معلومة

7.16 ب: الجينوم الفيروسي في الطبيعة - علم الأحياء

7.16 ب: الجينوم الفيروسي في الطبيعة - 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.

الفيروسات هي أكثر الكيانات البيولوجية انتشارًا على وجه الأرض ، فهي تفوق عددًا جميع أشكال الحياة الأخرى على الأرض مجتمعة.

أهداف التعلم

التعرف على التنوع الجيني الفيروسي في الطبيعة

النقاط الرئيسية

  • تصيب الفيروسات جميع أنواع الحياة الخلوية بما في ذلك الحيوانات والنباتات والبكتيريا والفطريات.
  • حدد التسلسل الميتاجينومي أن هناك عددًا هائلاً من أنواع الفيروسات في الطبيعة ، مما يدل على أن ملعقة صغيرة من الماء تحتوي على مليون نوع من الفيروسات.
  • تقتل الفيروسات حوالي 20٪ من الميكروبات التي تشكل الكائنات الحية الميكروبية للمحيطات كل يوم. هذا التحول البيولوجي الذي يحركه الفيروس ضروري لاستمرار الحياة على الأرض.
  • يمكن للفيروسات نقل المواد الجينية من نوع إلى آخر ، وبالتالي قد تكون الفيروسات قوة دافعة رئيسية للتطور.

الشروط الاساسية

  • الميتاجينوميات: دراسة الجينومات المستخرجة من العينات البيئية ؛ خاصة تمايز الجينومات من كائنات متعددة أو أفراد ، إما في علاقة تكافلية أو في مسرح الجريمة.
  • براز: البراز؛ فضلات.

تعد الفيروسات إلى حد بعيد الكيانات البيولوجية الأكثر وفرة على وجه الأرض وتفوق عددًا على كل الكائنات الأخرى مجتمعة. تصيب جميع أنواع الحياة الخلوية بما في ذلك الحيوانات والنباتات والبكتيريا والفطريات. ومع ذلك ، يمكن أن تصيب أنواع مختلفة من الفيروسات مجموعة محدودة فقط من العوائل والعديد منها خاص بالأنواع. البعض ، مثل فيروس الجدري على سبيل المثال ، يمكن أن يصيب نوعًا واحدًا فقط - في هذه الحالة البشر ، ويقال أن لديهم نطاق مضيف ضيق. يمكن لفيروسات أخرى ، مثل فيروس داء الكلب ، أن تصيب أنواعًا مختلفة من الثدييات ويقال إن لها نطاقًا واسعًا. الفيروسات التي تصيب النباتات غير ضارة بالحيوانات ، ومعظم الفيروسات التي تصيب الحيوانات الأخرى غير ضارة بالبشر. يقتصر النطاق المضيف لبعض العاثيات على سلالة واحدة من البكتيريا ويمكن استخدامها لتتبع مصدر تفشي العدوى بطريقة تسمى كتابة العاثيات.

التسلسل الميتاجينومي مفيد بشكل خاص في دراسة المجتمعات الفيروسية. نظرًا لأن الفيروسات تفتقر إلى علامة سلالات عالمية مشتركة (مثل 16S RNA للبكتيريا والعتائق ، و 18S RNA لحقيقية النواة) ، فإن الطريقة الوحيدة للوصول إلى التنوع الجيني للمجتمع الفيروسي من عينة بيئية هي من خلال الميتاجينوميات. لذلك يجب أن توفر metagenomes الفيروسية (وتسمى أيضًا viromes) المزيد والمزيد من المعلومات حول التنوع الفيروسي والتطور. في عام 2002 ، استخدم Mya Breitbart و Forest Rohwer وزملاؤهم التسلسل البيئي للبنادق لإظهار أن 200 لتر من مياه البحر تحتوي على أكثر من 5000 فيروس مختلف. أظهرت الدراسات اللاحقة أن هناك أكثر من ألف نوع فيروسي في البراز البشري وربما مليون فيروسات مختلفة لكل كيلوغرام من الرواسب البحرية ، بما في ذلك العديد من العاثيات. في الأساس ، كانت جميع الفيروسات في هذه الدراسات من الأنواع الجديدة.

لفهم التنوع المعقد للفيروسات ، تظهر نظرة أعمق على الفيروسات في البيئات المائية ، أن ملعقة صغيرة من مياه البحر تحتوي على حوالي مليون فيروس. إنها ضرورية لتنظيم النظم البيئية للمياه المالحة والمياه العذبة. معظم هذه الفيروسات هي عاثيات ، وهي غير ضارة بالنباتات والحيوانات. إنها تصيب وتدمر البكتيريا في المجتمعات الميكروبية المائية ، والتي تشكل أهم آلية لإعادة تدوير الكربون في البيئة البحرية. تحفز الجزيئات العضوية التي تطلقها الفيروسات من الخلايا البكتيرية نمو البكتيريا والطحالب الطازجة. تشكل الكائنات الحية الدقيقة أكثر من 90٪ من الكتلة الحيوية في البحر. تشير التقديرات إلى أن الفيروسات تقتل ما يقرب من 20٪ من هذه الكتلة الحيوية كل يوم وأن عدد الفيروسات في المحيطات يفوق 15 ضعف عدد البكتيريا والعتائق. الفيروسات هي العوامل الرئيسية المسؤولة عن التدمير السريع لتكاثر الطحالب الضارة ، والتي غالبًا ما تقتل الكائنات البحرية الأخرى. يتناقص عدد الفيروسات في المحيطات بعيدًا عن الشاطئ وفي عمق المياه ، حيث يوجد عدد أقل من الكائنات الحية المضيفة. آثار الفيروسات البحرية بعيدة المدى. من خلال زيادة كمية التمثيل الضوئي في المحيطات ، تكون الفيروسات مسؤولة بشكل غير مباشر عن تقليل كمية ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي بنحو ثلاثة جيغا طن من الكربون سنويًا. مثل أي كائن حي ، فإن الثدييات البحرية معرضة للإصابة بالعدوى الفيروسية. في عامي 1988 و 2002 ، قُتلت الآلاف من فقمات الموانئ في أوروبا بسبب فيروس نازعة الفوسين. تنتشر العديد من الفيروسات الأخرى ، بما في ذلك فيروسات الكاليس ، وفيروسات الهربس ، والفيروسات الغدية ، والفيروسات الصغيرة في تجمعات الثدييات البحرية.

تعد الفيروسات وسيلة طبيعية مهمة لنقل الجينات بين الأنواع المختلفة ، مما يزيد من التنوع الجيني ويقود التطور. يُعتقد أن الفيروسات لعبت دورًا رئيسيًا في التطور المبكر ، قبل تنوع البكتيريا ، والعتائق ، وحقيقيات النوى ، وفي وقت آخر سلف مشترك عالمي للحياة على الأرض. لا تزال الفيروسات واحدة من أكبر مستودعات التنوع الجيني غير المكتشف على الأرض.


يُظهِر فيروس البقع الاخضر في الذرة تباعدًا منخفضًا بين مجموعات سكانية فرعية إقليمية متباينة

انتشر فيروس البقع الاخضر في الذرة بسرعة في جميع أنحاء العالم على مدار العقد الماضي. تتسبب تفاعلات فيروس البقع الصفراء مع فيروسات Potyviridae في حدوث حالة فيروسية تآزرية عدوانية - نخر الذرة المميتة ، والتي يمكن أن تسبب خسارة كاملة في الغلة. يتعرض إنتاج الذرة في أفريقيا جنوب الصحراء الكبرى ، حيث تُعد أهم الحبوب ، للتهديد بسبب وصول نخر الذرة المميت. لقد حصلنا على تسلسل جينوم لفيروس البُقع الشحمية للذرة من جميع أنحاء شرق إفريقيا ولأول مرة من الإكوادور وهاواي ، وقمنا ببناء نسالة تسلط الضوء على تشابه العزلات الصينية مع العزلات الأفريقية والإكوادورية مع عزلات هاواي. استخدمنا مقياسًا للتجميع ، وهو مؤشر Rand المعدل ، لاستخراج تعدد الأشكال الخاص بالمنطقة وتنوع الترميز الذي يمكن استخدامه للتشخيص. يُظهر تحليل علم الوراثة السكانية الذي أجريناه أن غالبية تنوع التسلسل مقسم بين مجموعات سكانية ، مع تنوع منخفض للغاية داخل الصين وشرق إفريقيا.


هنا وهناك وفي كل مكان

تشترك جميع الفيروسات في شيئين: كل منهما يغلف جينومه في غلاف قائم على البروتين ، ويعتمد كل منهما على مضيفه - سواء كان شخصًا أو عنكبوتًا أو نباتًا - لإعادة إنتاج نفسه. ولكن ما وراء هذا النمط العام تكمن اختلافات لا نهاية لها.

هناك فيروسات حلقية صغيرة تحتوي على جينين أو ثلاثة جينات فقط ، وفيروسات ميميفيروس ضخمة أكبر من بعض البكتيريا وتحمل مئات الجينات. هناك فجوة تشبه المسبار على سطح القمر تصيب البكتيريا ، وبالطبع ، الكرات الشائكة القاتلة التي أصبح العالم الآن مألوفًا لها بشكل مؤلم. هناك فيروسات تخزن جيناتها على هيئة حمض نووي ، وأخرى تستخدم الحمض النووي الريبي ، حتى أن هناك فجوة تستخدم أبجدية جينية بديلة ، لتحل محل القاعدة الكيميائية A في نظام ACGT القياسي بجزيء مختلف ، يسمى Z.

على الرغم من أنه من الممكن لهذه التقنيات أن تقوم عن طريق الخطأ بتجميع جينومات غير حقيقية ، إلا أن الباحثين لديهم تقنيات لمراقبة الجودة للحماية من ذلك. لكن هناك نقاط عمياء أخرى. على سبيل المثال ، من الصعب جدًا العثور على الأنواع الفيروسية التي يتنوع أعضاؤها بشدة لأنه يصعب على برامج الكمبيوتر تجميع التسلسلات المتباينة معًا.

البديل هو ترتيب الجينوم الفيروسي واحدًا تلو الآخر ، كما يفعل عالم الأحياء الدقيقة مانويل مارتينيز جارسيا في جامعة أليكانتي بإسبانيا. قرر أن يجرب مياه البحر المتقطرة من خلال آلة فرز لعزل فيروسات مفردة ، وتضخيم حمضها النووي ، وبدأ في التسلسل.

في محاولته الأولى ، وجد 44 جينومًا. تبين أن أحدها يمثل بعضًا من أكثر الفيروسات وفرة في المحيط 6. هذا الفيروس متنوع للغاية - قطع بانوراما الجينية الخاصة به متنوعة للغاية من جسيم فيروسي إلى آخر - حتى أن جينومه لم يظهر في دراسات الميتاجينوميات. يسميها الفريق 37-F6 ، لموقعها على طبق المختبر الأصلي ، لكن مارتينيز جارسيا مازحًا أنه نظرًا لقدرتها على الاختباء في مرأى من الجميع ، كان يجب تسميتها 007 ، بعد جاسوس خيالي جيمس بوند.


العنوان: رابطة مكونة من 45 عائلة بروتين (Cas) مرتبطة بكريسبر وأنواع فرعية متعددة من كريسبر / كاس موجودة في جينومات بدائية النواة

التكرارات المتناغمة القصيرة المُجمَّعة بانتظام والمتباعدة (CRISPRs) هي عائلة من التكرارات المباشرة للحمض النووي الموجودة في العديد من الجينومات بدائية النواة. التكرارات التي تتراوح بين 21 و 37 نقطة أساس تظهر تناظرًا ثنائيًا ضعيفًا ويتم فصلها عن طريق متواليات مباعدة منتظمة الحجم وغير متكررة. ترتبط أربع عائلات بروتينية (Cas) مرتبطة بـ CRISPR ، والتي تم تعيينها Cas1 إلى Cas4 ، ارتباطًا صارمًا بعناصر CRISPR وتحدث دائمًا بالقرب من مجموعة متكررة. تنشأ بعض الفواصل من عناصر وراثية متحركة ويعتقد أنها تمنح "مناعة" ضد العناصر التي تؤوي هذه التسلسلات. في هذه الدراسة ، قمنا بشكل منهجي بالتحقيق في البروتينات غير المميزة المشفرة في المنطقة المجاورة لهذه كريسبر ووجدنا العديد من عائلات البروتين الإضافية التي ترتبط ارتباطًا وثيقًا بمواقع كريسبر عبر العديد من الأنواع بدائية النواة. تم إنشاء محاذاة تسلسل متعددة ونماذج Markov المخفية لـ 45 عائلة بروتين Cas. تحدد هذه النماذج أفراد الأسرة ذوي الحساسية والانتقائية العالية وتصنف المنظمين الرئيسيين للتنمية ، DevR و DevS ، في Myxococcus xanthus كبروتينات Cas. تُظهر هذه التعريفات أن مناطق جينات CRISPR / cas يمكن أن تكون كبيرة جدًا ، مع ما يصل إلى 20 جينة cas مختلفة مرتبة جنبًا إلى جنب بجوار مجموعة متكررة أو تملأ المنطقة بين مجموعتين متكررتين. تتكرر المجموعات الفرعية المميزة لمجموعة بروتينات كاس في الأنواع البعيدة نسبيًا وتترابط أكثر مع تكرار التكرار المميز. تدعم التحليلات المقدمة هنا المقترحات الأولية لتنقل هذه الوحدات ، جنبًا إلى جنب مع احتمال أن تتفاعل مواقع الأنواع الفرعية المختلفة مع بعضها البعض وكذلك مع الأنظمة الدفاعية والتكرار والتنظيمية للخلايا المضيفة. يتضح من هذا التحليل أن CRISPR / cas loci أكبر وأكثر تعقيدًا وغير متجانسة مما تم تقديره سابقًا. وقوو أقل


مغيرو العالم

مع الكتلة الإجمالية للفيروسات على الأرض التي تعادل 75 مليون حوت أزرق ، العلماء على يقين من أنها تحدث فرقًا في الشبكات الغذائية والنظم البيئية وحتى الغلاف الجوي للكوكب. يقول ماثيو سوليفان ، عالم الفيروسات البيئية في جامعة ولاية أوهايو في كولومبوس ، إن الاكتشاف المتسارع للفيروسات الجديدة "كشف عن نقطة تحول في الطرق الجديدة التي تؤثر بها الفيروسات بشكل مباشر على النظم البيئية". لكن العلماء ما زالوا يكافحون لتحديد مقدار تأثيرهم.

يقول أوغاتا: "ليست لدينا قصة بسيطة جدًا هنا في الوقت الحالي". في المحيط ، يمكن للفيروسات أن تنفجر من مضيفاتها الميكروبية ، مطلقة الكربون ليعاد تدويره من قبل الآخرين الذين يأكلون أحشاء المضيف ثم ينتجون ثاني أكسيد الكربون. ولكن في الآونة الأخيرة ، أدرك العلماء أيضًا أن الخلايا المنبثقة غالبًا ما تتجمع معًا وتغرق في قاع المحيط ، مما يؤدي إلى عزل الكربون بعيدًا عن الغلاف الجوي.

تحتوي الجينومات الفيروسية التي تم جمعها من ذوبان الجليد الدائم في Stordalen Mire في السويد على جينات يمكن أن تساعد في تكسير الكربون وإطلاقه. الائتمان: بوب جيبونز / علمي

يقول سوليفان إن ذوبان التربة الصقيعية على الأرض هو مصدر رئيسي للكربون ، ويبدو أن الفيروسات تلعب دورًا أساسيًا في إطلاق الكربون من الميكروبات في تلك البيئة. في عام 2018 ، وصف هو وزملاؤه 1،907 جينومات وشظايا فيروسية تم جمعها من ذوبان الجليد الدائم في السويد ، بما في ذلك جينات البروتينات التي قد تؤثر على كيفية تكسير مركبات الكربون ، وربما تصبح غازات دفيئة 10.

يمكن للفيروسات أيضًا أن تؤثر على الكائنات الحية الأخرى عن طريق إثارة جينوماتها. على سبيل المثال ، عندما تنقل الفيروسات جينات مقاومة المضادات الحيوية من بكتيريا إلى أخرى ، يمكن للسلالات المقاومة للأدوية أن تتولى زمام الأمور. مع مرور الوقت ، يمكن أن يؤدي هذا النوع من النقل إلى تحولات تطورية كبيرة في السكان ، كما تقول كاماريلو غيريرو. وليس فقط في البكتيريا - ما يقدر بنحو 8٪ من الحمض النووي البشري من أصل فيروسي. على سبيل المثال ، حصل أسلافنا من الثدييات على جين أساسي لتطور المشيمة من فيروس.

بالنسبة للعديد من الأسئلة حول أنماط الحياة الفيروسية ، سيحتاج العلماء إلى أكثر من مجرد جينومات. سيحتاجون إلى العثور على مضيفي الفيروس. قد يحمل الفيروس نفسه أدلة: على سبيل المثال ، قد يكون يحمل جزءًا يمكن التعرف عليه من المادة الجينية المضيفة في جينومه.

استخدم Martinez-Garcia وزملاؤه علم الجينوم أحادي الخلية لتحديد الميكروبات التي تحتوي على فيروس 37-F6 المكتشف حديثًا. المضيف ، أيضًا ، هو أحد أكثر الكائنات الحية وفرة وتنوعًا في البحر ، وهي بكتيريا تُعرف باسم بيلاجي باكتر 11. في بعض المياه بيلاجي باكتر تشكل نصف الخلايا الموجودة. يقول مارتينيز جارسيا إنه إذا اختفى هذا النوع الوحيد من الفيروسات فجأة ، فإن الحياة في المحيط ستفقد توازنها بشكل كبير.

لفهم التأثير الكامل للفيروس ، يحتاج العلماء إلى معرفة كيفية تغييره لمضيفه ، كما تقول ألكسندرا ووردن ، عالمة البيئة التطورية في مركز GEOMAR Helmholtz لأبحاث المحيطات في كيل بألمانيا. إنها تدرس فيروسات عملاقة تحمل جينات لبروتينات حصاد الضوء تسمى رودوبسين. من الناحية النظرية ، يمكن أن تكون هذه الجينات مفيدة للمضيفين - لأغراض مثل نقل الطاقة أو إرسال الإشارات - لكن التسلسلات لا يمكنها تأكيد ذلك. لمعرفة ما يحدث مع جينات رودوبسين هذه ، يخطط ووردن لتربية المضيف والفيروس معًا ، ودراسة كيفية عمل الزوجين في حالة "الخلية الفيروسية" المدمجة. "بيولوجيا الخلية هي الطريقة الوحيدة التي يمكنك من خلالها تحديد ماهية هذا الدور الحقيقي ، وكيف يؤثر هذا حقًا على دورة الكربون" ، كما تقول.

بالعودة إلى فلوريدا ، لم تزرع بريتبارت فيروسات العنكبوت ، لكنها تعلمت المزيد عنها. ينتمي زوج الفيروسات إلى فئة يسميها Breitbart محيرة للعقل لجينومها الدائري الصغير ، حيث يشفر جينًا واحدًا فقط لغلاف البروتين الخاص به والآخر لبروتين التكاثر. يوجد أحد الفيروسات في جسم العنكبوت فقط ، وليس في ساقيه ، لذلك تعتقد أنه يصيب بالفعل بعض الكائنات التي يأكلها العنكبوت. تم العثور على الفيروس الآخر في جميع أنحاء جسم العنكبوت وفي بيضه وعناكب ، لذلك تعتقد أنه ينتقل من الأب إلى النسل 12. لا يبدو أنها تسبب لهم أي ضرر ، على حد علم بريتبارت.

مع وجود الفيروسات ، "العثور عليها هو في الواقع الجزء السهل" ، كما تقول. إن فهم كيفية تأثير الفيروسات على دورات حياة المضيف والبيئة أمر أكثر صعوبة. لكن أولاً ، يجب أن يجيب علماء الفيروسات على أحد أصعب الأسئلة على الإطلاق ، كما يقول بريتبارت: "كيف تختار أيًا منها تدرس؟"


تم العثور على تنوع غير متوقع في 16 جينومًا جديدًا لفأر المختبر

هناك العديد من سلالات الفئران المختلفة ، ولكن حتى الآن ، لم يكن لدى الباحثين سوى جينوم مرجعي واحد لاستخدامهم جميعًا. لقد تغير ذلك مع إصدار مسودة جينومات مرجعية جديدة لـ 16 من السلالات الأكثر استخدامًا من فئران التجارب. ستانتون شورت / جينيفر إل تورانس ، بإذن من مختبر جاكسون

لم تفعل أي حيوان أكثر من فئران التجارب لمساعدة العلم في كشف الجينات المعقدة للأمراض البشرية. ومع ذلك ، قد تزداد فائدتها كمرشدين مع الإعلان اليوم في علم الوراثة الطبيعي أن الباحثين الأوروبيين قد أكملوا مسودة الخرائط الجينومية لـ16 من سلالات الفئران الأكثر استخدامًا. إنها نعمة للباحثين الذين اضطروا حتى الآن إلى الاعتماد على جينوم مرجعي واحد لجميع سلالات الفئران. لقد سلط العمل الجديد الضوء بالفعل على مئات الاختلافات الجينية التي تؤثر على مجموعة واسعة من الظروف الصحية والعمليات الأساسية في الفئران ، وربما البشر أيضًا.

قال إيفان إيشلر ، أستاذ علوم الجينوم في جامعة واشنطن ومحقق في معهد هوارد هيوز الطبي ، والذي لم يشارك في الدراسة: "لقد تأخرت كثيرًا". "بينما كنا نعلم أن هناك تنوعًا جينيًا بين هذه السلالات لفترة طويلة ، لم يكن لدينا هذا المستوى من الدقة."

الجينوم المرجعي هو فهرس شامل لجميع جينات الكائن الحي ، يتم تجميعها بالترتيب الصحيح وتجميعها في الكروموسومات ، مما يشكل نوعًا من الخريطة. باستخدام هذه الخريطة ، يمكن للباحثين التحقيق في التباين الجيني داخل مجموعة سكانية ، أو تحديد المتغيرات المرتبطة بسمات أو أمراض معينة.

لكن تحديد قيمة مثل هذه الخريطة أسهل بكثير من إنشاء واحدة. تخيل أنك تحاول إنشاء أحجية الصور المقطوعة من مئات القطع ذات الأشكال المحرجة ، وكلها مختلطة في كومة ، دون مساعدة الصورة الموجودة في مقدمة الصندوق لإرشادك. الآن قم بتكبير هذه المشكلة ، بملايين القطع أمامك - كل قطعة جزء من التسلسل الكامل للقواعد في جينوم الفأر. يعتمد فهم كيفية تفاعل الجينات لبناء الأجسام وتسبب المرض على تصحيحها. هذا هو التحدي المتمثل في تجميع جينوم مرجعي من البداية.

المكاسب من إنتاج مثل هذه الخريطة كبيرة. أدى الانتهاء من الجينوم المرجعي للفأر في عام 2002 إلى توسيع فهمنا لجينات المرض بشكل كبير من خلال تمكين التجارب والتقنيات التي كانت مستحيلة.

لكن ليست كل فئران التجارب متشابهة. اعتمد الجينوم المرجعي للفأر على سلالة الفأر C57BL / 6J أو "Black 6". ومع ذلك ، توظف المختبرات مئات السلالات المختلفة ، ولكل منها خصائص فريدة مفيدة لمعالجة أسئلة مختلفة. حتى أن بعض السلالات هي نوع فرعي متميز ، تباعدت جينوماتها منذ ما يقرب من مليون عام. لحسن الحظ ، بالنسبة للكثير من الجينوم ، فإن الاختلافات بين السلالات طفيفة بدرجة كافية بحيث يمكن استخدام الخريطة الفردية من Black 6 للتنقل في أي منها. لكن غالبًا ما زادت المناطق الأكثر إثارة للاهتمام في الجينوم من التنوع ، وبدون خريطة جيدة ، تظل تلك المناطق غير شفافة.

لكن التقدم المنشور اليوم سيساعد في توضيح تلك المجالات. اكتشف الفريق ، بقيادة توماس كين ، عالم الوراثة في المختبر الأوروبي للبيولوجيا الجزيئية خارج كامبريدج ، المملكة المتحدة ، تنوعًا كبيرًا في المجالات الرئيسية ، وحدد الجينات المثيرة للاهتمام التي لم تكن معروفة من قبل للعلم.

في جينومات السلالات الجديدة ، وجد كين وفريقه أكثر من 2000 منطقة بها تنوع أكبر من الجينوم المرجعي بلاك 6. تشارك العديد من الجينات في هذه المناطق في الاستجابة المناعية والوظائف الحسية ، مما يشير إلى أن اختلافاتهم قد يكون لها عواقب مهمة على المرض الذي يصيب الإنسان. على سبيل المثال ، حدد الباحثون الاختلافات بين الفئران في الجين المرتبط بمقاومة الفطريات فطر الرشاشيات. يمكن أن يؤدي فهم الكيفية التي تمنح بها هذه الاختلافات الجينية المقاومة إلى فهم أفضل لما يجعل البشر مقاومين أو عرضة للعدوى الفطرية.

يعتقد أيكلر أن هذه الجينومات المرجعية ستثبت أنها مفيدة بشكل خاص للسمات والأمراض ذات الأسس الجينية الأكثر تعقيدًا. على مدار العشرين عامًا الماضية ، استخدم العلماء الجينوم المرجعي Black 6 لتحديد السمات المرتبطة بجينات معينة. ولكن عندما يولدون تلك الجينات في سلالات الفئران الأخرى ، ويتوقعون ظهور سمة مماثلة ، فإنهم غالبًا ما يجدون تأثيرًا مختلفًا بشكل كبير. قال إيشلر: "سيعزو الباحثون هذا الاختلاف إلى" تأثيرات الخلفية "- بمعنى عوامل غير محددة تجعل الجين يعمل بشكل مختلف - ويترك التفسير عند هذا الحد. باستخدام البيانات الجينية في مسودة خرائط الجينوم الجديدة هذه ، يمكن للباحثين البدء في استنباط التسلسلات الجينية التي تساهم في تأثيرات الخلفية هذه.

اكتشف كين وزملاؤه أيضًا جينات جديدة ، بما في ذلك واحدة من أكبر الجينات التي تم اكتشافها حتى الآن في جينوم الفأر. هذا الجين ، Efcab3 مثل، يتم التعبير عنه في الدماغ ويتم حفظه جيدًا بشكل مدهش في جميع الثدييات ، بما في ذلك الرئيسيات. ومع ذلك ، يبدو أنها خضعت لتغييرات كبيرة في النسب البشري. مفتونًا ، قام الباحثون بتعطيل هذا الجين في نماذج الفئران ووجدوا تغييرات عميقة في كيفية تطور الدماغ.

جاكلين كراولي ، عالمة الأعصاب السلوكية والأستاذة في معهد MIND بجامعة كاليفورنيا ، ديفيس ، كانت مهتمة بهذا الاكتشاف لأنها اعتقدت أن الجين قد يكون مهمًا في نمو الدماغ البشري ويمكن أن يفتح مجالًا جديدًا للتحقيق. وأضافت أن الجينومات المرجعية التفصيلية مثل هذه تعتبر موردا مفيدا في تحديد أهداف مثيرة للاهتمام للبحث الجيني في المستقبل.

يؤكد كين على أن هذه الورقة تمثل خطوة أولى مهمة ، ولكن لا يزال هناك عمل كبير ينتظرنا. وقال: "هذه بالتأكيد مسودات الجينومات المرجعية ، وسيتعين القيام بمزيد من أعمال التسلسل في المناطق الأقل حلًا". ومع ذلك ، تم بالفعل تحميل 16 جينومًا مرجعيًا جديدًا على متصفحات الجينوم ، ويقارن الباحثون كيف تختلف جيناتهم المهمة بين السلالات. قال كين: "لم يكن بإمكانك فعل ذلك من قبل ، والآن يمكنك ذلك".


دعم المستخدم والتدريب والتواصل

نظرًا لتزايد شعبية موقع Dockstore ، فقد زاد فريق التطوير أيضًا من الطرق التي نقدم بها الدعم لمطوري سير العمل ومستخدمي مهام سير العمل والمساهمين في التكامل. أنشأ الفريق مجموعة كبيرة من البرامج التعليمية والأسئلة الشائعة ومقاطع الفيديو التدريبية المتاحة للجمهور ، وهي متاحة على https://docs.dockstore.org/en/develop/posters-and-talks.html. يتضمن ذلك الوثائق التي تغطي جميع الميزات الأساسية للموقع ، بالإضافة إلى وثائق المطور والبرامج التعليمية التي تركز على المستخدم لتأليف سير العمل باستخدام Dockstore.

يمكن للمستخدمين أيضًا نشر أسئلتهم على لوحة المناقشة المدمجة (https://discuss.dockstore.org/) أو عبر المشكلات التي تم فتحها في مستودع الأكواد مفتوح المصدر الخاص بنا على GitHub (https://github.com/dockstore/dockstore ). يتيح المنتدى العام الذي توفره هذه الأماكن لفريق Dockstore والمجتمع ككل التعاون من أجل الحلول المشتركة والاستفادة منها.

جزء مهم من Dockstore ليس فقط بناء الموقع ، ولكن لتوفير دروس مباشرة حول أفضل الممارسات مع البقاء على اتصال مع المجتمع لفهم كيفية تطور المجال. قدم فريق Dockstore عروضًا تقديمية في عدد كبير من المؤتمرات في أمريكا الشمالية والدولية مثل محادثات BOSC في عامي 2017 و 2019. بالإضافة إلى ذلك ، أجرينا عددًا من الدورات التدريبية عبر الإنترنت كجزء من ورش عمل المعلوماتية الحيوية الكندية (CBW) ، مع Terra ، في BOSC 2020 ، ومع العديد من ابدأ مع شركاء.

في هذه التدريبات ، نهدف إلى تزويد المستخدمين بفهم أساسي لـ Docker والتقنيات السحابية ومشاركة مهام سير العمل على Dockstore. عادةً ما يتم تصميم موارد التعلم التقليدية لتقنيات الحاوية وسير العمل لأولئك الذين لديهم خلفيات هندسة برمجيات تقليدية ولحالات استخدام خارج نطاق تدفقات العمل التحليلية. في ورش العمل العملية الخاصة بنا ، نتعامل مع حاجز التعلم الذي يخلقه هذا من خلال التركيز على بناء المهارات وأفضل الممارسات ذات الصلة بالعلماء وخبراء المعلومات الحيوية ، بهدف تمكين هؤلاء المستخدمين من المعرفة الأساسية ليس فقط لاستخدامها ، ولكن أيضًا لإنشاء مهاراتهم الخاصة. أدوات قابلة للتكرار وسير العمل (انظر الدروس المميزة في المواد التكميلية). تتمتع هذه التدريبات بفائدة إضافية تتمثل في السماح للفريق بالاتصال والتعاون مع العديد من المجتمعات ذات التفكير المماثل بما في ذلك Nextflow و Biocontainers (Elixir Europe).

أجرى فريق Dockstore أيضًا جلسات تدريبية لمجموعات البحث المدعومة التي أضافت مهام سير العمل إلى Dockstore. يتضمن ذلك المجموعات التي تشارك أدواتها وسير العمل مع المجتمع من خلال صفحات مؤسسة Dockstore ، مثل تحليلات الجين واسع النطاق بواسطة البيئة (https://dockstore.org/organizations/LSGxE) وفريق VG في UC Santa Cruz الذين هم رواد أدوات لتحليل جينومات الرسم البياني (https://dockstore.org/organizations/UCSCGI/collections/variationgraphs).

العمل المستقبلي

نرى عددًا من السبل الواعدة لتنمو Dockstore وتتطور في المستقبل مع الاستمرار في تفكيك الصوامع بين المجتمعات. لم تعمل العديد من التطورات الجديدة التي تمت مناقشتها هنا على تحسين تجربة Dockstore الحالية فحسب ، بل أرست أيضًا الأساس لدعم أقوى ودمج ميزات التعاون الجديدة ولغات سير العمل والأنظمة الأساسية الشريكة بشكل أقوى.

كجزء من هذا العمل المستقبلي ، نأمل في العمل مع الأنظمة الأساسية السحابية الشريكة ومساهمي سير العمل لمشاركة بيانات وقت التشغيل المعيارية لمنح المستخدمين دليلًا أكثر شفافية لاستخدام سير العمل وتكاليفه. يستخدم Dockstore أيضًا معيار GA4GH Workflow Execution Service (WES) لتزويد مستخدمي سطر الأوامر بطريقة مبسطة لإطلاق مهام سير العمل عن بُعد على منصات سحابية جديدة عبر Dockstore CLI (https://doi.org/10.5281/zenodo.4536482 ).

تخطط Dockstore أيضًا لتوسيع دعمها للبرامج المحمولة القابلة لإعادة الإنتاج إلى مناطق جديدة لمنح المستخدمين القدرة على حزم وإطلاق التطبيقات والخدمات الكاملة. سيسمح ذلك بنشر ومشاركة البنية التحتية البحثية مثل خوادم البيانات المرجعية ودفاتر Jupyter ، بالإضافة إلى أدوات التصور مثل متصفحات الجينوم ، وستكمل هذه الوظيفة الأدوات وسير العمل من خلال توفير وسيلة لمشاركة التطبيقات الكاملة المستندة إلى الويب والتي تمكين التحليل التفاعلي من قبل المستخدمين. هذه الميزات قيد التطوير بالفعل ، وهي متاحة للمستخدمين كمعاينة عامة. يبحث الفريق أيضًا في طرق تحسين طول عمر صور Docker المستخدمة بواسطة عمليات سير العمل نفسها ، ربما عن طريق توسيع ميزة اللقطة و DOI.

الأهم من ذلك ، أن Dockstore يعطي الأولوية للجهود المبذولة لتعزيز أمان وثقة نظامنا الأساسي والمحتوى المشترك داخله. يُعد استكمال الامتثال التنظيمي وتحسين الأمان لدينا أولوية قصوى للتكامل بشكل أفضل مع المتعاونين الذين يستضيفون مجموعات البيانات الخاضعة للرقابة. نتوقع أيضًا منح المستخدمين طريقة أسهل لقياس جودة سير العمل من حيث الالتزام بأفضل الممارسات. نحن نعمل أيضًا مع NHLBI (المعهد الوطني للقلب والرئة والدم) في الولايات المتحدة لتوفير مقاييس الجودة (البرونزية ، والفضية ، والذهبية) لسير عمل محدد يعتمد على ما إذا كانت توفر بيانات الوصول المفتوح ، وحاويات Docker الموقعة ، وسير العمل توقيع الكود ، والمصادقات من قبل الكيانات المعروفة. وهذا بدوره سيوفر معلومات للمستخدمين والأنظمة الأساسية التي تشغل مهام سير العمل والتي ستمكن من اتخاذ الخيارات على مستوى الثقة المنسوبة إلى المحتوى من Dockstore.


3. النتائج

25 ٪ مسافة تسلسل النوكليوتيدات في منطقة جينوم واحدة) كانت واضحة في α-CoV و-CoV و-CoV ، ولكن ليس في β-CoV. المثال الأبرز (الشكل 5 ب ، محاط بدائرة) هو فيروسات الخفافيش التاجية لفيروس كورونا الخفافيش 512 ، PEDV ، و Alphacoronavirus 1 (الفيروس التاجي السنوري ، فيروس كورونا الكلاب ، فيروس التهاب المعدة والأمعاء المعدية) التي تنتمي إلى جنس فيروس كورونا ألفا. حالة أخرى ملحوظة هي سحابة أحداث إعادة التركيب بين الدجاج والديك الرومي فيروس كورونا الطائر في جنس Gammacoronavirus وإعادة التركيب بين فيروس كورونا العصفور HKU17 والأعضاء الأخرى غير المصنفة من النوع الفرعي Buldecovirus في δ-CoV الموصوف سابقًا [19].


شكر وتقدير

نشكر المرفق الأساسي لتكنولوجيا المعلومات في DKFZ للمساعدة الفنية ، M. Hain و R. Kabbe على الدعم الحسابي ، S. Gerhardt للمساعدة الفنية في تجارب التحقق من الصحة. نعترف بمساهمات العديد من الشبكات السريرية عبر ICGC و TCGA الذين قدموا عينات وبيانات إلى اتحاد PCAWG ، ومساهمات مجموعة العمل الفنية ومجموعة عمل Germline لاتحاد PCAWG من أجل التجميع وإعادة التنسيق والاتصال المتغير المنسق لـ PCAWG Consortium الجينومات السرطانية المستخدمة في هذه الدراسة. نشكر المرضى وأسرهم على مشاركتهم في مشاريع ICGC و TCGA الفردية. ف. و أ. حصلوا على دعم لعملهم من معهد أونتاريو لأبحاث السرطان (OICR) من خلال التمويل المقدم من حكومة أونتاريو. تلقى A.G دعمًا لعمله من جمعية Leibniz (رقم المنحة SAW 2015 IPB ‐ 2) والمركز الألماني لأبحاث العدوى (رقم المنحة TTU 01.801). ر. و A.G. تلقى دعمًا لهذا العمل من وزارة التعليم والبحث الفيدرالية الألمانية (رقم منحة BMBF BioTop 01EK1502C ، رقم منحة ICGC-DE-Mining 01KU1505A-G). د. و CSC تلقى دعمًا من مؤسسة أبحاث السرطان في المملكة المتحدة C5047 / A14835 / A22530 / A17528 ومؤسسة Dallaglio و Bob Champion Cancer Trust و Masonic Charitable Foundation التي خلفت The Grand Charity و The King Family و Stephen Hargrave Trust. ج. بدعم من منحة مؤسسة العلوم الوطنية السويسرية (رقم S-87701-03-01).


مغيرو العالم

مع الكتلة الإجمالية للفيروسات على الأرض بما يعادل 75 مليون حوت أزرق ، العلماء على يقين من أنها تحدث فرقًا في شبكات الغذاء والنظم البيئية وحتى الغلاف الجوي للكوكب. يقول ماثيو سوليفان ، عالم الفيروسات البيئية في جامعة ولاية أوهايو في كولومبوس ، إن الاكتشاف المتسارع للفيروسات الجديدة "كشف عن نقطة تحول في الطرق الجديدة التي تؤثر بها الفيروسات بشكل مباشر على النظم البيئية". لكن العلماء ما زالوا يكافحون لتحديد مقدار تأثيرهم.

يقول أوغاتا: "ليست لدينا قصة بسيطة جدًا هنا في الوقت الحالي". في المحيط ، يمكن للفيروسات أن تنفجر من مضيفاتها الميكروبية ، مطلقة الكربون ليعاد تدويره من قبل الآخرين الذين يأكلون أحشاء المضيف ثم ينتجون ثاني أكسيد الكربون. ولكن في الآونة الأخيرة ، أدرك العلماء أيضًا أن الخلايا المنبثقة غالبًا ما تتجمع معًا وتغرق في قاع المحيط ، مما يؤدي إلى عزل الكربون بعيدًا عن الغلاف الجوي.

يقول سوليفان إن ذوبان الجليد الدائم على الأرض هو مصدر رئيسي للكربون ، ويبدو أن الفيروسات تلعب دورًا أساسيًا في إطلاق الكربون من الميكروبات في تلك البيئة. في عام 2018 ، وصف هو وزملاؤه 1،907 جينومات وشظايا فيروسية تم جمعها من ذوبان الجليد الدائم في السويد ، بما في ذلك جينات البروتينات التي قد تؤثر على كيفية تكسير مركبات الكربون ، وربما تصبح غازات دفيئة 10.

يمكن للفيروسات أيضًا أن تؤثر على الكائنات الحية الأخرى عن طريق إثارة جينوماتها. على سبيل المثال ، عندما تنقل الفيروسات جينات مقاومة المضادات الحيوية من بكتيريا إلى أخرى ، يمكن للسلالات المقاومة للأدوية أن تتولى زمام الأمور. يقول كاماريلو غيريرو إنه بمرور الوقت ، يمكن أن يؤدي هذا النوع من النقل إلى تحولات تطورية كبيرة في مجموعة سكانية. وليس فقط في البكتيريا - ما يقدر بنحو 8٪ من الحمض النووي البشري من أصل فيروسي. على سبيل المثال ، حصل أسلافنا من الثدييات على جين أساسي لتطور المشيمة من فيروس.

بالنسبة للعديد من الأسئلة حول أنماط الحياة الفيروسية ، سيحتاج العلماء إلى أكثر من مجرد جينومات. سيحتاجون إلى العثور على مضيفي الفيروس. قد يحمل الفيروس نفسه أدلة: على سبيل المثال ، يمكن أن يكون يحمل جزءًا يمكن التعرف عليه من المادة الجينية المضيفة في جينومه.

استخدم Martinez-Garcia وزملاؤه علم الجينوم أحادي الخلية لتحديد الميكروبات التي تحتوي على فيروس 37-F6 المكتشف حديثًا. المضيف ، أيضًا ، هو أحد أكثر الكائنات الحية وفرة وتنوعًا في البحر ، وهي بكتيريا تُعرف باسم بيلاجي باكتر11. في بعض المياه ، بيلاجي باكتر تشكل نصف الخلايا الموجودة. يقول مارتينيز جارسيا إنه إذا اختفى هذا النوع من الفيروسات فجأة ، فإن الحياة في المحيطات ستختفي تمامًا.

لفهم التأثير الكامل للفيروس ، يحتاج العلماء إلى معرفة كيفية تغييره لمضيفه ، كما تقول ألكسندرا ووردن ، عالمة البيئة التطورية في مركز GEOMAR Helmholtz لأبحاث المحيطات في كيل بألمانيا. إنها تدرس فيروسات عملاقة تحمل جينات لبروتينات حصاد الضوء تسمى رودوبسين. من الناحية النظرية ، يمكن أن تكون هذه الجينات مفيدة للمضيفين - لأغراض مثل نقل الطاقة أو إرسال الإشارات - لكن التسلسلات لا يمكنها تأكيد ذلك. To find out what’s going on with these rhodopsin genes, Worden plans to culture the host and virus together, and study how the pair function in the combined, ‘virocell’ state. “Cell biology is the only way you can say what that true role is, how does this really affect the carbon cycle,” she says.

Back in Florida, Breitbart hasn’t cultured her spider viruses, but she’s learnt some more about them. The pair of viruses belong to a category Breitbart calls mind-boggling for their tiny, circular genomes, encoding just one gene for their protein coat and one for their replication protein. One of the viruses is found only in the spider’s body, never its legs, so she thinks it’s actually infecting some creature the spider eats. The other virus is found throughout the spider’s body, and in its eggs and spiderlings, so she thinks it’s transmitted from parent to offspring12. It doesn’t seem to be doing them any harm, as far as Breitbart can tell.

With viruses, “finding them’s actually the easy part”, she says. Picking apart how viruses influence host life cycles and ecology is much trickier. But first, virologists must answer one of the toughest questions of all, Breitbart says: “How do you pick which one to study?”


شاهد الفيديو: أهمية الجينوم البشري (قد 2022).