معلومة

ما هي ميزة دائرية الحمض النووي في البكتيريا؟

ما هي ميزة دائرية الحمض النووي في البكتيريا؟


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.

مما أفهمه ، البكتيريا لها حمض نووي دائري. ما هي مزاياها على الخيوط الخطية مثل حقيقيات النوى؟

هل توجد بكتيريا بأكثر من حلقة واحدة من الحمض النووي؟


من المعروف أن ضمة الكوليرا تحتوي على كروموسومين دائريين.

يعد انقسام الخلايا البكتيرية أبسط وأكثر كفاءة مقارنةً بتقسيم الخلايا حقيقية النواة ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى طبيعة كروموسوماتها. لا يتعين عليهم الخضوع للانقسام - تكثيف الكروموسومات ، والعزل ، وتكوين ألياف المغزل ، والتعلق ، وآخرون لا يشاركون في انقسام الخلايا البكتيرية.

يتحايل الدنا الدائري أيضًا على حد Hayflick (مما يسمح له بأن يكون "خالدًا") ، وهو عدد المرات التي يمكن أن تنقسم فيها مجموعة الخلايا قبل أن تتوقف ، ويفترض أن ذلك يرجع إلى تقصير التيلوميرات ، التسلسلات الموجودة في نهاية الكروموسومات. نظرًا لأن الدنا الدائري يفتقر إلى التيلوميرات ، فإنه لا يصبح أقصر مع كل دورة تكرار.

يمكن أن يسهل الحمض النووي الدائري أيضًا نقل الجينات الأفقي مثل الاقتران بوساطة Hfr. تذكر أن الاقتران مشابه لتكرار نوع "الدائرة المتدحرجة" وهو بالطبع ممكن فقط على القطع الدائرية من الحمض النووي.


لتوسيع الإجابة الأخرى قليلاً ، أود أن أضيف أيضًا أن البكتيريا يمكن أن يكون لها أجزاء أخرى من الحمض النووي (عادةً ما تكون دائرية) إلى جانب كروموسومها الرئيسي. تسمى هذه البلازميدات وهي جزيئات مزدوجة من الحمض النووي يمكن أن تتكاثر بشكل مستقل.

غالبًا ما تحمل البلازميدات الجينات التي تسمح للكائن الحي بالبقاء على قيد الحياة في ظروف معينة ، على سبيل المثال يمكن أن تحمل المقاومة لمضاد حيوي ، أو الجين الذي يشفر مادة مغذية معينة قد تكون غائبة في البيئة وما إلى ذلك.

كما تقول الإجابة الأخرى ، يمكن نقل البلازميدات أفقياً بين البكتيريا في عملية تسمى الاقتران البكتيري، وقد أصبح ذلك ممكنًا من خلال وجود بلازميد معين يسمى البلازميد F في المتبرع. يشفر البلازميد F ، من بين أشياء أخرى ، لبروتين F-pilus بيلين، الذي يسمح بتكوين القضيب الضروري لنقل الحمض النووي.

بسبب خصائصها ، تستخدم البلازميدات على نطاق واسع في المختبر مثل ثلاثة أبعاد، لنقل المادة الجينية إلى الخلايا من أجل منحها "قدرات" محددة (على سبيل المثال ، يمكنك إدخال جين يشفر لمستقبل معين لا يتم التعبير عنه عادةً بواسطة الخلايا للسماح بالتعبير عنه واختبار وظيفته).

أخيرًا ، تجدر الإشارة إلى أنه يمكن أيضًا العثور على البلازميدات في حقيقيات النوى (على سبيل المثال في الخميرة).


وصف جورج بيدل وإدوارد تاتوم لأول مرة مفهوم أن كل جين يتوافق مع إنزيم في مسار أيضي عن طريق تعريض الخميرة نيوروسبورا كراسا لظروف الطفرات (Beadle & amp Tatum ، 1941). بعد هذه الإجراءات ، واصل Joshua Lederberg هذه الدراسات مع Tatum حيث أنتجوا سلالتين متحولة في الإشريكية القولونية. كانت هذه البكتيريا auxotrophs، غير قادرة على توليد بعض العناصر الغذائية الأساسية اللازمة للحفاظ على نموها. تم وصف السلالتين التقى & ناقص السيرة الذاتية & ناقص Thr + Leu + Thi + (سلالة أ) و Met + Bio + thr & minus leu & minus thi & minus (سلالة ب). يمكن للسلالة A أن تصنع بشكل كافٍ الأحماض الأمينية ثريونين وليوسين والعامل المساعد ثيامين بينما تكون ناقصة في إنتاج العامل المساعد البيوتين والحمض الأميني ميثيونين بينما كان العكس صحيحًا للسلالة ب. حدث النمو. سمح تكميل الحد الأدنى من الوسائط بالميثيونين والبيوتين بنمو السلالة أ بشكل طبيعي. عندما تم خلط السلالتين معًا وطليهما على وسائط قليلة ، كان هناك نمو للبكتيريا. كانت السلالتان قادرتين على استكمال بعضهما البعض بطريقة ما كما لو حدث تبادل جنسي للمادة الوراثية (Lederberg & amp Tatum ، 1946).

البكتيريا مجهزة بجميع القدرات اللازمة لتكرار الحمض النووي. تم تكييف الأنواع البكتيرية الشائعة لاستخدامها في المختبر لنقل الحمض النووي ونشره للاستخدامات في التكنولوجيا الحيوية. بالإضافة إلى الحمض النووي الكروموسومي للجينوم البكتيري ، تمتلك البكتيريا أيضًا دنا خارج الصبغيات يسمى البلازميدات. تتكاثر هذه البلازميدات بشكل مستقل عن الكروموسوم البكتيري ويمكن أن تحدث بنسخة عالية. يتم تعديل هذه القطع الدائرية من الحمض النووي في المعامل لتحمل قطع معينة من الحمض النووي بحيث يمكن دراستها أو استخدامها للتعبير عن البروتينات. يمكن أن تحمل البلازميدات بشكل طبيعي سمات مهمة ، بما في ذلك مقاومة المضادات الحيوية. البلازميدات صغيرة نسبيًا ، ويتراوح حجمها من 1000 قاعدة إلى 1000000 قاعدة طويلة (1 كيلو بايت - 1000 كيلو بايت).

عادة ما يوجد الحمض النووي البكتيري بشكل كبير كروموسوم دائري (أحمر). البلازميدات هي قطع من الحمض النووي خارج الصبغيات وتنسخ بشكل مستقل (أزرق).

من خلال عملية تسمى اقتران، يمكن للبكتيريا & ldquosexual & rdquo نقل المادة الوراثية إلى أخرى عن طريق تمرير البلازميدات من خلال بنية تسمى حالة الاقتران.

عملية الاقتران بين متبرع حامل بلازميد ومتلقي بلا بلازميد. يقوم المتبرع بإنشاء قالب اقتران لإنشاء جسر عصاري خلوي مع المتبرع حيث يتم نسخ البلازميد إلى المتلقي من خلال طريقة الدائرة المتدحرجة للنسخ المتماثل. يصبح المتلقي بعد ذلك مؤهلاً للعمل كمتبرع.


التحول البكتيري

تحويل هو التغيير الجيني للخلية عن طريق تحديث الحمض النووي من البيئة. يمكن أن تحدث هذه العملية بشكل طبيعي في بعض أنواع البكتيريا ، ولكنها نادرة عادةً. في المختبر ، يمكننا تعريض البكتيريا لظروف تجعلها تأخذ الحمض النووي من البيئة (لتصبح "تتحول"). هناك عدة طرق لتحويل البكتيريا في بيئة معملية ، ولكن من أكثرها شيوعًا تغيير تركيز الأيونات في البكتيريا المحيطة ثم تسخين الخلايا بطريقة معينة. تسمى البكتيريا القادرة على امتصاص الحمض النووي بسهولة من البيئة "مختص". إن جعل الخلايا كفؤة يجعل غشاء الخلية أكثر نفاذاً للحمض النووي. بعد دخول الحمض النووي الجديد إلى البكتيريا ، تستخدمه الخلية لصنع الحمض النووي الريبي ومن ثم البروتين. البروتينات الجديدة المنتجة من هذا الحمض النووي هي التي تسبب التغيير في سمات الخلايا.

البلازميدات

بالإضافة إلى جينوم الحمض النووي (وهو دائري) ، يمكن أن تحتوي البكتيريا أيضًا على دوائر أصغر إضافية من الحمض النووي تسمى البلازميدات. أ بلازميد عبارة عن قطعة دائرية صغيرة من DNA مزدوج الشريطة يمكن نسخها بواسطة الخلايا البكتيرية. تحدث البلازميدات بشكل طبيعي في البكتيريا ويستخدمها العلماء على نطاق واسع كوسيلة لإدخال الحمض النووي الغريب في هذه الخلايا لأن تسلسل الحمض النووي داخل البلازميد يمكن تعديله في المختبر. بمجرد دخول البلازميد إلى الخلية ، يتم نسخه بواسطة آلية تكرار الحمض النووي للخلية. عندما تنقسم الخلية البكتيرية ، تتلقى كل خلية ابنة جديدة نسخًا من البلازميد. سوف تنقسم بكتيريا أصلية واحدة محولة لتشكيل مرئي مستعمرة تتكون من مليون أو أكثر من البكتيريا المتحولة ، والتي تحتوي كل منها على نسخة من البلازميد (الشكل 3).

الشكل 2: رسم تخطيطي لبكتيريا تحتوي على الحمض النووي الجيني البكتيري وثلاثة بلازميدات. لاحظ أن البلازميدات ليست قابلة للتوسع وستكون عادة أصغر بكثير من الجينوم البكتيري. عندما تنقسم البكتيريا ، تتلقى الخلايا الوليدة نسخة من الحمض النووي الجيني وأي بلازميدات موجودة في الخلية. الائتمان: سباولي CC SA 2.5 النسخ المتماثل البلازميد

الشكل 3: إي كولاي تنمو على صفيحة مغذية. كل بقعة هي مستعمرة واحدة معزولة (بقعة دائرية مميزة). تتكون كل مستعمرة من 10 أو 100 من آلاف الخلايا التي نمت من خلية بكتيرية واحدة أصلية. تم تعديل الصورة من: Madprime “K12 E coli Colonies on plate Public Domain.

اختيار البكتيريا المحولة

من أجل تحويل البكتيريا باستخدام DNA البلازميد ، يجب على علماء التكنولوجيا الحيوية التغلب على مشكلتين. أولاً ، الخلايا التي تحتوي على DNA البلازميد لها عيب حيث يتم استخدام الموارد الخلوية (مثل الطاقة) لتكرار البلازميد وتوليف البروتينات التي تم ترميزها بواسطة DNA للبلازميد. إذا نمت مجموعة مختلطة من الخلايا مع البلازميدات والخلايا بدون البلازميدات معًا في وجود الكثير من العناصر الغذائية ، فإن الخلايا التي لا تحتوي على البلازميدات تنمو بشكل أسرع لأنها لا تهدر الطاقة على البلازميد الذي لا تحتاجه (الشكل 4). لذلك ، هناك دائمًا ضغط هائل على الخلايا للتخلص من البلازميدات. إذا تمكنوا من التخلص من البلازميد ، فسوف ينموون بشكل أسرع على صفيحة مغذية (أو في البيئة). ومع ذلك ، فإن التخلص من البلازميد هو بالضبط ما لا نريدهم أن يفعلوه. للتغلب على الضغط للتخلص من البلازميد ، يجب أن نقدم ميزة للخلايا التي لديها وتحافظ على البلازميد.

الشكل 4: عندما تنمو البكتيريا التي تحتوي على بلازميد وبدونه على صفيحة مغذية LB (لا يوجد مضاد حيوي) ، فإن البكتيريا التي لا تحتوي على البلازميد ستنمو بسرعة أكبر لأنها لا تستخدم الطاقة لتكرار البلازميد ولصنع البروتينات المشفرة بالبلازميد. مصدر الصورة: Lisa Bartee، 2020، CCBY.

ثانيًا ، يجب أن نكون قادرين على تحديد البكتيريا التي تلقت البلازميد. في تحول نموذجي ، يتم معالجة مليارات البكتيريا لجعلها كفؤة ومن ثم يتم تعريضها للحمض النووي البلازميدي. عادة ، أقل من 1 من 1000 بكتيريا سوف تكتسب البلازميد (الشكل 5). نحن بحاجة إلى طريقة للتخلص من البكتيريا غير المحولة (أكثر من 99٪ من البكتيريا الكلية الموجودة) بحيث يتبقى لنا فقط البكتيريا التي تحولت مع البلازميد. إذا لم نتخلص من البكتيريا غير المحولة ، فلن نتمكن من رؤية البكتيريا المحولة لأنها تمثل نسبة صغيرة من العدد الإجمالي.

الشكل 5: فقط عدد قليل من البكتيريا في عملية التحول (عادة أقل من 1٪) سوف تمتص البلازميد وتتحول. نحن بحاجة إلى طريقة للتخلص من البكتيريا التي لم تمتص البلازميد حتى يتبقى لنا البكتيريا المتحولة فقط. مصدر الصورة: Lisa Bartee، 2020، CCBY.

توفر الجينات المقاومة للمضادات الحيوية وسيلة لإيجاد البكتيريا التي اكتسبت DNA البلازميد في وسط كل تلك البكتيريا التي لم تفعل ذلك. مضادات حيوية هي مواد كيميائية تمنع نمو البكتيريا أو تقتلها. إذا كان البلازميد يحتوي على جين لمقاومة أحد المضادات الحيوية ، فعندئذٍ بعد التحول ، لن يتم منع البكتيريا التي تنمو على صفيحة مغذية تحتوي على المضاد الحيوي أو تقتلها. وهذا يعني أن البكتيريا التي تناولت البلازميد أثناء التحول يمكن تمييزها عن البكتيريا التي لم تنمي البكتيريا على صفيحة مغذية تحتوي على المضاد الحيوي (الشكل 6). فقط البكتيريا التي تحولت مع البلازميد ستنجو من تأثير القتل للمضاد الحيوي وتنمو لتشكل مستعمرات مرئية على الصفيحة. تذكر أن المستعمرة تتكون من أكثر من مليون خلية بكتيرية متطابقة وراثيا. هذا يعني أن المستعمرات الوحيدة التي تنمو على صفيحة مغذية + مضاد حيوي بعد التحول هي البكتيريا التي اكتسبت البلازميد وحافظت عليه. إن استخدام مضاد حيوي في لوحة المغذيات وجين مقاوم للمضادات الحيوية في البلازميد يحقق هدفينا المتمثلين في إعطاء ميزة للخلايا التي تحتوي على البلازميد بحيث يتم الاحتفاظ بالبلازميد ووجود علامة حتى نعرف أن خلايانا تحتوي على حمض نووي جديد. تُعرف مقاومة المضادات الحيوية باسم أ علامة اختيار لأنه يمكننا تحديد الخلايا التي تحتوي عليها.

الشكل 6: عندما تزرع البكتيريا التي تحتوي على بلازميد وبدونه على صفيحة مغذية LB تحتوي على مضاد حيوي ، فإن البكتيريا التي لا تحتوي على البلازميد ستقتل جميعًا بواسطة المضاد الحيوي. فقط البكتيريا التي تحتوي على المضاد الحيوي ستكون قادرة على النمو. اعتمادات الصورة: ليزا بارتي ، 2020 ، CCBY. غابرييل فان هيلسينج ، CCSA 3.0 ، الجمجمة والعظمتان المتقاطعتان.

هذا ما سيبدو عليه استخدام المضاد الحيوي لاختيار الخلايا المحولة التي تحتوي على البلازميد:

لمختبرنا:

يسمى البلازميد الذي سنستخدمه pGLO (متوفر من Bio-Rad). يحتوي هذا البلازميد على عدة قطع مهمة:

  • أوري - أصل التكرار ، والذي يسمح بنسخ البلازميد عندما تنقسم البكتيريا.
  • جين GFP (البروتين الفلوري الأخضر) - يعطي بروتين GFP توهجًا أخضر في وجود ضوء الأشعة فوق البنفسجية.
  • جين bla - يتم إنتاج إنزيم بيتا لاكتاماز من هذا الجين. يقوم هذا الإنزيم بتفكيك بعض المضادات الحيوية مثل الأمبيسلين عندما تكون موجودة في البيئة قبل أن تتمكن من قتل البكتيريا.
  • جين araC - يقوم بروتين AraC الذي ينتجه هذا الجين بتشغيل جين GFP عندما يكون الأرابينوز موجودًا في البيئة.

سيكون للبكتيريا التي تتحول مع هذا البلازميد سمتان جديدتان: سوف تتألق باللون الأخضر تحت ضوء الأشعة فوق البنفسجية وستكون مقاومة للأمبيسيلين المضاد الحيوي.

الخطوات الأساسية في عملية التحول البكتيري هي:

  • امزج البكتيريا التي تنمو بنشاط مع DNA البلازميد الذي تريد إدخاله في أنبوب يحتوي على محلول CaCl2 (كلوريد الكالسيوم).
  • "صدمة الحرارة" للبكتيريا عن طريق تسخينها بسرعة ثم تبريدها. تؤدي هذه العملية إلى دخول البلازميد إلى البكتيريا.
  • انقل البكتيريا إلى صفيحة مغذية LB (تحتوي على عناصر مغذية) حتى تتمكن من التعافي والتعبير عن جيناتها المكتسبة حديثًا.

بعد إجراء عملية التحول البكتيري ، يتم اختيار الخلايا التي تحتوي على البلازميد من خلال نمو البكتيريا على ألواح المغذيات LB التي تحتوي على الأمبيسلين. الأمبيسيلين يقتل أي خلية لم تتحول مع البلازميد. هذا يعني أن البكتيريا الوحيدة التي يمكن أن تنمو لتشكل مستعمرات مرئية على صفيحة تحتوي على مغذيات LB والأمبيسلين هي خلايا محولة. ستنتج هذه الخلايا GFP عند مستويات منخفضة جدًا وستظهر بيضاء عند عرضها تحت ضوء الأشعة فوق البنفسجية.

أرابينوز هو نوع من السكر يمكن إضافته إلى الأطباق عند سكبها. على الرغم من أن الأرابينوز هو سكر ، إلا أنه لم يتم استخدامه كمصدر غذائي في هذه التجربة. عندما تزرع البكتيريا المحولة على أطباق تحتوي على مغذيات LB + أمبيسلين + أرابينوز ، يتفاعل الأرابينوز مع بروتين araC (الذي يتم إنتاجه من جين araC). تفاعل بروتين أرابينوز + أراك يحفز نسخ جين GFP. ينتج عن هذا توهج أخضر لامع عندما يتم عرض البكتيريا تحت مصدر ضوء الأشعة فوق البنفسجية.

عينات في تجربتنا

في مختبرنا ، سنقارن بين البكتيريا المحولة (+ pGLO) وغير المحولة (-pGLO) المزروعة على عدة أنواع مختلفة من الألواح. فيما يلي النقاط الرئيسية التي يجب تذكرها:


دحض أسطورة الخطأ

تكمن قوة بيانات تسلسل SMRT في أطوال القراءة الطويلة وفي الطبيعة العشوائية لعملية الخطأ (الشكل 2). صحيح أن القراءات الفردية تحتوي على عدد أكبر من الأخطاء: حوالي 11٪ إلى 14٪ أو Q12 إلى Q15 ، مقارنةً بـ Q30 إلى Q35 من Illumina وغيرها من التقنيات. ومع ذلك ، بالنظر إلى العمق الكافي (8x أو أكثر ، على سبيل المثال) ، فإن تسلسل SMRT يوفر منظور إجماع إحصائي متوسط ​​الدقة للغاية للجينوم ، لأنه من غير المرجح أن يتم ملاحظة الخطأ نفسه بشكل عشوائي عدة مرات. ومن المعروف أنه تم العثور على منصات أخرى تعاني من أخطاء منهجية يجب حلها بطرق تكميلية قبل إنتاج التسلسل النهائي [16].

تحليل سياق التسلسل لمعدل خطأ الإدراج التجريبي للنظامين الأساسيين على بيانات الجينوم الكاملة NA12878. في هذا الشكل نعرض جميع السياقات ذات الحجم 8 التي تبدأ بـ AAAAA. نقاط جودة الإدراج التجريبية (ذ-محور) تم تحجيمه PHRED. على الرغم من ارتفاع معدل الخطأ (حوالي Q12) لجهاز PacBio RS ، فإن الخطأ مستقل عن سياق التسلسل. من المعروف أن الأنظمة الأساسية الأخرى لديها معدلات خطأ مختلفة لسياقات التسلسل المختلفة. منصة HiSeq من Illumina ، الموضحة هنا ، لديها معدل خطأ أقل (حوالي Q45 عبر ثمانية عمليات تشغيل مستقلة) ، لكن سياقات مثل AAAAAAAA و AAAAACAG لها معدلات خطأ مختلفة للغاية (Q30 مقابل Q55). يخلق معدل الخطأ الخاص بالسياق تحيزًا لا يمكن توضيحه بسهولة من خلال عمق التسلسل الأكبر. تم قياس معدلات أخطاء الإدراج التجريبية باستخدام مجموعة أدوات تحليل الجينوم (GATK) - أداة إعادة معايرة نقاط الجودة الأساسية.

هناك طريقة أخرى تستفيد من الطبيعة العشوائية لملف تعريف خطأ SMRT وهي استخدام قراءات إجماع دائرية ، حيث ينتج عن قراءة التسلسل ملاحظات متعددة لنفس القاعدة من أجل إنشاء تسلسل إجماع عالي الدقة من جزيئات مفردة [17]. تعمل هذه الإستراتيجية على مقايضة طول القراءة من أجل الدقة ، والتي يمكن أن تكون فعالة في بعض الحالات (إعادة التسلسل المستهدفة ، الجينومات الصغيرة) ولكنها ليست ضرورية إذا كان بإمكان المرء تحقيق بعض التكرار في بيانات التسلسل (يوصى بـ 8x). مع هذا التكرار ، من الأفضل الاستفادة من التعيين المحسّن للإدخالات الأطول من اختيار قراءات الإجماع الدائرية ، لأن القراءات الأطول ستكون قادرة على توسيع المزيد من التكرارات وستظل الدقة العالية تتحقق من إجماعهم.


DNA Topoisomerases: الكيمياء الحيوية والبيولوجيا الجزيئية

Karl Drlica، Barry Kreiswirth، in Advances in Pharmacology، 1994

الحفاظ على مستويات اللف الفائقة الثابتة

يحتوي الحمض النووي الدائري السليم المستخرج من الخلايا البكتيرية على عجز في الارتباط ، أي أن الحمض النووي يحتوي على عدد أقل من الدورات المزدوجة مقارنةً بالجزيء الخطي أو المكسور من نفس الطول. يؤدي عجز الربط هذا إلى أن يكون الحمض النووي تحت توتر سلبي فوق حلقي ، لذلك يُطلق على عجز الارتباط الملحوظ بالحمض النووي المستخرج اسم "الالتواء الفائق السلبي". يوجد التوتر أيضًا داخل الخلايا ، ولكن عند نصف المستوى الموجود في الحمض النووي المستخرج (للمراجع ، انظر Drlica ، 1992). تعمل العوامل غير المحددة على تقييد ما تبقى من عجز الربط وتمنع النكات داخل الخلايا في الحمض النووي من القضاء عليه تمامًا. نظرًا لأن العديد من أنشطة الحمض النووي حساسة لمستويات الالتفاف الفائق (على سبيل المثال ، انظر Drlica، 1984 Pruss and Drlica، 1989) ، فإن فهم كيفية إنشاء هذه المستويات واضطرابها أمر ذو أهمية عامة.

تم تحديد أربعة إيزوميراز في الإشريكية القولونية: topoisomerase I (Wang، 1971)، gyrase [topoisomerase II (Gellert وآخرون.، 1976a)] ، توبويزوميراز الثالث (Dean وآخرون.، 1983) ، و topoisomerase IV (Kato وآخرون.، 1990). فقط gyrase يقدم لفائف سالبة سالبة في المختبر. يبدو أنه المصدر الأساسي للفائق السلبي في الجسم الحي، نظرًا لأن مثبطات الجيراز تمنع إدخال الملفات الفائقة السالبة في العاثية λ الحمض النووي أثناء العدوى الفائقة لليسوجين (Gellert وآخرون.، 1976 ب). هذه المثبطات ، وخاصة الكومارين ، تتسبب أيضًا في فقدان الطبقات الفائقة من كل من الكروموسوم والبلازميدات (Drlica and Snyder ، 1978 Kano وآخرون.، 1981 مانيس وآخرون., 1983 ). في المختبر، gyrase ، وكذلك topoisomerases الأول والثالث ، يريح الحمض النووي. عيوب في توبويزوميراز 1 (نتاج أعلى) يؤدي إلى مستويات مرتفعة من الالتفاف الفائق وبالتالي يمنع توبويزوميراز I عادة الحفاظ على الالتفاف الفائق الزائد. حذف أعلى كتل نمو ه. القولونية، وهذا أدى إلى استعادة الطفرات التعويضية. العديد من هذه الخرائط في جينات gyrase (جيرا و جيرب) وتقليل الالتفاف إلى ما دون المستويات الطبيعية (DiNardo وآخرون.، 1982 بروس وآخرون.، 1982 ريتشاردسون وآخرون.، 1984 راجي وآخرون.، 1985). تؤكد هذه الدراسات الطفرية على أهمية الالتفاف الفائق في نمو الخلايا وتثبت أن النمو القوي يحدث ضمن نطاق ± 15٪ من الالتفاف الفائق. هناك القليل من الأدلة على أن توبويزوميراز III أو IV يساهم بشكل طبيعي في التحكم في الالتفاف الفائق.

تميل Gyrase و topoisomerase I إلى الحفاظ على الالتفاف الفائق ضمن نطاق ثابت من خلال خصوصية الركيزة الخاصة بهم. Gyrase أكثر نشاطًا على الركائز المسترخية أكثر من الركائز فائقة الالتفاف (Sugino and Cozzarelli ، 1980) من الواضح أن topoisomerase I يفضل بشدة الحمض النووي فائق الالتفاف كركيزة في المختبر، ولا يؤدي إلى إرخاء الحمض النووي تمامًا (وانج ، 1971). في الجسم الحي، topoisomerase I ليس مصدرًا رئيسيًا لنشاط الاسترخاء بمجرد انخفاض الالتفاف الفائق إلى ما دون المستويات الطبيعية: في إحدى الدراسات ، لم يكن لوجود هذا الإنزيم أي تأثير يمكن اكتشافه على معدل استرخاء الحمض النووي الناجم عن مثبطات gyrase التي ربما تحفز gyrase لإرخاء الحمض النووي (Pruss) وآخرون.، 1986) في دراسة أخرى أنتج توبويزوميراز I الاسترخاء البطيء والجزئي فقط (Bliska and Cozzarelli ، 1987).

تصحح الإيزوميراز العلوي اضطرابات درجة الصوت الحلزونية التي تغير التوتر فوق الحلزوني. على سبيل المثال ، يؤدي خفض درجة الحرارة إلى زيادة عدد الدورات المزدوجة في الحمض النووي ، مما يزيد من التوتر فوق الحلزوني. يبدو أن الإيزوميراز العلوي يخفف من هذا التوتر الزائد ، لأن الحمض النووي يظهر عددًا أقل من الملفات الفائقة عند استخراجه من الخلايا التي نمت في درجات حرارة منخفضة (Goldstein and Drlica ، 1984). في مثال آخر ، فإن معالجة الخلايا باستخدام صبغة الكلوروكين المتداخلة تزيل الحمض النووي ، وهذا من شأنه أن يقلل من التوتر فوق الحلزوني. ثم يبدو أن Gyrase يقدم لفائف فائقة (إسبوزيتو وسيندين ، 1987). الإزالة اللاحقة للكلوروكين لها تأثير معاكس ، مما يؤدي إلى الاسترخاء السريع.

ترتبط أمثلة أخرى للإجراءات التصحيحية بواسطة الإيزوميراز العلوي بأنشطة الحمض النووي التي تنطوي على فصل الخيوط. ظهرت بعض الحالات اللافتة للنظر من دراسة تأثيرات النسخ على الالتفاف الفائق. في أعلى نسخ متحولة من تيت تسبب الجين الموجود على pBR322 في أن يصبح اللفاف الفائق للحمض النووي البلازمي سلبيًا للغاية (Pruss and Drlica ، 1986). هذا ، مقترنًا بملاحظة أن تثبيط gyrase يمكن أن يولد لفائف فائقة إيجابية في pBR322 (Lockshon and Morris ، 1983) ، أدى إلى فكرة أن نقل معقدات النسخ على طول الحمض النووي يولد توترًا سالبًا سلبيًا وراء التوتر المعقد والإيجابي (أو استرخاء السلبي. التوتر) قبل ذلك (Liu and Wang ، 1987). سوف يصحح Topoisomerase I التوتر السلبي الزائد ، بينما يصحح gyrase للاسترخاء (أو إدخال لفائف فائقة إيجابية). وبالتالي ، يؤدي عدم التوازن بين الإنزيمين إلى تغييرات ناتجة عن النسخ في عجز الربط الصافي: تتراكم الطبقات الفائقة السالبة في غياب Topoisomerase I (Pruss and Drlica ، 1986) وتتراكم الطبقات الفائقة الإيجابية في وجود مثبط لل gyrase (Wu وآخرون.، 1988). في ظل الظروف العادية ، يمكن أن يؤدي النسخ على الأقل بشكل عابر إلى الالتفاف الفائق المحلي الذي ينحرف بشكل كبير عن القيم المتوسطة. لوحظت اضطرابات محلية مع البلازميدات في الجسم الحي (الرحموني وويلز ، 1989 ، 1992).

يتضمن مستوى آخر من الصيانة التعبير من الجينات المشفرة لل gyrase و topoisomerase I. تسبب مثبطات الكومارين لل gyrase استرخاء الحمض النووي (Drlica and Snyder ، 1978) ، والمرتبط بالاسترخاء هو زيادة في التعبير عن كليهما جيرا و جيرب (Menzel and Gellert، 1983) وكذلك انخفاض في التعبير أعلى (تسي دينه ، 1985). تم العثور أيضًا على حالات يمكن أن تزيد فيها الكينولونات من الالتفاف الفائق (Manes وآخرون.، 1983 بروس وآخرون.، 1986 Franco and Drlica، 1989) في ظل هذه الظروف أعلى يزيد التعبير (Tse-Dinh and Beran ، 1988). وبالتالي ، هناك تنظيم استتباب للتعبير الجيني supercoiling و topoisomerase.


الحمض النووي في البكتيريا (مع رسم بياني)

الحمض النووي للبكتيريا ، على سبيل المثال E. coli ، جزيء دائري مغلق تساهميًا. إنه يشكل الكروموسوم البكتيري ، على الرغم من أن هذا الكروموسوم أبسط بكثير في التركيب ومستوى التنظيم من الكروموسومات حقيقية النواة للنباتات والحيوانات. أيضًا ، تحتوي كل خلية بكتيرية عادةً على كروموسوم واحد يحتوي على جزيء DNA دائري واحد.

في الإشريكية القولونية ، يبلغ طول جزيء الحمض النووي 1300 ميكرومتر عند تمدده بالكامل ويحتوي على حوالي 4700 × 10 3 أزواج قاعدية والتي تشفر حوالي 4000 جين. من أجل حزم جزيء الحمض النووي الطويل هذا في خلية بقياس حوالي 1 ميكرومتر × 3 ميكرومتر فقط ، يجب أن يكون الجزيء مطويًا للغاية وملفوفًا بشكل كبير.

يتكون الكروموسوم بدائية النواة - والذي يُطلق عليه أيضًا اسم النواة - من عدد من الحلقات التي ترتبط ببعضها البعض بواسطة عدة بروتينات. على سبيل المثال ، يحتوي نوكليويد الإشريكية القولونية على 45 (40-50) حلقة تشع من لب بروتين مركزي. كل حلقة ملفوفة بشكل فائق (الشكل 9.8 أ). يمكن إزالة الحالة فائقة الالتفاف لحلقات الحمض النووي عن طريق العلاج بـ DNase الذي يتسبب في حدوث كسر أحادي الجديلة (نيك).

ينتج عن شق واحد فك حلقة مفردة دون التأثير على الالتفاف الفائق للحلقات الأخرى (الشكل 9.8 ب). يوضح هذا أن كل حلقة معزولة عن الأخرى ، على الرغم من أن جزيء ds-DNA يمر عبر جميع الحلقات. يمنع الارتباط بالبروتينات في النواة النووية فك الحلقات الأخرى. يحتاج كروموسوم الإشريكية القولونية إلى حوالي 45 نقرة لإزالة جميع الحلقات فائقة الالتفاف ، وبالتالي إنتاج حلقة دائرية مغلقة.

يقال إن جزيء DNA الدائري بدون أي التفاف فائق في حالة استرخاء. في هذه الحالة ، يحتوي الحلزون القياسي المزدوج للحمض النووي الأيمن على حوالي 10 أزواج من النوكليوتيدات في كل دورة من اللولب. إذا تم الآن قطع أحد الخيطين وتدويره بزاوية 360 درجة لفك دورة واحدة كاملة من اللولب وتم إعادة إغلاق النهايات المقطوعة ، فقد يستجيب جزيء DNA الدائري بإحدى الطريقتين التاليتين — وقد ينتج منطقة من قواعد غير متزاوجة ، تسمى فقاعة أو ، بدلاً من ذلك ، قد تنحرف في اتجاه معاكس لاتجاه الفك لإنتاج جزيء DNA دائري سالب الالتفاف.

يوضح الشكل 9.9 الحالات الثلاث للحمض النووي الدائري - المسترخى ، مع الفقاعات والملفوف بشكل سلبي للغاية - بشكل تخطيطي:

يتم إنتاج الالتفاف الفائق السلبي لـ ds-DNA بواسطة فئة من الإنزيمات المعروفة باسم topoisomerases. يتم إنشاء النك المفرد الذي تقطعت به السبل بواسطة topoisomerase I مما يؤدي إلى حدوث كسر أو فجوة في رابطة phosphodiester الخاصة بشريط DNA. يتم تمرير الخيط التكميلي السليم عبر الفجوة ثم يُعاد إغلاق النك. تُعرف فئة أخرى من الإيزوميراز العلوي ، وهي توبويزوميراز II ، أيضًا باسم DNA- gyrase.

تحث هذه الإنزيمات على كسر مزدوج الشريطة في روابط الفوسفوديستر لكلا الخيوط. تلعب هذه الفئة من الإنزيمات دورًا حيويًا في تكرار الحمض النووي. عن طريق إحداث فواصل في كلا الخيطين ، يساعد الإنزيم على تمرير جزيء DNA مزدوج الشريطة سليمًا أو جزء لتمر عبر آخر.

وهكذا ، عندما يتكاثر جزيء دنا دائري ، قد يتشابك الجزيئان البنتان مثل حلقتين من سلسلة. يمكن أن يفصل DNA gyrase الجزيئين عن طريق إحداث شق مزدوج في أحدهما والسماح للآخر بالمرور عبر الفجوة التي يتم سدها بعد ذلك.

يقوم DNA gyrase بوظيفة أكثر أهمية في التكاثر الطبيعي للحمض النووي. مع تقدم شوكة النسخ المتماثل ، يتطور الالتفاف الفائق الإيجابي في الجزء غير المكرر من اللولب ds-DNA. لتعويض التوتر ، يقدم DNA gyrase التفافًا فائقًا سلبيًا عن طريق الخدش.


س 20: أ) تحتوي البكتيريا على DNA دائري صغير خارج الحمض النووي الجيني. ماذا يسمي؟ هل لها أي أهمية للبكتيريا؟ج) ما الفرق في تكوين وسمك جلايكوكاليكس يختلف بين البكتيريا؟د) ما هو دور mesosome و fimbriae في البكتيريا؟

تسمى هذه الحمض النووي الأصغر بالبلازميدات. . بعد عقود من استخدامها لأول مرة ، لا تزال البلازميدات أدوات معملية مهمة في التكنولوجيا الحيوية: يمكن للعلماء إجبار البكتيريا على الاحتفاظ بها. تقريبًا تحتوي جميع البلازميدات المستخدمة في توصيل الحمض النووي على جينات مقاومة المضادات الحيوية. . فقط تلك الخلايا التي تحتوي على البلازميد ستبقى على قيد الحياة وتنمو وتتكاثر.

ج) هيكل جلايكوكاليكس البطاني وتفعيله لاسترخاء عضلات الأوعية الدموية عبر أكسيد النيتريك (NO) استجابةً لزيادة قوة القص.

د) Fimbriae عبارة عن زوائد خيطية رفيعة تمتد من الخلية ، غالبًا في عشرات أو مئات. وهي تتكون من بروتينات بيلين وتستخدمها الخلية لتعلق على الأسطح. يمكن أن تكون مهمة بشكل خاص للبكتيريا المسببة للأمراض ، والتي تستخدمها للالتصاق بالأنسجة المضيفة.


باستخدام الرحلان الكهربائي للهلام النبضي ، فإن A. الورم تم تحليل الجينوم ، حيث تم تحديد كروموسوم خطي وكروموسوم دائري واحد [1]. يبلغ حجم الكروموسوم الخطي 2100 كيلو بايت ، وهو أصغر من الكروموسوم الدائري 3000 كيلو بايت [1]. تمتلك الأنواع الأجرعية علاقة متوالية قريبة من الرنا الريباسي من 16 ثانية مع أنواع البروسيلا ، والتي لها أعضاء معروفين بامتلاك اثنين من الكروموسومات الدائرية [1].

B. melitensis هي بكتيريا كوكوباسيلوس سالبة الجرام ، وتحتوي على كروموسومين دائريين [5]. حجم الكروموسوم هما 2117 كيلو بايت و 1178 كيلو بايت [5]. تشمل أنواع البروسيلا الأخرى ذات الكروموسومين الدائريين B. suis biovar 1 ، B. suis biovar 2 ، B. suis biovar 4 ، B. abortus و ب. أوفيس [9].


الالتواء الفائق للحمض النووي البكتيري | علم الاحياء المجهري

توجد جزيئات الحمض النووي في حالتين ، مرتخية وملفوفة للغاية. الحالة المسترخية لجزيء الحمض النووي هي الحالة التي يمكن فيها التنبؤ بالعدد الدقيق لدورات اللولب عن طريق حساب عدد أزواج القواعد ، بينما عندما تكون جزيئات الحمض النووي المرتخية ملتوية بشدة لتلائم نفسها في مساحة صغيرة ، تسمى الحالة فائقة الالتواء. .

يوضح مثال الإشريكية القولونية سبب دخول جزيء الحمض النووي المريح إلى الحالة فائقة الالتفاف. يصبح طول الحمض النووي للإشريكية القولونية في حالته المريحة أكثر من 1 مم ، أي حوالي 400 مرة أطول من خلية الإشريكية القولونية نفسها. كيف يمكن حشد الكثير من الحمض النووي في مثل هذه المساحة الصغيرة لخلية الإشريكية القولونية؟ لقد حلت الطبيعة هذه المشكلة من خلال فرض نوع من & # 8216 هيكل عالي الرتبة & # 8217 على جزيء الحمض النووي.

في هذه البنية ، يكون الحمض النووي الحلزوني مزدوج الشريطة ملتويًا بدرجة أكبر باستخدام عملية تسمى الالتفاف الفائق ، ويمكن تعبئته بسهولة داخل خلية الإشريكية القولونية. يظل جزيء الحمض النووي فائق الالتواء تحت الالتواء تقريبًا مشابهًا للتوتر الإضافي للشريط المطاطي الذي يحدث عند التواء.

اللفائف الفائقة لجزيء الحمض النووي إما في اتجاه إيجابي أو سلبي ، هو الالتفاف السلبي الذي يعمل في الغالب في جميع الكائنات غير شديدة الحرارة في الطبيعة. في الالتواء الفائق السلبي ، يلتف جزيء الحمض النووي حول محوره في الاتجاه المعاكس من اللولب المزدوج الأيمن.

يمكن أن يكون جزيء الحمض النووي بالتناوب شديد الالتفاف والاسترخاء. ذلك لأن الالتفاف الفائق ضروري لتعبئة الحمض النووي في الخلية البكتيرية والاسترخاء ضروري لتكرار الحمض النووي. يوضح الشكل 5.35 كيف يحدث الالتفاف الفائق في جزيء dsDNA الدائري المريح المغلق تساهميًا ، ويوضح أيضًا كيف يصبح جزيء DNA فائق الالتفاف واحدًا مسترخياً.

يتم إجراء الالتواء الفائق في الحمض النووي البكتيري ومعظم الكائنات الحية الأثرية بمساعدة إنزيم يسمى DNA gyrase ، وهو نوع من الإنزيم يُسمى Topoisomerase ، وخاصةً topoisomerase II.

تكتمل العملية عبر عدة خطوات:

(ط) يتم وضع خيط واحد من DNA دائري مريح على الآخر ،

(2) يؤدي وضع جزء واحد فوق الآخر إلى حدوث تلامس بين اللولب في مكانين ، ويقوم DNA gyrase (topoisomerase II) بعمل كسر مزدوج (نيك) في منطقة التلامس في مكان واحد ، و (3) كسر يتم إعادة إحكام الخيط المزدوج (المكسور) على الجانب الآخر من الخيط السليم مما يؤدي إلى الالتفاف الفائق في جزيء الحمض النووي.

الالتفاف الفائق في جزيء الحمض النووي الذي تمت إزالته بفعل إنزيم آخر يسمى topoisomerase I. يُدخل هذا الإنزيم فاصلًا أحادي السلسلة (نيك) في الحمض النووي فائق الالتفاف ويسبب دوران خيط واحد من الحمض النووي مزدوج الشريطة حول الآخر مما يؤدي إلى عودة الحالة فائقة الالتفاف من الحمض النووي إلى حالة الاسترخاء.

ومع ذلك ، لمنع ارتخاء الحمض النووي البكتيري بأكمله في كل مرة يتم إجراء كسر (شق) ، يحتوي الحمض النووي على مجالات فائقة الالتفاف (الشكل 5.36). في الواقع ، الحمض النووي البكتيري مزدوج الشريطة مرتب ليس في ملف فائق واحد ولكن في عدة مجالات فائقة الالتفاف.

في الإشريكية القولونية ، تم الإبلاغ عن وجود أكثر من 50 مجالًا فائق الالتواء ، يُعتقد أن كل منها مستقر من خلال الارتباط ببروتينات معينة. ومع ذلك ، فإن شقًا في خيط واحد من الحمض النووي مزدوج الشريطة في أحد هذه المجالات لا يسمح للحمض النووي بالاسترخاء في المجالات الأخرى.


شاهد الفيديو: DNA and RNA مقارنة (قد 2022).


تعليقات:

  1. Yehoshua

    إنه لأمر مؤسف ، الآن لا أستطيع التعبير - لقد تأخرت عن اجتماع. لكنني سأطلق سراحي - سأكتب بالضرورة أفكر في هذا السؤال.

  2. Batt

    أنا أتفق ، أفكارك رائعة فقط

  3. Jamian

    أعتقد أنك مرتبك.



اكتب رسالة