معلومة

إلى أي مدى تعتبر الشفرة الجينية أكثر من مجرد كود؟

إلى أي مدى تعتبر الشفرة الجينية أكثر من مجرد كود؟


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.

يجدر تحديد المعنى الدقيق لـ "الكود" في هذا السؤال. الكود عبارة عن خريطة من مساحة إلى مساحة أخرى لا يوجد بها اتصال خوارزمي. وبالتالي فإن تمثيل 321 كـ 0x141 ليس مثيلاً لكود ، لأن هناك خوارزمية ؛ لكن تمثل 321 كحرف Ł يكون رمز (Unicode ، في هذه الحالة) لأنه لا يوجد اتصال جوهري بين الرقم والرمز. الطريقة الوحيدة لمعرفة الرقم الذي يتطابق مع الرمز هو البحث عنه في الكتاب.

تتحدث العروض التقديمية الشائعة لطريقة عمل الخلايا عن كود DNA / RNA باعتباره a الشفرة. لا يوجد نسخ حسابي من الحمض النووي الريبي إلى البروتينات. النسخ من الكودونات إلى الأحماض الأمينية هو رمز يفسره البشر من خلال البحث عنه في جدول. تفسرها الآلات الخلوية من خلال حقيقة أن GUN → Val نقل الحمض النووي الريبي موجود في الخلية ولكن الحمض النووي الريبي نقل GUN → Glu ليس كذلك. أثناء تخليق البروتين ، يتزاوج كل جزيء RNA ينقل ، بعد أن حصل على جزيء من الأحماض الأمينية المعينة ، مع الكودون المصمم للاقتران به. يتم تعريف جدول الكود بالتالي من خلال مجموعة من الحمض النووي الريبي (tRNAs) التي تصادف أنها تطفو في الخلية.

(ربما كانت هناك بعض التبسيط المفرط في الصورة أعلاه).

من ناحية أخرى ، فإن كود الحمض النووي هو ليس رمز بمعنى أن جزيء الحمض النووي (ولا يزال المزيد من الحمض النووي الريبي) ليس مستودعًا سلبيًا لتسلسلات الكود ولكنه كيان تفاعلي ، وتعتمد هذه التفاعلات على تسلسل النوكليوتيدات بطريقة مختلفة عن الترميز الذي يتوسطه الحمض الريبي النووي النقال. مناطق الترميز ؛ مناطق غير مشفرة ؛ سلاسل طويلة من النيوكليوتيدات المفردة ؛ مواقع البدء هيكل ثلاثي الأبعاد للجزيء - كل هذه تعتمد على تسلسل النيوكليوتيدات بطريقة منفصلة عن دورها ككودونات.

هذا هو السبب في أن هذا هو "إلى أي مدى؟" سؤال.

تجربة فكرية

لدرجة أن الشفرة الجينية يكون رمز ، يجب أن تكون تجربة من هذا النوع ممكنة ، وربما لا تكون بعيدة عن التطبيق العملي. إلى الحد الذي يكون فيه الرمز لا رمز ، فإنه لن يعمل.

  1. توضيح بنية GAU-to-Glu tRNA و GAA-to-Asp tRNA ، وكلاهما موجود في الطبيعة.
  2. توليف الحمض النووي الريبي الذي يرمز لهم ويدخله في خلية مناسبة ، مما يجعله آلة لتصنيع هذين الرنا الحمض النووي الريبي. تصنيع كمية كبيرة من هذه الحمض النووي الريبي.
  3. أخذ الحمض النووي للخلية المستهدفة (ليس بالضرورة نفس النوع كما كان من قبل) ، استبدل الجينات المشفرة لـ GAU-to-Asp و GAA-to-Glu tRNA مع ترميز الجينات لـ GAU-to-Glu tRNA و GAA-to-Asp الحمض الريبي النووي النقال. لن تعيش مثل هذه الخلية ، لأنها ستخطئ في ترجمة معظم بروتيناتها.
  4. قبل إعادة إدخال الحمض النووي ، قم بعمل نسخة منه ، واستبدل كل تواجد لـ GAT بـ GAA وكل تكرار لـ GAA بـ GAT.
  5. قبل إعادة إدخال الحمض النووي مباشرة ، اغمر الخلية بـ tRNAs الجديدة المصنعة في الخطوة 2. هذا يغير الرمز.
  6. أعد إدخال الحمض النووي.

يجب أن تكون الخلية الآن قابلة للحياة. في كل مكان تستخدمه GAT لترميز Asp في الخلية الأصلية ، تم العثور على GAA الآن ؛ ولكن نظرًا لأن الحمض النووي الريبي الوحيد المتاح لعملية التوليف هو GAA-to-Asp ، فهذا يعني أن Asp ساكن تم إدخاله بالضبط حيث يجب إدخاله. يتم تعويض التغيير في تسلسل الحمض النووي تمامًا عن طريق التغيير في tRNAs المتاحة - أي التغيير في الشفرة.

الغرض من التجربة الفكرية

من ناحية ، افترض النجاح. تتمتع الخلية المعدلة ، التي تستخدم رمزًا جينيًا مختلفًا عن أي شيء آخر على هذا الكوكب ، بميزة كونها محصنة ضد جميع الفيروسات. أم أن المناعة ضد الفيروسات لن تكون ميزة بعد كل شيء؟ ستكون الخلية المعدلة أيضًا فطرية جدًا ، حيث لا يمكنها تبادل المواد الجينية مع أي شيء آخر. ميزة أم عيب؟

من ناحية أخرى ، فكر في إمكانية الفشل. قد يبدو أن الفشل يرجع إلى اختلاف GAT و GAA (أو GAU و GAA) اختلافًا طفيفًا في خواصهما الكيميائية بعيدًا عن دورهما ككودونات. قد يتبنى الحمض النووي والحمض النووي الريبي تركيبات مختلفة ، تختلف بشكل كافٍ لتغيير طبيعة وحركية تفاعلاتهم كجزيئات كبيرة في مقابل مستودعات المعلومات.

وهو ما يقودنا بالضبط إلى عنوان هذا السؤال. إذا كانت الشفرة الجينية رمزًا خالصًا ، فستعمل التجربة - تمامًا كما يمكنني إنشاء شريحة Intel x86 متغيرة حيث يقوم الرمز الخاص بـ Add بالطرح ويقوم رمز Subtract بالإضافة ، ويعوض ذلك عن طريق تعديل جميع برامجي وفقا لذلك. إلى الحد الذي تكون فيه الشفرة أكثر من رمز ، ستعمل التجربة بشكل أقل جودة.

لكن إلى أي مدى؟


أنت تسميها تجربة فكرية ولكن شيئًا كهذا قد تم بالفعل. ليست متشابهة تمامًا لأنها لا تقوم بالتبديل 2 ، لكنها لا تزال تحل محل الكودون.

نظرة عامة: https://en.wikipedia.org/wiki/Expanded_genetic_code

الشيء الكبير: في المادتين المؤديتين إلى هذا المقال ، قاموا باستبدال جميع أكواد التوقف UAG البالغ عددها 314 في E.coli K12 واستخدموا كودون UAG غير المستخدم الآن لبعض الأشياء الفاخرة: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/ تم النشر / 25607366


لم يتم الرد على سؤالك بالفعل من قبل تلك الكائنات الحية (والعضيات) التي لديها مختلف الكود الجيني من اساسي الكود الجيني (المعروف أصلاً باسم "عالمي")؟ لقد أجروا التجربة من أجلك من خلال تطوير آلات لفك شفرة الرنا المرسال بشكل مختلف (نقل الحمض النووي الريبي بقدرة مختلفة على قبول مضادات الكودون / الأحماض الأمينية - وهذا ما يحدد كيفية تفسير الشفرة).

وأعتقد أن الحمض النووي هو ذرة حمراء هنا. الشفرة الجينية هي رمز لفك تشفير المعلومات في مناطق الرنا المرسال التي تحدد البروتينات. وهي لا تنطبق - ولم يكن المقصود منها على الإطلاق - أن تنطبق على أي شيء آخر. وبالتالي ، فإنه لا ينطبق على المناطق غير المترجمة 5 'و 3' من mRNAs ، حيث قد تكون هناك مجموعات أخرى من النيوكليوتيدات التي يتم تفسيرها بشكل مختلف (على سبيل المثال ، متواليات ربط الريبوسوم في بدائيات النوى ، وإشارات إضافة polyA في حقيقيات النوى). لا يستخدم استخدام الشفرة الوراثية المعدلة (T for U) إلا مع الحمض النووي لعمل تنبؤات حول المناطق التي تحدد أجزاء ترميز البروتين في mRNAs (أي ما إذا كانت تستطيع ، وإذا كان الأمر كذلك ، فما هو تسلسل الأحماض الأمينية للبروتين؟ ).

[أعتذر إذا كنت على دراية بكل هذه الخلفية البيولوجية الجزيئية وأساءت فهم حجتك.]


من ناحية أخرى ، فإن تصميم تجربة تقتل (وتعيد إحياء) الخلية غير ممكن: بمجرد تعطل الخلية ، من المحتمل أن تتضرر بشكل لا يمكن إصلاحه. ومع ذلك ، بخلاف ذلك ، لا أعتقد أن هذا النوع من التجربة لا يمكن القيام به في الواقع. سيكون عليك فقط تعريض الثقافات المختلفة (التي نمت في نفس الظروف) في وقت واحد إلى مختلف الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي. سيشمل هذا التعرضات التي تتوقعها تسبب موت الخلايا وبقائها على قيد الحياة أو نموها و "التحكم" في التعرضات التي تعرف أنها ستقتل الخلايا أو تجنيبها. يتم ذلك بشكل روتيني مع البكتيريا والخميرة وخلايا سرطان الثدييات.

اعتمادًا على تفسيرك لـ "الكود الحقيقي" ، سيكون هذا قابلاً للاختبار. من الواضح أن DNA ATG يخطط لـ AUG بطريقة محددة جيدًا بشكل خاص. يتم أيضًا فك تشفير mRNA AUG إلى Met ولكن الآلية هنا مهمة: الحمض النووي الريبي عبارة عن فئة "فك تشفير" من الجزيئات ، ولها موقع تمييز تكميلي لكودون mRNA ، على سبيل المثال ، UAC ، وموقع ربط لحمض أميني مثل اجتمع على الطرف الآخر. تكون جزيئات فك التشفير هذه متطابقة في الهياكل وقابلة للتبادل ، وفي الواقع هناك بعض الأنواع البكتيرية التي تستخدم فك تشفير tRNAs "غير متعارف عليه" مختلفًا عن الأنواع الأخرى و "إعادة الترميز الجيني" حيث يتم ترميز الأحماض الأمينية الإضافية أو تغير الإطارات بواسطة أكواد STOP الخاصة بنا.

لا أعرف ما إذا كان الحمض النووي الريبي (tRNA) هنا يناسب تشبيهك كخوارزمية أو مترجم ، لكن التطور أنتج مجموعة واسعة من الاستثناءات التي يمكننا اختبار "الشفرة" الجينية عليها. نحن نعمل بشكل أساسي مع جدول مألوف لدينا وبعض البكتيريا تستخدم جدولًا مختلفًا يحتوي على أحماض أمينية إضافية مثل السيلينوسيستين. لقد أضافت التجارب الحديثة قواعد DNA / RNA التي لا تحدث في الطبيعة والأحماض الأمينية "غير المتعارف عليها" غير المستخدمة في الخلايا التي تحدث بشكل طبيعي ، والبعض الآخر يحاول علم الأحياء التركيبي لهندسة خلاياهم الخاصة كما اقترحت.

ومع ذلك ، تجدر الإشارة إلى أن التعبير الجيني ليس مجرد تعيين واحد لواحد. إن كمية التعبير الجيني ومتغيره مهمان أيضًا ، فالعديد من التسلسلات التنظيمية تؤثر على التعبير عن الحمض النووي ، أو تضفير الرنا المرسال ، أو الارتباط الريبوزومي. بمجرد أن يتم إنتاج البروتين ، فإنه غالبًا ما يتم تكسيره أو فسفرته أو غليكوزيلاته ويمكن أن يشكل معقدات ذات بروتينات متطابقة أو مختلفة. سواء أكان DNA "exon" يشفر تسلسل بروتين "خام" أمر مثير للاهتمام وبقدر ما أفترض أن DNA للبروتين هو رمز حقيقي ، في سياق نظام بيولوجي معقد ، تؤثر العوامل الأخرى خارج التسلسل الخام على وظيفة الجين.


هل الجينات مصيرنا؟ تتطور الشفرة "المخفية" في الحمض النووي بسرعة تفوق سرعة تطور الشفرة الجينية

يسمح رمز "خفي" مرتبط بالحمض النووي للنباتات بتطوير وتمرير سمات بيولوجية جديدة بسرعة أكبر بكثير مما كان يُعتقد سابقًا ، وفقًا لنتائج دراسة رائدة أجراها باحثون في معهد سالك للدراسات البيولوجية.

تقدم الدراسة ، التي نُشرت في 16 سبتمبر في مجلة Science ، أول دليل على أن الشفرة "اللاجينية" للكائن الحي - طبقة إضافية من التعليمات الكيميائية الحيوية في الحمض النووي - يمكن أن تتطور بسرعة أكبر من الشفرة الجينية ويمكن أن تؤثر بقوة على السمات البيولوجية.

بينما اقتصرت الدراسة على نوع نباتي واحد يسمى Arabidopsis thaliana ، وهو ما يعادل الفئران المختبرية لعالم النبات ، تشير النتائج إلى أن سمات الكائنات الحية الأخرى ، بما في ذلك البشر ، قد تتأثر أيضًا بشكل كبير بالآليات البيولوجية التي يستخدمها العلماء فقط. بدأت في الفهم.

قال جوزيف إيكر ، الأستاذ في مختبر سالك للبيولوجيا الجزيئية والخلوية النباتية ، الذي قاد فريق البحث: "تظهر دراستنا أن الأمر ليس كله في الجينات". "وجدنا أن هذه النباتات لها رمز جيني أكثر مرونة وتأثيرًا مما كنا نتخيله. من الواضح أن هناك عنصرًا من عناصر التوريث لا نفهمه تمامًا. من الممكن أن يكون لدينا نحن البشر آلية جينية نشطة مماثلة تتحكم في خصائصنا البيولوجية وينتقل إلى أطفالنا ".


وراثة الأجيال من مثيلة الحمض النووي. على الرغم من أن المعدلات التلقائية للطفرات الجينية مفهومة جيدًا ، إلا أن معدلات الاختلاف اللاجيني في مثيلة الحمض النووي ظلت لغزًا حتى الآن. باستخدام نبات Arabidopsis thaliana (الموضح في المنتصف) ، تم تحديد التباين الجيلي في مثيلة الحمض النووي في خمس سلالات مفصولة بـ 30 جيلًا من النمو كما هو موضح بواسطة Cs الوردية الميثيلية واللون الأخضر غير الميثيل

مع ظهور تقنيات رسم خرائط سريعة للحمض النووي للكائنات الحية ، وجد العلماء أن الجينات المخزنة في رمز الحمض النووي المكون من أربعة أحرف لا تحدد دائمًا كيفية تطور الكائن الحي واستجابته لبيئته. كلما زاد عدد علماء الأحياء الذين رسموا خريطة جينومات الكائنات الحية المختلفة (الشفرة الجينية بأكملها) ، زاد اكتشافهم للتناقضات بين ما تمليه الشفرة الجينية وكيف تبدو الكائنات الحية وتعمل بالفعل.

في الواقع ، استند العديد من الاكتشافات الرئيسية التي أدت إلى هذه الاستنتاجات إلى دراسات في النباتات. هناك سمات مثل شكل الزهرة وتصبغ الفاكهة في بعض النباتات التي تخضع لسيطرة هذا الرمز اللاجيني. هذه السمات ، التي تتحدى تنبؤات علم الوراثة الكلاسيكي المندلي ، توجد أيضًا في الثدييات. في بعض سلالات الفئران ، على سبيل المثال ، يمكن أن ينتقل الميل إلى السمنة من جيل إلى جيل ، ولكن لا يوجد فرق بين الكود الجيني للفئران السمينة والفئران النحيلة يفسر هذا الاختلاف في الوزن.

حتى أن العلماء وجدوا أن التوائم البشرية المتطابقة تظهر سمات بيولوجية مختلفة ، على الرغم من تطابق تسلسل الحمض النووي. لقد وضعوا نظرية مفادها أن مثل هذه التباينات غير المبررة يمكن أن تكون من عمل التباين اللاجيني.

قال إيكر: "نظرًا لعدم تطابق أي من أنماط التباين والوراثة هذه مع ما يقوله التسلسل الجيني ، فمن الواضح أن هناك عنصرًا مفقودًا في التوريث" الجيني ".

تتبع إيكر وعلماء آخرون هذه الأنماط الغامضة إلى علامات كيميائية تعمل كطبقة من التحكم الجيني أعلى تسلسل الحمض النووي. تمامًا كما يمكن أن تنشأ الطفرات الجينية تلقائيًا وتورثها الأجيال اللاحقة ، يمكن أن تظهر الطفرات اللاجينية في الأفراد وتنتشر في المجتمع الأوسع.

على الرغم من أن العلماء قد حددوا عددًا من السمات اللاجينية ، إلا أنه لم يُعرف سوى القليل جدًا عن عدد المرات التي نشأت فيها تلقائيًا ، ومدى سرعة انتشارها بين السكان ومدى تأثيرها على التطور البيولوجي والوظيفة.

قال روبرت شميتز ، بحث ما بعد الدكتوراه في مختبر إيكرز والمؤلف الرئيسي لهذه الورقة: "إن إدراك مدى التباين اللاجيني في النباتات من جيل إلى جيل يختلف اختلافًا كبيرًا داخل مجتمعنا العلمي". "لقد أجرينا التجربة بالفعل ، ووجدنا أنه بشكل عام هناك القليل جدًا من التغيير بين كل جيل ، ولكن التقرحات العفوية موجودة بالفعل في المجموعات السكانية وتنشأ بمعدل أعلى بكثير من معدل طفرات الحمض النووي ، وفي بعض الأحيان كان لها تأثير قوي على كيفية تم التعبير عن جينات معينة ".

في دراستهم ، قام باحثو Salk والمتعاونون في معهد Scripps للأبحاث بتعيين epigenome لمجموعة من نباتات Arabidopsis ، ثم لاحظوا كيف تغير هذا المشهد الكيميائي الحيوي بعد 30 جيلًا. يتكون هذا التعيين من تسجيل حالة جميع المواقع على جزيء الحمض النووي التي يمكن أن تخضع لتعديل كيميائي يُعرف باسم المثيلة ، وهو تغيير جيني رئيسي يمكن أن يغير كيفية التعبير عن جينات أساسية معينة. ثم راقبوا كيف تطورت حالات المثيلة لهذه المواقع عبر الأجيال.

كانت جميع النباتات مستنسخة من سلف واحد ، لذلك كانت تسلسلات الحمض النووي الخاصة بهم متطابقة بشكل أساسي عبر الأجيال. وبالتالي فإن أي تغييرات في كيفية تعبير النباتات عن سمات وراثية معينة من المحتمل أن تكون نتيجة للتغيرات العفوية في شفرتها اللاجينية - الاختلافات في مثيلة مواقع الحمض النووي - وليس نتيجة للاختلافات في تسلسل الحمض النووي الأساسي.

قال إيكر: "لا يمكنك إجراء هذا النوع من الدراسة على البشر ، لأن حمضنا النووي يتم خلطه كل جيل". "على عكس البشر ، يمكن استنساخ بعض النباتات بسهولة ، لذلك يمكننا رؤية التوقيع فوق الجيني بدون كل الضجيج الجيني."

اكتشف الباحثون أنه تم تغيير ما يصل إلى بضعة آلاف من مواقع المثيلة على الحمض النووي للنباتات كل جيل. على الرغم من أن هذا يمثل نسبة صغيرة من ستة ملايين موقع مثيلة يُقدر وجودها على DNA Arabidopsis ، إلا أنه يقزم معدل التغيير التلقائي المرئي على مستوى تسلسل الحمض النووي بحوالي خمسة أوامر من حيث الحجم.

يشير هذا إلى أن الشفرة اللاجينية للنباتات - والكائنات الأخرى ، بالتبعية - أكثر سيولة بكثير من شفرتها الجينية.

والأكثر إثارة للدهشة هو المدى الذي أدت به بعض هذه التغييرات إلى تشغيل الجينات أو إيقاف تشغيلها. كما شهد عدد من الجينات النباتية التي خضعت لتغيرات وراثية في المثيلة تغيرات كبيرة في تعبيرها - العملية التي تتحكم بها الجينات في الوظيفة الخلوية من خلال إنتاج البروتين.

وهذا يعني أنه ليس فقط الإبيجينوم للنباتات يتحول بسرعة على الرغم من عدم وجود أي ضغط بيئي قوي ، ولكن يمكن أن يكون لهذه التغييرات تأثير قوي على شكل ووظيفة النباتات.

قال إيكر إن نتائج الدراسة تقدم بعض الأدلة الأولى على أن الشفرة اللاجينية يمكن إعادة كتابتها بسرعة وإحداث تأثير كبير. وقال "هذا يعني أن الجينات ليست قدرًا". "إذا كنا مثل هذه النباتات ، فقد يخضع الإبيجينوم أيضًا لتغير تلقائي سريع نسبيًا يمكن أن يكون له تأثير قوي على سماتنا البيولوجية."

الآن بعد أن أظهروا مدى حدوث الطفرات الجينية العفوية ، يخطط باحثو Salk للكشف عن الآليات البيوكيميائية التي تسمح لهذه التغييرات بالظهور والانتقال من جيل إلى آخر.

يأملون أيضًا في استكشاف كيف يمكن أن تؤدي الظروف البيئية المختلفة ، مثل الاختلافات في درجة الحرارة ، إلى حدوث تغير جيني في النباتات ، أو على العكس من ذلك ، ما إذا كانت الصفات اللاجينية توفر للنباتات مزيدًا من المرونة في التعامل مع التغير البيئي.

قال إيكر: "نعتقد أن هذه الأحداث اللاجينية قد تُسكِت الجينات عندما لا تكون هناك حاجة إليها ، ثم تعيد تشغيلها عندما تستدعي الظروف الخارجية". "لن نعرف مدى أهمية هذه التقرحات حتى نقيس التأثير على سمات النبات ، وقد وصلنا الآن إلى النقطة التي يمكننا فيها إجراء هذه التجارب. إنه أمر مثير للغاية."


بعد مرور 20 عامًا على تسلسل الجينوم البشري لأول مرة ، تكثر الأساطير الجينية الخطيرة

مضت سنوات مضت ، نشرت المجلة العلمية Nature المسودة الأولى للجينوم البشري: تسلسل "الحروف" الكيميائية على الحمض النووي الحامل للجينات لكروموسوماتنا. لقد جاهد مشروع الجينوم البشري (HGP) لمدة عشر سنوات لقراءة هذه المعلومات المشفرة. في مؤتمر صحفي بالبيت الأبيض في عام 2000 ، قام فرانسيس كولينز ، الذي قاد المشروع كمدير للمعهد القومي لأبحاث الجينوم البشري بالولايات المتحدة ، بإزالة الكتابات من الكتاب المقدس ، واصفًا الجينوم البشري بأنه "كتاب التعليمات الخاص بنا ، والذي كان يعرفه الله في السابق فقط".

يتمتع HGP بفوائد محتملة ضخمة للطب وفهمنا للتنوع البشري والأصول. لكن عاصفة من الخطابات المضللة أحاطت بالمشروع ، مما ساهم في سوء الفهم الواسع والخطير في بعض الأحيان حول الجينات التي تفسد العصر الجينومي الآن.

حتى الآن ، كانت هناك محاولات قليلة لوضع الأمور في نصابها الصحيح. حتى الآن ، يدعو المعهد القومي لبحوث الجينوم البشري HGP محاولة لقراءة "مخطط الطبيعة الجيني الكامل لبناء كائن بشري" - "كتاب التعليمات" الذي "يحدد سماتنا الخاصة". يقول المعهد إن الجينوم "يحتوي على جميع المعلومات اللازمة لبناء هذا الكائن الحي والحفاظ عليه". لكن صورة "كتاب التعليمات" الحتمية هذه هي بالضبط المغالطة التي قلبها علم الجينوم ، والمعلومات الموجودة في الجينوم غير كاملة بشكل واضح. ومع ذلك ، لا يبدو أن أي شخص مرتبط بالبحوث الجينومية منزعج من تصحيح هذه الادعاءات الكاذبة.

في منطقة مليئة بالوعود والمخاطر مثل علم الجينوم ، يكون التواصل الواضح أمرًا ضروريًا. مكّنت القدرة على تسلسل مجموعتنا الكاملة من الجينات من تحقيق بعض الخطوات العظيمة في الطب ، لكنها لم تكن تحويلية بعد كما وعدنا في البداية. لا تزال النجاحات في العلاج الجيني نادرة ، والطب المصمم وفقًا للبنية الجينية الفردية لم يتحقق بعد. في غضون ذلك ، ساعدت النظرة الحتمية للجينات على الجدل حول تحسين النسل والخصائص العرقية "الفطرية" لإعادة الدخول في الخطاب العام. وُلد أول أطفال معدلون جينيًا في عام 2018 من خلال حالة سوء سلوك علمي أدت إلى سجن العالم الصيني المسؤول عن العمل ، هي جيانكوي. وفي الوقت نفسه ، فإن شركات تسلسل الجينوم مثل 23andMe تغرينا بالوعد الضحل بتحليل الحمض النووي في لعابك للكشف عن "ما الذي يجعلك أنت".

لقد كان الضجيج الجيني معنا منذ أن ادعى جيمس واتسون ملفق في كتابه The Double Helix عام 1968 أن مساعده فرانسيس كريك أخبر الجميع ومتنوع في حانة كامبريدج المزدحمة "لقد وجدنا سر الحياة!" بعد فترة وجيزة اكتشف الزوجان التركيب الكيميائي للحمض النووي في عام 1953. وفي عام 1995 ، جادل علماء الاجتماع في العلوم دوروثي نيلكين وسوزان ليندي بأن الحمض النووي أصبح بديلاً علميًا للروح ، وهو نوع من الجوهر الغامض مطبوع في الجزيء. بقراءة "اللغة التي خلق بها الله الحياة" ، كما قال الرئيس بيل كلينتون بشكل مفجر عن HGP في عام 2000 ، بدا أننا كنا على وشك فهم الحياة في مستواها الأساسي.

يقول العديد من علماء الوراثة إن القصة أصبحت أكثر تعقيدًا مما توقعوا: الجينات ليست تمامًا كما اعتقدنا (في الواقع ، لا يوجد إجماع حول ما هي عليه). ومع ذلك ، يظل الكثيرون سعداء لنشر الفكرة المضللة بأننا "آلات جينية" وأن حمضنا النووي هو "مخططنا". لا عجب أن الفهم العام لعلم الوراثة قد أفسدته مفاهيم الحتمية الجينية - ناهيك عن الفكرة السخيفة الآن (ولكنها مربحة) أن علم الأنساب DNA يخبرك أي نسبة منكم هي "اسكتلنديون" ، "أفريقيون جنوب الصحراء" أو "إنسان نياندرتال". مثل هذا الأصل الجيني هو النعناع البري إلى أقصى اليمين. اقترح واطسون نفسه ، أحد المدافعين الرئيسيين عن HGP ، (بدون أدلة موثوقة) أنه قد يكون هناك متوسط ​​اختلاف وراثي في ​​معدل الذكاء بين المجموعات العرقية.

يستحق HGP نصيبا من اللوم عن مثل هذه المشاكل ، بعد أن روج لوجهة نظر مضللة للجينات وحافظت عليها. عندما بدأ المشروع ، كانت الفكرة السابقة القائلة بأن السمات البشرية ، مثل لون الشعر أو القدرات المعرفية ، تمتلك جينًا مخصصًا لكل منها ، لم تعد تبدو قابلة للاستمرار. على الرغم من ذلك ، اعتقد العلماء أن الجينات والسمات يمكن أن تتطابق بسهولة ، مثل ألغاز هؤلاء الأطفال التي تتبع فيها روابط معقدة بين مجموعتين من العناصر. يفسر هذا المفهوم الخاطئ سبب قيام معظم علماء الوراثة بالمبالغة في تقدير العدد الإجمالي للجينات البشرية بعامل مضاعف - وهو خطأ يتم تقديمه الآن مع ابتسامة عريضة "عفوًا!" بدلاً من أن تكون علامة على خطأ جوهري حول ماهية الجينات وكيفية عملها.

من الواضح الآن أن سمات مثل الطول ، بالإضافة إلى القابلية للإصابة بالعديد من الأمراض الشائعة مثل مرض السكري من النوع 2 والسرطان ومشاكل القلب ، لها مكون وراثي معقد للغاية. ربما تكون مئات الجينات متورطة ، ولكل منها تأثير ضئيل فقط. العوامل البيئية أو ببساطة العوامل العشوائية مهمة أيضًا. نتيجة لذلك ، غالبًا ما يكون من الصعب تحديد الأهداف الجينية الفعالة للأدوية ، وليس هناك فائدة تذكر إذا لم نكن نعرف كيف يؤثر جين معين فعليًا على الظروف الصحية.

كان هناك بعض النجاحات في الطب الوراثي. نشأت بعض الأدوية المستخدمة لعلاج التهاب المفاصل الروماتويدي ، والتي تتم دراسة أحدها الآن كعلاج محتمل لفيروس كوفيد ، من دراسات الجينوم التي حددت اثنين من الجينات المستهدفة المحتملة. لكن الأدوية الأكثر شيوعًا لهذه الحالة ، مثل مثبطات TNF, لم تعتمد على البيانات الجينية على الإطلاق. حتى بالنسبة للأمراض التي تحتوي على مكون وراثي واضح ، قد لا تكون الجينات هي المستوى المناسب للتدخل. كتب مجموعة من الخبراء في الطب الوراثي في ​​عام 2013: "في بعض الحالات ، قد يؤدي النهج الراسخ في علم الوراثة البشرية إلى إبطاء برنامج اكتشاف الأدوية".

لا تكمن القيمة الحقيقية لـ HGP في الإجابة عن أسئلة حول "ما يفعله الجين" ، بل إظهار كيف تؤدي الاختلافات الصغيرة في التسلسل الجيني لكل واحد منا إلى الاختلافات الهائلة في السمات البشرية. لا يوجد ، بالطبع ، "جينوم بشري" واحد على الإطلاق - لكل منا جينومه الخاص. من خلال تحليل تسلسل الجينوم لمئات وآلاف الأشخاص ، يصبح من الممكن تحديد الاختلافات الصغيرة التي تجعلنا مختلفين. إحدى رسائل هذه الدراسات هي أن "العرق" هو ​​بناء اجتماعي غير متجذر في علم الأحياء: هناك تباين جيني أكبر بكثير داخل التجمعات العرقية التقليدية منه فيما بينها.

تعتمد هذه المقارنات للعديد من الجينومات نفسها على ربما أهم مكافأة من HGP: تقنية التسلسل نفسها. إن تحليل الجينوم السريع الذي أتاح لـ Covid-19 Genomics UK Consortium تحديد وتتبع متغيرات فيروس كورونا الجديدة هو مجرد واحدة من فوائد تقنية التسلسل الأسرع والأرخص التي تم تطويرها نتيجة للمشروع. على نفس المنوال ، يمكننا أن نأمل قريبًا في معرفة المزيد عن كيفية تأثير علم الوراثة الخاص بنا على قابليتنا الفردية للإصابة بفيروس كوفيد الحاد.

بالإضافة إلى تقديم مثل هذه الموارد والتقنيات القيمة للرعاية الصحية ، كشف HGP بشكل متناقض عن قيود رؤية الحياة التي تتمحور حول الجينات. نحن لا نأتي مع الإرشادات المضمنة بعد كل شيء: أنت لست مبرمجًا في الكروموسومات الخاصة بك. الحياة ليست قراءة للجينات - إنها عملية أكثر إثارة للاهتمام ودقة وعرضة من ذلك بكثير.

فيليب بول كاتب علمي. أحدث مؤلفاته كتاب بعنوان "الأساطير الحديثة: مغامرات في آلية الخيال الشعبي"


هل الجينات مصيرنا؟ اكتشف العلماء أن الشفرة "المخفية" في الحمض النووي تتطور بشكل أسرع من الشفرة الجينية

صورة أرابيدبوسيس مصنع. الائتمان: جو بيلكوفسون ، معهد سالك للدراسات البيولوجية

تسمح الشفرة "المخفية" المرتبطة بالحمض النووي للنباتات بتطوير وتمرير سمات بيولوجية جديدة بسرعة أكبر بكثير مما كان يعتقد سابقًا ، وفقًا لنتائج دراسة رائدة أجراها باحثون في معهد سالك للدراسات البيولوجية.

الدراسة التي نشرت اليوم في المجلة علم، يقدم الدليل الأول على أن الشفرة "اللاجينية" للكائن الحي - طبقة إضافية من التعليمات الكيميائية الحيوية في الحمض النووي - يمكن أن تتطور بسرعة أكبر من الشفرة الجينية ويمكن أن تؤثر بقوة على السمات البيولوجية.

بينما اقتصرت الدراسة على نوع نباتي واحد يسمى Arabidopsis thaliana ، وهو ما يعادل الفئران المختبرية لعالم النبات ، تشير النتائج إلى أن سمات الكائنات الحية الأخرى ، بما في ذلك البشر ، قد تتأثر أيضًا بشكل كبير بالآليات البيولوجية التي يستخدمها العلماء فقط. بدأت في الفهم.

قال جوزيف إيكر ، الأستاذ في مختبر سالك للبيولوجيا الجزيئية والخلوية النباتية ، الذي قاد فريق البحث: "تظهر دراستنا أن الجينات ليست كلها". "وجدنا أن هذه النباتات لها رمز جيني أكثر مرونة وتأثيرًا مما كنا نتخيله. من الواضح أن هناك عنصرًا من عناصر التوريث لا نفهمه تمامًا. من الممكن أن يكون لدينا نحن البشر آلية جينية نشطة مماثلة تتحكم في خصائصنا البيولوجية وينتقل إلى أطفالنا ".

مع ظهور تقنيات رسم خرائط سريعة للحمض النووي للكائنات الحية ، وجد العلماء أن الجينات المخزنة في رمز الحمض النووي المكون من أربعة أحرف لا تحدد دائمًا كيفية تطور الكائن الحي واستجابته لبيئته. كلما زاد عدد علماء الأحياء الذين رسموا خريطة جينومات الكائنات الحية المختلفة (الشفرة الجينية بأكملها) ، زاد اكتشافهم للتناقضات بين ما تمليه الشفرة الجينية وكيف تبدو الكائنات الحية وتعمل بالفعل.

في الواقع ، استند العديد من الاكتشافات الرئيسية التي أدت إلى هذه الاستنتاجات إلى دراسات في النباتات. هناك سمات مثل شكل الزهرة وتصبغ الفاكهة في بعض النباتات التي تخضع لسيطرة هذا الرمز اللاجيني. هذه السمات ، التي تتحدى تنبؤات علم الوراثة الكلاسيكي المندلي ، توجد أيضًا في الثدييات. في بعض سلالات الفئران ، على سبيل المثال ، يمكن أن ينتقل الميل إلى السمنة من جيل إلى جيل ، ولكن لا يوجد فرق بين الكود الجيني للفئران السمينة والفئران النحيلة يفسر هذا الاختلاف في الوزن.

حتى أن العلماء وجدوا أن التوائم البشرية المتطابقة تظهر سمات بيولوجية مختلفة ، على الرغم من تطابق تسلسل الحمض النووي. لقد وضعوا نظرية مفادها أن مثل هذه التباينات غير المبررة يمكن أن تكون من عمل التباين اللاجيني.

قال إيكر: "نظرًا لعدم تطابق أي من أنماط التباين والوراثة هذه مع ما يقوله التسلسل الجيني ، فمن الواضح أن هناك عنصرًا مفقودًا في التوريث" الجيني "".

تتبع إيكر وعلماء آخرون هذه الأنماط الغامضة إلى علامات كيميائية تعمل كطبقة من التحكم الجيني أعلى تسلسل الحمض النووي. تمامًا كما يمكن أن تنشأ الطفرات الجينية تلقائيًا وتورثها الأجيال اللاحقة ، يمكن أن تظهر الطفرات اللاجينية في الأفراد وتنتشر في المجتمع الأوسع.

على الرغم من أن العلماء قد حددوا عددًا من السمات اللاجينية ، إلا أنه لم يُعرف سوى القليل جدًا عن عدد المرات التي نشأت فيها تلقائيًا ، ومدى سرعة انتشارها بين السكان ومدى تأثيرها على التطور البيولوجي والوظيفة.

قال روبرت شميتز ، باحث ما بعد الدكتوراه في مختبر إيكرز والمؤلف الرئيسي لهذه الورقة: "إن إدراك مدى التباين اللاجيني في النباتات من جيل إلى جيل يختلف اختلافًا كبيرًا داخل مجتمعنا العلمي". "لقد أجرينا التجربة بالفعل ، ووجدنا أنه بشكل عام هناك القليل جدًا من التغيير بين كل جيل ، ولكن التقرحات العفوية موجودة بالفعل في المجموعات السكانية وتنشأ بمعدل أعلى بكثير من معدل طفرات الحمض النووي ، وفي بعض الأحيان كان لها تأثير قوي على كيفية تم التعبير عن جينات معينة ".

في دراستهم ، قام باحثو Salk والمتعاونون في معهد Scripps للأبحاث بتعيين Epigenome لمجموعة من نباتات Arabidopsis ، ثم لاحظوا كيف تغير هذا المشهد الكيميائي الحيوي بعد 30 جيلًا. يتكون هذا التعيين من تسجيل حالة جميع المواقع على جزيء الحمض النووي التي يمكن أن تخضع لتعديل كيميائي يُعرف باسم المثيلة ، وهو تغيير جيني رئيسي يمكن أن يغير كيفية التعبير عن جينات أساسية معينة. ثم راقبوا كيف تطورت حالات المثيلة لهذه المواقع عبر الأجيال.

كانت جميع النباتات مستنسخة من سلف واحد ، لذلك كانت تسلسلات الحمض النووي الخاصة بهم متطابقة بشكل أساسي عبر الأجيال. وبالتالي فإن أي تغييرات في كيفية تعبير النباتات عن سمات وراثية معينة من المحتمل أن تكون نتيجة للتغيرات العفوية في شفرتها اللاجينية - الاختلافات في مثيلة مواقع الحمض النووي - وليس نتيجة للاختلافات في تسلسل الحمض النووي الأساسي.

قال إيكر: "لا يمكنك إجراء هذا النوع من الدراسة على البشر ، لأن حمضنا النووي يتم خلطه كل جيل". "على عكس البشر ، يمكن استنساخ بعض النباتات بسهولة ، لذلك يمكننا رؤية التوقيع فوق الجيني بدون كل الضجيج الجيني."

اكتشف الباحثون أنه تم تغيير ما يصل إلى بضعة آلاف من مواقع المثيلة على الحمض النووي للنباتات كل جيل. على الرغم من أن هذا يمثل نسبة صغيرة من ستة ملايين موقع مثيلة يُقدر وجودها على DNA Arabidopsis ، إلا أنه يقزم معدل التغيير التلقائي المرئي على مستوى تسلسل الحمض النووي بحوالي خمسة أوامر من حيث الحجم.

يشير هذا إلى أن الشفرة اللاجينية للنباتات - والكائنات الأخرى ، بالتبعية - أكثر سيولة بكثير من شفرتها الجينية.

والأكثر إثارة للدهشة هو المدى الذي أدت به بعض هذه التغييرات إلى تشغيل الجينات أو إيقاف تشغيلها. كما شهد عدد من الجينات النباتية التي خضعت لتغيرات وراثية في المثيلة تغيرات كبيرة في تعبيرها - وهي العملية التي تتحكم بها الجينات في الوظيفة الخلوية من خلال إنتاج البروتين.

وهذا يعني أنه ليس فقط الإبيجينوم للنباتات يتحول بسرعة على الرغم من عدم وجود أي ضغط بيئي قوي ، ولكن يمكن أن يكون لهذه التغييرات تأثير قوي على شكل ووظيفة النباتات.

قال إيكر إن نتائج الدراسة تقدم بعض الأدلة الأولى على أن الشفرة اللاجينية يمكن إعادة كتابتها بسرعة وإحداث تأثير كبير. وقال "هذا يعني أن الجينات ليست قدرًا". "إذا كنا مثل هذه النباتات ، فقد يخضع الإبيجينوم أيضًا لتغير تلقائي سريع نسبيًا يمكن أن يكون له تأثير قوي على سماتنا البيولوجية."

الآن بعد أن أظهروا مدى حدوث الطفرات الجينية العفوية ، يخطط باحثو Salk للكشف عن الآليات البيوكيميائية التي تسمح لهذه التغييرات بالظهور والانتقال من جيل إلى آخر.

They also hope to explore how different environmental conditions, such as differences in temperature, might drive epigenetic change in the plants, or, conversely, whether epigenetic traits provide the plants with more flexibility in coping with environmental change.

"We think these epigenetic events might silence genes when they aren't needed, then turned them back on when external conditions warrant," Ecker said. "We won't know how important these epimutations are until we measure the effect on plant traits, and we're just now to the point where we can do these experiments. It's very exciting."


استنتاج

If organisms were under strong selection to minimize errors in replication and translation, we would expect them to choose codons that are less prone to error. Consequently, we would expect that the actual codon, amino-acid, and positional-base usages would have lower error values than would permuted versions. However, we found exactly the opposite: the actual codon, amino-acid, and positional-base usages produce more errors than randomly chosen compositions.

Consequently, our hypothesis that genetic messages (as well as genetic codes) are optimized for error minimization was not supported by the data. However, the low variance in codon-usage error values in organisms suggests the intriguing alternative possibility that mRNAs are selected for a specific level of errors, rather than to minimize errors overall. Because the rate of evolution is limited by mutation, it is possible that the ability to tune the rate of protein sequence evolution by using error-prone codons has provided a selective advantage to modern organisms. Intriguingly, recent research suggests that the canonical genetic code allows target protein sequences to evolve far more rapidly than do the alternative genetic codes [22]. Codon usage may also be tuned for evolvability rather than for error minimization.

Another possible explanation for the limited variability in error-minimization properties is that the genetic code was shaped under very different selection pressures than those acting in modern organisms. Today, other factors, including directional mutation or selection for translation speed, may greatly outweigh the benefits that could be obtained by using error-minimizing codons or amino acids. However, such an explanation would predict that modern usages would be random with respect to code error, and would not predict the near constancy of error values in actual organisms. This work is consistent with the previous observations that messages within بكتريا قولونية are not optimized for error minimization at the codon level [18] and that codon usage can greatly influence error minimization [20], and extends the analysis to a sample of over 700 bacterial, archaeal, and eukaryotic species. However, it does not confirm the observation that the amino-acid usage in some species is chosen in a way that minimizes errors [17, 19]. This latter discrepancy could be due to the different sampling of genes or the different methods used to calculate the error value (single-step versus multi-step mutations).

As previously observed, we confirm that the three nucleotide positions differ greatly in nucleotide composition [1] and in error minimization [3]. However, we find no evidence for a relationship between these two properties. The universal maintenance of these patterns across species suggests that some kind of selection is involved, but the factors influencing this selection remain undefined. In particular, positional base-composition patterns orthogonal to the actual base-composition patterns, and occupying regions of composition space in which no organism has ever been observed, have errors no worse than do the actual usage patterns. This similarity strongly suggests that selection for error minimization does not play a role in keeping genomes within a narrow region of composition space. The nucleotide composition of a message has relatively little effect on its error value, suggesting that other factors maintain the systematic biases in composition at the three codon positions that are observed in all species and domains of life.

Thus, organisms do not choose their codon, amino-acid, or nucleotide composition in a way that minimizes the effects of errors. This observation is highly unexpected in light of the great extent to which the genetic code itself is arranged in an error-minimizing fashion, and suggests that some factor underlying the near-constant error values of codon usage across genomes in all three domains of life remains to be discovered.


Related stories

UM School of Medicine Researchers Discover Genetic Cause of Neurodevelopmental Disorder

University of Maryland School of Medicine (UMSOM) researchers identified a new gene that may be linked to certain neurodevelopmental disorders and intellectual disabilities. The researchers believe that finding genes involved in certain types of developmental disorders, provide an important first step in determining the cause of these disorders and ultimately in developing potential therapies for treating them.

UM School of Medicine Researchers Awarded $5 Million NIH Grant to Improve Use of Genetic Risk Scores in Diverse Populations

Researchers at the University of Maryland School of Medicine (UMSOM) have received a $5 million federal grant to pool genomic information from existing and new datasets &ndash predominantly in African and African American populations -- in order to calculate the risk of developing specific diseases. They will use sophisticated modeling and genetic datasets to calculate the risk, known as a polygenic risk score, with an emphasis on studying people from different ancestries.

University of Maryland School of Medicine Researchers Set Standards for What Diseases Should Be Called

Researchers at the University of Maryland School of Medicine (UM SOM) are searching through medical journals, databases and other authoritative sources to establish standard terms for diseases as a way to help future researchers better understand a wide range of diseases like cancer. The work involves a time-intensive manual curation process, examining the breadth of information, naming systems and levels of evidence in order to integrate information and bridge data across resources.

University of Maryland School of Medicine Researchers Identify Millions of New Genes From Bacteria Living on and in the Human Body

A new study of the human microbiome&mdashthe trillions of microbial organisms that live on and within our bodies&mdashhas uncovered millions of previously unknown genes from microbial communities in the human gut, skin, mouth, and vaginal microbiome, allowing for new insights into the role these microbes play in human health and disease.

University of Maryland School of Medicine Names David Marcozzi to Help Lead Health Disparities and Population Health Program

Jay S. Magaziner, PhD, MS, Hyg, professor and chair of the Department of Epidemiology and Public Health (EPH) at the University of Maryland School of Medicine (UM SOM), along with UM SOM Dean E. Albert Reece, MD, PhD, MBA, announced today that David Marcozzi, MD, MHS-CL, FACEP, an associate professor in the UM SOM Department of Emergency Medicine, has been named as Co-Director of the UM SOM Program in Health Disparities and Population Health, which is based in EPH.

University of Maryland School of Medicine Physician Scientist Receives Top Award in Epidemiology from Physician's Group

Mary-Claire Roghmann, MD, MS, Professor of Epidemiology and Public Health, and Associate Dean for Physician Scientist Training and Transdisciplinary Research Advancement, at the University of Maryland School of Medicine (UM SOM), as well an Associate Hospital Epidemiologist and Investigator at the VA Maryland Health Care System, has been awarded the Alvan R. Feinstein Memorial Award from the American College of Physicians (ACP). The award was presented in San Diego at ACP&rsquos Convocation Ceremony on March 30, 2017, during its annual scientific conference, Internal Medicine Meeting 2017.


Ibba, M. & Söll, D. Aminoacyl-tRNA synthesis. Annu. القس Biochem. 69, 617–650 (2000).

Ibba, M. & Söll, D. Aminoacyl-tRNAs: setting the limits of the genetic code. تطوير الجينات. 18, 731–738 (2004).

Uy, R. & Wold, F. Posttranslational covalent modification of proteins. علم 198, 890–896 (1977).

Furter, R. Expansion of the genetic code: site-directed p-fluoro-phenylalanine incorporation in الإشريكية القولونية. علوم البروتين. 7, 419–426 (1998).

Wang, L., Xie, J. & Schultz, P.G. Expanding the genetic code. Annu. القس بيوفيس. بيومول. هيكل. 35, 225–249 (2006).

Köhrer, C. & RajBhandary, U.L. في The Aminoacyl-tRNA Synthetases (eds. Ibba, M., Francklyn, C.S. & Cusack, S.) 353–363 (Landes Bioscience, Georgetown, Texas, USA, 2005).

Crick, F.H.C. The origin of the genetic code. جيه مول. بيول. 38, 367–379 (1968).

Woese, C.R. On the evolution of the genetic code. بروك. ناتل. أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية 54, 1546–1552 (1965).

Osawa, S., Jukes, T.H., Watanabe, K. & Muto, A. Recent evidence for evolution of the genetic code. ميكروبيول. القس. 56, 229–264 (1992).

Knight, R.D., Freeland, S.J. & Landweber, L.F. Rewiring the keyboard: evolvability of the genetic code. نات. القس جينيه. 2, 49–58 (2001).

Santos, M.A., Moura, G., Massey, S.E. & Tuite, M.F. Driving change: the evolution of alternative genetic codes. اتجاهات الجينات. 20, 95–102 (2004).

Miranda, I., Silva, R. & Santos, M.A. Evolution of the genetic code in yeasts. خميرة 23, 203–213 (2006).

Crick, F.H.C. Codon–anticodon pairing: the wobble hypothesis. جيه مول. بيول. 19, 548–555 (1966).

Söll, D. et al. Specificity of sRNA for recognition of codons as studied by the ribosomal binding technique. جيه مول. بيول. 19, 556–573 (1966).

Kisselev, L., Ehrenberg, M. & Frolova, L. Termination of translation: interplay of mRNA, rRNAs and release factors? EMBO J. 22, 175–182 (2003).

Eggertsson, G. & Söll, D. Transfer ribonucleic acid-mediated suppression of termination codons in الإشريكية القولونية. ميكروبيول. القس. 52, 354–374 (1988).

Söll, D. Genetic code: enter a new amino acid. طبيعة سجية 331, 662–663 (1988).

Schön, A., Böck, A., Ott, G., Sprinzl, M. & Söll, D. The selenocysteine-inserting opal suppressor serine tRNA from بكتريا قولونية is highly unusual in structure and modification. الدقة الأحماض النووية. 17, 7159–7165 (1989).

Böck, A., Thanbichler, M., Rother, M. & Resch, A. in The Aminoacyl-tRNA Synthetases (eds. Ibba, M., Francklyn, C.S. & Cusack, S.) 320–327 (Landes Bioscience, Georgetown, Texas, USA, 2005).

Hao, B. et al. A new UAG-encoded residue in the structure of a methanogen methyltransferase. علم 296, 1462–1466 (2002).

Srinivasan, G., James, C.M. & Krzycki, J.A. Pyrrolysine encoded by UAG in Archaea: charging of a UAG-decoding specialized tRNA. علم 296, 1459–1462 (2002).

Polycarpo, C. et al. An aminoacyl-tRNA synthetase that specifically activates pyrrolysine. بروك. ناتل. أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية 101, 12450–12454 (2004).

Blight, S.K. وآخرون. Direct charging of tRNACUA with pyrrolysine في المختبر و في الجسم الحي. طبيعة سجية 431, 333–335 (2004).

Heckman, J.E., Sarnoff, J., Alzner-DeWeerd, B., Yin, S. & RajBhandary, U.L. Novel features in the genetic code and codon reading patterns in نيوروسبورا كراسا mitochondria based on sequences of six mitochondrial tRNAs. بروك. ناتل. أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية 77, 3159–3163 (1980).

Yarus, M. Translational efficiency of transfer RNA's: uses of an extended anticodon. علم 218, 646–652 (1982).

Agris, P.F. Decoding the genome: a modified view. الدقة الأحماض النووية. 32, 223–238 (2004).

Tomita, K., Ueda, T. & Watanabe, K. 7-Methylguanosine at the anticodon wobble position of squid mitochondrial tRNA Ser GCU: molecular basis for assignment of AGA/AGG codons as serine in invertebrate mitochondria. بيوكيم. بيوفيز. اكتا 1399, 78–82 (1998).

Tomita, K., Ueda, T. & Watanabe, K. The presence of pseudouridine in the anticodon alters the genetic code: a possible mechanism for assignment of the AAA lysine codon as asparagine in echinoderm mitochondria. الدقة الأحماض النووية. 27, 1683–1689 (1999).

Suzuki, T., Ueda, T. & Watanabe, K. The 'polysemous' codon–a codon with multiple amino acid assignment caused by dual specificity of tRNA identity. EMBO J. 16, 1122–1134 (1997).

Min, B. et al. Protein synthesis in الإشريكية القولونية with mischarged tRNA. J. باكتيريول. 185, 3524–3526 (2003).

Mehl, R.A. وآخرون. Generation of a bacterium with a 21 amino acid genetic code. جيه. تشيم. شركة 125, 935–939 (2003).

Vetsigian, K., Woese, C. & Goldenfeld, N. Collective evolution and the genetic code. بروك. ناتل. أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية 103, 10696–10701 (2006).

Rayman, M.P. The importance of selenium to human health. لانسيت 356, 233–241 (2000).

Cone, J.E., Del Rio, R.M., Davis, J.N. & Stadtman, T.C. Chemical characterization of the selenoprotein component of clostridial glycine reductase: identification of selenocysteine as the organoselenium moiety. بروك. ناتل. أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية 73, 2659–2663 (1976).

Fu, L.H. et al. A selenoprotein in the plant kingdom. Mass spectrometry confirms that an opal codon (UGA) encodes selenocysteine in كلاميدوموناس رينهاردتي glutathione peroxidase. J. بيول. تشيم. 277, 25983–25991 (2002).

Obata, T. & Shiraiwa, Y. A novel eukaryotic selenoprotein in the haptophyte alga إميليانيا هكسليي. J. بيول. تشيم. 280, 18462–18468 (2005).

Hatfield, D., Choi, I.S., Mischke, S. & Owens, L.D. Selenocysteyl-tRNAs recognize UGA in Beta vulgaris, a higher plant, and in Gliocladium virens, a filamentous fungus. بيوتشيم. بيوفيز. الدقة. كومون. 184, 254–259 (1992).

Kryukov, G.V. وآخرون. Characterization of mammalian selenoproteomes. علم 300, 1439–1443 (2003).

Kryukov, G.V. & Gladyshev, V.N. The prokaryotic selenoproteome. ممثل EMBO. 5, 538–543 (2004).

Johansson, L., Gafvelin, G. & Arner, E.S. Selenocysteine in proteins-properties and biotechnological use. بيوكيم. بيوفيز. اكتا 1726, 1–13 (2005).

Zhang, Y., Romero, H., Salinas, G. & Gladyshev, V.N. Dynamic evolution of selenocysteine utilization in bacteria: a balance between selenoprotein loss and evolution of selenocysteine from redox-active cysteine residues. جينوم بيول. 7, R94 (2006).

Baron, C., Heider, J. & Böck, A. Mutagenesis of selC, the gene for the selenocysteine-inserting tRNA-species in بكتريا قولونية: effects on في الجسم الحي وظيفة. الدقة الأحماض النووية. 18, 6761–6766 (1990).

Forchhammer, K., Boesmiller, K. & Böck, A. The function of selenocysteine synthase and SELB in the synthesis and incorporation of selenocysteine. بيوكيمي 73, 1481–1486 (1991).

Tormay, P. et al. Bacterial selenocysteine synthase–structural and functional properties. يورو. J. Biochem. 254, 655–661 (1998).

Leinfelder, W., Stadtman, T.C. & Böck, A. Occurrence في الجسم الحي of selenocysteyl-tRNA Ser UCA in الإشريكية القولونية. Effect of sel mutations. J. بيول. تشيم. 264, 9720–9723 (1989).

Forster, C., Ott, G., Forchhammer, K. & Sprinzl, M. Interaction of a selenocysteine-incorporating tRNA with elongation factor Tu from بكتريا قولونية. الدقة الأحماض النووية. 18, 487–491 (1990).

Forchhammer, K., Leinfelder, W. & Böck, A. Identification of a novel translation factor necessary for the incorporation of selenocysteine into protein. طبيعة سجية 342, 453–456 (1989).

Wu, X.Q. & Gross, H.J. The long extra arms of human tRNA (Ser)Sec and tRNA Ser function as major identify elements for serylation in an orientation-dependent, but not sequence-specific manner. الدقة الأحماض النووية. 21, 5589–5594 (1993).

Sturchler-Pierrat, C. et al. Selenocysteylation in eukaryotes necessitates the uniquely long aminoacyl acceptor stem of selenocysteine tRNA Sec . J. بيول. تشيم. 270, 18570–18574 (1995).

Ohama, T., Yang, D.C. & Hatfield, D.L. Selenocysteine tRNA and serine tRNA are aminoacylated by the same synthetase, but may manifest different identities with respect to the long extra arm. قوس. بيوتشيم. بيوفيز. 315, 293–301 (1994).

Geslain, R. et al. Trypanosoma seryl-tRNA synthetase is a metazoan-like enzyme with high affinity for tRNA Sec . J. بيول. تشيم., published online 13 October 2006 (doi:10.1074/jbc.M607862200).

Kaiser, J.T. وآخرون. Structural and functional investigation of a putative archaeal selenocysteine synthase. الكيمياء الحيوية 44, 13315–13327 (2005).

Rother, M., Wilting, R., Commans, S. & Böck, A. Identification and characterization of the selenocysteine-specific translation factor SelB from the archaeon Methanococcus jannaschii. جيه مول. بيول. 299, 351–358 (2000).

Bilokapic, S., Korencic, D., Söll, D. & Weygand-Durasevic, I. The unusual methanogenic seryl-tRNA synthetase recognizes tRNA Ser species from all three kingdoms of life. يورو. J. Biochem. 271, 694–702 (2004).

Allmang, C. & Krol, A. Selenoprotein synthesis: UGA does not end the story. بيوكيمي 88, 1561–1571 (2006).

Carlson, B.A. وآخرون. Identification and characterization of phosphoseryl-tRNA [Ser]Sec kinase. بروك. ناتل. أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية 101, 12848–12853 (2004).

Mäenpää, P.H. & Bernfield, M.R. A specific hepatic transfer RNA for phosphoserine. بروك. ناتل. أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية 67, 688–695 (1970).

Sharp, S.J. & Stewart, T.S. The characterization of phosphoseryl tRNA from lactating bovine mammary gland. الدقة الأحماض النووية. 4, 2123–2136 (1977).

Sauerwald, A. et al. RNA-dependent cysteine biosynthesis in archaea. علم 307, 1969–1972 (2005).

Gelpi, C., Sontheimer, E.J. & Rodriguez-Sanchez, J.L. Autoantibodies against a serine tRNA-protein complex implicated in cotranslational selenocysteine insertion. بروك. ناتل. أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية 89, 9739–9743 (1992).

Kernebeck, T., Lohse, A.W. & Grötzinger, J. A bioinformatical approach suggests the function of the autoimmune hepatitis target antigen soluble liver antigen/liver pancreas. أمراض الكبد 34, 230–233 (2001).

Yuan, J. et al. RNA-dependent conversion of phosphoserine forms selenocysteine in eukaryotes and archaea. بروك. ناتل. أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية 103, 18923–18927 (2006).

Small-Howard, A. et al. Supramolecular complexes mediate selenocysteine incorporation في الجسم الحي. مول. زنزانة. بيول. 26, 2337–2346 (2006).

Guimaraes, M.J. et al. Identification of a novel selD homolog from eukaryotes, bacteria, and archaea: is there an autoregulatory mechanism in selenocysteine metabolism? بروك. ناتل. أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية 93, 15086–15091 (1996).

Boone, D.R., Whitman, W.B. & Rouvière, P. in Methanogenesis (ed. Ferry, J.G.) 35–80 (Chapman & Hall, New York, 1993).

Krzycki, J.A. Function of genetically encoded pyrrolysine in corrinoid-dependent methylamine methyltransferases. بالعملة. رأي. تشيم. بيول. 8, 484–491 (2004).

Hao, B. et al. Reactivity and chemical synthesis of L -pyrrolysine- the 22 nd genetically encoded amino acid. تشيم. بيول. 11, 1317–1324 (2004).

Soares, J.A. وآخرون. The residue mass of L -pyrrolysine in three distinct methylamine methyltransferases. J. بيول. تشيم. 280, 36962–36969 (2005).

Polycarpo, C. et al. Activation of the pyrrolysine suppressor tRNA requires formation of a ternary complex with class I and class II lysyl-tRNA synthetases. مول. زنزانة 12, 287–294 (2003).

Zhang, Y., Baranov, P.V., Atkins, J.F. & Gladyshev, V.N. Pyrrolysine and selenocysteine use dissimilar decoding strategies. J. بيول. تشيم. 280, 20740–20751 (2005).

Fu, S.L. & Dean, R.T. Structural characterization of the products of hydroxyl-radical damage to leucine and their detection on proteins. بيوتشيم. ج. 324, 41–48 (1997).

Zhang, M. et al. Structures of the الإشريكية القولونية PutA proline dehydrogenase domain in complex with competitive inhibitors. الكيمياء الحيوية 43, 12539–12548 (2004).

Théobald-Dietrich, A., Frugier, M., Giegé, R. & Rudinger-Thirion, J. Atypical archaeal tRNA pyrrolysine transcript behaves towards EF-Tu as a typical elongator tRNA. الدقة الأحماض النووية. 32, 1091–1096 (2004).

Namy, O., Rousset, J.P., Napthine, S. & Brierley, I. Reprogrammed genetic decoding in cellular gene expression. مول. زنزانة 13, 157–168 (2004).

Théobald-Dietrich, A., Giegé, R. & Rudinger-Thirion, J. Evidence for the existence in mRNAs of a hairpin element responsible for ribosome dependent pyrrolysine insertion into proteins. بيوكيمي 87, 813–817 (2005).

Polycarpo, C.R. et al. Pyrrolysine analogues as substrates for pyrrolysyl-tRNA synthetase. FEBS ليت., published online 20 November 2006 (doi:10.1016/j.febslet.2006.11.028).

Li, T. et al. Cysteinyl-tRNA formation: the last puzzle of aminoacyl-tRNA synthesis. FEBS ليت. 462, 302–306 (1999).

Stathopoulos, C. et al. Cysteinyl-tRNA synthetase is not essential for viability of the archaeon Methanococcus maripaludis. بروك. ناتل. أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية 98, 14292–14297 (2001).

Hohn, M.J., Park, H.-S., O'Donoghue, P., Schnitzbauer, M. & Söll, D. Emergence of the universal genetic code imprinted in an RNA record. بروك. ناتل. أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية 103, 18095–18100 (2006).

Ibba, M., Bono, J.L., Rosa, P.A. & Söll, D. Archaeal-type lysyl-tRNA synthetase in the Lyme disease spirochete بوريليا برغدورفيرية. بروك. ناتل. أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية 94, 14383–14388 (1997).

Korencic, D., Polycarpo, C., Weygand-Durasevic, I. & Söll, D. Differential modes of transfer RNA Ser recognition in Methanosarcina barkeri. J. بيول. تشيم. 279, 48780–48786 (2004).

Mazauric, M.H. وآخرون. Glycyl-tRNA synthetase from ثيرموفيلوس—wide structural divergence with other prokaryotic glycyl-tRNA synthetases and functional inter-relation with prokaryotic and eukaryotic glycylation systems. يورو. J. Biochem. 251, 744–757 (1998).

Mazauric, M.H., Roy, H. & Kern, D. tRNA glycylation system from ثيرموفيلوس. tRNA Gly identity and functional interrelation with the glycylation systems from other phylae. الكيمياء الحيوية 38, 13094–13105 (1999).

Murphy, F.V. IV, Ramakrishnan, V., Malkiewicz, A. & Agris, P.F. The role of modifications in codon discrimination by tRNA Lys UUU . نات. هيكل. مول. بيول. 11, 1186–1191 (2004).


Reading the Genetic Code

If you find the codon AUG in Table (PageIndex<1>), you will see that it codes for the amino acid methionine. This codon is also the start codon that establishes the قراءة الإطار من الكود. The reading frame is the way the bases are divided into codons. It is illustrated in Figure (PageIndex<2>). After the AUG start codon (not shown in the image), the next three bases are read as the second codon. The next three bases after that are read as the third codon, and so on. The sequence of bases is read, codon by codon, until a stop codon is reached. UAG, UGA, and UAA are all the stop codons. They do not code for any amino acids.

Figure (PageIndex<2>): Reading the Genetic Code. The genetic code is read three bases at a time. Codons are the code words of the genetic code.


Do we inherit more than just our genes?

Scientists have observed that certain traits, like susceptibility to depression or obesity, can be passed down through generations without being directly linked to an individual’s DNA code. This could have far reaching consequences, as it might suggest that a person’s diet or lifestyle, even years before they have children, may affect the mental or physical health of their future family.

This non-genetic inheritance is thought to be caused by epigenetic marks attached to the DNA. “I like to think of epigenetics as the punctuation of DNA”, said Tessa Bertozzi, a PhD candidate at the University of Cambridge’s Department of Genetics. Many of these “punctuation” or epigenetic marks are absolutely necessary for the normal function of cells, but some can be acquired or changed throughout life. For example, severe undernutrition in childhood can alter a person’s epigenetic marks so they are more susceptible to diabetes.

There is evidence that epigenetic marks acquired throughout life can be passed down to future generations in a phenomenon called epigenetic inheritance. This is a scary thought, as it would mean that even if a mother eats healthily during her pregnancy, a period of undernutrition from her childhood could still lead to health problems for her children or even grandchildren.

However, “[epigenetic inheritance] is incredibly hard to study in humans, for ethical reasons but also because of the incredible genetic diversity that we see in human populations”, said Tessa. This is why many labs interested in epigenetic inheritance will use mouse strains bred to be genetically identical.

A team led by Professor Anne Ferguson-Smith at the University of Cambridge were interested in studying how common epigenetic inheritance might be. They were focused on discovering if there were other genes in the DNA of a mouse that behaved like the agouti gene in a specific mouse mutant called agouti viable yellow. In agouti viable yellow mice, the agouti gene controls coat colour depending on what epigenetic marks are nearby. Mice with the normal number of epigenetic marks near the agouti gene have brown fur, but mice with fewer marks have yellow fur - despite the yellow and brown mice having exactly the same genetic code.

The team scoured the mouse genome for regions of DNA that show the same variable patterns of epigenetic marks that the agouti gene does. They settled on 6 regions, and found that only one region showed evidence of epigenetic inheritance in the next generation. Even in that one region, the effect of the inheritance was very small and only inherited from the mother - not the father. So although the team was hoping to find other genes that could be used to study epigenetic inheritance, like agouti, they showed instead that the behaviour of the agouti gene may be more anomalous than routine.

“I think our study really challenges how wide-spread this phenomenon is, and makes us question the weight we put on some of these isolated examples” said Tessa. Importantly, it suggests that maintaining acquired epigenetic marks into the next generation is likely to be a quirk of the agouti gene, rather than a common trait of lots of different genes. So, for now, it seems like the mechanism behind non-genetic inheritance is still something of a mystery.


ZIP Code or Genetic Code?


When it comes to disease and health, which is more powerful—ZIP code or genetic code?

The degree to which nature and nurture affect disease and health remains one of the eternal—and still unanswerable—questions in medicine.

Now a team of investigators from Harvard Medical School and the University of Queensland in Australia have tackled this question in a decidedly novel way.

In what the researchers describe as a coup for big data and a scientific first, the team has used a massive insurance database of nearly 45 million people in the United States including thousands of twin pairs to determine the effects of genes and environment in 560 common conditions. The diseases analyzed span 23 categories, ranging from cardiovascular illness and neuromuscular diseases to skeletal conditions.

The work, published Jan. 14 in Nature Genetics, is thought to provide the largest assessment of U.S. twins to date, the researchers said. It is also the first one to go beyond the traditional one-disease-at-a-time approach and analyze hundreds of the most common conditions among more than 56,000 twin pairs.

To date, most twin or familial studies of genes and environment have looked at a single disease or one environmental factor at a time.

Many diseases are neither purely genetic nor purely environmental but rather the result of a complex interplay between the two. Unlike classic inherited conditions—those caused strictly by mutations in a gene or a set of genes—environmentally fueled conditions are the sole result of factors external to an individual’s biology.

Most diseases do not fall neatly in either category but have elements of both. Disentangling how genes and environment contribute to multiple diseases in the same population has been astoundingly difficult, the researchers said. The new study aims to solve this challenge by developing a new large-scale analytical approach.

“The nurture-versus-nature question is very much at the heart of our study. We foresee the value of this type of large-scale analysis will be in shining light on the relative contribution of genes versus shared environment in a multitude of diseases,” said senior study author Chirag Patel, assistant professor of biomedical informatics in the Blavatnik Institute at Harvard Medical School.

The new method, the team said, underscores the value of large-scale analyses in informing national research efforts such as the National Institutes of Health’s All of Us program, part of the Precision Medicine Initiative, which aims to tease out biologic, genetic, social and environmental factors in disease and health as a way to inform individualized therapies. The findings of the new study can help direct research efforts by clarifying the relative influence of genetic versus environmental factors for a range of diseases.

“Our findings can provide signposts that inform subsequent research efforts and helps scientists narrowly focus their pursuits,” said study first author Chirag Lakhani, a post-doctoral research fellow in biomedical informatics in the Blavatnik Institute at Harvard Medical School. “For example, if our study of twins shows that there is very little heritability effect in a certain family of eye disorders, then future research should pursue alternative explanations.”

Using a database of nearly 45 million patient records—including more than 56,000 twin pairs and more than 724,000 sibling pairs—the investigators estimated the influence of genes and environment in fraternal twin pairs—those who share half of their genome, or DNA—and identical twins, whose DNA is 100 percent the same.

Same-sex twins can be either identical or fraternal, while opposite-sex twins are always non-identical or fraternal, but the researchers did not know which same-sex pairs were identical.

To circumvent this hurdle, they developed a novel statistical method that inferred the probability that a pair of twins is fraternal (non-identical) or identical. In doing so, the researchers were able to separate purely genetic from non-genetic contributions.

All patients had been part of the insurance database for at least 3 years, providing the researchers with more than just a snapshot in time. The newly published study, which involved young twin pairs, newborns to 24 years of age, was not designed to follow disease development over time. This meant the researchers were unable to assess the genetic and environmental influences of certain diseases that tend to develop in middle and older age such as cardiovascular disease and neurodegenerative conditions.

The analysis included variables such as clinical diagnosis, imaging test results, blood chemistry tests such as red and white blood cell counts, cholesterol levels and many others, as well as environmental factors such as air pollution levels, climate conditions and socioeconomic status, all extrapolated from the patients’ zip codes.

Nearly 40 percent of the diseases in the study (225 of 560) had a genetic component, while 25 percent (138 of 560) were driven at least in part by factors stemming from a shared living environment—conditions emanating from sharing the same household, social influences and the like.

Cognitive disorders demonstrated the greatest degree of heritability—four out of five diseases showing a genetic component—while connective tissue diseases had the lowest degree of genetic influence.

Of all disease categories, eye disorders carried the highest degree of environmental influence with 27 out of 42 diseases showing such effect. They were followed by respiratory diseases, with 34 out of 48 conditions showing an effect stemming from sharing the same household.

The disease category with lowest environmental influence was reproductive illnesses, with three of 18 conditions showing such effect, and cognitive conditions, with two out of five showing such influence.

Overall, socioeconomic status, climate conditions and air quality of each twin pair’s zip code had a far weaker effect on disease than genes and shared environment—a composite measure of external, nongenetic influences including family and lifestyle, household and neighborhood.

In total, 145 of 560 diseases were modestly influenced by socio-economic status derived by zip code. Thirty-six diseases were influenced, at least in part, by air quality, and 117 were affected by changes in temperature. The condition most potently linked to socioeconomic status was morbid obesity. While obesity undoubtedly has a genetic component, the researchers said, the findings raise an important question about the influence of environment on genetic predispositions.

“This finding opens up a whole slew of questions, including whether and how a change in socioeconomic status and lifestyle might compare against genetic predisposition to obesity,” Patel said.

Lead poisoning was, not surprisingly, entirely driven by shared environment. Conditions such as flu and Lyme disease were, again unsurprisingly, affected by differences in climate.

When researchers looked at classes of diseases by monthly health care spending, they found that both genes and environment significantly contributed to cost of care with the two being nearly equal drivers of spending. Nearly 60 percent of monthly health spending could be predicted by analyzing genetic and environmental factors.

Large-scale analysis like this study can help forecast long-term spending for various conditions and inform resource allocation and policy decisions, the researchers said.

Co-investigators Braden Tierney and Arjun Manrai of Harvard Medical School, and Jian Yang and Peter Visscher of the University of Queensland, Australia.
Data sets for the study were provided by Aetna insurance company. Aetna had no funding role in the study.

The research was supported by the National Institute of Environmental Health Sciences (grants R00ES23504 and R21ES205052), by the Australian National Health and Medical Research Council (grants 1078037 and 1113400), National Science Foundation (grant 1636870) and Sylvia and Charles Viertel Charitable Foundation.


شاهد الفيديو: DNA u0026 RNA المادة الوراثية (قد 2022).


تعليقات:

  1. Tukinos

    اتبع نبض المدونات على مدونات Yandex؟ اتضح أن سوسا سولا قد كشفت عن مكونها السري! هذه ديدان :)

  2. Ormemund

    إنها المعلومات القيمة

  3. Selwyn

    أهنئ ، يبدو لي الفكر الرائع

  4. Mago

    أيضًا أنه بدونك سنفعل فكرة جيدة جدًا

  5. Ralf

    أنا لا أتفق تمامًا مع الجملة السابقة



اكتب رسالة