم تحليل mtDNA من حجرات أخرى غير اللعاب للحصول على معالجة أفضل للبلازما المتغايرة الفعلية داخل الميتوكوندريا المختلفة.

على سبيل المثال ، يمكن لخلايا عضلة القلب أو الأرومات الليفية أن تتراكم بشكل مفضل ومتحول ومتحور محذوف. في حالات أخرى ، تحافظ الأنسجة المختلفة عمدًا على مجموعات منفصلة من الميتوكوندريا غير المتجانسة. في حالتي ، تلقيت المتغيرات المثلية التالية:

11788 ج> T MT-ND4
1438 A> G MT-CYB (يجب أن يكون MT-RNR2)
15326 أ> G MT-CYB
16519 T> C MT-DLOOP1
263 أ> G MT-DLOOP2
4769 أ> G MT-ND2
750 أ> G MT-RNR1
8860 أ> G MT-ATP6

والخبر السار ، هنا ، هو أنه على الرغم من أنه ليس كل شخص فائزًا في مجموعة من إعادة التركيب الجيني ، يمكن تصنيف كل شخص لديه الميتوكوندريا إلى نمط فرداني معين. هذا يخبرهم تقريبًا أين يتناسبون في شجرة العائلة البشرية ، وبدرجة أقل ، أنواع البيئات التي تتكيف معها الميتوكوندريا الخاصة بهم. باستخدام أدوات مثل MitoMap و Phylotree ، ومساعدة الخبراء للباحثين ماري لوت وشيبينج زانج في مستشفى الأطفال في بنسلفانيا ، وجدت أنني ضمن مجموعة هابلوغروب "H." كان هذا لأنني أشارك جميع علامات 263G و 750 G و 1438 G و 4769 G و 8860 G و 15326 G و ​​16519 C الشائعة جدًا مع هذه المجموعة. الأليل النادر الوحيد الذي أملكه ، في 11788T ، موجود فقط في 25 من 45000 تسلسل في قاعدة بيانات MitoMap وهذا يدفعني إلى المجموعة الفرعية H56. هذا النمط الفرداني هو في الغالب مجموعة فرعية من شمال أوروبا يعتقد أنها نشأت بعد فترة وجيزة من العصر الجليدي الأخير.

الشيء الوحيد الذي يقفز إليّ على الفور هو الوفرة الواضحة للمتغيرات A> G في عملي. يبدو أيضًا أن A> G ممثل بشكل كبير بين طفرات مرض الميتوكوندريا الشديدة المعروفة ، مثل MELAS على سبيل المثال. لاحظت ماري وشيبينج أنه في حين أن A> G هو بالتأكيد انتقال مفضل إحصائيًا (تحدث التحولات G> A مقابل A> G بمعدل 2.26 إلى 1) ، يمكن تفسير وفرتها جزئيًا من خلال انتشار التحولات عبر عمليات الانتقال والتحول الطبيعي عدم تناسق الخصلة داخل mtDNA يحتوي الشريط الخفيف ، الذي يتم ترقيم الانقسام الخيطي منه ، على

13 في المائة G. علاوة على ذلك ، من المعروف أن المتغيرات A و G يتم تحديدها بشكل تفضيلي لمناطق معينة من mtDNA.

بالانتقال إلى أسفل قائمة المتغيرات ، نجد أن بعض متغيرات ترميز البروتين ، مثل 4769A> G في MT-ND2 أو 11788 C> T في جين MT-ND4 كانت "مترادفة". ترمز هذه الجينات للوحدات الفرعية لمركب NADH dehydrogenase I. مرادف يعني أنه على الرغم من تغير النيوكليوتيدات ، سيظل الكودون الجديد معروفًا بواسطة نفس mt-tRNA أو عائلة tRNAs المماثلة. لذلك ، من غير المحتمل أن تؤثر هذه المتغيرات على تسلسل البروتين نفسه. لا يزال من الممكن حدوث بعض التغييرات الطفيفة في سرعة أو دقة الترجمة.

من ناحية أخرى ، يعد الانتقال 8860 A> G MT-APT6 بديلاً غير معروف. وبشكل أكثر تحديدًا ، هذه الطفرة الخاطئة من A> G تغير خصوصية الكودون من T إلى A. من المهم أن ندرك أنه في عالم الكودون T هو الحمض الأميني ثريونين وليس نيوكليوزيد ثيميدين ، بينما A هو ألانين ، وليس الأدينوزين. لتحديد مكان حدوث هذه الطفرة في الوحدة الفرعية لبروتين F-ATPase 6 للمركب V ، يمكننا استخدام Mitomap لتحويل الإحداثي المشار إليه بـ 8860 mtDNA إلى الإحداثي المشار إليه بالبروتين وهو 112.

باستخدام قواعد بيانات بنية البروتين مثل Uniprot ومواقع النمذجة التفاعلية مثل Protein Model Portal ، يمكننا أن نثقب متغير الألانين في الموضع 112 ونرى أين يقع بين الحلقات والطيات المختلفة للبروتين. تُظهر صورة المقالة الرئيسية في الأعلى بروتين ATP6 بالكامل والصورة أدناه تبرز الموضع 112.

MT-Cyb مع متغير في الموضع 112 (مظلل باللون الأخضر). الائتمان: proteinmodelportal.org

كشف البحث في قاعدة بيانات dbSNP Short Nucleotide Variations عن أن العديد من متغيرات MT-CYB مرتبطة باعتلال عضلة القلب الضخامي ، لذلك أردت إجراء بعض التحليلات المتعمقة هناك. توفر ورقة واحدة ، والتي تضمنت خاصتي 15326A> G البديل في دراستهم ، وصفة ممتازة. استخدم مؤلفو دراسة 2013 مادة البولي فين لتحليل الطفرات القريبة من مراكز الأكسدة والاختزال المرتبطة بالهيم المحفوظة في MT-CYB. على الرغم من أن Polyphen يقدم مقاييس قائمة على المشاعر تسجل طفرات مختلفة على أنها "ربما تكون ضارة جدًا" ، إلا أنه يمكن أيضًا أن ينسب هذه الأوصاف الذاتية إلى معايير وظيفية فعلية مثل التعبئة الزائدة في المواقع المدفونة في البروتين.

اعتمادًا على ما إذا كانت الهياكل البلورية للبروتينات البشرية متاحة بدقة عالية كافية أم لا ، يمكن للمرء استخدام برامج التنبؤ مثل I-TASSER و Swiss-PDB Viewer لإدخال تغييرات في الأحماض الأمينية وتقييم جميع الروتامير الممكنة. يمكن إجراء التغييرات في الروابط الهيدروجينية والتفاعلات الجزيئية وتقليل الطاقة باستخدام مجال قوة GROMOS.

لا تزال محاكاة الديناميكيات الجزيئية الكاملة ليست لضعاف القلوب. برامج NAMD و CHARMM22 ، على سبيل المثال ، تتطلب عمومًا قدرًا كبيرًا من قوة الحوسبة. تتفاعل الوحدة الفرعية MT-Cyb مع العديد من 11 وحدة فرعية داخل المجمع III. يمكن للحزم مثل محاكي STRIDE حساب البنية الثانوية في نقاط زمنية متتالية للكشف عن مكان انتقال حلزونات ألفا المتفاعلة والانتقال بالتناوب إلى ملفات عشوائية لتعطيل بنية المجمع.

سنختتم تحليلنا للميتوجينوم في المقالة التالية في هذه السلسلة ، ونبدأ أيضًا في إلقاء نظرة على الجينوم الميتو نووي عندما يصبح متاحًا لي. أحاول أن أسير على خطى الرائد الأوائل في علم الجينوم المفتوح ، براين باردي ، الذي كان من أوائل الأشخاص الذين جعلوا الجينوم بأكمله متاحًا مجانًا لأي شخص مهتم باستخدامه للتحليل. تتوفر المعلومات والملفات الخاصة بي بمجرد وصولها في هذه المدونة.


اختبار من خطوة واحدة لأمراض الميتوكوندريا

تعمل أدوات التسلسل الجيني الأكثر قوة على الكشف بشكل متزايد عن أسرار المرض في الحمض النووي داخل نواة الخلية. الآن يقوم فريق بحثي بتوسيع اختبارات التسلسل السريع للجيل التالي لتحليل مصدر منفصل للحمض النووي - داخل الجينات داخل الميتوكوندريا ، محطات الطاقة الخلوية التي ، عندما تكون غير طبيعية ، تساهم في أمراض معقدة ومتعددة الأنظمة.

قام فريق الدراسة ، برئاسة متخصص في طب الميتوكوندريا في مستشفى الأطفال في فيلادلفيا (CHOP) ، بتكييف تسلسل الجيل التالي لتحليل الإكسوم بالكامل (جميع الحمض النووي المشفر للبروتين) للجينات النووية وجينوم الميتوكوندريا في وقت واحد. قال مارني جيه فالك ، دكتوراه في الطب ، المدير والطبيب المعالج في عيادة الأمراض الوراثية الميتوكوندريا في مستشفى الأطفال: "تتمثل الخطوة الأولى في تطوير علاجات لمرض ما في فهم السبب الدقيق له". "لقد طورنا أداة جاهزة من خطوة واحدة لتحليل الحمض النووي النووي والميتوكوندريا للمساعدة في تقييم السبب الجيني لمرض الميتوكوندريا المشتبه به."

يصف فالك وزملاؤه اختبارهم الشامل المخصص ، والذي يسمونه مجموعة "1: 1000 Mito-Plus Whole-Exome" في المجلة ديسكفري ميديسن، تم نشره في 26 ديسمبر 2012. تعاون مؤلفها المشارك ، الإحصائي الحيوي Xiaowu Gai ، دكتوراه ، الآن من كلية الطب بجامعة Loyola Stritch ، على تطوير الاختبار أثناء وجوده في مستشفى الأطفال.

في حين أن كل مرض من أمراض الميتوكوندريا نادر جدًا في السكان ، فإن المئات من أسباب أمراض الميتوكوندريا معروفة. تنشأ بعض الطفرات في الحمض النووي الخاص بالميتوكوندريا ، وهي هياكل صغيرة تقع خارج نواة الخلية ، في حين أن العديد من أمراض الميتوكوندريا الأخرى تستند إلى جينات الحمض النووي التي تؤثر على وظيفة الميتوكوندريا. لم يتم التعرف على دور الميتوكوندريا في الأمراض التي تصيب الإنسان إلا منذ الثمانينيات ، بناءً على بحث رائد أجراه دوجلاس سي والاس ، دكتوراه ، الآن في مستشفى الأطفال ، ومؤلف مشارك في الدراسة الحالية.

لا تزال العديد من أمراض الميتوكوندريا غير مفهومة جيدًا. أحد العوامل المعقدة هو التغاير - مزيج من جينومات الميتوكوندريا الطافرة والطبيعية داخل نفس الخلايا أو الأنسجة. على عكس التسلسل الجيني التقليدي ، الذي يمكنه اكتشاف الطفرات غير المتجانسة فقط التي تصل إلى مستويات 30 إلى 50 في المائة على الأقل ، فإن المجموعة المخصصة لديها حساسية لاكتشاف طفرات جينوم الميتوكوندريا الموجودة عند مستويات منخفضة تصل إلى 8 في المائة. لتحقيق نتائجهم ، قام فريق الدراسة بتكييف مجموعة موجودة لتسلسل الإكسوم الكامل من Agilent Technologies ، لتوسيعها لتشمل جينوم الميتوكوندريا.

قال فالك إن توافر المجموعة الجديدة ، إذا تم استخدامها لأغراض إكلينيكية أو بحثية ، قد يقصر "الرحلة التشخيصية" التي يمر بها العديد من المرضى والعائلات التي تبحث عن سبب الأعراض المنهكة والمحيرة. تقول: "تسافر العديد من العائلات من اختصاصي إلى آخر لسنوات ، بحثًا عن سبب مرضهم النادر". لا تتوفر دائمًا علاجات محددة ، ولكن تحديد سبب المرض قد يكون الخطوة الأولى نحو اكتشاف العلاجات.

تستعرض دراسة حديثة ثانية أجراها فالك وزملاؤه التقدم المحرز في تشخيص مرض الميتوكوندريا ، من خلال تجربتهم في مركز واحد على مدار فترة ثلاث سنوات سريعة التغير قبل أن يكون تسلسل الإكسوم الكامل متاحًا بشكل عام. المراجعة بأثر رجعي في Neurotherapeutics ، التي نُشرت في 27 ديسمبر 2012 ، تغطي 152 مريضًا من الأطفال والبالغين تم تقييمهم في عيادة تشخيص الميتوكوندريا الوراثية التابعة لـ CHOP من 2008 إلى 2011.

قال فالك: "قبل عام 2005 ، كان بإمكان عدد قليل جدًا من الأفراد تلقي تشخيصات جزيئية نهائية لأمراض الميتوكوندريا ، بسبب القيود في كل من المعرفة والتكنولوجيا". "منذ ذلك الوقت ، فإن القدرة السريرية على تسلسل جينومات الحمض النووي للميتوكوندريا بالكامل قد حسنت بشكل كبير تشخيص العديد من اضطرابات الميتوكوندريا."

خلال فترة الدراسة التي تمت تغطيتها في مقالة المراجعة ، أكدت العيادة في مستشفى CHOP وجود مرض ميتوكوندريا محدد في 16 بالمائة من المرضى واستبعدت مرض الميتوكوندريا الأولي في 9 بالمائة. بينما تظل العديد من التحديات التشخيصية واضحة ، يقول فالك إن ظهور تسلسل الإكسوم النووي المتوازي على نطاق واسع يكشف بشكل متزايد عن المزيد من الجينات في الحمض النووي النووي التي تؤثر على وظيفة الميتوكوندريا ، والاضطراب الجيني الدقيق في مريض معين ، حتى لو كان جديدًا أو غير شائع. وأضافت أن علم الوراثة الجزيئي يعطي فهماً أكثر دقة للمسارات الخلوية الكامنة وراء الأعراض في العديد من اضطرابات الميتوكوندريا. قال فالك: "تقدم هذه المسارات أهدافًا جديدة محتملة لعلاج هذه الاضطرابات".


شاهد الفيديو: من الجين إلى البروتين. العلاقة بين الجين والبروتين (يوليو 2022).


تعليقات:

  1. Wisnu

    أنا آسف ، لكن أعتقد أنك مخطئ. أنا متأكد. دعونا نناقش. أرسل لي بريدًا إلكترونيًا في PM ، سنتحدث.

  2. Zulushakar

    هذه الفكرة الرائعة محفورة للتو

  3. Standa

    هذا صحيح! أعتقد أنها فكرة جيدة. ولديه الحق في الحياة.

  4. Tadeo

    يمكن مناقشته إلى ما لا نهاية



اكتب رسالة