معلومة

مبادلة الجينات؟

مبادلة الجينات؟


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.

إذن ، العلاج الجيني هو إزالة الجين ، وتصحيح الطفرة ، وإعادة الجين المصحح إلى الكائن الحي ، أليس كذلك؟

هل من الممكن أيضًا أخذ جين من كائن حي ووضعه في كائن مختلف تمامًا؟

قرأت عن هذه الدراسة حيث وجد أحد العلماء أن أربعة جينات تبدو مسؤولة عن خلق حساسية عالية ومتوسطة ومنخفضة. الجينات: COMT و DRD2 و DRD1 و OPRK1.

DRD1 - أكثر شيوعًا بين الأشخاص الذين يعانون من انخفاض إدراك الألم.

شوهدت جينات COMT و OPRK أكثر ، لأولئك الذين يعانون من آلام متوسطة.

كان البديل الجيني DRD2 أكثر شيوعًا بين أولئك الذين لديهم إدراك عالي للألم.

على سبيل المثال ، هل يمكننا استخراج جين DRD2 من شخص لديه حساسية عالية للألم ووضع DRD1 فيه / بها حتى يمكن أن يكون لديه حساسية منخفضة للألم؟

هل هذا ممكن تقنيا؟


لقد كان ذلك ممكنا منذ وقت طويل. ألقِ نظرة على هذه المقالة المتعلقة بتجارب النواقل الفيروسية المستخدمة في تجارب العلاج الجيني. أصيب طفل واحد بسرطان الدم ، وبعد ذلك تم تعليق التجارب في جميع أنحاء العالم.

على الرغم من أن المقال يشير إلى أن العديد من البلدان قررت المضي قدمًا في المحاكمات ، لأنها كما يقولون "من أجل الصالح العام". لكن مقالات وسائل الإعلام الرئيسية تميل إلى تمجيد الأسباب الفعلية وراء مثل هذه القرارات ، لأن مثل هذه الأسئلة تحكمها اعتبارات أخلاقية أكثر تعقيدًا.

لكن الانتقال إلى هذا الأمر أدرك الحاجة إلى العلاجات الجينية المستهدفة ، لذا فإن إحدى التقنيات الواعدة في الوقت الحالي هي تقنية Crispr / Cas9 كما هو مذكور في التعليقات أعلاه.

إذن هل لدينا التكنولوجيا؟ نعم فعلنا.

هل يجب أن نمضي قدما في ذلك؟

أود أن أقول لا. لكني أود أيضًا أن أقول نعم.

لماذا هذا الانقسام في الرأي؟

هناك الكثير مما لا نفهمه. حتى سنوات قليلة ماضية ، كان الجزء غير المشفر من الجينوم مجرد خردة. الآن ، هو شريك تنظيمي أساسي. حتى في الآونة الأخيرة ، لم يكن فهم بنية الكروموسوم مفهوماً ، والآن نعلم أن بنية الكروموسوم لها دور تلعبه في التعبير الجيني. في عام 2002 ، كانت الوراثة اللاجينية في مهدها ، اعتقدنا أن "العقيدة المركزية" هي عقيدة ، والحمض النووي الريبي غير المشفر كان مجرد خردة تميل إلى التقاطها لأن آلية النسخ لم تكن تعرف ما تفعله ، وهندسة الكروموسوم؟ هذا لا يهم في المخطط الأكبر للخلية. الكل في كل الزنزانة كان مكانًا أبسط بكثير. الآن نحن نعرف أكثر مما عرفناه بالأمس وأقل مما نعرفه غدًا ، لذلك إذا كنت شخصًا كانت حياته بأكملها عبارة عن حلقة طويلة من المعاناة ، فسأختار خياراتي الحالية. إذا كنت شخصًا يمكن أن يتعايش مع إزعاج خفيف ، فسأعمل على حله.


عندما تسأل:

هل من الممكن أخذ جين من كائن حي ووضعه في كائن مختلف تمامًا؟

الجواب نعم. تتوفر تقنيات الضربة القاضية الجينية في المجالات العلمية التجريبية. يمكنك تدمير الجين المستهدف عن طريق مبادلة الجين بجين مقاوم للأدوية.

يمكنك مبادلة الجينات باستخدام الخلايا المستنبتة ، ولكن سيكون من المستحيل تقريبًا مبادلة الجينات في خلايا جسم حيوان. لكن مازال هناك أمل. يمكن إنشاء خلايا iPS من الإنسان والحيوانات الأخرى. ثم يمكن تطبيق هذه التقنية على استنبات الخلايا الجذعية المستحثة متعددة القدرات. قد يكون من الممكن زرع الخلايا الجذعية المحفزة متعددة القدرات المتمايزة لاستبدال الأنسجة التي تعاني من مشاكل إذا سمحت لك الهياكل التشريحية بذلك.

لا أعرف تفاصيل إدراك الألم ، لكن قد لا يكون الأمر بهذه البساطة. يمكنك تصنيف الجينات حسب حساسيات الألم ، ولكن على المستوى البيوكيميائي ، قد تختلف آليات اكتساب الحساسية. قد أتحقق من هذا ، على الرغم من أنني قد لا أتمكن من استخلاص النتيجة.


من الممكن إدخال جين جديد في كائن حي آخر.
التقنية جديدة جدا أعلم أنني فعلت ذلك في المدرسة حيث كان لدينا مستعمرة من البكتيريا ، وقمنا ببعض الأشياء لهم أن بعض تلك البكتيريا سوف "تتبنى" جينًا يجعلها قادرة على العيش على طبق مختلف من البتيوم.

إذا كنت مهتمًا بهذه الموضوعات ، فيجب أن تحاول البحث في Google عن "البكتيريا المعدلة وراثيًا".

يوجد أيضًا هنا موقع يعرض مع بعض الصور ما هي التقنية المستخدمة بالفعل: Link

تحرير: بالنسبة إلى قطع الحمض النووي ، فبالنسبة لبعض البكتيريا (مثل E-coli) ، يُعرف التركيب الوراثي الكامل. لذلك هناك علامات متاحة تقطع الحمض النووي للبكتيريا في مكان معين.


كيفية عكس علم الأحياء المهندس

تبدو فكرة علم الأحياء في الهندسة العكسية بمثابة تناقض. كيف يمكننا عكس هندسة أي شيء لم "نخترع" التكنولوجيا الأصلية من أجله؟ أجهزة الراديو والجسور وأجهزة الكمبيوتر - كلها من صنع الإنسان ، مبنية من أنظمة منطقية نظيفة ومنظمة. من ناحية أخرى ، فإن علم الأحياء جامح وفوضوي ومعقد بطرق لا يمكننا حتى تصورها. كيف يمكننا عكس هندسة علم الأحياء - آلاف السنين من التطور - عندما لا نفهم تمامًا تعقيدات أو عمليات ذلك النظام في المقام الأول؟

في الواقع ، نحن لهذه الأسباب فقط يجب تعلم كيفية عكس علم الأحياء. بخلاف ذلك ، ستقتصر هندسة التطبيقات الجديدة في علم الأحياء على تلك المجالات التي لدينا فيها فهم نظيف ومنطقي ومنظم للنظام البيولوجي. للتدخل في السياقات البيولوجية المعقدة ، لا نفهم تمامًا ولكننا بحاجة ماسة للتأثير - مثل المرض أو الشيخوخة أو السرطان - قد تكون الهندسة العكسية هي أفضل أداة لدينا. سيبدو مستقبل السيرة الذاتية أشبه بالبرمجة أكثر من الماصات. إذا تمكنا من إطلاق العنان لقوة الهندسة العكسية في مجال علم الأحياء ، فقد نتمكن من اختراق جميع الحدود المفترضة لبيولوجيا الهندسة كما نعرفها اليوم.

إذن ماذا يعني ذلك في الواقع؟ يعني عكس علم الأحياء تطبيق المفهوم الهندسي لتفكيك عملية أو آلية لفهمها وإعادة هندستها (ربما بطريقة جديدة) - وتطبيقها على العالم البيولوجي. يتطلب ذلك تقاطع عقليتين مختلفتين تمامًا ، والتي تبدو في بعض النواحي وكأنها مقاربات متعارضة بشكل أساسي.

في مقالته الكلاسيكية الآن (التي نُشرت لأول مرة في عام 2002) ، طرح يوري لازيبنيك مسألة ما إذا كانت الهندسة العكسية ممكنة في مثل هذا العلم القائم على الاكتشاف. هل يستطيع عالم الأحياء إصلاح راديو معطل بدون تعليمات أو معرفة بالراديو؟ ربما لا ، فقد كتب النهج الذي يتبعه علم الأحياء لفهم النظم البيولوجية - أي دراسة آثار الاضطرابات لاستبعاد العلاقات الوظيفية - من شأنه أن يعطي عالم الأحياء بعض الإحساس بالأجزاء والتفاعلات ، ولكن ليس كافيًا للبدء في ملاءمة تلك الأجزاء معًا . يمكن أ فيزيائي إصلاح هذا الراديو؟ ربما تم تدريب علماء الفيزياء على اكتشاف وفهم الطبيعة الأساسية للقوانين والعمليات الفيزيائية - ولكن ليس بالضرورة التكنولوجيا التي تأتي من تلك القوانين الفيزيائية. لذا ، هل يمكن لمهندس كهربائي إصلاح راديو لم يسبق له مثيل من قبل؟ ليس على الفور أولاً ، سيتعين عليهم إجراء هندسة عكسية له - تفكيك الراديو وفحصه وتحديد الأجزاء وكيفية عملها معًا. وثم، نعم فعلا. باستخدام المعرفة المكتسبة من خلال هذا النهج ، يمكن على الأرجح إجراء هندسة عكسية للراديو وإصلاح العمليات المعطلة.

في الحالتين الأوليين ، يبدو أن نهج العلم نفسه يتعارض مع ما هو مطلوب لإصلاح الراديو. ولكن على الرغم من الاختلاف في الأساليب ، يشارك علماء الأحياء والمهندسون في عملية الاكتشاف ، وإن كان ذلك بطرق مختلفة. يحاول علماء الأحياء فهم ماهية التطور الذي أحدثه وكيف يستخدم المهندسون فهمهم من أجل بناء شيء جديد.

لذا دعونا نعود إلى ما إذا كان بإمكاننا عكس هندسة البيولوجيا أم لا. كيف يمكن لمهندس كهربائي أن ينظر إلى المشكلة؟ بمعنى ما ، يمثل هذا أساس البيولوجيا التركيبية ، سواء كان الهدف هو هندسة البروتينات بوظيفة واستقرار جديدين ، أو هندسة خلايا بدارات جديدة ووظيفة جديدة. للقيام بذلك ، نحتاج إلى بعض الأدوات والمفاهيم الأساسية من كلا العالمين. فيما يلي بعض تلك المفاهيم الأساسية التي تجمع كلتا الكلمتين معًا.

# 1: اللغات المشتركة

كما أشار لازيبنيك ، فإن أحد أكبر الإخفاقات في الجمع بين مقاربات الاكتشاف والهندسة هو الافتقار إلى لغة مشتركة. قارن لازيبنيك لغة الدوائر البيولوجية بلغة المهندسين الإلكترونيين:

الشكل (أ) هو الطريقة التي يصف بها عالم الأحياء المسارات ، أي "دائرة" التفاعلات بين البروتينات. إذا درس أحد علماء الأحياء جهازًا لاسلكيًا ، فسيجدون روابط بين الأجزاء المختلفة ، ويرسمونها في مسارات واسعة مثل تلك الموجودة هنا. الدائرة في الشكل (ب) هي الطريقة التي سيمثل بها المهندس هذه المسارات & # 8212 بخصائص كمية وتنبؤية أكثر بكثير ، وتفاصيل أكثر عن التفاعلات الممثلة.

من الناحية التاريخية ، كانت اللغة التي يستخدمها علماء الأحياء بشكل عام أقل كمية لأن التجارب نفسها لم تكن كمية. لكننا نقرأ المعلومات البيولوجية على المستوى الكمي كما لم نقرأها من قبل ، من الجينوميات إلى البروتينات إلى الأيض إلى فرز الخلايا.

حتى الآن ، اللغات الكمية علبة يتم نشرها الآن. حتى مجرد تطبيق المعادلات التفاضلية العادية والجزئية يجلب لغة كمية لم تكن موجودة عادة من قبل. ولكن بدأ استخدام لغات كمية أكثر تعقيدًا أيضًا: فيريلوج - وهي لغة كمبيوتر تُستخدم في هندسة الدوائر الإلكترونية من أجهزة الراديو إلى المعالجات الدقيقة المعقدة - تُستخدم بالفعل لنمذجة الدوائر الجينية البيولوجية والتنبؤ بها وحتى هندستها.

رقم 2: اللبنات الأساسية

الأنظمة البيولوجية المختلفة لها مستويات مختلفة من التعقيد على مستويات مختلفة ، من البروتينات إلى الخلايا إلى الأنسجة. أحد المبادئ الأساسية للهندسة العكسية هو البدء بالنظام البسيط أولاً - لنقل ، دائرة راديو بسيطة مقابل دائرة معقدة (مرة أخرى ، من Lazebnik):

سيكون من الأسهل إلى حد كبير إجراء هندسة عكسية لدائرة الراديو البسيطة (في الأعلى) - ولا تزال تقدم فهماً أساسياً للمكونات الأساسية المطلوبة. الوجبات الجاهزة هنا هي أن تبدأ بسيطًا ، ثم تضيف التعقيد. ليس من المستغرب أن يكون هذا إلى حد كبير في صميم كيفية دراسة علم الأحياء ، بدءًا من الكائنات الحية البسيطة ثم زيادة التعقيد (ذباب الفاكهة إلى الفئران إلى البشر).

# 3: تعلم بسرعة وكرر

تميل وتيرة التجارب إلى جزء من تحدي علم الأحياء. لإجراء هندسة عكسية ، تحتاج إلى تجربة شيء ما ، واختباره ، ومعرفة ما إذا كان يعمل. الهندسة العكسية ليست كذلك مستحيل إذا حصلت على نتيجة اختبار واحدة في الشهر (أو العام) & # 8230 لكنها ستكون بطيئة للغاية.

من أجل تصميم علم الأحياء ، نحتاج إلى أن نكون قادرين على التحقيق في الدورات السريعة وأنواع مختلفة من الاضطرابات. تتيح التقنيات الجديدة في مجال الروبوتات وأتمتة المعامل بالفعل إنتاجية أعلى ، وإمكانية استنساخ أكبر ، ونتائج أسرع ، حتى بالسرعة نفسها في يوم واحد. وقد منحنا ظهور البيولوجيا الكيميائية القدرة على هندسة وتطبيق مركبات أدوات جديدة - جزيئات وبروتينات وخلايا جديدة لإحداث اضطراب في النظام - مع تنوع وحجم لم يكن ممكنًا في السابق. يعد إنشاء مركبات أدوات جديدة إحدى طرق "تعديل الأجزاء" التي تشكل عملية ، مما يتيح لك معرفة المزيد حول هذه العملية وإنشاء أخرى جديدة.

في الهندسة ، يمكنك "نسخ / لصق / تحرير" ، وبناء شيء أفضل من هناك - بدلاً من البدء بورقة نظيفة في كل مرة (حيث تم تطوير معظم العلاجات سابقًا). يعتبر علاج CAR T - أي هندسة الخلايا التائية للأغراض العلاجية - مثالًا آخر مثل هذا ، حيث يعتمد كل جيل متتالي من علاجات CAR T على تصميم الجيل السابق.

# 4: تبديل الأجزاء

إذا كان استخدام اللبنات الأساسية مثل Legos و "تعديل الأجزاء" هي بعض الطرق لفهم أو تغيير النظام البيولوجي ، فإن "تبديل الأجزاء" يعد مفهومًا وأداة مهمة أخرى. في هذا السياق ، قد يعني "تبادل الأجزاء" تغييرًا محددًا جيدًا حيث يمكنك الاستفادة من كل العناصر البيولوجية الخاصة بـ معروف من أجل تبديل الأشياء ومعرفة المزيد.

تخيل أنك تحاول إجراء هندسة عكسية للمصباح ، وتبديل المصباح الكهربائي لمعرفة ما يصلح وما لا يصلح. أدوات تحرير الجينات مثل كريسبر هي أدوات طبيعية للهندسة الحيوية العكسية: يمكننا حرفياً تبديل المكونات إلى كائنات حية - حتى أجزاء متعددة في وقت واحد ، وبشكل منهجي - ثم قياس التغييرات. اليوم ، بدأنا للتو على المستوى الجيني ، ولكن يومًا ما سنكون قادرين على الانتقال إلى مستويات أكبر: استبدال العديد من الجينات في وقت واحد لتغيير مجمعات كبيرة متعددة البروتينات ، وربما حتى تغيير الخلايا جذريًا لمبادلة أنماط ظاهرية مختلفة من الخلايا.

عندما تصبح السيرة الذاتية البرمجة & # 8230

يتطلب الجمع بين هذين العالمين المختلفين تقاطعًا وترجمة لعوالم وثقافات مختلفة تمامًا - ولكن القيام بذلك ينطوي على إمكانات وقوة لا تصدق. إذا تمكنا من إجراء هندسة عكسية لعلم الأحياء ، فيمكننا البدء في تصميم - وبرمجة - البيولوجيا نفسها.


تصميم الجينوم Sc3.0

تم تصميم Sc2.0 على أساس النوع البري S. cerevisiae الجينوم المرجعي ، لكننا نقترح أن يعتمد Sc3.0 على الإنجاز المسبق لجينوم Sc2.0. كخطوة أولى ، ستتم إعادة هيكلة جميع الجينات الأساسية من كل كروموسوم بعناصر تنظيمية معينة. بعد ذلك ، يمكن التحقق من صحة كل منها وظيفيًا وتجميعها في كروموسوم مخصص بأوامر جينية متغيرة. يمكن تنفيذ هذه المشاريع بواسطة مجموعات Sc2.0 التي قامت بتركيبها في الأصل. أخيرًا ، يمكن بعد ذلك دمج الكروموسومات Sc3.0 المُصنَّعة حديثًا في خميرة واحدة للحصول على سلالات ذات كروموسومات متعددة [8] ، أو بدلاً من ذلك ، يمكن دمج هذه الكروموسومات في كروموسوم واحد كبير [9 ، 10]. ومع ذلك ، فمن الممكن أن تظهر كثافة عالية من التفاعلات المميتة الاصطناعية عند دمج هذه الكروموسومات الصغيرة الحجم [11]. نتوقع أنه يمكن في النهاية إنشاء إصدارات متعددة من الكروموسومات الأساسية Sc3.0 ، اعتمادًا على الجينات التي تبقى في كل كروموسوم بعد SCRaMbLE. ومع ذلك ، نقترح هنا استراتيجية Sc3.0 واحدة أكثر تحفظًا تتجاوز التحديات الموضحة أعلاه ويمكن أن تكون بمثابة نقطة انطلاق للعديد من الاختلافات اللاحقة. جوهر الخطة هو بناء واستغلال eArray ، وهو عبارة عن دنا دائري يحتوي على السنترومير يحتوي على جميع الجينات الأساسية ، أو كروموسوم خطي مشتق منه ، synE ، والذي نصفه أدناه.


محتويات

مفهوم نطاق تم اقتراحه لأول مرة في عام 1973 من قبل Wetlaufer بعد دراسات التصوير البلوري بالأشعة السينية لدجاجة الليزوزيم [2] وغراء [3] ودراسات تحلل البروتينات المحدودة للجلوبيولينات المناعية. [4] [5] حدد ويتلاوفر المجالات كوحدات ثابتة من بنية البروتين التي يمكن أن تطوى بشكل مستقل. في الماضي تم وصف المجالات كوحدات من:

كل تعريف صالح وغالبًا ما يتداخل ، أي أن المجال الهيكلي المضغوط الموجود بين البروتينات المتنوعة من المحتمل أن ينثني بشكل مستقل داخل بيئته الهيكلية. غالبًا ما تجمع الطبيعة العديد من المجالات معًا لتشكيل بروتينات متعددة المجالات ومتعددة الوظائف مع عدد كبير من الاحتمالات. [9] في البروتين متعدد المجالات ، قد يؤدي كل مجال وظيفته الخاصة بشكل مستقل ، أو بطريقة منسقة مع جيرانه. يمكن أن تعمل المجالات كوحدات نمطية لبناء مجموعات كبيرة مثل جزيئات الفيروس أو ألياف العضلات ، أو يمكن أن توفر مواقع تحفيزية أو ربط محددة كما هو موجود في الإنزيمات أو البروتينات المنظمة.

مثال مناسب هو بيروفات كيناز (انظر الشكل الأول) ، وهو إنزيم حال للجلوكوز يلعب دورًا مهمًا في تنظيم التدفق من الفركتوز -1،6-بيفوسفات إلى البيروفات. يحتوي على مجال ربط كامل النوكليوتيدات (باللون الأزرق) ، ومجال ربط الركيزة α / (باللون الرمادي) ومجال تنظيمي α / (باللون الأخضر الزيتوني) ، [10] متصل بواسطة عدة روابط متعددة الببتيد. [11] كل مجال في هذا البروتين يحدث في مجموعات متنوعة من عائلات البروتين. [12]

يعد مجال ربط الركيزة المركزي α /-برميل واحدًا من أكثر طيات الإنزيم شيوعًا. يُرى في العديد من عائلات الإنزيمات المختلفة التي تحفز تفاعلات غير مرتبطة تمامًا. [13] يُطلق على البرميل α / عمومًا اسم برميل TIM المسمى على اسم أيزوميراز ثلاثي فوسفات ، والذي كان أول هيكل يتم حله. [14] تم تصنيفها حاليًا إلى 26 عائلة متجانسة في قاعدة بيانات مجال CATH. [15] يتكون البرميل TIM من سلسلة من الزخارف β-α-مغلقة بواسطة أول وآخر رابط هيدروجين خيطي معًا ، مكونًا برميل ثمانية مجدول. هناك جدل حول الأصل التطوري لهذا المجال. اقترحت إحدى الدراسات أن إنزيمًا موروثًا واحدًا يمكن أن يكون قد تباعد إلى عدة عائلات ، [16] بينما تقترح دراسة أخرى أن بنية TIM المستقرة قد تطورت من خلال التطور المتقارب. [17]

إن برميل TIM في بيروفات كيناز "غير متصل" ، مما يعني أن أكثر من جزء واحد من البولي ببتيد مطلوب لتشكيل المجال. من المحتمل أن يكون هذا نتيجة لإدخال مجال في مجال آخر أثناء تطور البروتين. لقد ثبت من الهياكل المعروفة أن حوالي ربع المجالات الهيكلية غير متصلة. [18] [19] المجال التنظيمي للبرميل المُدرج هو "مستمر" ، ويتكون من امتداد واحد من عديد الببتيد.

يشفر الهيكل الأساسي (سلسلة الأحماض الأمينية) للبروتين في النهاية شكله ثلاثي الأبعاد المطوي بشكل فريد. [20] أهم عامل يتحكم في طي البروتين إلى هيكل ثلاثي الأبعاد هو توزيع السلاسل الجانبية القطبية وغير القطبية. [21] يتم تحريك الطي عن طريق دفن سلاسل جانبية كارهة للماء في داخل الجزيء لتجنب ملامسته للبيئة المائية. بشكل عام ، تحتوي البروتينات على نواة من البقايا الكارهة للماء محاطة بقشرة من البقايا المحبة للماء. نظرًا لأن روابط الببتيد نفسها قطبية ، يتم تحييدها عن طريق الروابط الهيدروجينية مع بعضها البعض عندما تكون في بيئة كارهة للماء. يؤدي هذا إلى ظهور مناطق من عديد الببتيد تشكل أنماطًا هيكلية ثلاثية الأبعاد منتظمة تسمى البنية الثانوية. هناك نوعان رئيسيان من البنية الثانوية: α-helices و-sheet.

تم العثور على بعض التركيبات البسيطة لعناصر البنية الثانوية في كثير من الأحيان في بنية البروتين ويشار إليها على أنها بنية أو زخارف فوق الثانوية. على سبيل المثال ، يتكون شكل β-hairpin من خيوط β متجاورة متقاربة ومتصلة بحلقة صغيرة. إنه موجود في معظم الهياكل العكسية الموازية كشريط معزول وكجزء من صفائح β أكثر تعقيدًا. هيكل ثانوي شائع آخر هو شكل β-α-، والذي يستخدم بشكل متكرر لربط خيوط β متوازية. يربط اللولب α المركزي الطرف C من الخيط الأول بالطرف N من الخيط الثاني ، حيث يحزم سلاسله الجانبية مقابل الصفيحة وبالتالي يحمي المخلفات الكارهة للماء للخيوط β من السطح.

يمثل الارتباط التساهمي بين المجالين ميزة وظيفية وهيكلية نظرًا لوجود زيادة في الاستقرار عند مقارنتها بنفس الهياكل غير المرتبطة تساهميًا. [22] المزايا الأخرى هي حماية المواد الوسيطة داخل الشقوق الأنزيمية البينية التي قد تكون غير مستقرة في البيئات المائية ، ونسبة متكافئة ثابتة للنشاط الأنزيمي الضروري لمجموعة متسلسلة من التفاعلات. [23]

المحاذاة الهيكلية هي أداة مهمة لتحديد المجالات.

تحرير الهيكل الثالث

يتم تجميع العديد من الزخارف معًا لتشكيل وحدات مدمجة ومحلية وشبه مستقلة تسمى المجالات. [6] يشار إلى الهيكل ثلاثي الأبعاد العام لسلسلة البولي ببتيد على أنه البنية الثلاثية للبروتين. المجالات هي الوحدات الأساسية للبنية الثلاثية ، كل مجال يحتوي على نواة فردية كارهة للماء مبنية من وحدات هيكلية ثانوية متصلة بواسطة مناطق حلقة. عادة ما تكون تعبئة البولي ببتيد أكثر إحكامًا في الداخل من الجزء الخارجي من المجال مما ينتج عنه قلب صلب وسطح شبيه بالسوائل. [24] غالبًا ما يتم حفظ المخلفات الأساسية في عائلة بروتينية ، بينما تكون البقايا الموجودة في الحلقات أقل حفظًا ، إلا إذا كانت متورطة في وظيفة البروتين. يمكن تقسيم البنية الثلاثية للبروتين إلى أربع فئات رئيسية بناءً على المحتوى الهيكلي الثانوي للمجال. [25]

  • تحتوي جميع نطاقات α على نواة مجال مبنية حصريًا من حلزونات α. تهيمن على هذه الفئة طيات صغيرة ، يشكل الكثير منها حزمة بسيطة مع حلزونات تعمل لأعلى ولأسفل.
  • تحتوي جميع المجالات على نواة مكونة من صفائح مضادة للتوازي ، وعادة ما تكون ورقتان محزمتان ضد بعضهما البعض. يمكن التعرف على أنماط مختلفة في ترتيب الخيوط ، مما يؤدي غالبًا إلى تحديد الأشكال المتكررة ، على سبيل المثال الفكرة الرئيسية اليونانية. [26]
  • تعد المجالات α + مزيجًا من أشكال all-α و all-. يعد تصنيف البروتينات في هذه الفئة أمرًا صعبًا بسبب التداخل مع الفئات الثلاث الأخرى ، وبالتالي لا يتم استخدامه في قاعدة بيانات مجال CATH. [15]
  • تتكون مجالات α / من مجموعة من الزخارف β-α-التي تشكل في الغالب ورقة β متوازية محاطة بحليونات α amphipathic. يتم ترتيب الهياكل الثانوية في طبقات أو براميل.

قيود على حجم التحرير

المجالات لها حدود على الحجم. [27] يختلف حجم المجالات الهيكلية الفردية من 36 وحدة بنائية في E-selectin إلى 692 وحدة بنائية في ليبوكسجيناز -1 ، [18] ولكن الغالبية ، 90٪ ، بها أقل من 200 وحدة بنائية [28] بمتوسط ​​100 وحدة بنائية تقريبًا . [29] المجالات القصيرة جدًا ، أقل من 40 من البقايا ، غالبًا ما يتم تثبيتها بواسطة أيونات المعادن أو روابط ثاني كبريتيد. من المحتمل أن تتكون المجالات الأكبر ، التي تزيد عن 300 وحدة بنائية ، من نوى متعددة كارهة للماء. [30]

الهيكل الرباعي تحرير

العديد من البروتينات لها هيكل رباعي ، والذي يتكون من عدة سلاسل متعددة الببتيد التي ترتبط بجزيء قليل القسيمات. تسمى كل سلسلة بولي ببتيد في مثل هذا البروتين وحدة فرعية. يتكون الهيموغلوبين ، على سبيل المثال ، من وحدتين α واثنين من الوحدات الفرعية. يحتوي كل من السلاسل الأربع على طية غلوبينية بالكامل مع جيب هيم.

تبادل المجال تحرير

تبادل المجال هو آلية لتشكيل تجميعات قليلة القسيمات. [31] في تبادل المجال ، يتم استبدال عنصر ثانوي أو ثالث من بروتين أحادي بنفس العنصر لبروتين آخر. يمكن أن يتراوح تبادل المجال من عناصر البنية الثانوية إلى المجالات الهيكلية بأكملها. كما أنه يمثل نموذجًا للتطور للتكيف الوظيفي عن طريق القلة ، على سبيل المثال إنزيمات قليلة القسيمات لها موقعها النشط في واجهات الوحدة الفرعية. [32]

الطبيعة هي عبث وليست مخترع، [33] يتم تكييف التسلسلات الجديدة من التسلسلات الموجودة مسبقًا بدلاً من اختراعها. المجالات هي المادة الشائعة التي تستخدمها الطبيعة لإنشاء تسلسلات جديدة يمكن اعتبارها وحدات متحركة وراثيًا ، يشار إليها باسم "الوحدات النمطية". في كثير من الأحيان ، تكون طرفي النطاقات C و N متقاربة في الفضاء ، مما يسمح لها بسهولة "الشق في" الهياكل الأصلية أثناء عملية التطور. تم العثور على العديد من عائلات المجال في جميع أشكال الحياة الثلاثة ، العتائق والبكتيريا وحقيقية النوى. [34] وحدات البروتين هي مجموعة فرعية من مجالات البروتين التي توجد عبر مجموعة من البروتينات المختلفة ذات البنية المتنوعة بشكل خاص. يمكن العثور على أمثلة بين البروتينات خارج الخلية المرتبطة بالتخثر ، وانحلال الفبرين ، والمكملات ، والمصفوفة خارج الخلية ، وجزيئات التصاق سطح الخلية ومستقبلات السيتوكين. [35] أربعة أمثلة ملموسة لوحدات بروتينية واسعة الانتشار هي المجالات التالية: SH2 والغلوبولين المناعي والفيبرونيكتين من النوع 3 والكرينجل. [36]

يؤدي التطور الجزيئي إلى ظهور عائلات من البروتينات ذات الصلة ذات التسلسل والبنية المتشابهة. ومع ذلك ، يمكن أن تكون أوجه التشابه في التسلسل منخفضة للغاية بين البروتينات التي تشترك في نفس البنية. قد تكون هياكل البروتين متشابهة لأن البروتينات قد تباعدت عن سلف مشترك. بدلاً من ذلك ، قد تكون بعض الطيات مفضلة أكثر من غيرها لأنها تمثل ترتيبات مستقرة للبنى الثانوية وقد تتقارب بعض البروتينات نحو هذه الطيات على مدار التطور. يوجد حاليًا حوالي 110.000 بنية بروتينية ثلاثية الأبعاد محددة تجريبياً مودعة في بنك بيانات البروتين (PDB). [37] ومع ذلك ، تحتوي هذه المجموعة على العديد من الهياكل المتشابهة أو المتشابهة جدًا. يجب تصنيف جميع البروتينات إلى عائلات بنيوية لفهم علاقاتها التطورية. من الأفضل إجراء المقارنات الهيكلية على مستوى المجال. لهذا السبب تم تطوير العديد من الخوارزميات لتعيين المجالات تلقائيًا في البروتينات ذات البنية ثلاثية الأبعاد المعروفة ، انظر "تعريف المجال من الإحداثيات الهيكلية".

تصنف قاعدة بيانات مجال CATH المجالات إلى حوالي 800 ضعف ، حيث أن عشرة من هذه الطيات مكتظة بالسكان ويشار إليها باسم "الطيات الفائقة". تُعرَّف الطيات الفائقة بأنها طيات لها ثلاثة هياكل على الأقل دون تشابه كبير في التسلسل. [38] الأكثر اكتظاظًا بالسكان هو الطية الفائقة α /-برميل ، كما تم وصفه سابقًا.

غالبية البروتينات ، ثلثاها في الكائنات أحادية الخلية وأكثر من 80٪ في الميتازوا ، هي بروتينات متعددة المجالات. [39] ومع ذلك ، خلصت دراسات أخرى إلى أن 40٪ من البروتينات بدائية النواة تتكون من نطاقات متعددة بينما تحتوي حقيقيات النوى على 65٪ تقريبًا من البروتينات متعددة المجالات. [40]

يمكن العثور على العديد من المجالات في البروتينات متعددة المجالات حقيقية النواة كبروتينات مستقلة في بدائيات النوى ، [41] مما يشير إلى أن المجالات في البروتينات متعددة المجالات كانت موجودة في السابق كبروتينات مستقلة. على سبيل المثال ، تحتوي الفقاريات على بولي ببتيد متعدد الإنزيمات يحتوي على GAR synthetase و AIR synthetase و GAR transformylase (GARs-AIRs-GARt GAR: غليسيناميد ريبونوكليوتيد سينثيتيز / ترانسفيراز AIR: أمين إيميدازول ريبونوكليوتيد سينثيتاز). في الحشرات ، يظهر البولي ببتيد كـ GARs- (AIRs) 2-GARt ، في الخميرة GARs-AIRs يتم ترميزه بشكل منفصل عن GARt ، وفي البكتيريا يتم ترميز كل مجال بشكل منفصل. [42]

الأصل تحرير

من المحتمل أن تكون البروتينات متعددة المجالات قد ظهرت من الضغط الانتقائي أثناء التطور لإنشاء وظائف جديدة. تباعدت البروتينات المختلفة عن أسلاف مشتركة من خلال مجموعات وترابطات مختلفة من المجالات. غالبًا ما تتحرك الوحدات النمطية حول الأنظمة البيولوجية وداخلها وفيما بينها من خلال آليات الخلط الجيني:

  • تبديل العناصر المتحركة بما في ذلك عمليات النقل الأفقية (بين الأنواع) [45]
  • عمليات إعادة الترتيب الإجمالية مثل عمليات الانقلاب والانتقال والحذف والازدواجية
  • انزلاق بوليميراز الحمض النووي أثناء النسخ المتماثل.

أنواع التنظيمات تحرير

أبسط تنظيم متعدد المجالات يُرى في البروتينات هو مجال واحد يتكرر جنبًا إلى جنب. [46] قد تتفاعل المجالات مع بعضها البعض (تفاعل المجال-المجال) أو تظل معزولة ، مثل الخرز على الخيط. يتكون تيتين البروتين العضلي المتخلف العملاق البالغ 30000 من حوالي 120 مجال فيبرونيكتين من النوع الثالث ونوع Ig. [47] في سيرين بروتياز ، أدى حدث الازدواج الجيني إلى تكوين إنزيم المجال ثنائي البرميل. [48] ​​تباعدت التكرارات على نطاق واسع لدرجة أنه لا يوجد تشابه واضح في التسلسل بينهما. يقع الموقع النشط عند شق بين نطاقي البرميل ، حيث تساهم المخلفات المهمة وظيفيًا من كل مجال. تم إثبات أن الطفرات المعدلة وراثيًا لبروتياز سيرين الكيموتريبسين لديها بعض نشاط البروتين على الرغم من إلغاء بقايا الموقع النشط ، وبالتالي فقد تم افتراض أن حدث الازدواجية عزز نشاط الإنزيم. [48]

تعرض الوحدات النمطية في كثير من الأحيان علاقات اتصال مختلفة ، كما هو موضح في kinesins وناقلات ABC. يمكن أن يكون مجال محرك kinesin في أي من طرفي سلسلة polypeptide التي تتضمن منطقة ملفوفة ومجال شحن. [49] تم بناء ناقلات ABC بما يصل إلى أربعة مجالات تتكون من وحدتين غير متصلين ، شريط ربط ATP ووحدة غشاء متكاملة ، مرتبة في مجموعات مختلفة.

لا يتم إعادة تجميع المجالات فقط ، ولكن هناك العديد من الأمثلة على مجال تم إدراجه في مجال آخر. يوضح التسلسل أو أوجه التشابه البنيوية مع المجالات الأخرى أن متماثلات المجالات المدرجة والأصلية يمكن أن توجد بشكل مستقل. مثال على ذلك هو "الأصابع" التي تم إدخالها في مجال "النخيل" داخل بوليميرات عائلة Pol I. [50] نظرًا لأنه يمكن إدخال مجال في مجال آخر ، يجب أن يكون هناك دائمًا مجال متصل واحد على الأقل في بروتين متعدد المجالات. هذا هو الفرق الرئيسي بين تعريف المجالات الهيكلية والمجالات التطورية / الوظيفية. سيقتصر المجال التطوري على اتصال واحد أو اتصالين بين المجالات ، في حين أن المجالات الهيكلية يمكن أن يكون لها اتصالات غير محدودة ، ضمن معيار معين لوجود نواة مشتركة. يمكن تعيين العديد من المجالات الهيكلية إلى مجال تطوري.

يتكون المجال الفائق من اثنين أو أكثر من المجالات المحفوظة ذات الأصل المستقل اسميًا ، ولكن يتم توريثها لاحقًا كوحدة هيكلية / وظيفية واحدة. [51] يمكن أن يحدث هذا المجال الفائق المشترك في بروتينات متنوعة لا ترتبط بالازدواج الجيني وحده. مثال على المجال الفائق هو زوج مجال البروتين التيروزين الفوسفاتيز - C2 في PTEN و tensin و auxilin والبروتين الغشائي TPTE2. تم العثور على هذا المجال الفائق في البروتينات في الحيوانات والنباتات والفطريات. الميزة الرئيسية للمجال الفائق PTP-C2 هي الحفاظ على بقايا الأحماض الأمينية في واجهة المجال.

طي التحرير

طي البروتين - المشكلة التي لم يتم حلها : منذ العمل الأساسي لـ Anfinsen في أوائل الستينيات ، [20] كان هدف الفهم الكامل للآلية التي يطوي بها البولي ببتيد سريعًا في شكله الأصلي المستقر بعيد المنال. ساهمت العديد من دراسات الطي التجريبية كثيرًا في فهمنا ، لكن المبادئ التي تحكم طي البروتين لا تزال تستند إلى تلك التي تم اكتشافها في الدراسات الأولى للطي. أظهر Anfinsen أن الحالة الأصلية للبروتين مستقرة ديناميكيًا حراريًا ، حيث يكون التشكل عند الحد الأدنى العالمي من طاقته الحرة.

الطي هو بحث موجه عن مساحة توافقية تسمح للبروتين بالثني على مقياس زمني ممكن بيولوجيًا. تنص مفارقة ليفينثال على أنه إذا قام بروتين متوسط ​​الحجم بأخذ عينات من جميع التطابقات الممكنة قبل العثور على النوع الذي يحتوي على أقل طاقة ، فإن العملية برمتها ستستغرق مليارات السنين. [52] تنثني البروتينات عادة في غضون 0.1 و 1000 ثانية. لذلك ، يجب توجيه عملية طي البروتين بطريقة ما من خلال مسار طي معين. من المحتمل أن تكون القوى التي توجه هذا البحث مزيجًا من التأثيرات المحلية والعالمية التي يمكن الشعور بآثارها في مراحل مختلفة من التفاعل. [53]

أظهرت التطورات في الدراسات التجريبية والنظرية أنه يمكن النظر إلى الطي من منظور الطاقة الطبيعية ، [54] [55] حيث تعتبر حركية الطي بمثابة تنظيم تقدمي لمجموعة من الهياكل المطوية جزئيًا والتي يمر من خلالها البروتين في طريقه إلى الهيكل المطوي. وقد تم وصف ذلك من حيث القمع القابل للطي ، حيث يحتوي البروتين غير المطوي على عدد كبير من حالات التوافق المتاحة وهناك عدد أقل من الحالات المتاحة للبروتين المطوي. يشير القمع إلى أنه بالنسبة لطي البروتين ، هناك انخفاض في الطاقة وفقدان للإنتروبيا مع زيادة تكوين البنية الثلاثية. تعكس الخشونة الموضعية للقمع مصائد حركية ، تتوافق مع تراكم المواد الوسيطة غير المطوية. تتقدم السلسلة القابلة للطي نحو طاقات حرة أقل داخل السلسلة من خلال زيادة انضغاطها. تصبح الخيارات المطابقة للسلسلة ضيقة بشكل متزايد في نهاية المطاف نحو بنية أصلية واحدة.

ميزة المجالات في تعديل طي البروتين

The organisation of large proteins by structural domains represents an advantage for protein folding, with each domain being able to individually fold, accelerating the folding process and reducing a potentially large combination of residue interactions. Furthermore, given the observed random distribution of hydrophobic residues in proteins, [56] domain formation appears to be the optimal solution for a large protein to bury its hydrophobic residues while keeping the hydrophilic residues at the surface. [57] [58]

However, the role of inter-domain interactions in protein folding and in energetics of stabilisation of the native structure, probably differs for each protein. In T4 lysozyme, the influence of one domain on the other is so strong that the entire molecule is resistant to proteolytic cleavage. In this case, folding is a sequential process where the C-terminal domain is required to fold independently in an early step, and the other domain requires the presence of the folded C-terminal domain for folding and stabilisation. [59]

It has been found that the folding of an isolated domain can take place at the same rate or sometimes faster than that of the integrated domain, [60] suggesting that unfavourable interactions with the rest of the protein can occur during folding. Several arguments suggest that the slowest step in the folding of large proteins is the pairing of the folded domains. [30] This is either because the domains are not folded entirely correctly or because the small adjustments required for their interaction are energetically unfavourable, [61] such as the removal of water from the domain interface.

Protein domain dynamics play a key role in a multitude of molecular recognition and signaling processes. Protein domains, connected by intrinsically disordered flexible linker domains, induce long-range allostery via protein domain dynamics. The resultant dynamic modes cannot be generally predicted from static structures of either the entire protein or individual domains. They can however be inferred by comparing different structures of a protein (as in Database of Molecular Motions). They can also be suggested by sampling in extensive molecular dynamics trajectories [62] and principal component analysis, [63] or they can be directly observed using spectra [64] [65] measured by neutron spin echo spectroscopy.

The importance of domains as structural building blocks and elements of evolution has brought about many automated methods for their identification and classification in proteins of known structure. Automatic procedures for reliable domain assignment is essential for the generation of the domain databases, especially as the number of known protein structures is increasing. Although the boundaries of a domain can be determined by visual inspection, construction of an automated method is not straightforward. Problems occur when faced with domains that are discontinuous or highly associated. [66] The fact that there is no standard definition of what a domain really is has meant that domain assignments have varied enormously, with each researcher using a unique set of criteria. [67]

A structural domain is a compact, globular sub-structure with more interactions within it than with the rest of the protein. [68] Therefore, a structural domain can be determined by two visual characteristics: its compactness and its extent of isolation. [69] Measures of local compactness in proteins have been used in many of the early methods of domain assignment [70] [71] [72] [73] and in several of the more recent methods. [28] [74] [75] [76] [77]

طرق تحرير

One of the first algorithms [70] used a Cα-Cα distance map together with a hierarchical clustering routine that considered proteins as several small segments, 10 residues in length. The initial segments were clustered one after another based on inter-segment distances segments with the shortest distances were clustered and considered as single segments thereafter. The stepwise clustering finally included the full protein. Go [73] also exploited the fact that inter-domain distances are normally larger than intra-domain distances all possible Cα-Cα distances were represented as diagonal plots in which there were distinct patterns for helices, extended strands and combinations of secondary structures.

The method by Sowdhamini and Blundell clusters secondary structures in a protein based on their Cα-Cα distances and identifies domains from the pattern in their dendrograms. [66] As the procedure does not consider the protein as a continuous chain of amino acids there are no problems in treating discontinuous domains. Specific nodes in these dendrograms are identified as tertiary structural clusters of the protein, these include both super-secondary structures and domains. The DOMAK algorithm is used to create the 3Dee domain database. [75] It calculates a 'split value' from the number of each type of contact when the protein is divided arbitrarily into two parts. This split value is large when the two parts of the structure are distinct.

The method of Wodak and Janin [78] was based on the calculated interface areas between two chain segments repeatedly cleaved at various residue positions. Interface areas were calculated by comparing surface areas of the cleaved segments with that of the native structure. Potential domain boundaries can be identified at a site where the interface area was at a minimum. Other methods have used measures of solvent accessibility to calculate compactness. [28] [79] [80]

The PUU algorithm [19] incorporates a harmonic model used to approximate inter-domain dynamics. The underlying physical concept is that many rigid interactions will occur within each domain and loose interactions will occur between domains. This algorithm is used to define domains in the FSSP domain database. [74]

Swindells (1995) developed a method, DETECTIVE, for identification of domains in protein structures based on the idea that domains have a hydrophobic interior. Deficiencies were found to occur when hydrophobic cores from different domains continue through the interface region.

RigidFinder is a novel method for identification of protein rigid blocks (domains and loops) from two different conformations. Rigid blocks are defined as blocks where all inter residue distances are conserved across conformations.

The method RIBFIND developed by Pandurangan and Topf identifies rigid bodies in protein structures by performing spacial clustering of secondary structural elements in proteins. [81] The RIBFIND rigid bodies have been used to flexibly fit protein structures into cryo electron microscopy density maps. [82]

A general method to identify dynamical domains, that is protein regions that behave approximately as rigid units in the course of structural fluctuations, has been introduced by Potestio et al. [62] and, among other applications was also used to compare the consistency of the dynamics-based domain subdivisions with standard structure-based ones. The method, termed PiSQRD, is publicly available in the form of a webserver. [83] The latter allows users to optimally subdivide single-chain or multimeric proteins into quasi-rigid domains [62] [83] based on the collective modes of fluctuation of the system. By default the latter are calculated through an elastic network model [84] alternatively pre-calculated essential dynamical spaces can be uploaded by the user.

Example domains Edit

    : named after the β-catenin-like Armadillo protein of the fruit fly ذبابة الفاكهة سوداء البطن.
  • Basic leucine zipper domain (bZIP domain): found in many DNA-binding eukaryotic proteins. One part of the domain contains a region that mediates sequence-specific DNA-binding properties and the Leucine zipper that is required for the dimerization of two DNA-binding regions. The DNA-binding region comprises a number of basic aminoacids such as arginine and lysine. repeats: Cadherins function as Ca 2+ -dependent cell–cell adhesion proteins. Cadherin domains are extracellular regions which mediate cell-to-cell homophilic binding between cadherins on the surface of adjacent cells. (DED): allows protein–protein binding by homotypic interactions (DED-DED). Caspaseproteases trigger apoptosis via proteolytic cascades. Pro-caspase-8 and pro-caspase-9 bind to specific adaptor molecules via DED domains, which leads to autoactivation of caspases. : a helix-turn-helixstructural motif found in each structural domain of the signaling proteincalmodulin and in the muscle protein troponin-C.
  • Immunoglobulin-like domains: found in proteins of the immunoglobulin superfamily (IgSF). [85] They contain about 70-110 amino acids and are classified into different categories (IgV, IgC1, IgC2 and IgI) according to their size and function. They possess a characteristic fold in which two beta sheets form a "sandwich" that is stabilized by interactions between conserved cysteines and other charged amino acids. They are important for protein–protein interactions in processes of cell adhesion, cell activation, and molecular recognition. These domains are commonly found in molecules with roles in the immune system. (PTB): PTB domains usually bind to phosphorylated tyrosine residues. They are often found in signal transduction proteins. PTB-domain binding specificity is determined by residues to the amino-terminal side of the phosphotyrosine. Examples: the PTB domains of both SHC and IRS-1 bind to a NPXpY sequence. PTB-containing proteins such as SHC and IRS-1 are important for insulin responses of human cells. (PH): PH domains bind phosphoinositides with high affinity. Specificity for PtdIns(3)P, PtdIns(4)P, PtdIns(3,4)P2, PtdIns(4,5)P2, and PtdIns(3,4,5)P3 have all been observed. Given the fact that phosphoinositides are sequestered to various cell membranes (due to their long lipophilic tail) the PH domains usually causes recruitment of the protein in question to a membrane where the protein can exert a certain function in cell signalling, cytoskeletal reorganization or membrane trafficking. (SH2): SH2 domains are often found in signal transduction proteins. SH2 domains confer binding to phosphorylated tyrosine (pTyr). Named after the phosphotyrosine binding domain of the src viral oncogene, which is itself a tyrosine kinase. أنظر أيضا: SH3 domain. (ZnF_GATA): ZnF_GATA domain-containing proteins are typically transcription factors that usually bind to the DNA sequence [AT]GATA[AG] of promoters.

A large fraction of domains are of unknown function. أ domain of unknown function (DUF) is a protein domain that has no characterized function. These families have been collected together in the Pfam database using the prefix DUF followed by a number, with examples being DUF2992 and DUF1220. There are now over 3,000 DUF families within the Pfam database representing over 20% of known families. [86] Surprisingly, the number of DUFs in Pfam has increased from 20% (in 2010) to 22% (in 2019), mostly due to an increasing number of new genome sequences. Pfam release 32.0 (2019) contained 3,961 DUFs. [87]

This article incorporates text and figures from George, R. A. (2002) "Predicting Structural Domains in Proteins" Thesis, University College London, which were contributed by its author.


Biology's next revolution

The emerging picture of microbes as gene-swapping collectives demands a revision of such concepts as organism, species and evolution itself.

One of the most fundamental patterns of scientific discovery is the revolution in thought that accompanies a new body of data. Satellite-based astronomy has, during the past decade, overthrown our most cherished ideas of cosmology, especially those relating to the size, dynamics and composition of the Universe.

Similarly, the convergence of fresh theoretical ideas in evolution and the coming avalanche of genomic data will profoundly alter our understanding of the biosphere — and is likely to lead to revision of concepts such as species, organism and evolution. Here we explain why we foresee such a dramatic transformation, and why we believe the molecular reductionism that dominated twentieth-century biology will be superseded by an interdisciplinary approach that embraces collective phenomena.

The place to start is horizontal gene transfer (HGT), the non-genealogical transfer of genetic material from one organism to another — such as from one bacterium to another or from viruses to bacteria. Among microbes, HGT is pervasive and powerful — for example, in accelerating the spread of antibiotic resistance. Owing to HGT, it is not a good approximation to regard microbes as organisms dominated by individual characteristics. In fact, their communications by genetic or quorum-sensing channels indicate that microbial behaviour must be understood as predominantly cooperative.

In the wild, microbes form communities, invade biochemical niches and partake in biogeochemical cycles. The available studies strongly indicate that microbes absorb and discard genes as needed, in response to their environment. Rather than discrete genomes, we see a continuum of genomic possibilities, which casts doubt on the validity of the concept of a 'species' when extended into the microbial realm. The uselessness of the species concept is inherent in the recent forays into metagenomics — the study of genomes recovered from natural samples as opposed to clonal cultures. For example, studies of the spatial distribution of rhodopsin genes in marine microbes suggest such genes are 'cosmopolitan', wandering among bacteria (or archaea) as environmental pressures dictate.

Equally exciting is the realization that viruses have a fundamental role in the biosphere, in both immediate and long-term evolutionary senses. Recent work suggests that viruses are an important repository and memory of a community's genetic information, contributing to the system's evolutionary dynamics and stability. This is hinted at, for example, by prophage induction, in which viruses latent in cells can become activated by environmental influences. The ensuing destruction of the cell and viral replication is a potent mechanism for the dispersal of host and viral genes.

It is becoming clear that microorganisms have a remarkable ability to reconstruct their genomes in the face of dire environmental stresses, and that in some cases their collective interactions with viruses may be crucial to this. In such a situation, how valid is the very concept of an organism in isolation? It seems that there is a continuity of energy flux and informational transfer from the genome up through cells, community, virosphere and environment. We would go so far as to suggest that a defining characteristic of life is the strong dependency on flux from the environment — be it of energy, chemicals, metabolites or genes.

Nowhere are the implications of collective phenomena, mediated by HGT, so pervasive and important as in evolution. A computer scientist might term the cell's translational apparatus (used to convert genetic information to proteins) an 'operating system', by which all innovation is communicated and realized. The fundamental role of translation, represented in particular by the genetic code, is shown by the clearly documented optimization of the code. Its special role in any form of life leads to the striking prediction that early life evolved in a lamarckian way, with vertical descent marginalized by the more powerful early forms of HGT.

Refinement through the horizontal sharing of genetic innovations would have triggered an explosion of genetic novelty, until the level of complexity required a transition to the current era of vertical evolution. Thus, we regard as regrettable the conventional concatenation of Darwin's name with evolution, because other modalities must also be considered.

This is an extraordinary time for biology, because the perspective we have indicated places biology within a context that must necessarily engage other disciplines more strongly aware of the importance of collective phenomena. Questions suggested by the generic energy, information and gene flows to which we have alluded will probably require resolution in the spirit of statistical mechanics and dynamical systems theory. In time, the current approach of post-hoc modelling will be replaced by interplay between quantitative prediction and experimental test, nowadays more characteristic of the physical sciences.

Sometimes, language expresses ignorance rather than knowledge, as in the case of the word 'prokaryote', now superseded by the terms archaea and bacteria. We foresee that in biology, new concepts will require a new language, grounded in mathematics and the discoveries emerging from the data we have highlighted. During an earlier revolution, Antoine Lavoisier observed that scientific progress, like evolution, must overcome a challenge of communication: “We cannot improve the language of any science without at the same time improving the science itself neither can we, on the other hand, improve a science without improving the language or nomenclature which belongs to it.” Biology is about to meet this challenge.

Frigaard, N., Martinez, A., Mincer, T. & DeLong, E. طبيعة سجية 439, 847–850 (2006).

Sullivan, M. وآخرون. PLoS Biol. 4, e234 (2006).

Pedulla, M. وآخرون. زنزانة 113, 171–182 (2003).

Vetsigian, K., Woese, C. & Goldenfeld, N. بروك. ناتل أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية 103, 10696–10701 (2006).


Swapping genes to survive - a new role for archaeal type IV pili

Type IV pili are filamentous structures that are found on the surface of many bacterial and archaeal cells, they are involved in cell motility and surface adhesion. In the crenarchaeon Sulfolobus solfataricus, type IV pili formation is strongly induced by UV irradiation and leads to cellular aggregation. The study by Ajon et al. (2011) published in this issue of Molecular Microbiology shows that UV-induced cellular aggregation greatly stimulates the exchange of chromosomal markers among irradiated cells, and that this strategy helps with cell survival. Sulfolobus knockout strains that are incapable of forming pili proved to be deficient in aggregation, and also showed decreased cellular survival after UV irradiation. The UV-induced pili of three different Sulfolobus species had distinct morphologies, and correspondingly these three species were able to aggregate only with their own kind. This work has defined a new role for type IV pili in both the transfer of genes within species and the recovery from UV-induced DNA damage.


Gene-swapping means you have alien DNA inside you

What if a gene from an insect insinuated itself straight into your DNA? What if more than a hundred genes from bacteria did? Would that make you some kind of horrible Franken-human?

No. It would make you exactly what you are today.

It turns out that genes are quite capable of hopping from one organism into a completely different species. Not only do these genes jump, but when they land in a new host they can actively change it. This can give the host species new abilities, sending it down a new evolutionary path. Even humans play host to alien genes, and it seems they have shaped our evolution.

Genes have to keep copying themselves into new hosts, or they will be destroyed when their current host dies.

Darwin drew a sketch of a branching tree, where each new twig was a new species

The usual route is to pass straight down the generations. When you have children, you pass on some of your genes to them, and so those genes find a new host.

Sometimes the genes get altered along the way. These changes, known as mutations, help ensure that the offspring are different to their parents. Over many generations, enough mutations can build up to create a whole new species &ndash and in the long run, all the diversity of the natural world.

في حول أصل الأنواع, Charles Darwin laid out how this process of evolution works. He drew a sketch of a branching tree, where each new twig was a new species born of accumulated mutations. This is what biologists call the "tree of life".

But there's another way for genes to find a new host.

Sometimes a gene can jump directly from one organism to another organism, which might belong to a completely different species. This process is called horizontal gene transfer.

The tree of life looks a bit like a strangling fig

That means Darwin's image of the tree of life isn't quite right. If genes can hop about between organisms that are on different branches of the tree, we have to draw lines linking those separate branches.

As a result, the tree becomes a convoluted network of branches and twigs, all knotted together. "The degree of horizontal gene transfer we're finding means the tree of life looks a bit like a strangling fig," says Alastair Crisp of the University of Cambridge in the UK.

That said, these gene transfers are rare. That's because any gene trying to move into a new organism faces a lot of barriers.

Imagine a rogue gene, a loose strand of DNA, is trying to get into a pigeon.

First it has to get inside one of the pigeon's cells intact. Then the cellular machinery might incorporate it into the cell's DNA.

But the gene actually faces a bigger challenge than that. If it is to be transferred to the pigeon's offspring, and stand a chance of long-term survival, it has to get into an egg or sperm cell, or an early embryo. These are buried deep inside the pigeon's body.

Even if the gene does get into an embryo, the embryo still has to survive to adulthood and reproduce, passing the gene on. Only then does the gene have a chance of spreading to the wider population.

That's a lot of ifs, so it's far from easy for a jumping gene to become established in another animal's DNA. But if species live close together for long enough, genes can start moving.

Some genes seriously get around. Scientists have tracked some genes from a virus that first jumped into parasitoid wasps called braconids, and then into the wasps' prey: caterpillars.

The virus DNA jumped into the tiny parasitoid wasps around 100 million years ago. It wasn't just one or two stray genes: almost the entire virus genome was incorporated into the wasp's DNA.

Very occasionally, a caterpillar survives a wasp encounter

Braconid wasps lay their eggs inside the young of other insects, such as caterpillars. The young hatch inside the caterpillars and eat them from within. Once they are mature enough, they eat their way out of the dead caterpillar.

The wasps have evolved to make use of the viral genes. Each female makes virus-like particles, which she injects into a caterpillar along with her eggs.

These particles incapacitate the caterpillar's immune system, rather like HIV in humans. That allows the wasp's offspring to munch their way through the caterpillar unimpeded.

But very occasionally, a caterpillar survives a wasp encounter.

"One interesting feature is when wasp development inside the larva fails for some reason," says Michael Strand of the University of Georgia in Athens. "Many of these wasps attack insects that are not ideal hosts for them."

These lucky caterpillars can sometimes develop normally and metamorphose into adult butterflies. But they don't always manage to get rid of the wasp's viral genes.

Some gene jumps can have huge ramifications

"Occasionally a viral gene gets transferred into a moth or a butterfly, and it's there," says Strand. "It's like it escapes from the wasp and the virus, literally changing host populations."

This illustrates a key point: transferred genes are sometimes just along for the ride. Wasp hosts have a use for their viral genes, but caterpillar hosts might not get any benefit.

"There are lots of transfer events, most of which don't have adaptive significance that anybody knows of," says Strand.

That said, some gene jumps can have huge ramifications. One species-hopping gene encodes lethal weapons.

In a 2014 study, a team led by Seth Bordenstein of Vanderbilt University in Nashville, Tennessee, found a gene in a virus that shouldn't have been there.

New viruses then burst out of the cell and can go to infect more victims

Viruses are tiny packets of genetic information encased in a microscopic shell. They are so simple, they can't even replicate themselves. Instead, they must infect an organism that has the tools they need.

A virus will barge its way into a living cell and make thousands or millions of copies of itself. These new viruses then burst out of the cell and can go to infect more victims.

Bordenstein's group were studying the way a particular virus breaks down the cell walls of bacteria in order to infect them. They found that the gene the virus used to do this had spread to other life forms, including fungi, plants and insects.

The gene had even settled in single-celled organisms called archaea that live by boiling hot, pitch-dark and acidic deep-sea vents.

It's a gene with a universal function

"Our theory is that this kind of transfer is probably a lot more common than we thought," says Bordenstein. "This could be the tip of the iceberg for understanding transfers across the tree of life."

The group conducted a series of experiments to check that the organisms hadn't simply evolved the gene independently.

It's clear why this gene has been so popular. "An antibacterial gene looks quite obviously like something that could cross the domains of life and spread quite easily," says Bordenstein. "It's a gene with a universal function in all organisms: to compete with bacteria."

Rather ironically, this gene that is used to destroy bacteria originally came from bacteria.

The gene encodes a complex molecule called a lysozyme, which chemically weakens cell walls. Bacteria use lysozymes, in moderation, when they divide into two new cells.

Another gene may have profoundly influenced its new host's evolution

But when other organisms got hold of the gene, they found it was even more useful. They used it to make enough lysozyme to make bacteria burst.

Even humans have a gene for lysozyme, which we secrete in tears, mucus and milk. However, it's not clear whether this gene also came from bacteria or whether it's something we evolved for ourselves. "The science isn't there yet," says Bordenstein.

Regardless, the lysozyme gene has evidently changed a lot of organisms. But it only made one change, giving them one extra ability. Another gene may have gone further, and profoundly influenced its new host's evolution.

In May 2015, it emerged that a single bacterial gene had jumped into the sweet potato genome around 10,000 years ago. This might be somehow linked to our ancestors' domestication of sweet potatoes.

It causes abnormal growths called galls

Professor Jan Kreuze at the International Potato Center in Lima, Peru and his colleagues were studying how sweet potatoes fend off viral infections.

"While I was looking through my data, I found these genes that actually came from bacteria," says Kreuze. "When I looked a bit closer, I saw they were genes only usually found in Agrobacterium."

Agrobacterium is a common bacterium that causes diseases in plants. It causes abnormal growths called galls, which are visible as lumpy swellings on tree trunks.

To do this it transfers its own DNA into its plant host.

"At some point Agrobacterium must have infected an ancestral sweet potato," says Kreuze. "Those cells that were infected and were transgenic might have formed a gall. But they also generated a new plant, which was then able to transfer these Agrobacterium genes to the next generation."

Maybe the genes somehow helped to make sweet potatoes tasty

His group tested nearly 300 types of modern sweet potato, and they all had genes from Agrobacterium.

Those genes aren't found in any of the sweet potato's wild relatives. So Kreuze thinks they are linked to the plant's domestication. "Why else would you find them present in all domesticated varieties but not in the wild ones?"

Maybe the genes somehow helped to make sweet potatoes tasty. But for now we don't know for sure that Kreuze is right. "It's not proof," he says. "Correlation is not causation."

حتى لو Agrobacterium genes really did contribute to the domestication of sweet potatoes, transferred genes can never be as important as those passed from parent to offspring.

At least for complex organisms like animals and plants, parents are still the most important source of genetic information. Among multicellular organisms in particular, horizontal gene transfer is the exception rather than the rule.

In other words, these genes are very few compared to the ones we've evolved for ourselves. But even in humans, horizontally transferred genes can be found, and in surprisingly large numbers.

These genes from other organisms are making proteins which are useful to us

In 2015, Crisp and his colleagues found that there are about 145 alien genes nestling in the human genome. They seem to have arrived relatively recently from plants, animals, fungi and bacteria.

Horizontal gene transfer is "being detected more and more", says Kreuze. "It's been an important part of the evolution of different species across the whole planet, including ourselves."

The genes Crisp found aren't just along for the ride: they are active. "These genes from other organisms are making proteins which are useful to us," says Crisp. "That's why these genes can persist."

Some of the genes are involved in determining our blood type, while others are important in metabolism. But there are others performing even more intimate jobs.

In the first few days of your life, you may have been churning out copies of one of the newest viruses to integrate into our genome.

The HERV-K virus infected humans about 200,000 years ago, around the time of the origin of our species. However, it had been infecting primates long before, and made its way into our ancestors many times.

HERV-K could be protecting the embryo from infections from viruses

Not everyone has it. But in those who do, it seems to play a role in the early development of embryos.

Edward Grow of Stanford University in California and his colleagues studied unused IVF embryos. They found that HERV-K genes were turned on for a short time after the egg was fertilised, but before the embryo implants into the wall of the mother's womb.

It's not clear what the viral genes are doing, but one idea is that they protect the embryo from other viruses.

"We're being infected by them all the time," says Grow. "HERV-K could be protecting the embryo from infections from viruses expressed in other cells or new viral infections."

Viral genes also seem to be crucial in the next stage of pregnancy.

One of the big problems with giving birth to live young, as we do, is controlling what goes into the foetus while it's developing. The mother needs to send the foetus nutrients and oxygen, but not harmful chemicals.

Genes from viruses have shaped our evolution

In humans and in other mammals, the mother uses an organ called the placenta to share useful chemicals with the foetus. The placenta has a special layer called the syncytiotrophoblast, made up of cells fused together, that acts as a protective barrier for the foetus.

In 1999, it emerged that the syncytiotrophoblast expresses viral genes that our ancestors picked up over 45 million years ago. One of these genes codes for a protein called syncytin, which helps the cells fuse together.

Clearly, genes from viruses have shaped our evolution.

"There is a massive cloud of virus genetic information, which is raining down and modifying us," says Luis Villarreal of the University of California, Irvine in the US. "It's not just transmitting information from one host to another, but it's actually originating novelty."

Our relationships with the other life-forms on Earth are much closer than we thought

Everything from viruses to insects has given us genes, and those genes have changed the ways our bodies work and helped us evolve. Even our most distant cousins have been involved in the evolution of our species.

Horizontal gene transfer tells us that our relationships with the other life-forms on Earth are much closer than we thought. However different from us an organism may be, it seems their genes can often be remarkably useful to us.

We are only starting to discover just how many alien genes we have and what they are doing for us.


Swapping one red pigment for another

Betalains are bright red and yellow pigments, which are produced in only one order of plants, the Caryophyllales, and replace the more familiar anthocyanin pigments. The evolutionary origin of betalain production is a mystery, but a new study has identified the first regulator of betalain production and discovered a previously unknown link between the two pigment pathways.

Anthocyanins are nearly ubiquitous red to blue plant pigments that arose early in land plant evolution. Their roles range from providing color to flowers, fruit and foliage to helping counter the harmful effects of abiotic and biotic environmental stresses. New aspects of anthocyanin functions in plant biology and human health are constantly emerging. Yet, in Caryophyllales, many genera do not produce anthocyanins. In these species, the lack of anthocyanins is apparently compensated for by the production of an entirely unrelated group of pigments, the betalains. Production of anthocyanins and betalains is mutually exclusive—a species produces one pigment type or the other but never both. How and why these pigmentation systems arose has fascinated and puzzled evolutionary biologists and plant scientists for over half a century 1 . On page 92 of this issue, Alan Lloyd and colleagues 2 now provide a key missing part of the puzzle.


Microbes in human body swap genes, even across tissue boundaries

Bacteria in the human body are sharing genes with one another at a higher rate than is typically seen in nature, and some of those genes appear to be traveling – independent of their microbial hosts – from one part of the body to another, researchers report in the journal التقارير العلمية.

The findings are the result of a molecular data-mining method initially conceptualized by Kyung Mo Kim, a senior research scientist at the Korea Polar Research Institute. University of Illinois crop sciences professor Gustavo Caetano-Anollés (GEGC) developed the approach with his former student Arshan Nasir, of COMSATS University Islamabad, Pakistan, who is currently a postdoctoral fellow at the Los Alamos National Laboratory in New Mexico.

Kyung Mo Kim, left, a scientist at the Korea Polar Research Institute, Illinois professor Gustavo Caetano-Anollés and their colleagues developed a method for reliably predicting which microbial genes are the result of sexual or asexual reproduction and which have been picked up through a process known as horizontal gene transfer.

This computationally challenging method allowed them to identify instances of “horizontal gene transfer,” the direct transfer of genes between organisms outside of sexual or asexual reproduction.

“Horizontal gene transfer is a major force of exchange of genetic information on Earth,” Caetano-Anollés said. “These exchanges allow microorganisms to adapt and thrive, but they are likely also important for human health. There are some bacteria that cannot live outside our bodies and some without which we cannot live.”

“A better understanding of this phenomenon also will have significant public health value, since the emergence of multidrug-resistant pathogens as a result of the horizontal spread of antibiotic-resistant genes has become a global concern,” Nasir said.

For the new analysis, the scientists used genomic information to build tens of thousands of “family trees” of bacteria that colonize the human body. Reconciling those with trees of microbial genes allowed the team to tease out which genes had been inherited and which were the result of horizontal gene transfer.

“Most current methods for determining horizontal gene transfer compare DNA features or statistical similarity between genomes to identify foreign genes,” Nasir said. “This works fairly well for relatively recent gene transfers, but often fails to identify transfer events that occurred millions or billions of years ago.”

The more labor-intensive approach enabled the team to surmount this barrier, he said.

“We studied human-associated microorganisms, since they are known to be key players in maintaining human health and metabolism,” Nasir said. “We calculated gene-transfer rates and direction – who transferred what to whom – for more than 1,000 reference bacterial genomes sampled by the National Institutes of Health Human Microbiome Project.”

The bacteria had been sampled from six human body sites: the gut, skin, oral cavity, blood, urogenital tract and airways.

The researchers found evidence to support earlier findings that human-associated bacteria are quite promiscuous with their genes, Caetano-Anollés said.

“The horizontal exchange between microbes in our bodies is about 30 percent higher than what you’ll find on the rest of the planet,” he said. “This implies that our bodies provide a niche that is unique and facilitates innovation at the microbe level.”

About 40 percent of gene swapping occurred among bacteria living in the same body sites. The other 60 percent involved gene sharing among bacteria in different tissues, for example between organisms in the gut and in blood.

In all cases, gene transfer was most common among closely related organisms, regardless of whether they occupied the same or different bodily tissues. In fact, the researchers report, gene sharing among organisms in different body sites occurred at a higher rate than gene sharing among distantly related bacteria living at the same sites.

“Some of these could be very old gene transfer events that happened before the microbes colonized the human body,” Nasir said. “It also could be that some bacteria colonize different human body sites at different time points in an individual’s lifespan. The others could be the result of the transfer of bacterial DNA from one site to another, perhaps through the blood. We need further experimental evidence to test this tantalizing possibility.”

The researchers say other scientists can use the tool they developed for this work, HGTree, to more accurately predict which genes were inherited “vertically,” through the process of reproduction, and which were picked up from other microbes through horizontal gene transfer. This will lead to an improved understanding of microbial – and human – evolution, the researchers said.

Graduate students Hyeonsoo Jeong and Bushra Arif contributed to this research.

The National Science Foundation supported the international collaboration that made this work possible.


Conclusion

Gibson Assembly is a simple and robust method that enables the simultaneous production of many different combinations of genes and pathways, accelerating the progress of synthetic biology. Furthermore, this powerful technology has the potential to help turn DNA sequence into genes and pathways useful in the production of biofuels, industrial compounds, pharmaceuticals and vaccines.

The synthesis of genes and pathways, and even small genomes, has been made easier with Gibson Assembly, helping to move the field of synthetic biology forward. As the power of DNA sequencing increases and sequencing costs decrease, DNA databases will continue to fill with novel genes and pathways waiting to be identified, optimized and expressed in a heterologous host organism. It is time to better understand how to turn these DNA sequences into useful applications.

The ability to quickly construct whole genes and genomes has the potential to accelerate research in a variety of other fields. This capability may also make it possible to quickly respond to emerging threats, and may allow researchers to understand how &ldquolife&rdquo works. The power of large scale DNA synthesis will dramatically impact the way research is done and vastly accelerate the pace of science. The Gibson Assembly Master Mix provides a new and powerful tool for biotechnology, whose most far-reaching benefits may not yet even be envisioned.

Figure 4. Combinatorial gene synthesis.

Ten overlapping 60-mer oligonucleotides are recombined into five cassettes (light blue rectangles). Following sequence verification of these cassettes, they are recombined (indicated by the X) into the full-length gene in a second stage. Recombination of the cassettes is possible because 40 bp overlaps have been added to the cassettes. Within each cassette, there are between 1 and 4 positions in which 2 nucleotides are acceptable. At these locations, a variant 60-mer oligonucleotide can also be assembled. This equates to 2-16 different combinations for each cassette. In order to produce every different combination (2 3 x 2 1 x 2 1 x 2 4 x 2 1 = 1,024) of the full-length gene, every different cassette can be pooled and assembled into a cloning vector to form a circular DNA, cloned into E. coli, and then sequenced

Use the NEBuilder Assembly Tool to design primers for your HiFi DNA or Gibson Assembly reactions, based on sequences and polymerase used for amplification.


شاهد الفيديو: هل يمكن تغيير الجينات الوراثية للإنسان ! MRNA (قد 2022).