معلومة

مناعة الطفرة في تجربة Luria-Delbruck

مناعة الطفرة في تجربة Luria-Delbruck


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.

إذا كانت التجارب مثل تجارب Luria و Delbruck قيد التشغيل بكتريا قولونية والعاثية T1 هي المصدر الرئيسي لثقتنا في نموذج المناعة الطفري ، فهل من المستبعد جدًا وجود أنواع أخرى من البكتيريا يكون لقاء العاثية فيها حدثًا مسببًا للطفرات (أو منح المناعة)؟

هل الاحتمالان من حيث المبدأ متنافيان؟


لا. والمثير للدهشة أن هناك جهاز مناعة تكيفي في بدائيات النوى. لا يزال هذا غير معروف على نطاق واسع. أحدث مراجعة هي

العطار ، إي.ر.ويسترا وآخرون: متكررات متناوبة قصيرة مجمعة بانتظام ومتباعدة (CRISPRs): السمة المميزة لآلية دفاع بارعة مضادة للفيروسات في بدائيات النوى. في: الكيمياء البيولوجية. 392 ، 4 ، أبريل 2011 ، 277-289. دوى: 10.1515 / قبل الميلاد.2011.042. PMID 21294681. (إعادة النظر).

مقتبس من الملخص:

تحتوي العديد من بدائيات النوى على نظام دفاع تم اكتشافه مؤخرًا ضد العناصر الوراثية المتنقلة. يحتوي هذا النظام الدفاعي على نوع فريد من امتدادات الحمض النووي المتكررة ، تسمى التكرارات العنقودية القصيرة المتباعدة بانتظام (CRISPRs). تتكون كريسبر من تسلسلات DNA متكررة متطابقة (مكررة) ، تتخللها متواليات شديدة التغير يشار إليها بالفواصل. تنشأ المباعدات إما من العاثيات أو البلازميدات وتشتمل على بدائيات النوى "الذاكرة المناعية". تقوم الجينات المرتبطة بـ CRISPR بتشفير البروتينات المحفوظة التي تشكل مع CRISPRs نظام CRISPR / Cas ، المسؤول عن الدفاع عن الخلية بدائية النواة ضد الغزاة.

و

أحد تطبيقات نظام كريسبر / كاس هو تحصين بدائيات النوى ذات الصلة بالصناعة (أو حقيقيات النوى) ضد الغزو الجيني المتنقل. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استغلال التباين العالي لمحتوى مباعد كريسبر في دراسات التطور والتطور. على الرغم من التقدم المثير للإعجاب خلال العامين الماضيين ، فإن توضيح العديد من التفاصيل الأساسية سيكون تحديًا كبيرًا في البحث المستقبلي.


على حيدات القرن والجينات

آمل أن تستمر علم الوراثة في نشر أوراق توضيحية عن الكلاسيكيات القديمة ، مثل هذه التي كتبها فيليب مينيلي عن Luria & amp Delbrück (1943). أجرى Luria & amp Delbrück تجربة على مقاومة البكتيريا في Escherichia coli ، وزرع الثقافات البكتيرية ، وتعريضها للعاثية ، ثم طلي وعد الناجين ، الذين أصبحوا مقاومين للعاثية. لقد نظروا في فرضيتين: إما أن المقاومة تحدث بشكل تكيفي ، استجابة للعاثية ، أو تحدث عن طريق الطفرة في وقت ما أثناء نمو الثقافة ولكن قبل إضافة العاثيات. وجدوا أن هذا هو الحال ، وهذا مثال على كيفية حدوث الطفرات بغض النظر عن تأثيرها على اللياقة ، بمعنى عشوائي. يعتمد تحليلهم على نموذج النمو البكتيري والطفرة ، والهدف من هذا التمرين هو استكشاف هذا النموذج من خلال محاكاة بعض البيانات.

أولاً ، نفترض أن الطفرة تحدث بمعدل طفرة ثابت ، وهو قريب جدًا من قيمتها المقدرة ، وأن الطفرة يمكن & # 8217t أن تنعكس. نفترض أيضًا أن البكتيريا تنمو بمضاعفة كل جيل حتى 30 جيلًا. نبدأ مزرعة من بكتيريا حساسة واحدة ، ونتركها تنمو لعدد من الأجيال قبل إضافة العاثية. (سنستخدم الأجيال المنفصلة ، بينما يستخدم Luria & amp Delbrück وظيفة مستمرة.) ثم:

أي ، في كل جيل ، تنتقل المسوخات التي تحدث من القابلية للتأثر بالفئة المقاومة. يتم توزيع عدد المسوخات التي تحدث بين المعرضين للإصابة بحدين:

هذه وظيفة R لمحاكاة ثقافة:

نقوم بتشغيل بضع مزارع مكررة ونرسم عدد البكتيريا المقاومة. يوضح هذا الرسم البياني النقطة بشكل جيد: بسبب الطفرة العشوائية والنمو الأسي ، فإن الثقافات التي تحدث فيها الطفرات في وقت مبكر نسبيًا ستؤدي إلى كثيرا بكتيريا أكثر مقاومة من تلك التي كانت الطفرات الأولى متأخرة. لذلك ، سيكون هناك الكثير من الاختلاف بين الثقافات بسبب تاريخها المختلف.

نقارن هذا بما يحدث في ظل الفرضية البديلة حيث تنشأ المقاومة نتيجة لإدخال الملتهمة مع بعض معدل المقاومة (هذا ليس هو نفسه معدل الطفرة أعلاه ، على الرغم من أننا & # 8217 نستخدم نفس القيمة). ثم سيكون عدد الخلايا المقاومة في مزرعة ما:.

فيما يلي رسمان بيانيان جنبًا إلى جنب لمقارنة الحالات. الشيء المهم هو الشكل. إذا كانت فرضية المقاومة المكتسبة صحيحة ، فإن عدد البكتيريا المقاومة في الثقافات المكررة يتبع توزيع بواسون ، لأنه ينشأ عندما يحسب المرء عدد الأحداث الموزعة ذات الحدين التي تحدث في عدد معين من التجارب. الشيء المثير للاهتمام حول توزيع بواسون في هذه الحالة هو أن متوسطه يساوي التباين. ومع ذلك ، في ظل نموذج الطفرة (كما أوضحنا بالفعل) ، هناك الكثير من الاختلاف بين الثقافات. تجعل هذه التقلبات التباين أكبر بكثير من المتوسط ​​، وهو أيضًا ما وجده Luria و Delbrück في بياناتهما. لذلك ، فإن النتائج غير متسقة مع الطفرة المكتسبة ، ومن ثم تسمى التجربة اختبار تذبذب Luria & # 8211Delbrück.

Luria ، S.E ، & amp Delbrück ، M. (1943). طفرات البكتيريا من حساسية الفيروس إلى مقاومة الفيروس. علم الوراثة، 28 (6) ، 491.

مينيلي ، بي إم (2016). اختر Poisson: كتاب تمهيدي تعليمي لورقة Luria و Delbrück's Classic Paper. علم الوراثة، 202 (2) ، 371-375.


مؤلف

في أوائل الأربعينيات من القرن الماضي ، شك العديد من علماء الأحياء في أن البكتيريا تمتلك جينات. بعد كل شيء ، يبدو أنهم يلعبون وفقًا لقواعدهم الجينية: يبدو أنهم يفتقرون إلى الكروموسومات ، والانقسام الاختزالي ، والانقسام الفتيلي ، والجنس ، وجميع الزخارف الأخرى للوراثة المندلية. حتى أنهم بدوا وكأنهم يظهرون نوعًا من الميراث اللاماركي ، حيث يمكن للفرد أن ينقل السمات المكتسبة خلال حياته.

ثم ، في عام 1943 ، نشر سلفادور لوريا وماكس ديلبروك مقالاً في علم الوراثة التي ميزت ولادة الجينات البكتيرية ، وكشفت أن هذا الميراث اللاماركي على ما يبدو كان في الواقع حالة طفرة عشوائية. لم يكن عمل لوريا وديلبروك مجرد نعمة لعلم الوراثة البكتيرية. جمعتهما معًا الفيزياء الحيوية والحرب ، عزز العقد القصير من التعاون الثنائي أيضًا ظهور البيولوجيا الجزيئية من خلال تطوير الفيروسات التي تصيب البكتيريا إلى نموذج جيني مبسط.

في عدد فبراير من الوراثة ، قدم أندرو موراي ورقة عام 1943 باعتبارها واحدة من كلاسيكيات الذكرى السنوية المائة للمجلة.

تعود جذور شراكة Luria و Delbrück إلى ورقة نُشرت في الوقت الذي كانت الحرب تختمر في أوروبا في عام 1935. كانت لوريا في إيطاليا ، وكان طبيبًا مؤهلًا حديثًا كان يشعر بالملل من الطب ، وكان Delbrück في ألمانيا ، وهو فيزيائي شاب ضجر الفيزياء. تعاون ديلبروك مع بعض علماء الأحياء من مجموعة مناقشة - "ناديه الصغير" - حيث ساهم بنموذج ميكانيكي كمي للجين في ورقة بحثية عن الطفرات وبنية الجينات. قرأ لوريا الورقة بعد بضع سنوات عندما كان في روما يكمل تخصصًا في الأشعة ويشتغل في الفيزياء تحت جناح إنريكو فيرمي الحائز على جائزة نوبل قريبًا. انطلق خيال لوريا من اقتراح الورقة البحثية بأن المفهوم المجرد للجين ، الذي كان لا يزال غامضًا بالغموض ، يمكن التحقق منه باعتباره "مجموعة ملموسة من الذرات". بدا ، كما قال لاحقًا ، "لفتح الطريق أمام الكأس المقدسة للفيزياء الحيوية."

تساءلت لوريا عن كيفية اختبار الأفكار الجديدة وتعثرت في احتمال. التقى بطبيب ميكروبيولوجي في عربة عربة متوقفة تبين أنه يقيس البكتيريا في نهر التيبر باستخدام العاثيات - الفيروسات التي تصيب البكتيريا. أصبح لوريا مفتونًا بإمكانيات فحص البنية الجينية باستخدام العاثية كنظام بيولوجي منزوع الظهر.

Bacteriophages (أشكال متعددة الأضلاع بيضاء) متصلة بخلية بكتيرية ، جاهزة لنقل جينومها إلى البكتيريا. بقلم الدكتور جراهام بيردز [CC BY-SA 3.0] عبر ويكيميديا ​​كومنز.

"لم & # 8217t أحرزت تقدمًا كبيرًا في قراءة هذه الأوراق ذات المظهر المحظور ، كل نمط جيني كان بطول ميل تقريبًا ، بشكل رهيب ، ولم أفهمه للتو."

& # 8211 Max Delbr ü ck، 1978

ثم بدأ في التحدث إلى Emory Ellis ، باحث ما بعد الدكتوراة في القسم في Caltech والذي عزل بعض البكتيريا من مياه الصرف الصحي في لوس أنجلوس ، أدرك Delbrück أنه وجد النظام الذي كان يبحث عنه:

"لقد غمرتني تمامًا أن هناك إجراءات بسيطة جدًا يمكنك من خلالها تصور جزيئات فيروسية فردية [& # 8230] بدا لي هذا بعيدًا تمامًا عن أعنف أحلامي بإجراء تجارب بسيطة على شيء مثل الذرات في علم الأحياء."

& # 8211 Max Delbr ü ck، 1978

بالعودة إلى إيطاليا ، تم تشجيع لوريا على سماع عيد الغطاس في دلبروك ، وفي عام 1938 ، كان يأمل في استخدام زمالة حكومية للسفر إلى الولايات المتحدة للعمل مع الفيزيائي النازح. ولكن بمجرد حصوله على المال ، أعلن الديكتاتور الإيطالي بينيتو موسوليني عن سلسلة من قوانين العرق المتأثرة بالنازية. تم سحب شركة لوريا بشكل غير رسمي لأنه يهودي. مع عدم وجود تمويل للعمل مع Delbrück ، سعى للحصول على مأوى ومنح المال في معهد ماري كوري للرادوم في باريس ، حيث قصف العاثيات بالإشعاع لدراسة تركيبتها الجزيئية.

بعد ذلك ، في 13 يونيو 1940 ، مع تقدم الجيش الألماني في باريس ، أُجبر لوريا وأصدقاؤه على الفرار من المدينة على الدراجات. بعد أن شق طريقه ما يقرب من 500 ميل إلى مرسيليا والسفارة الأمريكية (عبر مزيج من الدراجة وقطار الشحن) ، أخذ لوريا سفينة إلى نيويورك. وبمجرد وصوله إلى الولايات المتحدة ، حصل بسرعة على تمويل لاستئناف تحقيقاته ، وفي مؤتمر عقد في ديسمبر ، التقى أخيرًا بشخص آخر في العالم كان يعتقد أن العاثية هي مفتاح فهم الجين: ديلبروك. وافقوا على الفور على توحيد الجهود.

اللاجئون الفرنسيون ، 19 يونيو 1940. بعد الغزو النازي ، فر ملايين الأشخاص من الجنوب. الصورة: Bundesarchiv، Bild 146-1971-083-01 / Tritschler / CC-BY-SA 3.0 عبر ويكيميديا ​​كومنز

من بين المشاكل الأولى التي عالجها الزوج ظهور المقاومة في البكتيريا. عندما تنمو مزرعة من خلية واحدة ثم تتعرض للعاثية ، تموت الخلايا المصابة. ولكن إذا تُركت لبضع ساعات أو أيام ، تبدأ الخلايا المقاومة للفيروسات في النمو وتنشط الثقافة نفسها. رأى العديد من علماء الأحياء أن هؤلاء الناجين هم من نسل الخلايا التي طورت مقاومة للعاثية نتيجة لبعض التفاعل المباشر بين الفيروس والبكتيريا.

لكن آخرين لم يروا سببًا للاعتقاد بأن البكتيريا تعمل وفقًا لقواعد وراثية جديدة تمامًا. تمامًا كما هو الحال بالنسبة للنباتات والحيوانات ، جادلوا بأن طفرات المقاومة تنشأ بشكل عشوائي ، ويعمل الفيروس كقوة انتقائية تثري السكان للخلايا الموجودة مسبقًا والتي تصادف أنها مقاومة.

في البداية ، كافح لوريا وديلبروك للتوصل إلى تجارب لوضع حد لهذا الخلاف. حاول لوريا قياس نسبة الخلايا المقاومة للفيروسات في المزارع البكتيرية النامية ، لكن بدا أنه يحصل على نتائج مختلفة كل يوم. بعد ذلك ، أتيحت له فرصة لقاء مع زميل في ماكينة قمار:

"لست مقامرًا بنفسي ، كنت أضايقه بشأن خسائره الحتمية ، عندما فاز فجأة بالجائزة الكبرى ، بحوالي ثلاثة دولارات أمريكية ، وأعطاني نظرة قذرة ، وابتعد. في ذلك الوقت ، بدأت في التفكير في علم الأعداد الفعلي لماكينات القمار ، حيث أتضح لي أن ماكينات القمار والطفرات البكتيرية لديها شيء لتعليم بعضهما البعض ".

- سلفادور لوريا 1984

أدرك لوريا أنه يستطيع التمييز بين المقاومة المكتسبة وفرضية الطفرة العشوائية باستخدام الإحصائيات. إذا كانت المقاومة ناجمة عن التعرض للفيروس ، فيجب ألا تظهر إلا بعد إضافة الفيروس ، بنسبة متسقة نسبيًا. ولكن إذا ظهرت المقاومة عن طريق الطفرات في أوقات عشوائية ، فإن نسبة الخلايا المقاومة ستكون أكثر تنوعًا ، اعتمادًا على مدى ظهور الطفرة في وقت مبكر. حسب Delbrück التوزيع الإحصائي الذي يتوقعونه من الطفرات العشوائية ، ومن دواعي سعادتهم أن بيانات Luria التجريبية تطابقه. لقد أظهروا أن البكتيريا لديها جينات تتحور عشوائيًا ، مما يوفر علفًا للانتقاء الطبيعي. قدم نهجهم أيضًا نهجًا كميًا لدراسة معدلات الطفرات البكتيرية.

تجربة لوريا - ديلبروك. (أ) إذا كانت المقاومة ناتجة عن وجود الملتهمة في لوحة الفحص النهائية ، فيجب أن تنتج الثقافات المستقلة أعدادًا متشابهة تقريبًا من المستعمرات المقاومة. (ب) إذا ظهرت طفرات المقاومة تلقائيًا أثناء انقسامات الخلية قبل الطلاء ، فإن عدد المستعمرات المقاومة سيعتمد على مدى ظهور الطفرة في الثقافة المبكرة. الصورة: Madprime عبر Wikimedia commons

كانت ثمرة بناء المجتمع هذا فهماً جزيئياً تحولياً للوراثة خلال فترة قصيرة بشكل ملحوظ. تحولت تجليات العاثيات لوريا وديلبروك إلى جوائز علمية.


فرضية الطفرة العشوائية & # 182

التوزيع الاحتمالي لفرضية الطفرة العشوائية (ما يسمى بتوزيع Luria-Delbrück) هو أكثر صعوبة في الحساب. قام Luria و Delbrück بحسابها بشكل مقارب. لم يتم اشتقاق شكله الدقيق إلا بعد ست سنوات من تجربة Luria-Delbrück بواسطة Lea و Coulson. التعبير الناتج عن التوزيع هو فوضى عملاقة ويصعب تفسيره. يستغرق الأمر حرفياً أكثر من صفحتين من ورقة Lea and Coulson لعرضه. أسهل طريقة لحساب التوزيع ، بعد أن أصبح لدينا الآن أجهزة كمبيوتر قوية ، هي محاكاة عملية اكتساب الطفرات بمحاكاة مونت كارلو. نقوم بعد ذلك بأخذ عينات من التوزيع الاحتمالي ويمكننا بالتالي حساب التوزيع التقريبي.


اكتساب فهم الطالب لدور التباين العشوائي في التطور بعد تدخل التدريس بناءً على تجربة luria-delbruck

عادةً ما يكون طلاب المرحلة الجامعية الأولى في فصول البيولوجيا التمهيدية مثقلين بالمعتقدات الشائعة الموجودة مسبقًا والتي تعيق قدرتهم على التعرف على التطور البيولوجي. أحد أكثر المفاهيم الخاطئة شيوعًا حول التطور هو أن البيئة تسبب طفرات مفيدة ، بدلاً من النظرة الصحيحة القائلة بأن الطفرات تحدث بشكل عشوائي وأن البيئة لا تختار إلا للطفرات ذات السمات المفيدة. في هذه الدراسة ، لوحظ وجود مكاسب كبيرة في فهم الطلاب لدور العشوائية في التطور بعد أن شارك الطلاب في التدخل التربوي القائم على الاستفسار على أساس تجربة Luria-Delbruck. تم إجراء استبيانات مع أسئلة متشابهة فيما يتعلق بالاختيار البيئي بين المسوخ العشوائي للمشاركين في الدراسة (N = 82) في خمسة أقسام منفصلة من فئة علم الأحياء الدقيقة على مستوى السنة الثانية قبل وبعد التدخل التدريسي. تم أيضًا جمع البيانات الديموغرافية عن كل مشارك ، بطريقة تحافظ على عدم الكشف عن هويته. أظهر تحليل المقاييس المتكررة أن درجات ما بعد الاختبار كانت أعلى بكثير من درجات ما قبل الاختبار فيما يتعلق بالأسئلة حول التطور (F (1 ، 77) = 25.913 ، p & lt 0.001). لم يكن لمعتقدات المشاركين الموجودة مسبقًا حول التطور أي تأثير كبير على المكاسب في فهم هذا المفهوم. تشير هذه الدراسة إلى أن إجراء ومناقشة تجربة حول مقاومة العاثيات في الإشريكية القولونية قد يحسن فهم الطلاب لدور الأحداث العشوائية في التطور على نطاق أوسع ، حيث أظهرت إجابات ما بعد الاختبار أن الطلاب كانوا قادرين على تطبيق درس Luria-Delbruck تجربة الكائنات الحية الأخرى التي تخضع لأنواع أخرى من الانتقاء.

الأرقام

متوسط ​​النتيجة المئوية على ذات الصلة ...

متوسط ​​الدرجات المئوية للأسئلة ذات الصلة في الاختبار القبلي والبعدي ، للمشاركين في ...

مقارنة بين الرجال والنساء ...

مقارنة بين متوسط ​​درجات الرجال والنساء في الأسئلة ذات الصلة في الاختبار التمهيدي ...


سلفادور لوريا وماكس ديلبروك في اختبارات الطفرات والتذبذبات العشوائية

هل تظهر الطفرات بشكل عشوائي مع مرور الوقت؟ أم أنها ناتجة عن بيئات غير مواتية؟ من خلال معالجة هذه الأسئلة التطورية الحاسمة ، فاز سلفادور لوريا وماكس ديلبروك بجائزة نوبل وساعدا في بدء مجال علم الوراثة البكتيرية.

في عام 1943 ، كان معروفًا منذ فترة طويلة أن الثقافات البكتيرية تطور بسرعة مقاومة للعدوى الفيروسية. جادل بعض علماء الأحياء بأن الفيروسات تسبب مباشرة طفرات مقاومة ، بينما يعتقد آخرون أن الطفرات نشأت بشكل عفوي قبل التعرض للفيروس. ولكن عندما حاول لوريا وديلبروك لأول مرة التمييز بين هاتين الفرضيتين ، أصابهما الإحباط بسبب ما بدا أنه معدلات طفرة غير متسقة بشكل مزعج. بعد ذلك ، بعد مشاهدة زميل يفوز بالجائزة الكبرى (3 دولارات بالدونات!) في ماكينة سلوت ، أدرك لوريا أن هذا التناقض يخبره بشيء: عدد المستعمرات البكتيرية الطافرة الموجودة في نهاية التجربة يعتمد على وقت ظهور الطفرات. الطفرات التي تنشأ في الأجيال السابقة ستكون موجودة في العديد من الخلايا المتحدرة ("الفوز بالجائزة الكبرى") ، في حين أن الطفرات التي تحدث في الأجيال اللاحقة ستكون موجودة في عدد قليل فقط من الخلايا.

نقل لوريا رؤيته إلى Delbrück ، الذي عمل على التوزيع الإحصائي المتوقع لعدد الخلايا الطافرة لكل ثقافة. رفضت بياناتهم بشكل حاسم الفرضية القائلة بأن البكتيريا لم تصبح مقاومة إلا بعد تعرضها للفيروس ودعمت بقوة التنبؤ بأن الطفرات المقاومة للعاقم لها احتمال ثابت بحدوثها في كل انقسام خلوي.

كان لمقال Luria-Delbrück ثلاثة تأثيرات مهمة تتجاوز استنتاجه المباشر: فقد أظهر أن التحليل الإحصائي الأنيق يمكن أن يضيء العمليات البيولوجية التي لا يمكن ملاحظتها بشكل مباشر ، وقد ساهم في فوز Luria و Delbrück بجائزة نوبل في الطب أو علم وظائف الأعضاء لعام 1969 (مشتركة مع Alfred Hershey) ، وقد أدى بشكل غير مباشر إلى نقاش مستمر حول ما إذا كانت الكائنات الحية تمارس سيطرة فسيولوجية على معدلات الطفرات الخاصة بها.


استشهد الأدب

  1. دي مييس ، ت. ، وأمبير بروجنول ، إف كلونال إيفولوشن. علم الوراثة وتطور الأمراض المعدية: الطبعة الثانية. (2017).
  2. روبنز ، آر جيه مقدمة لإثبات الطفرة الجينية الحقيقية في البكتيريا. ESP. الثالث الحادي عشر. (2001).
  3. Koonin، E. V.، & amp Wolf، Y. I. هل التطور دارويني أم / ولاماركيان ؟. علم الأحياء المباشر. 4:42. (2009).
  4. لوريا ، س. & amp Delbrück، M. طفرات البكتيريا من حساسية الفيروس إلى مقاومة الفيروسات. علم الوراثة. 28: 491-511. (1943).
  5. بول ، أ.م. نقل الجينات الأفقي والمراحل الأولى لتطور الحياة. البحث في علم الأحياء الدقيقة. 160(7):473-480. (2009).

شكر وتقدير

تود ديلاني أن تتقدم بالشكر للدكتور جوناثان إيجينشفيلر ، والدكتور أندريا سويغارت ، ومارجوت بوبيكي ، وشاوجنيسي ماكان لتوجيههم وتقديم مشورة الخبراء بشأن هذا المشروع البحثي. كما أنها تود أن تشكر بريتاني بورزيلو لمساعدتها في التجارب وكذلك الدكتورة ليندسي هاردينغ على صقل هذه القطعة. أخيرًا ، تود أن تشكر أستاذها ومعلمها ، الدكتور فنسنت ستاراي ، على كرمه ورؤيته التي لا تقدر بثمن.


الصفحة الرئيسية / MCB137 / 237 - البيولوجيا الفيزيائية للخلية

يتم إحداث ثورة في علم الأحياء من خلال التقنيات التجريبية الجديدة التي جعلت من الممكن قياس الأعمال الداخلية للجزيئات والخلايا والكائنات الحية متعددة الخلايا بدقة غير مسبوقة. الهدف من هذه الوحدة القصيرة هو استكشاف هذا الطوفان من البيانات الكمية من خلال استخدام الحساب البيولوجي. سنقوم بمسح أمثلة بحثية مثيرة من قسمنا وخارجها من أجل تطوير نماذج نظرية تقدم تنبؤات دقيقة حول الظواهر البيولوجية. سيتم اختبار هذه التنبؤات من خلال التحليل العملي للبيانات التجريبية ومن خلال إجراء عمليات محاكاة رقمية باستخدام Matlab.

سيتم تقديم علم الأحياء الفيزيائي كأداة جديدة ومثيرة لاستكمال المناهج الأخرى في علم الأحياء مثل علم الوراثة وعلم الجينوم وعلم الأحياء البنيوي. ستعرف الوحدة الطلاب على القوة التمكينية للحساب البيولوجي في الاكتشاف العلمي وتمكنهم من استخدام هذه الأدوات في أبحاثهم الخاصة.

مدرس المقرر: هرنان جارسيا ([email protected]). ساعات العمل: أيام الأربعاء من 1:30 مساءً إلى 2:30 مساءً @ 501C LSA. من فضلك ، انظر الإعلان على بيازا لساعات العمل المحدثة.

دورة GSI: إليزابيث إيك ([email protected] ، ساعات العمل: الاثنين 11:00 ص إلى 12:00 م @ 349 LSA) & amp Gabriella Martini ([email protected] ، ساعات العمل: الثلاثاء 4:00 م إلى 5:00 م @ 349 LSA).

مواد الفصل:

    (قابل للتغير)
  • قم بتنزيل Matlab وتثبيته عن طريق تسجيل الدخول إلى UC Berkeley Software Central. من المهم جدًا القيام بذلك قبل أسبوع على الأقل من بدء الدراسة!

جدول: يلتقي الفصل الثلاثاء من 2-4 مساءً في 107 مبنى علم الوراثة وبيولوجيا النبات ويوم الخميس من 2-4 مساءً في 103 مبنى علم الوراثة وبيولوجيا النبات. لا توجد أقسام مناقشة مستقلة حيث يتم دمج المحاضرات والمختبرات و D ضمن المحاضرات الأسبوعية.

سياسة الواجب المنزلي: واجبات منزلية مستحقة في بداية الفصل بعد أسبوع واحد من نشرها. سيتم نشر الحلول بعد يومين من تقديم الواجبات المنزلية ، وسيتم إرجاع الواجبات المنزلية بعد أسبوع من تقديمها. لن يتم قبول أي واجبات منزلية متأخرة (يعني التأخير في أي وقت بعد بدء الفصل في اليوم الذي يحين فيه الواجب المنزلي) ما لم يكن لديك ملاحظة من شخص مثل الطبيب أو العميد. يمكنك مناقشة الواجب المنزلي مع الآخرين ، ولكن يجب أن تكون تفسيراتك ومشتقاتك خاصة بك. يجب أيضًا شرح منطقك وأهمية نتائجك.

الشعور بالأرقام في علم الأحياء: التقدير والحساب البيولوجي

الأوراق البحثية: الرياضيات هي الميكروسكوب التالي في علم الأحياء ، فقط البيولوجيا الأفضل هي الفيزياء التالية للرياضيات ، الأفضل فقط (كوهين 2004) ، النظرية في علم الأحياء: الشكل 1 أو الشكل 7؟ (Phillips2015b) ، توزيع الكتلة الحيوية على الأرض (Bar-ON2018 and SI) وعدد الجينات في الجينوم البشري ، المسألة المأساوية (Schatz2003) ، Polymerases and the Replisome (Baker1998)

مواد القراءة: فصول PBoC من 1 إلى 3

صنع قطع بسيطة: كود ماتلاب (في الفصل)

المقاييس الزمنية في علم الأحياء

النمو البكتيري: المحاكاة باستخدام طريقة أويلر

الإشريكية القولونية بالأرقام - النمو البكتيري: عرض باوربوينت

محاكاة نمو البكتيريا: كود ماتلاب (في الفصل)

الأوراق: هوس بـ dN / dt (Neidhardt1999)

مادة للقراءة: الفصلان 2 و 3 من PBoC

النمو البكتيري: حدود نمو البكتيريا ، الجزء الأول

الإشريكية القولونية بالأرقام - حدود نمو البكتيريا ، الجزء الأول: عرض باوربوينت

مادة للقراءة: الفصلان 2 و 3 من PBoC

النمو البكتيري: حدود نمو البكتيريا ، الجزء الثاني

الواجب المنزلي 1 واجب

الإشريكية القولونية بالأرقام - حدود نمو البكتيريا: الجزء الثاني: عرض باوربوينت

مواد القراءة: الفصلين 2 و 3 من PBoC ، فصول MBoC XX (ATP Synthase ، قياس الطيف الكتلي)

الواجب المنزلي 2 كود MATLAB

الانتشار: النقل المحوري واشتقاق معادلة الانتشار

مواد القراءة: PBoC الفصل 13

النمو البكتيري: تحليل أفلام نمو المستعمرات وبيانات التركيب

الواجب المنزلي 2 واجب

الواجب المنزلي 3 مستحق 2/14

قياس نمو البكتيريا بالمجهر: البيانات ، MatlabCode

مادة للقراءة: الفصلان 2 و 3 من PBoC

الانتشار: حل معادلة الانتشار باستخدام تقليب العملات

مواد القراءة: PBoC الفصل 13

الانتشار و FRAP: حل معادلة الانتشار باستخدام المعادلات الرئيسية ، الجزء الأول

الواجب المنزلي 3 واجب (أرسل ملخصًا للتقدير عبر البريد الإلكتروني إلى Hernan و Gabriella و Liz)

الواجب المنزلي 4 مستحق 2/21

الانتشار و FRAP: حل معادلة الانتشار باستخدام المعادلات الرئيسية ، الجزء الثاني

انشر الزبدة للتوزيع: كود ماتلاب

الذباب بالأرقام: الحدود المادية لتكرار الحمض النووي ونسخه في التنمية ، الجزء الأول

الواجب المنزلي 4 واجب

إعادة التركيب والتخطيط الأول للكروموسوم: Sturtevant1913.

الذباب بالأرقام: الحدود المادية لتكرار الحمض النووي ونسخه في التنمية ، الجزء الثاني

استطالة النسخ في الذباب: البيانات ورمز ماتلاب

الزخرفة التنموية: نموذج العلم الفرنسي وكيفية عمل تدرجات مورفوجين ، الجزء الأول

أرقام بلا أبعاد وتحليل الأبعاد

الواجب المنزلي 5 واجب

الأوراق: اختبار نموذج العلم الفرنسي (Driever1989 and 2013) لقياس تحلل البيكويد (Drocco2011) ، الانتشار (أبو عريش 2011) ، بيكويد التعريب (Little2011) والترجمة (Petkova2014)

الزخرفة التنموية: نموذج العلم الفرنسي وكيفية عمل تدرجات مورفوجين ، الجزء الثاني

مناقشة: التفكير في التراكيز و ATP في الخلية

البيولوجيا التنظيمية والمحفز التأسيسي ، الجزء الأول: مخططات المرحلة وحل مستويات mRNA المتوسطة

الواجب المنزلي 6 واجب

لا يوجد واجبات منزلية هذا الأسبوع - حان الوقت للعمل على الملصقات التقديرية (الاستحقاق 3/14)

ديناميات المروج التأسيسي: كود ماتلاب

المروج التأسيسي: شرائح باوربوينت

البيولوجيا التنظيمية والمروج التأسيسي ، الجزء الثاني: المعادلات الرئيسية وضوضاء النسخ ، نهج تحليلي

مناقشة: تقديرات الانتشار

كلارك ، 1946: هجمات بالقنابل الطائرة على لندن وتوزيع بواسون

Jones2014: ضوضاء نصية في مشغل lac

البيولوجيا التنظيمية والمروج التأسيسي ، الجزء الثالث: المعادلات الرئيسية وضوضاء النسخ ، نهج رقمي

تقدير المقالات القصيرة المستحقة (أرسلها بالبريد الإلكتروني إلى Hernan و Gabriella و Liz)

الواجب المنزلي 7 من أصل 3/21: Taniguchi2010، Petkova2014، Gunawardena2014 (نماذج في علم الأحياء: "وصف دقيق لتفكيرنا المثير للشفقة")


تعد الأجسام المضادة المحايدة (nAbs) التي تم استنباطها ضد موقع الارتباط بالمستقبل (RBS) لبروتين السنبلة من النوع البري SARS-CoV-2 أقل فعالية بشكل عام ضد المتغيرات الحديثة المثيرة للقلق. تم تحوير بقايا RBS E484 و K417 و N501 في المتغيرات التي تم وصفها لأول مرة في جنوب إفريقيا (ب 1.351) والبرازيل (ص 1). قمنا بتحليل آثارها على طفرات ارتباط ACE2 و K417N و E484K على nAbs المعزولة من مرضى COVID-19. يتم إلغاء ربط وتحييد عائلتين من الأجسام المضادة الأكثر شيوعًا (IGHV3-53 / 3-66 و IGHV1-2) ، والتي يمكن أن تربط كلا من RBS في أوضاع ربط بديلة ، بواسطة K417N أو E484K أو كليهما. يمكن تفسير هذه التأثيرات هيكليًا من خلال تفاعلاتها المكثفة مع RBS nAbs. ومع ذلك ، لم تتأثر nAbs إلى مواقع CR3022 و S309 الأكثر تحفظًا وتحييدًا إلى حد كبير. النتائج لها آثار على لقاحات الجيل التالي وعلاجات الأجسام المضادة.

لقد استمر وباء COVID-19 بالفعل منذ أكثر من عام ، لكن الإصابات الجديدة لا تزال تتصاعد في جميع أنحاء العالم. في حين تم نشر العديد من لقاحات COVID-19 المختلفة على مستوى العالم ، فإن مصدر القلق الرئيسي هو ظهور متغيرات مستضدية مميزة لـ SARS-CoV-2 المثيرة للقلق (VOCs). على وجه الخصوص ، النسب B.1.1.7 التي نشأت في المملكة المتحدة (1) وسرعان ما أصبحت سائدة ، سلالة B.1.351 (المعروفة أيضًا باسم 501Y.V2) في جنوب إفريقيا (2) ، النسب B.1.1.28 (وسليلها B.1.1.28.1 ، المعروف أيضًا باسم P.1 / 501Y.V3) في البرازيل (3) و B.1.232 / B.1.427 / B.1.429 (المعروف أيضًا باسم CAL.20C و CAL.20A) في الولايات المتحدة (4) أثار تساؤلات جدية حول طبيعة ومدى ونتائج الانجراف المستضدي في SARS-CoV-2. في موقع ربط المستقبلات (RBS) لمجال ربط مستقبل البروتين (S) السنبلة (RBD) ، اكتسبت سلالة B.1.1.7 طفرة N501Y ، تشترك سلالات B.1.351 و P.1 في هذه الطفرة جنبًا إلى جنب مع K417N / T و E484K ، في حين أن متغيرات كاليفورنيا لها طفرة L452R موجودة أيضًا في المتغير الهندي B.1.617 مع E484Q (5). تم اكتشاف E484K أيضًا في عدد قليل من جينومات B.1.1.7 (1) (الشكل 1 أ). لذلك قمنا بالتحقيق في العواقب الهيكلية والوظيفية لمثل هذه الطفرات على الأجسام المضادة المعزولة (nAbs) المعزولة من مرضى نقاهة COVID-19 ، وتأثيرها على ارتباط مستقبل الإنزيم المحول للأنجيوتنسين 2 (ACE2).

(أيتم تعيين الطفرات الناشئة (المجالات) في سلالات RBS لـ B.1.351 و P.1 على بنية SARS-CoV-2 RBD (أبيض) في مركب مع ACE2 (أخضر) (معرف PDB: 6M0J) (90). تم تقييم الصلات الملزمة لـ ACE2 البشري الموسوم بـ Fc ضد النوع البري SARS-CoV-2 RBD والطفرات عن طريق تجارب قياس التداخل الحيوي (BLI). يتم عرض مجسات مفصلة في الشكل. S1. (ب) توزيع استخدام جين IGHV. يتم عرض عدد الأجسام المضادة التي تستهدف RBD المشفرة بواسطة كل جين IGHV كأشرطة صلبة. يتم تمييز جينات IGHV3-53 و IGHV3-66 المستخدمة بشكل متكرر باللون الأزرق ، و IGHV1-2 باللون البرتقالي. استخدام جين IGHV في 1،593 من الأجسام المضادة التي تستهدف SARS-CoV-2 RBD (11, 1444) مقارنة بالأفراد الأصحاء (خط الأساس) (76) (التخصيب القابل للطي) يظهر كخطوط سوداء. #: ترددات جينات IGHV في الأفراد الأصحاء والتي لم يتم الإبلاغ عنها في (76) مع علامات التصنيف (#). *: جينات IGHV التي يتم إثرائها بشكل كبير على ذخيرة خط الأساس (76) (p & lt 0.05 ، اختبار النسبة لعينة واحدة مع تصحيح Bonferroni) تظهر بعلامة النجمة (*). لا يمثل التخصيب المطوي لواحد (خط أحمر متقطع) فرقًا عن خط الأساس. (ج) تأثيرات الطفرات الفردية على نشاط التعادل وألفة الارتباط لكل جسم مضاد متعادل. IC50 أو كد الزيادة التي تقل عن 10 أضعاف يتم تمثيلها بـ "-" ، بين 10 و 100 ضعف كـ "+" ، وأكبر من 100 ضعف كـ "++". النتائج باللون الأحمر مع "" تشير إلى عدم وجود نشاط تحييد أو تم اكتشاف ارتباط بأكبر كمية من IgG المستخدمة. N.C .: لم يتم تصنيفها في الدراسات الأصلية. ملحوظة: لا توجد بنية متاحة. (د) تحييد النمط الكاذب لفيروس SARS-CoV-2 والمتغيرات التي تحمل طفرات K417N أو E484K. تم اختبار مجموعة من 17 جسمًا مضادًا معادلًا ، بما في ذلك أربعة أجسام مضادة من النوع 1 IGHV3-53 (أزرق) ، واثنين من الأجسام المضادة من النوع 2 IGHV3-53 (أرجواني) ، واثنين من الأجسام المضادة IGHV1-2 (برتقالي). التناقض بين CV05-163 تحييد فيروس النمط الكاذب SARS-CoV-2 (IC50 = 0.47 ميكروغرام / مل) وفيروس أصيل (IC50 = 0.02 ميكروغرام / مل) ذكرت في دراستنا السابقة (17) ربما بسبب أنظمة مختلفة (فيروس كاذب مقابل فيروس أصيل) وخلايا مضيفة (خلايا هيلا مقابل خلايا فيرو إي 6) المستخدمة في هذه التجارب.

تم الإبلاغ سابقًا عن N501Y لتعزيز الارتباط بمستقبلات الإنسان ACE2 (6, 7). هنا ، قمنا بتحديد الارتباط الكمي لـ K417N و E484K و N501Y ومجموعات مزدوجة وثلاثية في RBD إلى ACE2 عن طريق قياس التداخل biolayer (الشكل 1A والشكل S1). زاد N501Y بالفعل من ارتباط RBD بـ ACE2 مقارنةً بالنوع البري RBD (K.د 3.3 نانومتر مقابل 7.0 نانومتر) ، في حين أن K417N خفضت بشكل كبير ربط ACE2 (41.6 نانومتر). E484K انخفاض طفيف في الربط (11.3 نانومتر). الأهم من ذلك ، أن N501Y يمكن أن ينقذ ربط K417N (9.0 نانومتر) ، وكان لدى متحولة ثلاثية K417N / E484K / N501Y (كما في B.1.351) ارتباط مشابه (6.5 نانومتر) للنوع البري (الشكل 1 أ والشكل S1). باستمرار ، ترتبط طفرات K417N / T بـ N501Y في SARS-CoV-2 المنتشر بشكل طبيعي. من بين 585،054 تسلسل جينوم لـ SARS-CoV-2 في قاعدة بيانات GISAID (5 مارس 2021) (8) ، تحدث حوالي 95٪ من طفرات K417N / T مع N501Y ، على الرغم من وجود N501Y في 21٪ فقط من جميع التسلسلات التي تم تحليلها. في المقابل ، 36٪ فقط من طفرات E484K تحدث مع N501Y.

لقد أظهرنا نحن وآخرون أن معظم السارس-CoV-2 nAbs التي تستهدف RBD وحلقاتها يمكن تصنيفها إلى مواقع ومواقع فرعية مختلفة (912). يتم إثراء بعض جينات IGHV بشكل كبير في استجابة الجسم المضاد لعدوى SARS-CoV-2 ، مع IGHV3-53 (11, 1316) و IGHV3-66 ، والتي تختلف من خلال استبدال محافظ واحد فقط (V12I) ، و IGHV1-2 (11, 17, 18) كونها أكثر جينات IGHV إثراءً المستخدمة بين 1،593 من الأجسام المضادة التي تستهدف RBD من 32 دراسة (11, 1444) (الشكل 1 ب). لقد بحثنا في آثار طفرات السارس- CoV-2 السائدة على تحييد هذه الأجسام المضادة متعددة المانحين ، والعواقب على اللقاحات والعلاجات الحالية.

K417N and E484K in VOCs B.1.351 and P.1 have been reported to decrease the neutralizing activity of sera as well as neutralizing monoclonal antibodies isolated from COVID-19 convalescent plasma and vaccinated individuals (4562). B.1.351 is

2.6-5 fold more resistant to neutralization by convalescent plasma and mRNA vaccinee sera (6368). Some variants are able to escape neutralization by some nAbs (e.g., LY-CoV555, 910-30, COVOX-384, S2H58, C671, etc.) while others retain activity (e.g., 1-57, 2-7, mAb-222, S309, S2E12, COV2-2196, C669, etc.) (50, 57, 63, 66, 69, 70). Here, we selected a representative panel of 17 human nAbs isolated from COVID-19 patients or humanized mice to study the escape mechanism. These nAbs cover all known neutralizing sites on the RBD and include those encoded by V genes that are the most frequently used and also significantly enriched (Fig. 1B). We tested the activity of a panel of nAbs against wild-type (Wuhan strain) SARS-CoV-2 pseudovirus and single mutants K417N and E484K (Fig. 1C). Binding and neutralization of four and five antibodies out of the 17 tested were abolished by K417N and E484K, respectively. Strikingly, binding and neutralization by all six highly potent IGHV3-53 antibodies (71) that we tested were abrogated by either K417N (RBS-A/class 1) or E484K (RBS-B/class 2) (Fig. 1, C and D, and fig. S2). In addition, binding and neutralization of IGHV1-2 antibodies was severely reduced for the E484K mutation (Fig. 1, C and D, and fig. S2).

We next examined 54 SARS-CoV-2 RBD-targeting human antibodies with available structures. The antibody epitopes on the RBD can be classified into six sites: four RBS subsites RBS-A, B, C, and D CR3022 site and S309 site (fig. S3) (72), that are related to the four classes assigned in (10) (Fig. 1C). Twenty one of 23 IGHV3-53/3-66 antibodies target RBS-A (Fig. 2A). All IGHV1-2 antibodies with structures to date bind to the RBS-B epitope. A large fraction of antibodies in these two main families make contact with K417, E484 or N501 in their epitopes (Fig. 2A) (73). Almost all RBS-A antibodies interact extensively with K417 and N501, whereas most RBS-B and RBS-C antibodies contact E484, and most RBS-C antibodies interact with L452. We also examined the buried surface area (BSA) of K417, E484, and N501 upon interaction with these RBD-targeting antibodies (fig. S3C). The extensive BSA confirmed why mutations at 417 and 484 affect binding and neutralization. Antibodies targeting RBS-D, or the cross-neutralizing S309 and CR3022 sites, are minimally or not involved in interactions with these four RBD mutations (Fig. 2A and fig. S3C).

(أ) Antibodies making contact with RBD residues K417, E484 and N501 are represented by blue, red and yellow boxes, respectively (cutoff distance = 4 Å). Antibodies encoded by the most frequently elicited IGHV3-53/3-66 and IGHV1-2 in convalescent patients are shown in green and orange boxes, respectively. Antibodies are ordered by epitopes originally classified in (9) with an additional epitope RBS-D that maps to a region in the RBS above or slightly overlapping with the S309 site. Details of the epitope classifications are shown in fig. S3A. Structures of RBD-targeting antibodies that were isolated from patients are analyzed (91). (ب و ج) Residues that are mutated in recently circulating variants are integral to the binding sites of IGHV3-53 antibodies. Representative structures are shown for (B) IGHV3-53 binding mode 1 [CC12.1 (PDB 6XC3), CC12.3 (PDB 6XC4) (13), and COVA2-04 (PDB 7JMO) (75)] and (C) binding mode 2 [COVA2-39 (PDB 7JMP) (75)]. The SARS-CoV-2 RBD is in white and Fabs in different colors. Residues K417 and E484 are represented by blue and red spheres, respectively. Hydrogen bonds and salt bridges are represented by black dashed lines.

IGHV3-53/3-66 RBD antibodies can adopt two different binding modes (9, 10), which we refer here to as binding modes 1 and 2 (74), with distinct epitopes and approach angles (Fig. 2B and fig. S4). All IGHV3-53/3-66 RBD antibodies to date with binding mode 1 have a short CDR H3 of <15 amino acids and bind RBS-A (13, 16, 32), while those with binding mode 2 have a longer CDR H3 (≥15 amino acids) and target RBS-B (9, 10, 75). These dual binding modes enhance recognition of this antibody family for the SARS-CoV-2 RBD, although most IGHV3-53/3-66 RBD antibodies adopt binding mode 1 (Fig. 2 and fig. S4). K417 is a key epitope residue for antibodies with IGHV3-53/3-66 binding mode 1 (Fig. 2B and fig. S4). IGHV3-53 germline residues Vح Y33 and Y52 make hydrophobic interactions with the aliphatic moiety of K417, and its ε-amino group interacts with CDR H3 through a salt bridge (D97 or E97), hydrogen bond (H-bond), or cation-π interaction (F99) (Fig. 2B). K417N/T would diminish such interactions and, therefore, affect antibody binding and neutralization, providing a structural explanation for K417N escape in IGHV3-53/3-66 antibodies with binding mode 1 (Fig. 1, C and D, Fig. 2B, and fig. S2). In contrast, IGHV3-53 antibodies with binding mode 2 do not interact with RBD-K417 (fig. S4), but with E484 through H-bonds with CDRH2 (Fig. 2C). Consistently, binding and neutralization of IGHV3-53 antibodies with binding mode 2 (fig. S4) are abolished by E484K, but not K417N (Fig. 1, C and D, and fig. S2). Interestingly, unlike most IGHV3-53 antibodies that are sensitive to K417N/T or E484K, a recently discovered IGHV3-53-encoded mAb-222, which binds RBS retains activity against P.1 and B.1.351. The mAb-222 light chain could largely restore the neutralization potency of other IGHV3-53 antibodies, suggesting that light-chain interactions can compensate for loss of binding of K417N/T by the heavy chain (63). However, this antibody may represent only a small portion of IGHV3-55/3-66 antibodies that can neutralize VOCs.

Among the IGHV genes used in RBD antibodies, IGHV1-2 is also highly enriched over the baseline frequency in the antibody repertoire of healthy individuals (76), and is second only to IGHV3-53/3-66 (Fig. 1B). We compared three structures of IGHV1-2 antibodies, namely 2-4 (27), S2M11 (30), and C121 (10), that target RBS-B. Despite being encoded by different IGK(L)V genes, 2-4 (IGLV2-8), S2M11 (IGKV3-20), and C121 (IGLV2-23) share a nearly identical binding mode and epitope (Fig. 3A). Structural analysis reveals that the Vح 26 GYTFTG(Y)Y 33 , 50 W(I)N/S(P)XSXGTX 58 , 73 TS(I)S/T 76 motifs are important for RBD binding (fig. S5, A to D). Although only a small part of the epitope interacts with the light chains of 2-4, S2M11, and C121, Vإل 32 and 91 (n.b. also residue 30 in some antibodies) play an important role in forming a hydrophobic pocket together with Vح residues for binding RBD-F486, which is another key binding residue in such classes of antibodies (9) (fig. S5, E to I). Three other IGHV1-2 antibodies, 2-43, 2-15, and H4, also bind in a similar mode (77), further highlighting structural convergence of IGHV1-2 antibodies in targeting the same RBD epitope. Importantly, all IGHV1-2 antibodies to date form extensive interactions with E484 (Fig. 3A and fig. S3C). In particular, germline-encoded Vح Y33, N52 (somatically mutated to S52 in C121) and S54 are involved in polar interactions with the RBD-E484 side chain that would be altered by substitution with Lys (Fig. 3A) and thereby diminish binding and neutralization of IGHV1-2 antibodies against E484K (Fig. 1, C and D, and fig. S2).

Heavy and light chains of antibody 2-4 (PDB 6XEY) (27) are shown in pink and light pink, respectively, S2M11 (PDB 7K43) (30) in orange and yellow, and C121 (PDB 7K8X) (10) in dark and light green, and CV05-163 in cyan and light cyan. The RBD is shown in white. E484 and K417 are highlighted as red and blue spheres, respectively. Hydrogen bonds are represented by dashed lines. Hydrogen bonds are not shown in the panel of C121 due to the limited resolution (3.9 Å).

We previously isolated another potent IGHV1-2 antibody, CV05-163, targeting the SARS-CoV-2 RBD (fig. S6) from a COVID-19 patient (17). CV05-163 likely represents a shared antibody response for IGHV1-2 RBD antibodies across patients (fig. S7). Negative-stain electron microscopy (nsEM) of CV05-163 in complex with the SARS-CoV-2 S trimer illustrates that it can bind in various stoichiometries, including molar ratios of 1:1, 2:1, and 3:1 (Fab to S protein trimer), and can accommodate RBDs in both up- and down-conformations (fig. S8). We also determined a crystal structure of Fab CV05-163 with SARS-CoV-2 RBD and Fab CR3022 to 2.25 Å resolution (Fig. 3B, figs. S9 to S11, and tables S1 and S2) and found that it does indeed bind RBS-B (Fig. 3) and makes extensive interactions with E484 through H-bonds (Vح W50 and Vح N58) and a salt bridge (Vإل R91) (Fig. 3B) that explains why CV05-163 binding and neutralization were diminished with E484K (Fig. 1, C and D, and fig. S2). However, CV05-163 is rotated 90° (Fig. 3B) compared to other IGHV1-2 antibodies 2-4, S2M11, and C121 (Fig. 3A). Thus, IGHV1-2 antibodies, akin to IGHV3-53/66 (75), can engage the RBD in two different binding modes, both of which are susceptible to escape by E484K, but not by K417N (Fig. 1, C and D).

A further group of antibodies target the back side of the RBS ridge (RBS-C) (9). To date, five nAbs isolated from COVID-19 patients are known to bind RBS-C: CV07-270 (17), BD-368-2 (38), P2B-2F6 (18), C104 (10), and P17 (78). These RBS-C nAbs also interact with E484 (Fig. 4A), mainly through an arginine in CDRH3, suggesting that E484K may adversely impact RBS-C antibodies. Indeed, binding and neutralization by CV07-270 was abrogated by E484K (Fig. 1C and fig. S2). Intriguingly, these five RBS-C antibodies are encoded by five different IGHV genes (79), but target a similar epitope with similar angles of approach. In addition, neutralization by REGN10933, a potent antibody used for therapeutic treatment, was reduced to a less extent by K417N and E484K (Fig. 1C) (28). REGN10933 binds at a slightly different angle from RBS-A antibodies and other RBS-B antibodies. K417 then interacts with CDRs H1 and H3 of REGN10933, whereas E484 contacts CDRH2 (fig. S12). Overall, our results demonstrate that RBS mutations K417N and E484K can either abolish or extensively reduce the binding and neutralization of several major classes of SARS-CoV-2 RBD antibodies.

(أ) Interactions between RBS-C antibodies and SARS-CoV-2 RBD. The RBD is shown in white with E484, K417 represented as red and blue spheres, respectively. The various antibodies illustrated are in different colors. Only the variable domains are shown for clarity. Hydrogen bonds and salt bridges to E484 are represented by dashed lines. Published structures with PDB IDs 6XKP (17), 7CHF (38), 7BWJ (18), 7K8U (10), and 7CWN (78) are used to depict structures of SARS-CoV-2 RBD with CV07-270, BD-368-2, P2B-2F6, C104, and P17, respectively. The electron density for the full side chain of Vح N52 was not well resolved in the 3.8-Å structure of C104 in complex with SARS-CoV-2 S. The full side chain is modeled here and shown as transparent sticks to illustrate a possible interaction with E484. (ب) Cross-neutralizing antibodies to the RBD are not affected by E484 and K417 mutations. COVA1-16 targets the CR3022 cryptic site (yellow) (80) and CV38-142 targets the S309 proteoglycan site (blue) (81) to the RBD. Glycans at the N343 glycosylation site are represented by sticks. The RBS surface is shown in green. E484 and K417 are highlighted as red and blue spheres, respectively. (ج) Neutralization of CV38-142 and COVA1-16 against SARS-CoV-2 wild type, K417N or E484K pseudoviruses.

Two other non-RBS sites that are distant from K417 and E484 have been repeatedly shown to be neutralizing sites on the SARS-CoV-2 RBD, namely the CR3022 cryptic site and S309 proteoglycan site (9) (Fig. 1C and Fig. 4B). Antibodies from COVID-19 patients can neutralize SARS-CoV-2 by targeting the CR3022 site, including COVA1-16 (80), S304, S2A4 (31), and DH1047 (41). Recently, we isolated antibody CV38-142 that targets the S309 site (81). Antibodies targeting these two epitopes are often cross-reactive with other sarbecoviruses, as these sites are more evolutionarily conserved compared to the RBS. To test the effect of the K417N and E484K mutations on nAbs that target the S309 and CR3022 sites, we assessed binding and neutralization by CV38-142 and COVA1-16 to SARS-CoV-2. Both mutations have minimal effect on these antibodies (Fig. 1C and Fig. 4C).

The most potent neutralizing antibodies to SARS-CoV-2 generally tend to target the RBS (table S3), as they directly compete with receptor binding. Such RBS antibodies often interact with K417, E484, or N501, which are located in the RBS, and are therefore sensitive to RBS mutations in the VOCs. On the other hand, antibodies targeting the CR3022 and S309 sites are often less potent, but are less affected by the VOCs, as their epitopes do not contain mutated residues. In fact, recent studies have shown that sera from convalescent or vaccinated individuals can retain neutralization activity, albeit reduced, against the mutated variants (48, 50, 82), which is possibly due to antibodies targeting other epitopes including the CR3022 and S309 sites. Thus, the CR3022 and S309 sites are promising targets to avoid interference by SARS-CoV-2 mutations observed to date.

As SARS-CoV-2 continues to circulate in humans and increasing numbers of COVID-19 vaccines are administered, herd immunity to SARS-CoV-2 should be approached locally and globally. However, as with other RNA viruses, such as influenza and HIV (83), further antigenic drift is anticipated in SARS-CoV-2. Intra-host antigenic drift has also been observed in an immunosuppressed COVID-19 patient who had low titers of neutralizing antibodies that allowed emergence of N501Y and E484K mutations (84). While antibody responses elicited by the wild-type lineage that initiated the COVID-19 pandemic have been well characterized in natural infection (11, 1418, 20, 23, 26, 27, 29) and vaccination (50, 8587), data on the immune response to VOCs are now only starting to emerge (88) and will inform on the similarity and differences in the antibodies elicited. Since SARS-CoV-2 is likely to become endemic (89), the findings here and in other recent studies can be used to fast-track development of more broadly effective vaccines and therapeutics.


What comes first?

This post is a commentary at multiple levels

  1. It’s a note on research methodologies and now even the brightest scientific minds miss the details of scientific methods, and
  2. On how quantum effects reshape our understanding of evolution.

Let’s talk about a Nobel-prize winning experiment that supposedly sealed the Darwin-Lamarckian evolutionary debate. The results of this experiment proved that genetic mutations arise in the absence of selection, and not as a result of selection, thus handing Darwin the gold medal from amongst the competing theories of evolution.

To summarise the idea being tested – Are mutations in organisms pre-existent(before the selection pressure came into picture), or are they a result of the said selection pressure.

To quote a real-life example, let’s say the world plunges into a new ice age, there will be a ton of selection pressure favouring organisms that can survive the cold. The question is do such mutations that help adaption to the cold already exist and the conditions favour such organisms, or do mutations that favour adaptation to the cold arise as the result of the cold environment.

A couple of decades back, most scientists would have laughed at your face had you suggested the latter. The former is the Darwinian approach, and the latter is the Lamarckian approach. The argument was considered settled with a 1969 Nobel-prize winning Luria-Delbruck experiment conducted in 1943.


Sandwalk

Richard Lenski has joined a number of other biologists and blogged about classic "must-read" papers. His first example is Luria and Delbrück (1943)&mdashthe Fluctuation Test. It's an excellent description and there's a personal touch.

John Dennehy [The Fluctuation Test and Jonathan Eisen [Luria and Delbrück] also picked the same paper. That means it must really be a "must-read"! (I agree.)

Given that the early history of molecular biology is no longer being taught, I imagine that there are quite a few of you who have never heard of Max Delbrück (1906-1981) or Salvador Luria (1912-1991) in spite of the fact they are Nobel prize winners. Here's some of my posts on them .

19 comments:

I had dinner at Delbrück's house once (along with a bunch of other undergraduates). I wish I could say that I learned oodles of biology, but the only thing that sticks in my mind now is that he had a huge collection of recorders (the musical instrument) and that he let my try out a really big (bass?) one. It sounded good.

I hope someone also references: Lederberg, J and Lederberg, EM (1952) Replica plating and indirect selection of bacterial mutants. J Bacteriol. 63: 399�. That was a more direct demonstration of spontaneous, pre-occurring mutations in a population.

Yeah, this is another sh..t about what one scientists believes over what Larry decides to be the truth. Larry's playing a bit of an atheistic god and enjoining every "byt" of it. And, why not?

This is something: Why do atheists pray? I have come across a survey that revealed that over 30% of atheists pray. Who or what do they pray to?

We pray to the Flying Spaghetti Monster that no bozos will try to hijack a thread by off-topic posting.

I had no doubt about you praying. You haven't answered yet why you pray to the Flying Spaghetti. That would be an interesting thread.

This is something: why does Quest never discuss science in threads devoted to the discussion of science?

If it is really science, I get involved sometimes if I see a point. If it is so-called science based on faith and not on evidence, why bother? You may as well talk religion, since there is no difference between the two.

Unfortunately, my writing here is pointless as you, and the rest of believers here, will fail to get the point. col:(

Don't feed the troll. That is all.

Quest now portrays himself as a scientific expert who has encyclopedic knowledge of science, knowledge so vast that he can state with certainty that there is no evidence for certain theories- a knowledge he has NEVER displayed in ANY of his comments.

Quest: "If it is so-called science based on faith and not on evidence, why bother?"

If you know there is NO evidence for theory X, you are claiming encyclopedic knowledge of that field. (We note in passing his deployment of tu quoque, as our religiously motivated friend, who has never presented evidence for his wholly religious hypothesis, casually accuses US of being motivated by faith.)

So, Quest, since you know so much about science, please explain the Luria-Delbruck experiment in your own words. That is the topic of this thread: the Luria-Delbruck experiment. Since you insinuate it is "faith-based" and backed by NO evidence, you must prove you know something about it. Describe in your own words the experimental method and hypothesis being tested.


شاهد الفيديو: The Luria-Delbruck Experiment (قد 2022).


تعليقات:

  1. Oliverio

    سنحاول أن نكون عاقلين.

  2. Fenrisho

    أنا محدود ، أعتذر ، لكنه لا يقترب مني تمامًا. من آخر يمكن أن يقول ماذا؟

  3. Khalfani

    أوافق ، هذا الفكر الممتاز ، بالمناسبة ، يقع



اكتب رسالة