معلومة

3.3: مثال على الطفرات البشرية - علم الأحياء

3.3: مثال على الطفرات البشرية - علم الأحياء


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.

التليف الكيسي (CF) - وراثي جسمي متنحي

التليف الكيسي (CF) هو واحد من العديد من الأمراض التي أظهر علماء الوراثة أن سببها طفرة في جين واحد جيد التوصيف. هذا المرض ناتج عن طفرة في CFTR (منظم التوصيل عبر الغشاء في التليف الكيسي) ، والذي تم تحديده بواسطة لاب تشي تسويمجموعة في جامعة تورنتو.

تعتمد الأنسجة الظهارية في بعض الأعضاء على بروتين CFTR لنقل الأيونات (خاصة Cl-) عبر أغشية الخلايا الخاصة بهم. يمر مرور الأيونات عبر قناة سداسية الجوانب بواسطة جزء آخر من بروتين CFTR ، والذي يرتبط بـ ATP. إذا كان هناك نشاط غير كافٍ لـ CFTR ، ينتج عن ذلك خلل في تركيز الأيونات ، مما يؤدي إلى تعطيل خصائص الطبقة السائلة التي تتشكل عادة على السطح الظهاري. في الرئتين ، يتسبب هذا في تراكم المخاط ويمكن أن يؤدي إلى الإصابة بالعدوى. تؤثر عيوب CFTR أيضًا على البنكرياس والكبد والأمعاء والغدد العرقية ، وكلها تحتاج إلى هذا النقل الأيوني. يتم التعبير عن CFTR أيضًا بمستويات عالية في الغدة اللعابية والمثانة ، لكن العيوب في وظيفة CFTR لا تسبب مشاكل في هذه الأعضاء ، ربما لأن ناقلات الأيونات الأخرى قادرة على التعويض.

تم وصف أكثر من ألف أليلات متحولة مختلفة لـ CFTR. أي طفرة تمنع CFTR من نقل الأيونات بشكل كافٍ يمكن أن تؤدي إلى التليف الكيسي (CF). في جميع أنحاء العالم ، يُطلق على أليل CFTR الأكثر شيوعًا بين مرضى التليف الكيسي ΔF508 (دلتا- F508 ؛ أو PHE508DEL) ، وهو حذف لثلاثة نيوكليوتيدات تقضي على فينيل ألانين من الموضع 508 لبروتين من النوع البري 1480 aa. تؤدي الطفرة ΔF508 إلى طي CFTR بشكل غير صحيح في الشبكة الإندوبلازمية (ER) ، مما يمنع CFTR من الوصول إلى غشاء الخلية. تمثل ΔF508 ما يقرب من 70٪ من حالات التليف الكيسي في أمريكا الشمالية ، مع حوالي 1/25 شخصًا من أصل أوروبي هم حاملون. أدى التردد العالي لأليل ΔF508 إلى التكهنات بأنه قد يمنح بعض الميزات الانتقائية للأعضاء المتغايرة الزيجوت ، ربما عن طريق تقليل الجفاف أثناء أوبئة الكوليرا ، أو عن طريق تقليل القابلية لبعض مسببات الأمراض التي ترتبط بالأغشية الظهارية.

يعتبر CFTR أيضًا ملحوظًا لأنه أحد الأمراض الوراثية المميزة التي تم تطوير دواء من أجلها يعوض عن تأثيرات طفرة معينة. المخدرات، كاليديكو، تمت الموافقة عليه من قبل FDA و Health Canada في عام 2012 ، بعد عقود من تعيين جين CFTR لأول مرة لواسمات الحمض النووي (في عام 1985) واستنساخه (في عام 1989). كاليديكو فعال فقط في بعض طفرات CFTR ، وأبرزها G551D (أي حيث يتم استبدال الجلايسين بحمض الأسبارتيك في الموضع 551 من البروتين ؛ GLY551ASP). تم العثور على هذه الطفرة في أقل من 5٪ من مرضى التليف الكيسي. تؤثر طفرة G551D على قدرة ATP على الارتباط بـ CFTR وفتح القناة للنقل. تعوض Kalydeco الطفرة عن طريق الارتباط بـ CFTR وإبقائها في شكل مفتوح. من المتوقع أن تبلغ تكلفة Kalydeco حوالي 250 ألف دولار لكل مريض سنويًا.


لا يزال البشر يتطورون: 3 أمثلة على التكيفات الحديثة

التطور هو عملية مستمرة ، على الرغم من أن الكثيرين لا يدركون أن الناس ما زالوا يتطورون. هذا صحيح الانسان العاقل تبدو مختلفة جدًا عن أسترالوبيثكس أفارينسيس، أحد أشباه البشر الأوائل الذين عاشوا قبل حوالي 2.9 مليون سنة. ولكن من الصحيح أيضًا أننا مختلفون جدًا مقارنة بأفراد من نفس الجنس ، الإنسان العاقل الذي عاش قبل 10000 عام - ومن المحتمل جدًا أن نكون مختلفين عن البشر في المستقبل.

ما نأكله ، وكيف نستخدم أجسادنا ، ومن نختار أن ننجب معه ليست سوى بعض من العديد من العوامل التي يمكن أن تتسبب في تغيير جسم الإنسان. تؤدي الطفرات الجينية إلى سمات جديدة - ومع زيادة عدد سكان العالم الآن عن 7 مليارات نسمة وما زالوا في ازدياد ، فإن فرص الطفرات الجينية التي يمكن أن يعمل الانتقاء الطبيعي على أساسها تزداد فقط.

لا تصدقنا؟ معكوس يقدم ثلاثة أمثلة على التغييرات الأخيرة في جسم الإنسان.

الأخيرة ، وهذا هو ، في تطوري مصطلحات. بعد كل ذلك، الانسان العاقل كانت موجودة منذ حوالي 200000 عام - ويبلغ عمر الأرض حوالي 4.5 مليار سنة.

3. نحن نهدأ

في عام 1868 ، نشر طبيب ألماني كتيبًا طبيًا حدد 98.6 درجة فهرنهايت على أنها & quot؛ طبيعية & quot؛ درجة حرارة الإنسان. منذ ذلك الحين ، تم قبول 98.6 درجة بشكل عام كمتوسط ​​درجة الحرارة. وفوق ذلك ستصاب بالحمى. أقل من ذلك ، ويكون لديك انخفاض في درجة حرارة الجسم.

لكن درجة حرارة المعتدل هذه سرعان ما أصبحت قديمة. في يناير ، اكتشف العلماء أننا في الواقع أكثر برودة مما نعتقد.

وفقًا لدراستهم ، التي نُشرت في يناير في المجلة eLife ، من المرجح أن يكون متوسط ​​درجة الحرارة 97.9 درجة.

قام الفريق بتحليل السجلات الطبية من 200 عام الماضية ، والتي تضمنت قياسات درجة الحرارة. وجدوا ، في المتوسط ​​معًا ، أن السجلات تشير إلى حدوث انخفاض تدريجي في درجة حرارة الجسم بمقدار 0.05 درجة فهرنهايت كل عقد.

تقول جولي بارسونيت ، كبيرة مؤلفي الدراسة وأستاذة الطب في جامعة ستانفورد معكوس من المحتمل أن يكون اتجاه التبريد هذا مرتبطًا بانخفاض الالتهاب على مستوى السكان ، وتحسين مستويات المعيشة.

وتقول إن العديد من الأمراض المعدية التي كانت شائعة في القرن التاسع عشر قد تسببت في حدوث التهاب مزمن ، والذي بدوره يحرق السعرات الحرارية ويزيد من معدل التمثيل الغذائي للشخص - مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارته الداخلية ، على حد قولها. نظرًا لأن الناس لم يعدوا يكافحون هذه الأمراض بالمعدل نفسه بعد الآن ، فإن هذا التغيير سينعكس على درجة حرارة الجسم ، على حد قولها.

قد يكون للعيش في الداخل بشكل مريح تأثير عميق على البشر. على عكس أسلافنا ، "لا نضطر إلى العمل بجهد رهيب لنكون في درجات حرارة محايدة من الناحية الفسيولوجية لا ترهق عملية التمثيل الغذائي لدينا ،" يقول بارسونيت.

بينما من المحتمل أن تكون الحياة الصحية هي الدافع وراء اتجاه التبريد هذا ، فمن غير الواضح ما إذا كانت درجة الحرارة المنخفضة تؤدي بالضرورة إلى تحسين صحتنا أيضًا. يبدو أن هذا التحول يعني أننا نحتاج إلى حوالي 150 سعرًا حراريًا أقل يوميًا للحفاظ على احتياجاتنا الأيضية الأساسية عما كنا نفعله في الماضي ، كما تقول. ولكن لا يزال يتعين علينا تحديد أي عواقب أخرى - وعلى الرغم من أننا قد نحتاج إلى سعرات حرارية أقل ، فلا يبدو أننا نأكل أقل من ذلك.

يقول بارسونيت: "نحن أكثر صحة بكثير من البشر في القرن التاسع عشر". و بعد. "لقد أصبحنا أكثر بدانة وأطول ، وأصبحنا أكثر برودة. هل يمكننا أن نصبح أكثر برودة؟ أتوقع ذلك ولكني لست متأكدا إلى أي مدى ".

2. جيناتنا تتغير باستمرار

يقول جوشوا آكي ، الأستاذ في جامعة برينستون ، إن البشر ليسوا محصنين ضد تأثيرات الانتقاء الطبيعي معكوس. العديد من نفس الضغوط التي واجهناها عبر تاريخ الجنس البشري ، مثل مسببات الأمراض ، لا تزال موجودة وتهدد صحتنا اليوم. لكن بيئتنا تغيرت بشكل كبير - وهذا يجب أن يكون له تأثير ، كما يقول.

يقول آكي: "إن بيئتنا مختلفة بالتأكيد عما كانت عليه قبل قرن من الزمان ، وليس من الصعب تخيل أن تلعب أشياء مثل تطور الثقافة الجينية دورًا أكثر بروزًا في مستقبل التطور البشري"..

مثاله المفضل في الآونة الأخيرة إيجابي الانتخاب هو FADS2 ، والذي يُعتقد أنه جين غذائي مهم. يقول آكي إن الإصدارات المختلفة من هذا الجين قابلة للتكيف في مجموعات سكانية مختلفة - اعتمادًا على ما إذا كان لديهم المزيد من اللحوم أو النظم الغذائية النباتية أم لا. على سبيل المثال: في عام 2016 ، اكتشف العلماء أن تناول الأنظمة الغذائية النباتية ، على مدى أجيال ، تسبب في ظهور تواتر أعلى لطفرة معينة في جين FADS2 في مدينة بيون بالهند. سمحت لهم الطفرة بمعالجة أحماض أوميغا 3 وأوميغا 6 الدهنية بكفاءة من مصادر غير اللحوم وتحويلها إلى مركبات ضرورية لصحة الدماغ - وهو أمر لا يتكيف معه بالضرورة الأشخاص الذين يتبعون أنظمة غذائية آكلة اللحوم.

في الوقت نفسه ، تتزايد أيضًا الجينات التي تتحكم في تحمل اللاكتوز. منذ عدة آلاف من السنين ، توقف الإنزيم الذي يساعد الناس على شرب الحليب دون أن يمرضوا عندما بلغوا سن الرشد. لكن الطفرات الجينية اللاحقة التي ظهرت في جميع أنحاء العالم خلال فترة زمنية تراوحت بين 2000 إلى 20000 عام ساعدت الناس على تحمل منتجات الألبان جيدًا في مراحلها. يقدر الباحثون أنه في شرق إفريقيا ، حدث هذا التغيير الجيني مؤخرًا منذ 3000 عام ، حيث أصبحت تربية الماشية جزءًا أكبر من حياة الإنسان.

غالبًا ما تقود التحولات في الطريقة التي نعيش بها حياتنا - مثل الانتقال من راعي بدوي إلى مزارع ، ثم مزارع إلى عامل صناعي - هذه التكيفات الجينية. مثال آخر على ذلك هو وجود صلة واضحة بين الحياة الحضرية والتكيف بشكل أفضل مع مرض السل. في عام 2010 ، وجد العلماء ارتباطًا ذا دلالة إحصائية بين السكان الذين لديهم تاريخ عميق في التحضر والجين المرتبط بمقاومة السل. من المحتمل أن يكون هذا الابتكار التطوري قد حدث خلال الثمانية آلاف عام الماضية.

مارك توماس ، الأستاذ في جامعة كوليدج لندن ، هو أحد الباحثين الذين اكتشفوا هذا الرابط. يقول معكوس أنه قبل أن يصبحوا مزارعين مستقرين ، تعرض السكان لمجموعة مختلفة من الأمراض المعدية مقارنة بتلك التي نشعر بالقلق حيالها اليوم. ويقول إن هذه الأمراض كانت أكثر "انتهازية ومزمنة" - مثل الديدان. عندما تحول المجتمع البشري إلى مستوطنات حضرية كبيرة ، تحولت الأمراض أيضًا.

يقول توماس: "على مدى السنوات العشرة آلاف الماضية ، كنا نتطور استجابة لأنواع الأمراض التي نتعرض لها". "مقاومة مسببات الأمراض وراثية إلى حد كبير ، وهذا يعني أن الانتقاء الطبيعي يحدث بالفعل. إنه أحد الأنواع الرئيسية للانتقاء الطبيعي المستمر في جميع الأماكن ".

1. تصبح عظامنا أخف وزنا

بالمقارنة مع أشباه البشر الآخرين ، فإن عظام الإنسان أضعف وأقل كثافة. في دراسة عام 2015 ، افترض العلماء ذلك الانسان العاقل بدأت العظام تضعف منذ حوالي 12000 عام - في الوقت الذي بدأ فيه الناس في الزراعة أكثر. مع الزراعة المستقرة ، تغيرت أنظمتنا الغذائية ، وتغير نشاطنا البدني ، وبالتالي أصبحت هياكلنا العظمية أخف وزنا وأكثر هشاشة.

وجدت الدراسة أن أنسجة العظام التربيقية - الأنسجة المسامية الإسفنجية الموجودة في نهاية العظام الطويلة مثل عظم الفخذ - انخفضت في السماكة والحجم. يعني الصيد البدوي الأقل وتربية الماشية المستقرة أن الحاجة إلى عظام أثقل وأكثر ديمومة. يستمر هذا التغيير في كثافة العظام لدى البشر المعاصرين اليوم.

أوضح المؤلف الرئيسي: "تُظهر دراستنا أن كثافة العظام لدى البشر المعاصرين أقل من تلك الموجودة في الأنواع ذات الصلة ، ولا يهم إذا نظرنا إلى عظام الأشخاص الذين عاشوا في مجتمع صناعي أو مجتمعات زراعية كانت تعيش حياة أكثر نشاطًا". حبيبة شرشير ، عالمة أنثروبولوجيا بيولوجية.

في ورقة بحثية عام 2014 ، قرر العلماء أيضًا أن الهياكل العظمية لدينا أصبحت أخف كثيرًا منذ ظهور الزراعة. يجادلون بأن انخفاض النشاط البدني ، وليس تغيير النظام الغذائي ، هو السبب الجذري لتدهور قوة عظام الإنسان. من المرجح أن يستمر هذا الاتجاه - فالناس يتحركون الآن أقل من أي وقت مضى ، كما قال الباحثون.

أوضح المؤلف المشارك كولين شو ، الباحث في جامعة كامبريدج: "في آخر 50 إلى 100 عام فقط كنا مستقلين جدًا - وهذا خطير للغاية". "الجلوس في السيارة أو أمام مكتب ليس ما طورنا من أجله."

يقول شو وفريقه إن البشر لديهم القدرة على أن يكونوا أقوياء مثل إنسان الغاب. لكننا لسنا كذلك لأننا لا نتحدى عظامنا. فقط الوقت هو الذي سيحدد ما إذا كانت عظامنا ستتغير مرة أخرى لتمكيننا من تحديها بقوة في المستقبل.

سنرى أيضًا ما إذا كانت هناك تغييرات أخرى ستحدث في الجسم - وما إذا كان بإمكاننا تقديم يد المساعدة لأنفسنا باستخدام التقنيات الجديدة ، مثل تحرير الجينات أم لا. يفترض بعض العلماء أن البشر سيتخطون وتيرة التطور باختراعاتنا الخاصة. بغض النظر عما إذا كان ذلك سيحدث أم لا ، هناك شيء واحد مؤكد: إن بيولوجيتنا لن تصمد أبدًا.


أساليب

قاعدة بيانات الجينوم

جمعت قاعدة بيانات تجميع الجينوم (الإصدار 2.1.1 من gnomAD) بيانات تسلسل exome من 125748 فردًا غير مرتبطين بمتوسط ​​عمر يبلغ 55 عامًا ولكن يشمل طيف مرحلة البلوغ. 21 يستثني gnomAD الأفراد الذين يعانون من أمراض الأطفال الحادة ، بما في ذلك متلازمات IBMF والأورام الخبيثة. تم تلخيص الخصائص الديموغرافية لمجموعة بيانات gnomAD والمجموعات التي تم اشتقاقها منها في الجدولين التكميليين 1 و 2. للتحقق من الصحة ، استخدمنا مجموعتين من بيانات الجينوم المستقلتين من 71702 جينومًا متسلسلًا متضمنًا في الإصدار 3.0 من gnomAD و 15708 جينومًا متضمنًا في إصدار gnomAD 2.1.1 (الجدولان التكميليان 3 و 4).

اختيار الجينات IBMF

تم استجواب مائة جين مع متغيرات معروفة مرتبطة باستعداد IBMF / MDS لمتغيرات pLoF. تحتوي لوحة الجينات هذه على جينات مضمنة في لوحة تسلسل الجيل التالي من تعديلات المختبرات السريرية المعتمدة من IBMF في مستشفى الأطفال في فيلادلفيا (CHOP) ، مع استكمال الجينات المرتبطة بـ IBMF / MDS التي تم الإبلاغ عنها بعد إنشاء لوحة CHOP IBMF. 22 جينة تتوسط المرض من خلال اكتساب الوظيفة أو آليات سلبية سائدة مماثلة (على سبيل المثال ، إيلان) تم استبعادها.

متغيرات LoF

استخدمنا مقدر تأثير نسخة فقدان الوظيفة (LOFTEE) ، وهي عملية تصفية صارمة ، لتحديد متغيرات pLoF عالية الثقة في الجينات المرتبطة بمتلازمة الاستعداد وفقدان الوظيفة. 21 كما تم وصفه سابقًا ، يحدد متنبئ التأثير المتغير متغيرات pLoF عالية الثقة التي تسبب التوقف المبكر ، أو تغيير الإطارات ، أو تغيير نيوكليوتيدات موقع لصق أساسيين. تمت تصفية المتغيرات المفترضة من خلال LOFTEE ، وتمت إزالة المتغيرات التي تم توقعها للهروب من الاضمحلال الذي لا معنى له. كمراقبة للجودة ، تم تنسيق المتغيرات من مجموعة فرعية من الجينات يدويًا ، مما يدل على أن خوارزميات التصفية الحسابية حددت بشكل صارم متغيرات LoF الحقيقية. تم الإبلاغ عن متغيرات pLoF الفريدة التي تمت ملاحظتها والناشئة عن متغيرات أحادية النوكليوتيدات (SNVs) لكل جين ومقارنتها بالعدد المتوقع لمتغيرات pLoF باستخدام الخوارزميات الموصوفة سابقًا والتي تضم متغيرات مثل حجم الجين والتحول وحالة المثيلة. تم تحديد التردد الكلي لجميع متغيرات pLoF في كل جين كجمع لـ SNVs والإدخالات / الحذف المتوقع أن تسبب LoF. قدرنا العبء الطفري لكل جين ، وبشكل إجمالي ، لكل مجموعة فرعية من الأمراض (على سبيل المثال ، اضطرابات بيولوجيا التيلومير ، واضطرابات خلايا الدم الحمراء الموروثة). كان للجينات ذات النمط الظاهري السريري المبلغ عنها في كل من حالات عدم فعالية الفردانية وحالات التعطيل biallelic عدد مرات حساب الكفاءة الفردانية. يظهر رسم تخطيطي لسير العمل التحليلي في الشكل 1.

خط أنابيب تحليل متغير IBMF. مخطط تدفق العمل التحليلي لتحليل متغيرات pLoF في 100 جين مرتبط بـ IBMF والاستعداد للأورام الخبيثة الدموية. يقع RPS17 في تكرار مقطعي وبالتالي فهو غير قابل للتحليل المستند إلى التسلسل في مجموعة بيانات gnomAD. indels ، عمليات الإدراج / الحذف WES ، تسلسل الإكسوم الكامل.

خط أنابيب تحليل متغير IBMF. مخطط تدفق العمل التحليلي لتحليل متغيرات pLoF في 100 جين مرتبط بـ IBMF والاستعداد للأورام الخبيثة الدموية. يقع RPS17 في تكرار مقطعي وبالتالي فهو غير قابل للتحليل المستند إلى التسلسل في مجموعة بيانات gnomAD. indels ، عمليات الإدراج / الحذف WES ، تسلسل الإكسوم الكامل.

حسابات التسامح الجيني / التعصب (القيد التطوري)

تم حساب نسبة الأنماط الفردانية مع متغيرات pLoF كما هو موضح سابقًا لتحديد إجمالي تردد pLoF لكل جين. 21 تم تحليل هذه البيانات باستخدام مقياسين للقيود الطفرية التي تكشف عن استنفاد التباين في التطور البشري الحديث. الأول ، "فقدان الوظيفة المرصودة / كسر الحد الأعلى المتوقع" (LOEUF) ، يمثل تقديرًا متحفظًا لنسبة متغيرات pLoF الملاحظة إلى المتوقعة. تم حساب LOEUF لجينات IBMF كما هو موضح سابقًا ، من خلال تحديد النسبة المرصودة / المتوقعة للطفرات في كل جين وحساب فاصل الثقة حول هذه النسبة. تم استخدام الحد الأعلى لفترة الثقة كتقدير متحفظ للنسبة الملاحظة / المتوقعة. لسهولة التفسير ، تم وضع تقديرات الحد الأعلى المرصودة / المتوقعة لكل جين في الجينوم البشري في فئات عشرية من 1920 جينًا لكل منها. تتراوح الفئات العشرية LOEUF من 0 (الأكثر نضوبًا / مقيدة تطوريًا) إلى 9 (غير مستنفدة / مقيدة). تم تحليل كل جين أيضًا باستخدام درجة "احتمال عدم تحمل فقدان الوظيفة" (pLI). تم إنشاء pLI مسبقًا لتقدير احتمال أن يتسبب LoF في أليل جين واحد في نمط ظاهري غير كافٍ ، ويقدر احتمال أن يقع الجين في فئة جينات LoF-haplo غير الكافية. تم عرض pLI سابقًا لفصل الجينات ذات الطول المناسب إلى الجينات غير المتسامحة (pLI 0.9) أو المتسامحة (pLI 0.1) إلى LoF. 23

تحليل احصائي

الطالب ر تم استخدام الاختبار لمقارنة نضوب pLoF / القيد في الجينات المرتبطة بـ IBMF مقابل الجينات المتبقية في الجينوم. تم استخدام اختبار فيشر الدقيق لتحليل توزيع الجنس. تم التحقق من صحة درجات LOEUF إحصائيًا مسبقًا. 21 قدمت مجموعة بيانات gnomAD المكونة من 125748 exomes قوة كافية لتمكين حساب نقاط LOEUF لجميع الجينات التي كان فيها تردد متغير pLoF المتوقع هو & gt9.2 في مجموعة exome بأكملها. بالنسبة للجينات التي توقعت pLoF & lt9.2 ، قمنا بتضمين pLoF المرصود والمتوقع والترددات المتغيرة ولكن ليس LOEUF decile أو pLI.


أساليب

جمع البيانات

لقد جمعنا الإصدار الأخير من جميع بيانات SNP البشرية من NCBI dbSNP (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/SNP/) (الإصدار: Build 150. آخر تنزيل: يناير 2018). يتم تمييز العناصر المشتركة وكل أشكال النيوكلوتايد بشكل واضح في موقع الويب. تم تنزيل قائمة 719 جينة مرتبطة بسرطان الإنسان (ملف إضافي 1: الجدول S1) من أحدث إصدار من موقع التعداد الجيني للسرطان (CGC ، https://cancer.sanger.ac.uk/census/). تسلسل الجينوم المرجعي للإنسان (H. العاقل، الإصدار hg19) والماوس (M. العضلات، الإصدار mm10) من UCSC Genome Browser (genome.ucsc.edu) ، والجينوم المرجعي لـ rhesus macaque (مولاتا، Ensembl الإصدار v89) من Ensembl Genome Browser (www.ensembl.org).

شرح تعدد الأشكال البشرية

قمنا بتعليق مواقع SNP باستخدام الجينوم البشري hg19 الذي تم تنزيله من UCSC Genome Browser (genome.ucsc.edu). إذا أصاب SNP عدة أشكال إسوية من نفس الجين ، فسيتم الاحتفاظ بالنسخة التي تحتوي على أطول CDS (نسخة متعارف عليها). تم تعريف النسخة المتعارف عليها من كل جين بواسطة برنامج SnpEff (الإصدار 4.2) [33]. إذا لم يصطدم SNP بأي جينات ، فسيتم شرحه على أنه عامل وراثي. يتم إعطاء الجينات التي تحتوي على SNP واحد مشترك على الأقل في CDS في ملف إضافي 2: الجدول S2. تم استنتاج جميع المعلومات الخاصة بـ SNP المعطى في CDS بما في ذلك الموضع على CDS ، الحمض الأميني قبل وبعد الطفرة ، من ملف الإخراج لـ SnpEff.

تحليل الحفظ

يتم قياس مستوى حفظ مواقع الجينوم من خلال درجة phyloP (ملف hg19.100way.phyloP100way.bw ، تم تنزيله من متصفح الجينوم UCSC ، genome.ucsc.edu). باختصار ، المواقع ذات مستوى الحفظ العالي لديها درجات أعلى في phyloP. تم نقل المواقع التقويمية (الإحداثيات الجينومية) بين الإنسان والفأر أو بين الإنسان وقرود المكاك باستخدام liftOver [34] بناءً على المحاذاة الجينومية الزوجية. تم تنزيل ملفات سلسلة liftOver من موقع UCSC Genome Browser (http://hgdownload.soe.ucsc.edu/goldenPath/hg19/liftOver/). تم استخدام Bedtools (الإصدار 2.25) [35] لاستخراج متواليات من منطقة معينة وفقًا للجينوم المرجعي.

تحيز استخدام كودون

تم تنفيذ بروتوكول حساب تحيز استخدام الكودون من خلال دراسة مبكرة [21]. يتم حساب تحيز الكودون للجين عن طريق الانحراف (مربع كاي) لمحتوى A / T للكودونات المترادفة من تلك الموجودة في المناطق الداخلية. يشير الانحراف الأعلى إلى تحيز أقوى في كودون الجين. تحيز كودون لكودون معين هو معامل الارتباط بين تردد الكودون ضمن عائلة كودون مترادفة والانحراف (قيمة مربع كاي) لكل جين [21]. يشير معامل الارتباط الأعلى إلى تحيز أقوى (مفضل) لكودون.

نلخص خط الأنابيب على النحو التالي:

يتم تصنيف الكودونات الحسية 59 (بدون ATG و TGG وكودونات التوقف الثلاثة) إلى 21 عائلة كودون مترادفة. تحتوي Leu (L) و Arg (R) و Ser (S) على ستة أكواد بحيث لا تتمكن طفرة واحدة في بعض الأحيان من تبديل كود إلى آخر (على سبيل المثال ، يشفر كل من AGT و TCT Ser ولكن طفرة واحدة لا يمكن أن تغير واحدة إلى أخرى ). لذلك ، يجب تقسيم كل من هذه الأحماض الأمينية إلى عائلتين مترادفتين من الكودون [21].

لكل من عائلة الكودون المترادفة داخل كل جين ، قمنا بحساب الانحراف (مربع chi) لمحتوى A / T في موضع الكودون 3 من محتوى intronic A / T (59٪ في الإنسان). خذ كودون Lys (K) AAG على سبيل المثال ، تحتوي العائلة "K" على كودونين AAG و AAA. في الجين X ، لنفترض:

اAAA = العدد المرصود من أكواد AAA.

اAAG = العدد المرصود من أكواد AAG.

هAAA = (سAAA + سAAG) × 0.59 ، العدد المتوقع من أكواد AAA (ضمن العائلة "K").

هAAG = (سAAA + سAAG) × (1–0.59) ، العدد المتوقع من أكواد AAG (ضمن العائلة "K").

مربع تشي (X 2 ) [الأسرة K ، الجين X] = chisq.test (مصفوفة (ج (سAAAياAAG، إيAAA، إيAAG)، ncol = 2)) إحصائيات $. "chisq.test" هي وظيفة في لغة R (http://www.R-project.org/) لإجراء اختبارات مربع كاي.

بالنسبة لكل جين ، يكون مستوى الجين CUB هو "مربع chi المقشر" ، وهو مجموع قيم مربع chi لعائلات الكودون داخل هذا الجين الذي تم تطبيعه بطول الببتيد. تشير القيمة الأعلى لـ "مربع تشي المحجوب" إلى CUB أقوى للجين.

لكل من الكودونات الحسية 59 ، يتم قياس مستوى الكودون CUB (تفضيل الكودون) بواسطة Spearman's رو. مرة أخرى ، خذ Lys codon AAG على سبيل المثال (أخذت الأدبيات الأصلية أيضًا هذا الكودون كمثال ، يرجى الرجوع إلى Akashi 1995 الشكل 1) ، تحتوي العائلة "K" على كودونين AAG و AAA. المحور Y هو تردد AAG بين "AAG + AAA" في كل جين (كل نقطة تمثل جينًا). المحور X هو القيمة التربيعية المتدرجة المقابلة لكل جين (Akashi 1995 الشكل 1). مستوى الكودون CUB (تفضيل الكودون) هو Spearman’s رو بين المحور السيني والمحور ص. رو & gt 0 يشير إلى كودون مفضل و رو & lt 0 يشير إلى كودون غير مفضل [21]. في الإنسان ، رو قيمة كودون AAG هي 0.74.

تم تطبيق هذه الخوارزمية على جميع الجينات البشرية وجميع رموز الحواس البالغ عددها 59. هناك اتجاه إلى تفضيل أكواد إنهاء G / C وعدم تفضيل أكواد إنهاء A / T.

المناظر الطبيعية للنيوكليوتيدات SNPs البشرية. أ رسم تخطيطي يوضح تصفية SNPs وفقًا للمواقع المتعامدة في جينومات القرد الريسوسي والفأر. شجرة النشوء والتطور غير مقيسة. ب رسم تخطيطي يعرض تعريف SNPs أحادي الطفرة. المرجع.، المرجعي. موت.، طفره. ج كسور أنواع مختلفة من الطفرات. د التعليقات التوضيحية ونسب SNPs الجينومية (يسار) و SNPs الخارجية (يمين) بعد خطوات التصفية المذكورة أعلاه. رسمنا قصاصات فنية للإنسان / القرد / الفأر

بالنسبة لكودون معين ، فإن تحيز دلتا كودون (أو بالمثل ، تردد دلتا كودون) هو الفرق بين قيم تحيز الكودون لإصدارات "ما بعد الطفرة" و "ما قبل الطفرة". يتم تعريف تحيز دلتا كودون (أو بالمثل ، تردد دلتا كودون) للجين على أنه متوسط ​​قيمة دلتا لجميع SNPs في منطقة الترميز لهذا الجين.

حساب مستوى التعبير الجيني في خلايا هيلا البشرية

بحثنا عن قاعدة البيانات العامة واخترنا مجموعة بيانات NGS أجريت في خلايا هيلا البشرية (GES63591) [36]. تم استخدام مكتبة mRNA-Seq (التحكم في si) لتحديد مستوى التعبير الجيني. قمنا بمحاذاة قراءة mRNA-Seq NGS إلى الجينوم المرجعي hg19 باستخدام STAR (الإصدار 2.7) [37]. تم الاحتفاظ بالقراءات المعينة بشكل فريد لتحليل المصب. تم حساب عدد قراءة كل جين من خلال عدد htseq (الإصدار 0.5.4) [38]. في حساب التعبير الجيني هذا ، تم اختيار النسخة المتعارف عليها لكل جين ، وتم حساب جميع القراءات المتداخلة مع مناطق exon. يتم تعريف الجينات المعبر عنها بشكل كبير (إجمالي 9903 جينًا) على أنها جين مع عدد القراءات & gt 100. علاوة على ذلك ، وفقًا لـ SNPs التي استرجعناها ، هناك 17940 جينًا بها SNPs في CDS. 649 من أصل 719 جينة مرتبطة بالسرطان (كما ذكرنا سابقًا) تنتمي إلى هذه الجينات 17940. عندما نفكر فقط في 9903 من الجينات المعبر عنها بشكل كبير في خلايا هيلا ، فإن 8857 يتداخل مع 17940 جينًا مع تعدد الأشكال ، و 439 منها ينتمي إلى الجينات المرتبطة بالسرطان و 8418 من الجينات الأخرى. يتم إجراء التحليلات التي تأخذ مستوى التعبير الجيني في العد باستخدام هذه الجينات المرتبطة بالسرطان البالغ عددها 439 مقابل 8418 جينًا آخر.

التحليل الإحصائي وتوافر الكود

تم إجراء جميع التحليلات الإحصائية (اختبارات الارتباط واختبارات فيشر الدقيقة واختبارات مجموع رتبة ويلكوكسون) والأعمال الرسومية في بيئة R (http://www.R-project.org/) (الإصدار 3.3.3). جميع الرموز المستخدمة في التحليلات متاحة عند الطلب.


أساليب

قاعدة بيانات الجينوم

جمعت قاعدة بيانات تجميع الجينوم (الإصدار 2.1.1 من gnomAD) بيانات تسلسل exome من 125748 فردًا غير مرتبطين بمتوسط ​​عمر يبلغ 55 عامًا ولكن يشمل طيف مرحلة البلوغ. 21 يستثني gnomAD الأفراد الذين يعانون من أمراض الأطفال الشديدة ، بما في ذلك متلازمات IBMF والأورام الخبيثة. تم تلخيص الخصائص الديموغرافية لمجموعة بيانات gnomAD والمجموعات التي تم اشتقاقها منها في الجدولين التكميليين 1 و 2. للتحقق من الصحة ، استخدمنا مجموعتين من بيانات الجينوم المستقلتين من 71702 جينومًا متسلسلًا متضمنًا في الإصدار 3.0 من gnomAD و 15708 جينومًا متضمنًا في إصدار gnomAD 2.1.1 (الجدولان التكميليان 3 و 4).

اختيار الجينات IBMF

تم استجواب مائة جين مع متغيرات معروفة مرتبطة باستعداد IBMF / MDS لمتغيرات pLoF. تحتوي لوحة الجينات هذه على جينات مضمنة في لوحة تسلسل الجيل التالي من تعديلات المختبرات السريرية المعتمدة من IBMF في مستشفى الأطفال في فيلادلفيا (CHOP) ، مع استكمال الجينات المرتبطة بـ IBMF / MDS التي تم الإبلاغ عنها بعد إنشاء لوحة CHOP IBMF. 22 جينة تتوسط المرض من خلال اكتساب الوظيفة أو آليات سلبية سائدة مماثلة (على سبيل المثال ، إيلان) تم استبعادها.

متغيرات LoF

استخدمنا مقدر تأثير فقدان الوظيفة (LOFTEE) ، وهي عملية تصفية صارمة ، لتحديد متغيرات pLoF عالية الثقة في IBMF والجينات المرتبطة بمتلازمة الاستعداد. 21 كما تم وصفه سابقًا ، يحدد متنبئ التأثير المتغير متغيرات pLoF عالية الثقة التي تسبب التوقف المبكر ، أو تغيير الإطارات ، أو تغيير 2 نيوكليوتيدات موقع لصق أساسي. تمت تصفية المتغيرات المفترضة من خلال LOFTEE ، وتمت إزالة المتغيرات التي تم توقعها للهروب من الاضمحلال الذي لا معنى له. كمراقبة للجودة ، تم تنسيق المتغيرات من مجموعة فرعية من الجينات يدويًا ، مما يدل على أن خوارزميات التصفية الحسابية حددت بشكل صارم متغيرات LoF الحقيقية. تم الإبلاغ عن متغيرات pLoF الفريدة التي تمت ملاحظتها والناشئة عن متغيرات أحادية النوكليوتيدات (SNVs) لكل جين ومقارنتها بالعدد المتوقع لمتغيرات pLoF باستخدام الخوارزميات الموصوفة سابقًا والتي تضم متغيرات مثل حجم الجين والتحول وحالة المثيلة. تم تحديد التردد الكلي لجميع متغيرات pLoF في كل جين كجمع لـ SNVs والإدخالات / الحذف المتوقع أن تسبب LoF. قدرنا العبء الطفري لكل جين ، وبشكل إجمالي ، لكل مجموعة فرعية من المرض (على سبيل المثال ، اضطرابات بيولوجيا التيلومير ، واضطرابات خلايا الدم الحمراء الموروثة). كان للجينات ذات النمط الظاهري السريري المبلغ عنها في كل من حالات عدم فعالية الفردانية وحالات التعطيل biallelic عدد مرات حساب الكفاءة الفردانية. يظهر رسم تخطيطي لسير العمل التحليلي في الشكل 1.

خط أنابيب تحليل متغير IBMF. مخطط تدفق العمل التحليلي لتحليل متغيرات pLoF في 100 جين مرتبط بـ IBMF والاستعداد للأورام الخبيثة الدموية. يقع RPS17 في تكرار مقطعي وبالتالي فهو غير قابل للتحليل المستند إلى التسلسل في مجموعة بيانات gnomAD. indels ، عمليات الإدراج / الحذف WES ، تسلسل الإكسوم الكامل.

خط أنابيب تحليل متغير IBMF. مخطط تدفق العمل التحليلي لتحليل متغيرات pLoF في 100 جين مرتبط بـ IBMF والاستعداد للأورام الخبيثة الدموية. يقع RPS17 في تكرار مقطعي وبالتالي فهو غير قابل للتحليل المستند إلى التسلسل في مجموعة بيانات gnomAD. indels ، عمليات الإدراج / الحذف WES ، تسلسل الإكسوم الكامل.

حسابات التسامح الجيني / التعصب (القيد التطوري)

تم حساب نسبة الأنماط الفردانية مع متغيرات pLoF كما هو موضح سابقًا لتحديد إجمالي تردد pLoF لكل جين. تم تحليل هذه البيانات باستخدام مقياسين للقيود الطفرية التي تكشف عن استنفاد التباين في التطور البشري الحديث. الأول ، "فقدان الوظيفة المرصودة / كسر الحد الأعلى المتوقع" (LOEUF) ، يمثل تقديرًا متحفظًا لنسبة متغيرات pLoF الملاحظة إلى المتوقعة. تم حساب LOEUF لجينات IBMF كما هو موضح سابقًا ، عن طريق تحديد النسبة المرصودة / المتوقعة للطفرات في كل جين وحساب فاصل الثقة حول هذه النسبة. تم استخدام الحد الأعلى لفترة الثقة كتقدير متحفظ للنسبة الملاحظة / المتوقعة. لسهولة التفسير ، تم وضع تقديرات الحد الأعلى المرصودة / المتوقعة لكل جين في الجينوم البشري في فئات عشرية من 1920 جينًا لكل منها. تتراوح الفئات العشرية LOEUF من 0 (الأكثر نضوبًا / مقيدة تطوريًا) إلى 9 (غير مستنفدة / مقيدة). تم تحليل كل جين أيضًا باستخدام درجة "احتمال عدم تحمل فقدان الوظيفة" (pLI). تم إنشاء pLI مسبقًا لتقدير احتمال أن يتسبب LoF في أليل جين واحد في نمط ظاهري غير كافٍ ، ويقدر احتمال أن يقع الجين في فئة جينات LoF-haplo غير الكافية. تم عرض pLI سابقًا لفصل الجينات ذات الطول المناسب إلى تلك غير المتسامحة (pLI 0.9) أو المتسامحة (pLI 0.1) إلى LoF. 23

تحليل احصائي

الطالب ر تم استخدام الاختبار لمقارنة نضوب pLoF / القيد في الجينات المرتبطة بـ IBMF مقابل الجينات المتبقية في الجينوم. تم استخدام اختبار فيشر الدقيق لتحليل توزيع الجنس. تم التحقق من صحة درجات LOEUF إحصائيًا مسبقًا. 21 قدمت مجموعة بيانات gnomAD المكونة من 125748 exomes قوة كافية لتمكين حساب نقاط LOEUF لجميع الجينات التي كان فيها تردد متغير pLoF المتوقع هو & gt9.2 في مجموعة exome بأكملها. بالنسبة للجينات التي توقعت pLoF & lt9.2 ، قمنا بتضمين pLoF المرصود والمتوقع والترددات المتغيرة ولكن ليس LOEUF decile أو pLI.


تأتي معظم الطفرات من الأب: رؤى جديدة للعمر والطول والجنس تعيد تشكيل وجهات نظر التطور البشري

وجد الباحثون في أكبر دراسة عن الطفرات الجينية البشرية حتى الآن أن البشر يرثون أكثر من ثلاثة أضعاف الطفرات من آبائهم من أمهاتهم ، وتزداد معدلات الطفرات مع عمر الأب ولكن ليس الأم.

The study, based on the DNA of around 85,000 Icelanders, also calculates the rate of human mutation at high resolution, providing estimates of when human ancestors diverged from nonhuman primates. It is one of two papers published this week by the journal علم الوراثة الطبيعي as well as one published at طبيعة سجية that shed dramatic new light on human evolution.

"Most mutations come from dad," said David Reich, professor of genetics at Harvard Medical School and a co-leader of the study. In addition to finding 3.3 paternal germline mutations for each maternal mutation, the study also found that the mutation rate in fathers doubles from age 20 to 58 but that there is no association with age in mothers -- a finding that may shed light on conditions, such as autism, that correlate with the father's age.

The study's first author is James Sun, a graduate student in Reich's lab who worked with researchers from deCODE Genetics, a biopharma company based in Reykjavik, Iceland, to analyze about 2,500 short sequences of DNA taken from 85,289 Icelanders in 24,832 father-mother-child trios. The sequences, called microsatellites, vary in the number of times that they repeat, and are known to mutate at a higher rate than average places in the genome.

Reich's team identified 2,058 mutational changes, yielding a rate of mutation that suggests human and chimpanzee ancestral populations diverged between 3.7 million and 6.6 million years ago.

A second team, also based at deCODE Genetics (but not involving HMS researchers), published a paper this week in Nature on a large-scale direct estimate of the rate of single nucleotide substitutions in human genomes (a different type of mutation process), and came to largely consistent findings.

The finding complicates theories drawn from the fossil evidence. The upper bound, 6.6 million years, is less than the published date of Sahelanthropus tchadensis, a fossil that has been interpreted to be a human ancestor since the separation of chimpanzees, but is dated to around 7 million years old. The new study suggests that this fossil may be incorrectly interpreted.

Great Heights

A second study led by HMS researchers, also published in علم الوراثة الطبيعي this week, adds to the picture of human evolution, describing a newly observable form of recent genetic adaptation.

The team led by Joel Hirschhorn, Concordia Professor of Pediatrics and professor of genetics at Boston Children's Hospital and HMS, first asked why closely-related populations can have noticeably different average heights. David Reich also contributed to this study.

They examined genome-wide association data and found that average differences in height across Europe are partly due to genetic factors. They then showed that these genetic differences are the result of an evolutionary process that acts on variation in many genes at once. This type of evolution had been proposed to exist but had not previously been detected in humans.

Although recent human evolution is difficult to observe directly, some of its impact can be inferred by studying the human genome. In recent years, genetic studies have uncovered many examples where recent evolution has left a distinctive signature on the human genome. The clearest "footprints" of evolution have been seen in regions of DNA surrounding mutations that occurred fairly recently (typically in the last several thousand years) and confer an advantageous trait, such as resistance to malaria. Hirschhorn's team observed, for the first time in humans, a different signature of recent evolution: widespread small but consistent changes at many different places in the genome, all affecting the same trait, adult height.

"This paper offers the first proof and clear example of a new kind of human evolution for a specific trait," said Hirschhorn, who is also a senior associate member of the Broad Institute. "We provide a demonstration of how humans have been able to adapt rapidly without needing to wait for new mutations to happen, by drawing instead on the existing genetic diversity within the human population."

Average heights can differ between populations, even populations that are genetically very similar, which suggests that human height might have been evolving differently across these populations. Hirschhorn's team studied variants in the genome that are known to have small but consistent effects on height: people inheriting the "tall" version of these variants are known to be slightly taller on average than people inheriting the "short" versions of the same variants.

The researchers discovered that, in northern Europe, the "tall" versions of these variants are consistently a little more common than they are in southern Europe. The combined effects of the "tall" versions being more common can partly explain why northern Europeans are on average taller than southern Europeans. The researchers then showed that these slight differences have arisen as a result of evolution acting at many variants, and acting differently in northern than in southern Europe.

"This paper explains -- at least in part -- why some European populations, such as people from Sweden, are taller on average than others, such as people from Italy," Hirschhorn said.

The researchers were only able to detect this signature of evolution by using the results of recent genome-wide association studies by the GIANT consortium, which identified hundreds of different genetic variants that influence height.


مناقشة

We demonstrate here that several alternative three-amino-acid mutations (V186G/K-K193T-G228S or V186N-N224K-G228S) can switch the receptor specificity of the H7N9 HA from avian- to human-type, a property required for transmission in humans and ferrets [38, 39]. Of these mutations, only isolated examples of 186G and 193N have to date been reported in H7 avian isolates. The mutants show profound loss of binding to avian-type (α2–3 linked) receptors, and increased binding to human-type (α2–6 linked) receptors in both glycan microarrays and glycan ELISA-type avidity assays. The mutants exhibit preferential binding to a subset of human-type receptors with extended branched N-linked glycans that terminate with NeuAcα2-6Gal reported to be present in N-linked glycans in human and ferret airway tissues [23, 40, 41]. Notably, this specificity for a restricted subset of human-type receptors is shared with recent H3N2 viruses, and the 2009 H1N1 pandemic virus. We have also recently observed that different sets of mutations switch the H6N1 and H10N8 HAs to human-type receptor specificity and, in each case, confer specificity for a similar subset of human-type receptors [37] (de Vries, Tzarum, Wilson & Paulson manuscript in revision). Thus, recognition of human-type receptors with extended glycan chains appears to be a common characteristic of human influenza virus HAs, and avian virus HA mutants that bind to human-type receptors.

Ideally, it would be important to assess the impact of the switch in receptor specificity in the ferret model that displays human-type receptors in the airway epithelium and is used to assess the propensity for air droplet transmission of human viruses. However, the introduction of the mutations that switch receptor specificity into an actual H7N9 virus background would represent gain-of-function (GoF) experiments that are currently prohibited [42]. During the course of this study, no viruses were created, and no experiments assessing the potential for air droplet transmission were performed. We suggest that understanding mutations that can confer human-type receptor binding will benefit risk assessment in worldwide surveillance of H7N9 in poultry and humans.


The Ames Test

ال Ames test, developed by Bruce أميس (1928–) in the 1970s, is a method that uses bacteria for rapid, inexpensive screening of the carcinogenic potential of new chemical compounds. The test measures the mutation rate associated with exposure to the compound, which, if elevated, may indicate that exposure to this compound is associated with greater cancer risk. The Ames test uses as the test organism a strain of السالمونيلا تيفيموريوم that is a histidine auxotroph, unable to synthesize its own histidine because of a mutation in an essential gene required for its synthesis. After exposure to a potential mutagen, these bacteria are plated onto a medium lacking histidine, and the number of mutants regaining the ability to synthesize histidine is recorded and compared with the number of such mutants that arise in the absence of the potential mutagen (Figure 8). Chemicals that are more mutagenic will bring about more mutants with restored histidine synthesis in the Ames test. Because many chemicals are not directly mutagenic but are metabolized to mutagenic forms by liver enzymes, rat liver extract is commonly included at the start of this experiment to mimic liver metabolism. After the Ames test is conducted, compounds identified as mutagenic are further tested for their potential carcinogenic properties by using other models, including animal models like mice and rats.

Figure 8. The Ames test is used to identify mutagenic, potentially carcinogenic chemicals. A Salmonella histidine auxotroph is used as the test strain, exposed to a potential mutagen/carcinogen. The number of reversion mutants capable of growing in the absence of supplied histidine is counted and compared with the number of natural reversion mutants that arise in the absence of the potential mutagen.

فكر في الأمر

  • What mutation is used as an indicator of mutation rate in the Ames test?
  • Why can the Ames test work as a test for carcinogenicity?

المفاهيم الأساسية والملخص

  • أ mutation is a heritable change in DNA. A mutation may lead to a change in the amino-acid sequence of a protein, possibly affecting its function.
  • أ طفرة نقطة affects a single base pair. A point mutation may cause a silent mutation if the mRNA codon codes for the same amino acid, a missense mutation if the mRNA codon codes for a different amino acid, or a nonsense mutation if the mRNA codon becomes a stop codon.
  • Missense mutations may retain function, depending on the chemistry of the new amino acid and its location in the protein. Nonsense mutations produce truncated and frequently nonfunctional proteins.
  • أ طفرة انزياح الإطار results from an insertion or deletion of a number of nucleotides that is not a multiple of three. The change in reading frame alters every amino acid after the point of the mutation and results in a nonfunctional protein.
  • Spontaneous mutations occur through DNA replication errors, whereas induced mutations occur through exposure to a mutagen.
  • Mutagenic agents are frequently carcinogenic but not always. However, nearly all carcinogens are mutagenic.
  • Chemical mutagens include base analogs and chemicals that modify existing bases. In both cases, mutations are introduced after several rounds of DNA replication.
  • Ionizing radiation, such as X-rays and γ-rays, leads to breakage of the phosphodiester backbone of DNA and can also chemically modify bases to alter their base-pairing rules.
  • Nonionizing radiation like ultraviolet light may introduce pyrimidine (thymine) dimers, which, during DNA replication and transcription, may introduce frameshift or point mutations.
  • Cells have mechanisms to repair naturally occurring mutations. DNA polymerase has proofreading activity. Mismatch repair is a process to repair incorrectly incorporated bases after DNA replication has been completed.
  • Pyrimidine dimers can also be repaired. في nucleotide excision repair (dark repair), enzymes recognize the distortion introduced by the pyrimidine dimer and replace the damaged strand with the correct bases, using the undamaged DNA strand as a template. Bacteria and other organisms may also use direct repair, in which the photolyase enzyme, in the presence of visible light, breaks apart the pyrimidines.
  • Through comparison of growth on the complete plate and lack of growth on media lacking specific nutrients, specific loss-of-function mutants called auxotrophs can be identified.
  • ال Ames test is an inexpensive method that uses auxotrophic bacteria to measure mutagenicity of a chemical compound. Mutagenicity is an indicator of carcinogenic potential.

متعدد الخيارات

Which of the following is a change in the sequence that leads to formation of a stop codon?

  1. missense mutation
  2. nonsense mutation
  3. silent mutation
  4. طفرة الحذف

The formation of pyrimidine dimers results from which of the following?

  1. spontaneous errors by DNA polymerase
  2. exposure to gamma radiation
  3. exposure to ultraviolet radiation
  4. exposure to intercalating agents

Which of the following is an example of a frameshift mutation?

  1. a deletion of a codon
  2. missense mutation
  3. silent mutation
  4. deletion of one nucleotide

Which of the following is the type of DNA repair in which thymine dimers are directly broken down by the enzyme photolyase?

  1. direct repair
  2. إصلاح الختان النوكليوتيدات
  3. إصلاح عدم التطابق
  4. التدقيق اللغوي

Which of the following regarding the Ames test is true?

  1. It is used to identify newly formed auxotrophic mutants.
  2. It is used to identify mutants with restored biosynthetic activity.
  3. It is used to identify spontaneous mutants.
  4. It is used to identify mutants lacking photoreactivation activity.

املاء الفراغ

A chemical mutagen that is structurally similar to a nucleotide but has different base-pairing rules is called a ________.

The enzyme used in light repair to split thymine dimers is called ________.

The phenotype of an organism that is most commonly observed in nature is called the ________.

خطأ صحيح

Carcinogens are typically mutagenic.

فكر في الأمر

Why is it more likely that insertions or deletions will be more detrimental to a cell than point mutations?

Why do you think the Ames test is preferable to the use of animal models to screen chemical compounds for mutagenicity?

التفكير النقدي

Below are several DNA sequences that are mutated compared with the wild-type sequence: 3′-T A C T G A C T G A C G A T C-5′. Envision that each is a section of a DNA molecule that has separated in preparation for transcription, so you are only seeing the template strand. Construct the complementary DNA sequences (indicating 5′ and 3′ ends) for each mutated DNA sequence, then transcribe (indicating 5′ and 3′ ends) the template strands, and translate the mRNA molecules using the genetic code, recording the resulting amino acid sequence (indicating the N and C termini). What type of mutation is each?


Autosomal Dominant IRF8 Deficiency

In parallel with our analysis for Subject 1 with recessive disease, we sequenced IRF8 in 454 persons with MSMD in whom known MSMD-associated mutations had already been excluded (for details, see the Supplementary Appendix). Two unrelated persons from Brazil (Subject 2) and Chile (Subject 3) who had recurrent episodes of disseminated BCG disease were each found to carry the same de novo heterozygous mutation that was predicted to cause a threonine-to-alanine substitution at position 80 (T80A) of IRF8 ( Figure 2A and 2D ). We genetically confirmed the reported biologic paternity of these two subjects. The finding that each mutation was de novo suggests that the same T80A allele arose independently on two occasions. We did not detect the T80A variant in 1064 healthy control subjects of diverse relevant ancestry (for details, see the Supplementary Appendix). Amino acid position 80 of IRF8 is within the DNA-binding domain ( Figure 2A ). The threonine residue is strictly conserved across IRF8 orthologues ( Figure 2B ) and human paralogous genes (data not shown).

The T80A mutation had no effect on the level or stability of IRF8 in immortalized B-cell lines derived from the subjects ( Figure 3E ) or after expression in transfected macrophages (data not shown). When the T80A mutant was tested for its ability to transactivate the promoters of IL12B ( Figure 3A ) and NOS2 ( Figure 3B ) in mouse macrophages, it showed relatively low activity, similar to that of the hypomorphic R294C Irf8 variant found in Irf8-deficient BXH2 mutant mice. The T80A mutant showed weak recruitment to the IL12B promoter (20% of the amount of the nonmutant IRF8 protein), suggesting that the mutation interferes with DNA binding ( Figure 3D ).

Homology modeling shows that T80 maps to the DNA-binding α helix of IRF8 that fits into the major groove, with its side chain directed toward the DNA bases ( Figure 2E, subpanel c ). Molecular-dynamics simulations indicate that T80A alters the hydrophobic interface between the protein and DNA and possibly modulates the DNA-binding specificity of IRF8 ( Figure 2E, subpanel d ). Alanine has a smaller side chain than does threonine, which may allow the entry of a water molecule at the DNA–IRF8 interface. Although functional data suggest that T80A is severely hypomorphic, we investigated whether the T80A variant is negatively dominant (i.e., whether it interferes with the function of the nonmutant IRF8 protein). We coexpressed the mutant and nonmutant alleles in macrophages ( Figure 3C ) and observed decreasing activation of the IL12B promoter (not shown) and the NOS2 promoter with increasing levels of mutant T80A IRF8 added to fixed levels of nonvariant IRF8. The effect was T80A-specific we did not observe it to be associated with K108E (data not shown) or R294C mutant proteins. We conclude that the T80A mutation has a dual effect on IRF8 function and causes autosomal dominant MSMD.

الشكل 4. Figure 4. Selective Depletion of Dendritic Cells in Autosomal Dominant IRF8 Deficiency.

In Panel A, blood CD1c+ myeloid dendritic cells (MDCs) are gated on HLA-DR+ lineage (Lin)-negative cells (CD14−CD16−CD19−), and the expression of CD11c+ and CD1c+ is shown. The percentage of DR+CD11c+ lineage-negative cells that are positive for CD1c+ is shown for Subjects 2 and 3 (who carry the T80A allele), their relatives, and control subjects. Horizontal lines indicate mean values, and the numbers on contour plots represent the mean of two independent samples. In Panel B, blood CD141+ MDCs are gated on HLA-DR+ lineage-negative cells (CD14−CD16−CD19−), and the expression of CD11c and CD141 is shown. The percentage of DR+CD11c+ lineage-negative cells with a high level of CD141 expression on the cell surface is shown. In Panel C, plasmacytoid dendritic cells (PDCs) are gated on HLA-DR+ lineage-negative cells (CD14−CD16−), and the expression of CD123 and BDCA2 is shown. The percentage of DR+ cells that are positive for CD123 and BDCA2 is shown. In Panel D, monocytes are gated on HLA-DR+ lineage-negative cells (CD2−CD15−CD19−Nkp46−), and the expression of CD14 and CD16 is shown. The numbers on the contour plots represent the percentage of each subgroup (low and high expression of CD14 and CD14+CD16+) among total monocytes. In Panel D, the percentage of peripheral-blood mononuclear cells (PBMCs) that are positive for CD14 or CD16 is shown for Subject 2, his relatives, and a control subject. In Panel E, the mean (±SD) production of IL-12p70 protein in response to R848 is shown in four samples of blood CD1c+ MDCs, in three samples of PBMCs depleted in CD1c+ MDCs (PBMCs CD1c+ depleted), and in three samples of PBMCs not depleted (PBMCs), obtained by fluorescence-activated cell sorting from healthy control subjects (white bars) and in PBMCs from Subject 2, his parents, and a control subject collected at the same time (gray bars).

We observed subtle deficits in the PBMCs of Subjects 2 and 3. There were no deficiencies of circulating lymphocytes and granulocytes (data not shown), monocyte subgroups, or BDCA2+CD123+ plasmacytoid dendritic cells ( Figure 4C and 4D ). However, within CD11c+ myeloid dendritic cells, which are normally divided into minor CD141+ and major CD1c+ subgroups, there was marked loss of CD1c+ dendritic cells ( Figure 4A ), whereas the CD141+ subgroup and the total number of CD11c+ dendritic cells remained intact ( Figure 4B ). CD1c+ dendritic cells from unaffected persons can produce large amounts of interleukin-12 when stimulated with the toll-like receptor 7/8 ligand R848, as compared with PBMCs, whereas their depletion from PMBCs was associated with relatively low levels of interleukin-12 production by the remaining PBMCs (P<0.02 for all comparisons) ( Figure 4E ). PBMCs with the IRF8 T80A allele produced one third the amount of interleukin-12 produced by control cells in response to R848 stimulation (P<0.004 for all comparisons) ( Figure 4E ).

We suggest that depletion of interleukin-12–producing CD1c+ dendritic cells contributes to the susceptibility to mycobacterial disease in these subjects. In vitro assays of whole blood from the affected subjects showed no detectable effect on the production of interferon-γ (Figure S6 in the Supplementary Appendix) or in the subjects' PBMCs in response to stimulation by purified protein derivative (PPD), BCG, or PHA (Figure S7 in the Supplementary Appendix) or by PHA-driven T-cell blasts stimulated with interleukin-12 (data not shown). The presence of T80A does not seem to cause a generalized defect in interleukin-12 production, as shown by normal levels of the cytokine in a whole-blood assay in response to BCG, in monocyte-derived dendritic cells stimulated with CD40L, and by Epstein–Barr virus–transformed B cells stimulated with phorbol dibutyrate (Figure S6, S8A, and S8B in the Supplementary Appendix). Because the two healthy heterozygous parents of the infant with autosomal recessive IRF8 deficiency had normal levels of functional dendritic cells, the marked deficit of CD1c+CD11c+ dendritic cells was probably caused by the dominant-negative effect of the T80A mutant protein.


استنتاج

We have characterized, for the first time, the shape of the time-dependent rate curve of human mtDNA mutation rate estimates for both the hypervariable and coding regions. We have shown that multiple hits can effectively account for the difference between pedigree-based and human versus chimpanzee phylogeny-based mutation rate estimates. However, the multiple hits model is unlikely to explain the time-dependent decay for the genealogy-based estimates, where rate estimates associated with more recent events are high and then decay over 50,000 years going back in time.

Purifying selection and population bottlenecks may explain the time dependency of within-species mutation rate estimates. Specifically, the genetic diversity estimators π و ρ are proportional to effective population size ( Forster et al. 1996). Thus, our human diversity estimates are lower if a population history was characterized by serial bottlenecks as compared with a history of constant population size ( Nei et al. 1975). Because phylogeny-based mutation rates are calibrated with “arrival time” archaeological information that is blind to later population size fluctuations, the mutation rate estimates based on π و ρ are also lower than expected. Using simulation, Zhivotovsky et al. (2006) showed that microsatellite mutation rates estimated from small populations (haplogroups) undergoing serial bottlenecks are indeed reduced compared with pedigree-based rates. Alternatively, purifying selection acts to eliminate newly arising deleterious alleles and linked diversity throughout both the coding and HVRs ( Kivisild et al. 2006). This also decreases genetic diversity estimates ( Charlesworth et al. 1995) and thus the mutation rate estimates.

Our mutation rate estimates from all but the most recent samples are lower than the pedigree-based rate estimate, which is not affected by the above processes of bottlenecks and selection (except for purifying selection on lethal alleles). Purifying selection and population size changes are not mutually exclusive. Both processes could underlie the exponentially decaying mutation rate curves ( figs. 2 and 3). However, reduction in population size is expected to reduce the efficacy of natural selection relative to genetic drift.


شاهد الفيديو: احياء الصف السادس. الفصل الاول. الخلية. محاضرة 1 (قد 2022).


تعليقات:

  1. Aghy

    بصراحة ، أنت على حق.

  2. Brodrik

    لا تحول الانتباه!

  3. Nefin

    أعتقد أنك مخطئ. يمكنني إثبات ذلك. اكتب لي في PM.



اكتب رسالة