معلومة

12.6: علم التخلق - علم الأحياء

12.6: علم التخلق - 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.

الكلمة "علم التخلق"أصبح شائعًا في العقد الماضي وأصبح معناه مشوشًا. المصطلح علم التخلق يصف أي تغيير وراثي في ​​النمط الظاهري لا يرتبط بتغيير تسلسل الحمض النووي الصبغي.

في الأصل كانت تعني العمليات التي من خلالها يتم التعبير عن الجينات لإعطاء النمط الظاهري ؛ أي التغييرات في التعبير الجيني التي تحدث أثناء التطور الطبيعي للكائنات متعددة الخلايا. يتضمن ذلك التغيير في حالة النسخ لتسلسل الحمض النووي (الجين) عبر تعديلات عكوسة للحمض النووي أو بروتين الكروماتين. وهكذا ، تم استهداف مثيلة الحمض النووي وميثلة بروتين الكروماتين ، والفسفرة ، والأستلة كآليات للتغيرات "القابلة للتوريث" في الخلايا أثناء نموها من خلية واحدة (الزيجوت) والتمايز إلى كائن متعدد الخلايا. هنا ، تلتزم الخلايا المنقسمة بالتمايز إلى أنسجة مختلفة مثل العضلات والخلايا العصبية والأرومة الليفية بسبب الجينات التي تعبر عنها أو تسكت. يتم إسكات بعض الجينات بشكل لا رجعة فيه ، من خلال آليات الوراثة اللاجينية ، في بعض أنواع الخلايا ، ولكن ليس في أنواع أخرى. هذا لا ينطوي على أي تغيير في تسلسل الحمض النووي.

تذكر أن هذه التأثيرات اللاجينية ليست تغييرات دائمة وبالتالي لا يمكن تحديدها في سياق تطوري. ومع ذلك ، يمكن اختيار الطفرات في الجينات التي تنظم التأثير اللاجيني.

التعريف: علم التخلق

يصف علم التخلق أي تغيير وراثي في ​​النمط الظاهري لا يرتبط بتغيير تسلسل الحمض النووي الصبغي.

يمكن نقل بعض المعلومات الموروثة بشكل مستقل عن تسلسل الحمض النووي

ومع ذلك ، فقد وجد الباحثون مؤخرًا العديد من حالات التغيرات البيئية في التعبير الجيني والتي يمكن أن تنتقل إلى الأجيال اللاحقة - تأثير متعدد الأجيال. وقد تم أيضًا تسمية هذه الحالات بـ "علم التخلق"، وربما تنطوي على تغييرات عكوسة مماثلة للحمض النووي وبروتينات الكروماتين. تمثل أنماط التعبير المتغيرة هذه تنوع تعبير الجينوم. هذا النمط الظاهري "الممتد" ، القدرة على التأثير على السمات في الجيل القادم ، هو موضوع البحث الحالي وسيتم مناقشة بعض الأمثلة فقط هنا.

أحد الأمثلة يأتي من أحفاد ضحايا المجاعة المعروف أن وزنهم عند الولادة أقل من الأطفال الذين ليس لديهم تاريخ عائلي للمجاعة. هذا التوريث للحالة المتغيرة للتعبير الجيني مثير للدهشة ، لأنه يبدو أنه لا ينطوي على تغييرات نموذجية في تسلسل الحمض النووي. علم التخلق يتم تطبيقه هنا نظرًا لأن التغيير الوراثي الظاهر في النمط الظاهري يرتبط بشيء آخر غير تسلسل الحمض النووي الصبغي.

هذا التغيير موروث من جيل إلى جيل وبالتالي هو عبر الأجيال. في علم التخلق النمطي ، يتم حفظ حالة التعبير (الحالة المتمايزة تطوريًا) فقط من الانقسام الفتيلي إلى الآخر ، ولكن يتم محوها أو الراحة عند الانقسام الاختزالي (حدود جيل إلى الجيل التالي). يبدو أن أساس بعض أنواع الوراثة اللاجينية على الأقل هو تكرار أنماط هيستون ومثيلة الحمض النووي التي تحدث بالتوازي مع تكرار تسلسل الحمض النووي الأساسي. أصبح من الواضح أن علم التخلق هو جزء مهم من علم الأحياء ، ويمكن أن يكون بمثابة نوع من الذاكرة الخلوية ، أحيانًا داخل الفرد ، أو أحيانًا عبر بضعة أجيال على الأقل.

إن دوام هذا "التغيير" يختلف عن التغييرات في تسلسل الحمض النووي نفسه. ما هو واضح هو أن علم التخلق هو جزء مهم من تنظيم التعبير الجيني ، ويمكن أن يكون بمثابة نوع من الذاكرة الخلوية ، بالتأكيد داخل الفرد ، أو عبر بضعة أجيال في بعض الحالات.

آثار الطبع والوالد من أصل

بالنسبة لبعض الجينات ، يتم التعبير عن الأليل الموروث من الأم الأنثى بشكل مختلف عن الأليل الموروث من الوالد الذكر. هذا يختلف عن الارتباط الجنسي وهو صحيح حتى لو كان كلا الأليلين من النوع البري والجسمي. أثناء تطور الأمشاج (تكوين الأمشاج) ، لكل والد بصمات معلومات جينية عن بعض الجينات التي ستؤثر على نشاط الجين في النسل. لا يغير الدمغ تسلسل الحمض النووي ، ولكنه يتضمن مثيلة للحمض النووي والهستونات ، وعمومًا يسكت التعبير عن أحد أليلات الوالدين. في البشر ، يتم التعبير عن بعض الجينات فقط من الأليل الأبوي ، بينما يتم التعبير عن الجينات الأخرى فقط من الأليل الأم. تتم إعادة برمجة علامات البصمة قبل تكوين الجيل التالي من الأمشاج. وهكذا ، على الرغم من أن الذكر يرث المعلومات اللاجينية من كل من والدته وأبيه ، فإن هذه المعلومات تمحى قبل نمو الحيوانات المنوية ، ويمرر نمطًا واحدًا فقط من البصمة لكل من أبنائه وبناته. تأتي معظم أمثلة البصمة من الثدييات المشيمية ، والعديد من الجينات المطبوعة تتحكم في معدل النمو ، مثل IGF2 (عامل النمو الشبيه بالأنسولين 2).

يبدو أن الطباعة تفسر العديد من الاختلاف والد من أصل تأثيرات. على سبيل المثال، متلازمة برادر ويلي (المتلازمة) و متلازمة أنجلمان (كما) هما حالتان مختلفتان ظاهريًا في البشر نتيجة حذف منطقة معينة من الكروموسوم 15 ، والتي تحتوي على العديد من الجينات. يعتمد ما إذا كان الحذف في PWS أو في AS على أصل الأصل. إذا كان الحذف موروثًا من الأب ، ينتج عنه المتلازمة ، والعكس ، إذا كان الحذف موروثًا من الأم ، فإن AS هي النتيجة. يتم إسكات الجين (الجينات) المشاركة في المتلازمة من خلال البصمة ، وبالتالي فإن حذف الأليل الموروث من الأب يؤدي إلى نقص كامل في البروتين المطلوب. يطبع ، لذا فإن حذف الأليل الأمومي يؤدي إلى نقص البروتين المشفر بواسطة هذا الجين.

الوراثة عبر الأجيال للتأثيرات الغذائية

التغذية هي أحد جوانب البيئة التي تمت دراستها جيدًا بشكل خاص من منظور التخلق المتوالي في كل من الفئران والبشر. الناس على قيد الحياة اليوم الذين عانوا من المجاعة الهولندية 1944-1945 مثل الأجنة IGF2 الجينات الأقل ميثلة من أشقائهم. مثيلة IGF2 (ومعدل المواليد) أقل أيضًا لدى أطفال الأمهات اللواتي لا يتناولن مكملات حمض الفوليك مقارنة بأولئك الذين يتناولونه ، علاوة على ذلك ، يمكن أن يتأثر النمط الظاهري للفرد بتغذية الوالدين أو حتى الأجداد. تنطوي على آليات الوراثة اللاجينية.

الفأر agouti ينتج الجين جزيء إشارات ينظم الخلايا المنتجة للصبغة وخلايا الدماغ التي تؤثر على التغذية ووزن الجسم. عادة، agouti يتم إسكاته بواسطة المثيلة ، وتكون هذه الفئران بنية ولها وزن طبيعي. متي agouti يتم إزالة الميثيل عن طريق تغذية مواد كيميائية معينة أو عن طريق تحور الجين الذي يتحكم في المثيلة ، وتصبح بعض الفئران صفراء وتزيد الوزن ، على الرغم من أن تسلسل الحمض النووي الخاص بها يظل دون تغيير. agouti ويمكن استعادة الوزن الطبيعي وتصبغ النسل إذا تم تغذية أمهاتهن بحمض الفوليك والفيتامينات الأخرى أثناء الحمل.

تقدم دراسة لقرية سويدية معزولة تسمى Överkalix مثالاً على وراثة عوامل التغذية عبر الأجيال. سمحت السجلات التاريخية التفصيلية للباحثين باستنتاج الحالة الغذائية للقرويين منذ عام 1890 ، ثم درس الباحثون صحة جيلين من نسل هؤلاء القرويين باستخدام السجلات الطبية. تم العثور على ارتباط كبير بين خطر وفاة الأحفاد وتوافر الغذاء لأجدادهم من الأب ، ولم يظهر هذا التأثير في الحفيدات. علاوة على ذلك ، فإن تغذية الجدات من الأب ، أو أي من أجداد الأم لم تؤثر على صحة الأحفاد. لذلك تم اقتراح أن المعلومات اللاجينية التي تؤثر على الصحة (على وجه التحديد مرض السكري وأمراض القلب) تم نقلها من الأجداد ، إلى الأحفاد ، من خلال سلالة الذكور.

Vernalization كمثال على علم التخلق

العديد من الأنواع النباتية في المناطق المعتدلة الحولية الشتوية، مما يعني أن بذورها تنبت في أواخر الصيف ، وتنمو بشكل نباتي خلال أوائل الخريف قبل أن تدخل مرحلة نائمة خلال فصل الشتاء ، وغالبًا ما تكون تحت غطاء من الثلج. في الربيع ، يستأنف النبات النمو ويكون قادرًا على إنتاج البذور قبل الأنواع الأخرى التي نبتت في الربيع. لكي تعمل إستراتيجية الحياة هذه ، يجب ألا يستأنف الشتاء السنوي النمو أو يبدأ إنتاج الزهور حتى ينتهي الشتاء. ترقيم هو الاسم الذي يطلق على شرط تجربة فترة طويلة من درجات الحرارة الباردة قبل الإزهار.

كيف يشعر النبات أن الشتاء قد مضى؟ لا يمكن أن تكون إشارة استئناف النمو مجرد درجة حرارة الهواء الدافئ ، لأن الأيام الدافئة العرضية ، تليها فترات طويلة من التجمد ، شائعة في المناخات المعتدلة. اكتشف الباحثون أن الحولية الشتوية تستخدم آليات الوراثة اللاجينية لاستشعار و "تذكر" أن الشتاء قد حدث

لحسن الحظ بالنسبة للباحثين المهتمين بالتصنيع ، فإن بعض أنواع نبات الأرابيدوبسيس هي نباتات شتوية. من خلال التحليل الطفري لأرابيدوبسيس ، وجد الباحثون أن الجين يسمى FLC (زهرة ج) يقوم بتشفير مثبط النسخ الذي يعمل على العديد من الجينات المشاركة في المراحل المبكرة من الإزهار (الشكل ( PageIndex {16} )). في الخريف وتحت الظروف الدافئة الأخرى ، تكون الهستونات المرتبطة FLC هي الأسيتيل وهكذا FLC يتم نسخها على مستويات عالية ؛ لذلك يتم قمع التعبير عن الجينات المزهرة تمامًا. ومع ذلك ، استجابةً لدرجات الحرارة الباردة ، تقوم الإنزيمات تدريجياً بإزالة أسيتيل الهستونات المرتبطة FLC. كلما استمرت درجات الحرارة الباردة لفترة أطول ، تمت إزالة المزيد من مجموعات الأسيتيل من FLC- هيستونات مرتبطة ، حتى أخيرًا FLC لم يعد يتم نسخ الموضع وأصبح الجينات المزهرة حرة في الاستجابة للإشارات البيئية والهرمونية الأخرى التي تحفز الإزهار في وقت لاحق من الربيع. لأن حالة نزع الأسيتيل FLC يتم توريثها عندما تنقسم الخلايا وينمو النبات في أوائل الربيع ، وهذا مثال على نوع من الذاكرة الخلوية بوساطة آلية جينية.


علم التخلق

استعانت New England Biolabs بخبرتها البالغة 40 عامًا في علم الإنزيمات لتطوير العديد من الحلول لأبحاث التخلق ، بما في ذلك NEBNext & reg Enzymatic Methyl-seq (EM-seq & trade) ومجموعة منتجات EpiMark & ​​reg.

تتوفر الآن طريقة جديدة لتحليل مثيلة الحمض النووي على مستوى القاعدة الفردي ، NEBNext Enzymatic Methyl-seq (NEB # E7120). تقلل هذه التقنية القائمة على الإنزيم من الضرر الذي يلحق بالحمض النووي وتنتج مكتبات عالية الجودة تتيح الكشف الفائق لـ 5mC و 5hmC من قراءات تسلسل أقل.

تعمل مجموعات EpiMark سهلة الاستخدام على تبسيط الكشف عن مثيلة الحمض النووي (5mC) والتحليل الهيدروكسي ميثيل (5hmC) ، بالإضافة إلى تحليل ChIP والهيستون والنيوكليوزوم. الكواشف اللاجينية الفردية القابلة للتطبيق بشكل مستقل تكمل أيضًا مجموعات EpiMark & ​​reg. إن إنزيمات NEB's methylation- و hydroxymethylation- الحساسة أو التابعة ، و DNA methyltransferases و DNA الضوابط كلها مفيدة لرسم خرائط لتعديلات DNA و methylating DNA في مواقع محددة لدراسات التعبير الجيني. يعمل لدينا بروتين ميثيل ترانسفيرازات وهستونات المؤتلف بكفاءة في دراسات تعديل البروتين وتوصيفه. يمكن استخدام مجموعتنا من الحمض النووي الجيني المعدل وغير المعدلة كعناصر تحكم للكشف عن مثيلة الحمض النووي. إن سلسلة الأجسام المضادة الخاصة بنا من الحمض النووي البشري (السيتوزين -5) ميثيل ترانسفيراز (DNMT) مناسبة بشكل مثالي للبقع الغربية والتراكم المناعي.

تم تصميم مجموعة Epigenetics الكاملة لدينا بخبرة للبحث والاكتشاف الأمثل.

EpiMark & ​​reg هي علامة تجارية مسجلة لشركة New England Biolabs، Inc.
تُعد EM-seq & trade علامة تجارية لشركة New England Biolabs، Inc.


تكيف جيني لجين ناقل السيروتونين المشيمي (SLC6A4) مع سكري الحمل

اختبرنا الفرضية القائلة بأن داء السكري الحملي (GDM) يغير نمط مثيلة الحمض النووي لجين ناقل السيروتونين الجنيني (SLC6A4) ، وفحصنا الصلة الوظيفية لمثيلة الحمض النووي لتنظيم تعبير SLC6A4 في المشيمة البشرية. اشتملت الدراسة على 50 زوجًا من الأمهات والرضع. تم تشخيص 18 من الأمهات مع GDM و 32 كان لديهن تحمل الجلوكوز الطبيعي (NGT). كان جميع الأطفال حديثي الولادة بوزن طبيعي عند الولادة وولدوا عند الولادة بعملية قيصرية مخطط لها. تم عزل الحمض النووي والحمض النووي الريبي من عينات الأنسجة التي تم جمعها من جانب الجنين من المشيمة بعد الولادة مباشرة. تم قياس كمية مثيلة الحمض النووي في 7 مواقع CpG داخل منطقة المروج البعيدة SLC6A4 باستخدام تضخيم PCR للحمض النووي المعالج بيسلفيت وتسلسل الحمض النووي اللاحق. تم قياس مستويات SLC6A4 mRNA عن طريق النسخ العكسي الكمي PCR (RT-qPCR). تم التنميط الجيني لتعدد الأشكال الوظيفية SLC6A4 (5HTTLPR ، STin2 ، rs25531) باستخدام الإجراءات القياسية القائمة على PCR. انخفض متوسط ​​مثيلة الحمض النووي عبر المواقع السبعة التي تم تحليلها في GDM مقارنة بمجموعة NGT (بنسبة 27.1٪ ، p = 0.037) ومرتبط بشكل سلبي ، قبل وبعد التعديل من أجل التعارض المحتمل ، مع مستويات الجلوكوز في بلازما الأم في اليوم الرابع والعشرين. إلى الأسبوع الثامن والعشرين من الحمل (p & lt0.05). ارتبطت مستويات SLC6A4 mRNA في المشيمة ارتباطًا عكسيًا بمتوسط ​​مثيلة الحمض النووي (p = 0.010) بينما لم يتم العثور على ارتباط ذي دلالة إحصائية مع الأنماط الجينية SLC6A4 (p & gt0.05). تشير النتائج إلى أن مثيلة الحمض النووي لجين SLC6A4 الجنيني حساسة لحالة التمثيل الغذائي للأم أثناء الحمل. كما أنها تشير إلى الدور الغالب للتخلّق فوق الجيني على الآليات الجينية في تنظيم تعبير SLC6A4 في المشيمة البشرية. هناك حاجة لدراسات طولية في مجموعات أكبر للتحقق من هذه النتائج وتحديد الدرجة التي قد تساهم بها تغييرات SLC6A4 المشيمية في النتائج طويلة الأمد للرضع المعرضين لـ GDM.

بيان تضارب المصالح

تضارب المصالح: أعلن المؤلفون أنه لا توجد مصالح متنافسة.

الأرقام

الشكل 1. موقع وتسلسل ...

الشكل 1. موقع وتسلسل SLC6A4 منطقة المروج المستهدفة بتحليلات مثيلة الحمض النووي.

الشكل 2. المشيمة SLC6A4 ترتبط مستويات المثيلة ...

الشكل 2. المشيمة SLC6A4 ترتبط مستويات المثيلة بتركيزات الجلوكوز عند صيام الأم والمشيمة SLC6A4 ...

الشكل 3. المشيمة SLC6A4 مستويات mRNA وفقًا ...

الشكل 3. المشيمة SLC6A4 مستويات mRNA وفقًا لحالة تحمل الجلوكوز لدى الأم و 5-HTTLPR /…


حالة من مرفق الإنتاج الفني

تتوافق منشأة الإنتاج الخاصة بنا مع أعلى المعايير في الصناعة والتي تشمل ISO و GMP وتسجيل FDA و HACCP و SALSA. لضمان حصولك على منتج بأعلى جودة ، تم اختبار جميع مكوناتنا بدقة & # 8211 ما تضعه هو الأفضل على الإطلاق.

نحن نجمع بين منشأة إنتاج غرفة نظيفة مع الدقة والاهتمام بالتفاصيل لموظفينا المدربين. ينتج عن هذا إنشاء الصيغ في أنظف بيئة ، مما يعني أنها & # 8217 ستكون أكثر فعالية في نظامك. نحن نؤمن بإنتاج أنقى المنتجات الطبيعية عالية الجودة لعملائنا.


علم التخلق & # 8211 هو & # 8217s ليس فقط الجينات التي تجعلنا

نظرة سريعة: في معناه الحديث ، علم التخلق هو المصطلح المستخدم لوصف الوراثة بآليات أخرى غير من خلال تسلسل الحمض النووي للجينات. يمكن أن تنطبق على الخصائص التي تنتقل من الخلية إلى خلاياها الوليدة في انقسام الخلية وعلى سمات كائن حي بأكمله. إنه يعمل من خلال العلامات الكيميائية المضافة إلى الكروموسومات التي تعمل في الواقع على تشغيل الجينات أو إيقاف تشغيلها.

اكتشف الباحثون الذين يدرسون الدودة المجهرية Caenorhabditis elegans مؤخرًا مجموعة من الطفرات التي أطالت عمر الديدان & # 8217 الطبيعي 2-3 أسابيع بنسبة تصل إلى 30٪. كان هذا مثيرًا ، لأسباب ليس أقلها أن الاكتشافات في الحيوانات مثل الديدان الأسطوانية يمكن أن تساعدنا أحيانًا في فهم عمليات مثل الشيخوخة عند البشر. لم تكن هذه نهاية القصة ، حيث وجد الباحثون أن أحفاد الديدان المستديرة طويلة العمر يمكن أن يعيشوا أيضًا أطول من المعتاد ، حتى لو ورثوا النسخة غير المتحولة من الجينات من والديهم. يبدو أن هذا & # 8217t يبدو منطقيًا في البداية بالتأكيد خصائص مثل لون الشعر والطول وحتى المدة التي يمكن أن نعيشها نحن أو دودة مجهرية يمكن أن نعيشها في تسلسل الحمض النووي للجينات التي ورثناها من آبائنا. إذن كيف يمكننا حل لغز كيف ورثت الديدان الأسطوانية الخاصية طويلة العمر ، دون أن ترث تسلسل الحمض النووي الذي تسبب في البداية؟ الجواب هو علم التخلق.

إنه & # 8217s ليس كل شيء في حمضك النووي

باختصار ، الوراثة اللاجينية هي دراسة الخصائص أو "الأنماط الظاهرية" التي لا تنطوي على تغييرات في تسلسل الحمض النووي ، وتعد الديدان المستديرة طويلة العمر مجرد مثال واحد من العديد من الأمثلة. البعض الآخر ، كما سنرى أدناه ، يشمل كيف يمكن أن يظهر نحل عسل الملكات والعاملات بشكل مختلف تمامًا على الرغم من كونهما متطابقين وراثيًا ، وكيف يمكن للجوع في البشر أن يؤثر على صحة وطول عمر الجيل التالي ، ولماذا كل قطط ذبل السلحفاة أنثى وحتى كيف نحن كلها تتطور من خلية واحدة (بويضة مخصبة) لتنتهي بأجسام تحتوي على أنواع مختلفة من الخلايا المتخصصة ولكنها تحتوي جميعها على نفس الجينات وتسلسل الحمض النووي.

إذن ما هو علم التخلق؟

هناك طريقة أخرى للنظر إلى الوراثة اللاجينية مثل هذا بينما يصف علم الوراثة التقليدي الطريقة التي يتم بها تمرير تسلسل الحمض النووي في جيناتنا من جيل إلى جيل آخر ، يصف علم التخلق تمرير الطريقة التي يتم بها استخدام الجينات. لعمل تشبيه الكمبيوتر ، فكر في علم التخلق على أنه بيانات وصفية ، معلومات تصف وترتب البيانات الأساسية. إذا كنت تمتلك مشغل MP3 على سبيل المثال ، فسيحتوي على الكثير من البيانات ، ملفات MP3. فكر في هذه على أنها مناظرة للجينات. ولكن من المحتمل أيضًا أن يكون لديك قوائم تشغيل أو يمكنك تشغيل مقطوعات موسيقية حسب الفنان أو النوع. هذه المعلومات وقائمة التشغيل والفنان والنوع وما إلى ذلك هي بيانات وصفية. إنه يحدد المسارات التي يتم تشغيلها وبأي ترتيب ، وهذا ما يعنيه علم التخلق في علم الوراثة. إنها مجموعة من العمليات التي تؤثر على الجينات التي يتم تشغيلها أو "التعبير عنها" ، كما يقول علماء الأحياء الجزيئية.

كيف يعمل علم التخلق؟

لذا فإن علم التخلق يتعلق بكيفية التعبير عن الجينات واستخدامها ، بدلاً من تسلسل الحمض النووي للجينات نفسها ، ولكن كيف يعمل هذا؟ عكف العديد من الباحثين على دراسة علم التخلق المتوالي على مدى العقود القليلة الماضية ، وهو حاليًا مجال نشاط بحثي مكثف. نحن نعلم أن جزءًا من كيفية عمل علم التخلق هو عن طريق إضافة وإزالة العلامات الكيميائية الصغيرة إلى الحمض النووي. يمكنك التفكير في هذه العلامات على أنها ملاحظات لاصقة تسلط الضوء على جينات معينة بمعلومات حول ما إذا كان يجب تشغيلها أو إيقاف تشغيلها. في الواقع ، تسمى العلامة الكيميائية المعنية مجموعة الميثيل (انظر الرسم البياني 1) ويتم استخدامه لتعديل أحد القواعد الأربعة أو "الحروف الكيميائية" ، A و C و T و G ، التي تشكل الشفرة الجينية للحمض النووي الخاص بنا. الحرف الذي تم وضع علامة عليه هو C أو cytosine وعندما يتم تعديله أو ميثليته يطلق عليه 5-methyl cytosine. تضاف مجموعات الميثيل إلى الحمض النووي عن طريق إنزيمات تسمى نقل ميثيل الحمض النووي (DNMTs).

الرسم التخطيطي 1.علامتان كيميائيتان ، مجموعات الميثيل والأسيتيل التي تعتبر مركزية للظواهر اللاجينية والتركيب الكيميائي للسيتوزين و 5-ميثيل السيتوزين في الحمض النووي. يشكل الجزء الخماسي من الجزيء "العمود الفقري" المستمر للحمض النووي. يظهر واحد فقط من خيطي الحمض النووي اللذين يشكلان الحلزون المزدوج المألوف.

يتم تحديد حالة ملكة النحل جزئيًا عن طريق عدد أقل من علامات الميثيل

في معظم الحالات ، يؤدي المزيد من Cs الميثيلية في الحمض النووي للجين إلى إيقاف الجين. يزودنا نحل العسل بمثال جيد عن كيفية عمل ذلك. النحل العامل والملكة لهما أجسام مختلفة تمامًا ، فالملكة أكبر بكثير ، وعمرًا أطول ، وبطنها متضخم وتضع عدة آلاف من البيض ، في حين أن العمال الأصغر حجمًا عقيمون ولكن لديهم مهارات معقدة في البحث عن الطعام والتواصل. على الرغم من ذلك ، فإن الملكة والعاملين في الخلية هم من الإناث ومتطابقين وراثيًا. يكمن الدليل على كيفية حدوث ذلك في غذاء ملكات النحل ، وهو إفراز يتغذى على بعض اليرقات النامية ، مما يؤدي إلى تحول هذه اليرقات إلى ملكات بدلاً من عاملة. سنعود إلى غذاء ملكات النحل وخصائصه في صنع الملكات لاحقًا ، ولكن أظهر بحث رائع أنه إذا تم تقليل كمية مجموعة الميثيل التي تضيف إنزيم DNMT بشكل مصطنع في يرقات النحل ، فإن اليرقات تطورت إلى ملكات ، حتى لو كانت لم يتم إطعامهم غذاء ملكات النحل. وبالتالي ، يمكن قلب التبديل بين الملكة والعامل من خلال وفرة علامات الميثيل على الحمض النووي ليرقات النحل. يؤدي تقليل علامات الميثيل إلى تشغيل جين أو جينات خاصة في اليرقات النامية مما يؤدي إلى تطور اليرقات إلى ملكات وليس شغالات.

تعمل العلامات الموجودة على الذيول أيضًا على مفاتيح الجينات

ومع ذلك ، فإن علامات ميثيل الحمض النووي ليست سوى جزء واحد من القصة. في خلايا جميع النباتات والحيوانات ، يتم تغليف الحمض النووي أو لفه في نيوكليوسومات حيث يتم لف الحلزون المزدوج للحمض النووي حول لب مركزي من البروتين (ارى الرسم البياني 2). يتم لف حوالي 150 حرفًا من الحمض النووي (أو أزواج القواعد) حول كل جسيم نووي ، وهذا يساعد في تجميع 3 مليارات زوج أساسي من الشفرة الجينية في كل خلية من خلايانا. النيوكليوسومات صغيرة جدًا بحيث لا يمكن رؤيتها باستخدام المجاهر التقليدية ، لكن علماء الأحياء يستخدمون تقنية تسمى حيود الأشعة السينية لتحديد شكل وتنظيم الأجسام مثل النيوكليوزومات ، وفي عام 1997 كشفت هذه التقنية عن البنية الجميلة للنيوكليوزومات بدقة عالية - انظر (http : //www.rcsb.org/pdb/explore/explore.do؟ architectureId = 1aoi).

الشكل 2. يتم لف الحلزون المزدوج المألوف للحمض النووي DNA (الأزرق) حول النيوكليوسومات (الأسطوانات الرمادية) في الخلايا. يمكن لف سلسلة النيوكليوسومات في خيوط أكثر سمكًا ، تسمى ألياف 30 نانومتر ويمكن لفها بشكل أكبر في ألياف كروماتين أكثر سمكًا. عندما يتم تشغيل الجينات على نيوكليوسوماتها تكون غير ملفوفة أكثر مثل ألياف 10 نانومتر.

النيوكليوسومات مضغوطة ، لكن نهايات أو "ذيول" البروتينات التي تشكل الجسيم النووي ، والتي تسمى الهستونات ، تنبثق من بنية النواة المدمجة. مثل علامات الميثيل الموجودة على الحمض النووي ، يمكن أيضًا إضافة علامات كيميائية صغيرة إلى ذيول الهيستون هذه (انظر الرسم البياني 3). اثنتان من العلامات الكيميائية التي تمت إضافتها إلى هذه التيول هي مجموعات الأسيتيل ومجموعات الميثيل. يمكن إضافة الميثيل والأسيتيل وبعض الأنواع الأخرى من العلامات إلى ذيول في عدد كبير من التوليفات وهذا يؤثر على ما إذا كان الجين الأساسي قيد التشغيل أو الإيقاف. في الواقع ، يمكن إيقاف الجينات على الفور (وهذا ما يسمى إسكات) ، أو ممتلئًا ، أو في مكان ما بينهما بواسطة علامات ميثيل الحمض النووي وعلامات ذيل هيستون. يمكن أن يؤثر الجمع بين علامات الحمض النووي والهيستون أيضًا في مدى سهولة تشغيل الجين أو إيقاف تشغيله.

الرسم التخطيطي 3. يمكن إضافة العلامات الكيميائية إلى "ذيول" بروتينات الهيستون التي تشكل النيوكليوزومات. أسطوانة رمادية ، خطوط سوداء منحنية نيوكليوسوم ، ذيول هيستون دوائر خضراء ، علامات ميثيل مثلثات حمراء ، علامات أسيتيل سداسي موف ، أنواع أخرى من العلامات.

عندما تنقسم الخلايا

عندما تنقسم الخلايا ، يتم تكرار تسلسل الحمض النووي بالكامل من الخلية الأصلية (3 مليارات زوج قاعدي موجودة في 23 زوجًا من الكروموسومات في خلية بشرية) بحيث تتلقى كلتا الخليتين الوليدين نسخة طبق الأصل. قد تسأل ، ماذا يحدث لكل تلك العلامات اللاجينية؟ لقد عرفنا منذ بعض الوقت أن علامات ميثيل الحمض النووي يتم نسخها أيضًا ، بحيث يكون لكل من الخلايا الوليدة نفس نمط مثيلة الحمض النووي. نحن نعلم الآن أن نمط علامات هيستون يتكرر أيضًا في الغالب مع انقسام الخلايا ، على الرغم من أن هذا غير مفهوم جيدًا حاليًا. ومع ذلك ، فإن الانقسام الخلوي هو أيضًا وقت يمكن فيه بسهولة تغيير العلامات اللاجينية.

عودة الدودة طويلة العمر

في البداية ، صادفنا قصة الديدان المجهرية طويلة العمر التي تجاوزت طول عمر نسلها حتى لو لم يرث نسلها الجين المتغير (الطفرة) التي تسببت في الأصل في إطالة العمر. نحن الآن في وضع يسمح لنا بشرح هذه النتيجة التي تبدو غريبة. في معظم الحالات ، تحتوي الجينات على المعلومات اللازمة لتكوين جزيء بروتيني ، وقد تكون جزيئات البروتين إنزيمات تقوم بتفاعلات كيميائية في الخلية ، أو أجزاء من بنية الخلية نفسها. اتضح أن الجينات التي تم تحويرها في دراسة الدودة تصنع بروتينات تعمل معًا لإضافة علامة ميثيل إلى النيوكليوزومات. هذه العلامة هي مفتاح التشغيل. عندما تم تحور واحد أو أكثر من الجينات ، كانت هذه العلامة غائبة وتم إيقاف تشغيل العديد من الجينات ، بما في ذلك بعض الجينات المتورطة في الشيخوخة ، وكان عمر الديدان أطول. الشيء غير المتوقع هو أن العلامات اللاجينية كان يُعتقد أنها تمحى تمامًا أو تمت إعادة ضبطها أثناء تكوين الحيوانات المنوية والبويضة ، وبالتالي على عكس الجينات نفسها ، لا ينبغي أن تنتقل إلى الجيل التالي. لكن هذه النتيجة وغيرها من الأبحاث التي تظهر أن هذا ليس هو الحال دائمًا وأنه في بعض الأحيان ، يتم نقل نمط العلامات اللاجينية.

كيف تصنع ملكة

وسواء أصبحت يرقات نحل العسل عاملة أو ملكة ، فإن ذلك يعتمد على مفتاح جيني ، ويبدو أن هذا التحول "انقلب" بواسطة غذاء ملكات النحل. ولكن ما الذي يميز غذاء ملكات النحل الذي يقود يرقة كانت ستكبر لتصبح عاملة لتصبح ملكة؟ تكمن الإجابة في فهم أن العلامات الكيميائية الفردية التي تضاف إلى ذيول الهيستونات للنيوكليوسومات يتم مراجعتها باستمرار بواسطة الخلية. تتم إضافة علامات الأسيتيل بواسطة إنزيمات تسمى هيستون أسيتيل ترانسزاس ويتم إزالتها أو محوها بواسطة مجموعة ثانية من الإنزيمات تسمى هيستون ديسيتيلاسز (HDACs). يوجد هذان الإنزيمان في معظم الخلايا وهذا يسمح للجينات بالتشغيل أو الإيقاف مع مرور الوقت.

المزيد من علامات الأسيتيل تساعد في تقديم حالة ملكة النحل

في الآونة الأخيرة ، شرع الباحثون في تحديد المركبات الموجودة في غذاء ملكات النحل التي يمكن أن تغير هذه العملية ، وما وجدوه كان شيئًا يعرف باسم مثبط HDAC. كان هذا مركبًا كيميائيًا بسيطًا نسبيًا موجودًا في غذاء ملكات النحل والذي يوقف عمل إنزيمات HDAC التي تزيل عادةً علامات الأسيتيل من الهستونات. ينتج عن هذا تراكم علامات الأسيتيل في خلايا أجنة النحل ، ومثل الانخفاض في مجموعات ميثيل الحمض النووي الموصوفة سابقًا ، يُعتقد أن هذا يؤدي إلى تشغيل الجينات الرئيسية المطلوبة لتطوير ملكة. بدون مثبط HDAC في غذاء ملكات النحل ، تتبع اليرقات مجموعة "افتراضية" من التعليمات الجينية وتتطور إلى عاملة.
لا تعد مثبطات HDAC مهمة لملكات النحل فحسب ، ولكنها أيضًا جزء من عدد صغير ولكنه متزايد من الأدوية المفيدة طبياً التي تستهدف العلامات اللاجينية والتي تكون مفيدة في علاج بعض أنواع السرطان. علاوة على ذلك ، تلعب HDACs أيضًا دورًا في الطريقة التي تشكل بها أدمغتنا الذكريات ، وقد يكون للأدوية الجديدة التي تؤثر على أستلة هيستون دور في المستقبل في علاج ضعف الذاكرة لدى المرضى المسنين.

البيئة وعلم التخلق

لقد رأينا كيف يتم تحديد الفرق بين نحلة الملكة والعاملات من خلال التعرض لمادة كيميائية تغير العلامات اللاجينية بشكل مباشر مثل مجموعات الأسيتيل ولكن هناك أمثلة حيث تؤثر التغذية أو جوانب أخرى من البيئة على السكان بطريقة يمكن تفسيرها بواسطة علم التخلق؟ من الواضح أننا لا نستطيع إجراء تجارب على البشر كما نستطيع على الديدان أو النحل المجهرية ، لكن في بعض الأحيان التاريخ البشري أو الظواهر الطبيعية تفعل ذلك لنا. أحد الأمثلة على ذلك هو ما يُعرف باسم شتاء الجوع الهولندي. في العام الأخير من الحرب العالمية الثانية في أوروبا ، أدى الحظر الغذائي الذي فرضته القوات الألمانية المحتلة على السكان المدنيين في هولندا إلى مجاعة شديدة ، تزامنت مع شتاء قارس بشكل خاص. توفي حوالي 20000 شخص من الجوع حيث انخفضت الحصص الغذائية إلى أقل من 1000 سعر حراري في اليوم. على الرغم من فوضى الحرب ، ظلت الرعاية الطبية والسجلات سليمة مما سمح للعلماء لاحقًا بدراسة تأثير المجاعة على صحة الإنسان. ما وجدوه هو أن الأطفال الذين كانوا في الرحم أثناء المجاعة عانوا من زيادة مدى الحياة في فرصهم في تطوير مشاكل صحية مختلفة مقارنة بالأطفال الذين تم تصورهم بعد المجاعة. الفترة الأكثر حساسية لهذا التأثير كانت الأشهر القليلة الأولى من الحمل. وهكذا ، يبدو أن شيئًا ما يحدث مبكرًا في الرحم ويمكن أن يؤثر على الفرد لبقية حياتهم.

يمكن أن تنتقل التأثيرات فوق الجينية أحيانًا إلى الأحفاد

والأكثر إثارة للدهشة هو أن بعض البيانات تشير إلى أن أحفاد النساء اللائي كن حوامل خلال شتاء الجوع يعانون من بعض هذه التأثيرات. مما ناقشناه بالفعل ، يشير هذا بقوة إلى آلية جينية. في الواقع ، يستمر البحث مع عائلات Hunger Winter الهولندية ، وهناك دراسة حديثة تبحث في الجين IGF2 وجدت مستويات أقل من علامة الميثيل في الحمض النووي لهذا الجين لدى الأفراد الذين تعرضوا للمجاعة قبل الولادة. بالرغم ان IGF2 قد لا يكون هو نفسه متورطًا في زيادة خطر الإصابة بسوء الصحة لدى هؤلاء الأشخاص ، فإنه يُظهر أن التأثيرات اللاجينية (أي تقليل عدد علامات الميثيل على جينات معينة) التي يتم إنتاجها قبل الولادة يمكن أن تستمر لعقود عديدة. وجدت الدراسات التي أجريت على الحيوانات أيضًا أن النظام الغذائي للأم يمكن أن يكون له تأثيرات على نسلها. على سبيل المثال ، يؤدي إطعام الأغنام بنظام غذائي يفتقر إلى أنواع الطعام اللازمة لصنع مجموعات الميثيل إلى نسل ذي أنماط متغيرة من مثيلة الحمض النووي والتي لديها معدلات أعلى من المتوقع لمشاكل صحية معينة.

علم التخلق والطبع ، لماذا لا تكون الجينات من الأب والأم متكافئة دائمًا

لدينا جميعًا 23 زوجًا من الكروموسومات في خلايانا. لكل زوج واحد من الأم والآخر من الأب. وبالتالي ، فإننا نرث نسخة واحدة من كل جين من كل والد ونفترض عمومًا أن وظيفة الجين لا تعتمد على الوالد الذي جاء منه. ومع ذلك ، فإن الأمور مختلفة بالنسبة للجينات المطبوعة. بالنسبة لهذه الجينات ، تكون نسخة الأم أو الأب من الجين نشطة ، بينما تظل النسخة الأخرى صامتة. هناك ما لا يقل عن 80 جينًا مطبوعًا في البشر والفئران ، يشارك الكثير منها في نمو الجنين أو المشيمة. كيف يمكن إيقاف نسخة واحدة من الجين بينما يتم تشغيل النسخة الأخرى في نفس الخلية؟ الجواب هو علم التخلق. ربما يكون الجين المطبوع الأكثر دراسة هو IGF2(أنظر فوق). جزء واحد من IGF2 تعمل كمفتاح. إذا تم ميثلة الحمض النووي هنا ، فإن IGF2 يمكن التعبير عن الجين. يتم ميثلة المفتاح فقط في نسخة أبي من الجين ولذا يتم التعبير عن هذه النسخة فقط ، في حين أن نسخة الأم صامتة. يُعتقد أن هذا المفتاح قد تم إعداده في الأمشاج (البويضات والحيوانات المنوية) ، لذا فمنذ البداية ، تم تصنيف الجينات المستلمة من الأم وتلك من الأب بشكل مختلف باستخدام العلامات اللاجينية وبالتالي فهي ليست متكافئة.

الطبع والاضطرابات النفسية

إن متلازمات أنجلمان وبرادر ويلي هما حالتان وراثيتان مختلفتان لهما أعراض مختلفة ، وكلاهما ناجم عن فقدان جزء من الكروموسوم 15. والأطفال الذين يرثون نسخة واحدة من هذا الكروموسوم الخاطئ يصابون إما بمتلازمة أنجلمان أو برادر ويلي ، على الرغم من وجود نسخة طبيعية من الكروموسوم من والدهم الآخر. إذن كيف تؤدي نفس الطفرة (فقدان جزء من الكروموسوم 15) إلى هاتين الحالتين المختلفتين؟ تكمن الإجابة في اكتشاف أن هذه القطعة المعينة من الكروموسوم 15 تحتوي على عدد من الجينات المطبوعة ، لذلك يتم التعبير عن نسخة الأب أو الأم فقط من هذه الجين ، ويعتمد ظهور المتلازمتين على ما إذا كان الحذف في الأم أو الأم. كروموسوم موروث أبويًا. عندما يتم توريث الكروموسوم الخاطئ من الأب ، لا توجد نسخة وظيفية من الجينات المطبوعة التي تم إيقاف تشغيلها على كروموسوم الأم 15 والنتيجة هي متلازمة أنجلمان والعكس صحيح لمتلازمة برادر ويلي. هذا يختلف تمامًا عن معظم الحالات الوراثية مثل التليف الكيسي ، حيث لا يظهر التأثير على النمو أو الصحة إلا عندما يتم توريث الجين أو الجينات الطافرة من كلا الوالدين.

الأولاد مقابل البنات ، كيفية فصل كروموسوم كامل

القليل من علم الوراثة الذي يعرفه معظمنا هو ما يجعل الصبي ولدا والفتاة فتاة. إنه الكروموسومات X و Y. في بداية وجودنا ، حصل كل منا على كروموسوم X واحد من أمهاتنا عبر البويضة ، وبينما تلقت الفتيات كروموسوم X آخر من آبائهن ، عن طريق الحيوانات المنوية ، حصل الأولاد على كروموسوم Y. يوجه كروموسوم Y الموجود في خلايا الجنين الذكري التطور إلى صبي ، بينما يتطور جنين الأنثى مع اثنين من الكروموسوم X ولا يوجد Y إلى فتاة. الآن ، قد تلاحظ وجود خلل هنا. لدينا جميعًا اثنين من كل الكروموسومات الأخرى ، ولكن بالنسبة للكروموسومات الجنسية (X و Y) ، فإن الفتيات لديهن Xs بينما الأولاد لديهم X واحد فقط (و Y). بينما يحتوي كروموسوم Y على عدد قليل من الجينات ، معظمها منخرط في "الذكورة" ، يحتوي الكروموسوم X على عدد قليل جدًا من الجينات المشاركة في عمليات مهمة مثل رؤية الألوان ، وتجلط الدم ، ووظيفة العضلات. من أجل زيادة "جرعة" جينات الكروموسوم X بين الخلايا الذكرية والأنثوية ، يتم إيقاف كروموسوم X بأكمله في الخلايا الأنثوية. هذا يسمى تعطيل الكروموسوم X ويحدث في وقت مبكر جدا من الرحم. في هذه العملية ، تقوم الخلايا بإيقاف تشغيل كروموسوم X الخاص بالأب أو كروموسوم الأم بشكل عشوائي ، بحيث يكون جسدها عندما تولد طفلة خليطًا أو وهميًا من الخلايا حيث يتم إيقاف تشغيل الكروموسوم X الخاص بالأم أو الأب. الطريقة التي يحدث بها ذلك تتضمن نوع العلامات اللاجينية التي ناقشناها ، ومن المعروف منذ عقود أن الخلايا الأنثوية تحتوي على كروموسوم X مضغوط للغاية يسمى جسم بار والذي يمكن رؤيته تحت المجهر ، وهذا هو كروموسوم X غير النشط. .

حالة قطة السلحفاة

من المحتمل أننا جميعًا على دراية بقطط السلحفاة ومعاطفها المرقطة مع بقع من الفراء البرتقالي والأسود. ما قد لا تعرفه هو أن جميع القطط التي تحمل هذا النوع من المعطف تقريبًا من الإناث! والسبب في ذلك هو أن جين لون المعطف يقع على كروموسوم X الخاص بالقطط. هناك نسختان من هذا الجين ، تسمى "O" و "o" أحدهما يعطي فرو الزنجبيل والآخر يعطي اللون الأسود. ينتج عن نسختين من نفس الإصدار في قطة أنثى فراء زنجبيل أو أسود على التوالي ، لكن نسخة واحدة من كل منهما تعطي تأثير صدف السلحفاة. هذا يرجع إلى تعطيل الكروموسوم X. يتكون جلد هذه القطط من بقع من الخلايا حيث يتم تعطيل الكروموسوم X للأم أو الأب. ينتج عن هذا الجلد مع تشغيل الجين O وإسكاته في بعض البقع (الفراء البرتقالي) وجين o وإسكات O في بقع أخرى (الفراء الأسود) ، ومن هنا نمط صدف السلحفاة. نظرًا لأن القطط الذكور لديها كروموسوم X واحد فقط ، ولا يوجد تعطيل للكروموسوم X ، فهي إما برتقالية أو سوداء في كل مكان.

الوراثة اللاجينية ، هل يمكن أن تنتقل الحالات اللاجينية من جيل إلى آخر؟

كما رأينا من مثال الدودة المستديرة ، يمكن أحيانًا تمرير التأثيرات اللاجينية (في هذه الحالة العمر الطويل) من جيل إلى آخر ، على الرغم من أن التأثيرات يبدو أنها تستمر فقط لبضعة أجيال. هل توجد أمثلة حيث تنتقل التأثيرات اللاجينية إلى الأجيال اللاحقة في البشر أو الثدييات الأخرى؟ هناك بعض الأدلة على أن تأثيرات شتاء الجوع الهولندي قد أثرت على أحفاد النساء اللاتي كن حوامل أثناء المجاعة. وبالمثل ، في دراسة أجريت على سكان سويديين شماليين في القرن التاسع عشر عانوا من دورات مجاعة ووفرة ، يبدو أن كمية الطعام المتاحة أثرت على صحة الجيل التالي وطول عمرهم.

يمكن تحديد لون الشعر في الفأر عن طريق التأثير اللاجيني

ولعل أفضل مثال معروف للتأثيرات اللاجينية عبر الأجيال يقدمه الفأر Agouti الجين. يتحكم هذا الجين في لون الشعر ، ويتم تشغيله في الوقت المناسب تمامًا في خلايا بصيلات الشعر لإنتاج شريط أصفر في الشعر الغامق ، مما يؤدي إلى ما يسمى بطبقة agouti. لكن الفئران مع نوع معين من Agouti يسمى الجين آفي لها معاطف في أي مكان بين النمط الأصفر والظلام العادي (agouti) للفئران من النوع البري. كما تصاب الفئران الصفراء بالسمنة وتعاني من مشاكل صحية أخرى. لذلك آفي يبدو أن للجين تأثير متغير (في الواقع آفي تمثل متغير أصفر). لقد حيرت طريقة عمل هذا علماء الوراثة لسنوات ، لكن يمكننا الآن التعرف على هذا على أنه تأثير جيني. يحدث الفراء الأصفر بسبب آفي نسخة من Agouti الجين لديه ضوابط خاطئة ويتم تشغيله طوال الوقت. ومع ذلك ، غالبًا ما تُضاف علامات الميثيل إلى تسلسل التحكم الخاطئ في الحمض النووي وهذا يميل إلى إيقاف تشغيل الجين ، مما يؤدي إلى ظهور الفراء agouti المرقط أو الداكن في الفئران الفردية. ولدت الجراء لسدود مع آفي يتراوح لون الجين من الأصفر إلى الغامق ، ولكن النسبة تعتمد على لون معطف أمهات الأمهات من الإناث الغامقة (agouti) وهي أكثر عرضة لاحتواء الجراء الداكنة. علاوة على ذلك ، لوحظ وجود نسبة أعلى من النسل الداكن إذا كان لون الأم والجدة داكنًا. لذا فإن التلوين agouti ، والذي يتم تحديده جينيًا (من خلال عدد علامات الميثيل على آفي الجين) إلى حد ما ، ينتقل من جيل إلى آخر.

لا تحمل البويضات والحيوانات المنوية عادة التأثيرات فوق الجينية

على الرغم من أنه يمكننا العثور على حالات حيث تستمر التأثيرات اللاجينية على ما يبدو من الآباء إلى الأبناء ، إلا أن هذا ليس هو الحال عادةً ويتم إعادة تعيين جميع المفاتيح أو العلامات اللاجينية تقريبًا في الخلايا الجرثومية (البويضات والحيوانات المنوية) وفي المراحل المبكرة جدًا من تطور الجنين. في الواقع ، إذا لم يكن الأمر كذلك ، فإن التطور المذهل للبويضة المخصبة إلى مخلوق مكتمل التكوين سيكون أمرًا مستحيلًا.

الانتقال من بويضة مخصبة إلى إنسان مكتمل التكوين ، كل هذا موجود في جينوم (epi)

لقد وصفنا حتى الآن بعض الحالات المحددة للتنظيم اللاجيني ، لكننا نعلم الآن أن علم التخلق بمعناه الواسع ، (كيف يتم التعبير عن الجينات واستخدامها ، بدلاً من تسلسل الحمض النووي للجينات نفسها) هو أمر أساسي لكيفية تمكن البويضة المخصبة في النهاية ينتج كائنًا كاملًا وكيف أن خلايا ، دعنا نقول بشرتك ، تظل خلايا جلدية وتختلف عن خلايا دماغك ، على الرغم من احتوائها على نفس الجينات تمامًا. بعد فترة وجيزة من الإخصاب ، يتكون الجنين البشري النامي من كرة من الخلايا تسمى الخلايا الجذعية الجنينية. كل من هذه الخلايا لديها القدرة على إنتاج أي نوع من أنواع الخلايا في الجسم مع نمو الجنين (على سبيل المثال ، خلايا المخ أو خلايا الجلد أو خلايا الدم).على النقيض من ذلك ، بعد 9 أشهر عندما يولد الطفل ، تلتزم معظم الخلايا التي يتكون منها جسده بأن تكون نوعًا معينًا من الخلايا ذات وظائف محددة. لذلك عندما تنقسم الخلايا ، تتطور كرة الخلايا الجذعية الجنينية تدريجياً إلى جميع أنواع الخلايا وهياكل الطفل عند الأوان. ولكي يحدث هذا ، يجب تشغيل أو إيقاف تشغيل آلاف الجينات في الأوقات المناسبة تمامًا وفي الخلايا الصحيحة أثناء نمو الجنين. على سبيل المثال ، الجينات التي تصنع بروتين الكيراتين الليفي الذي يمنح بشرتنا قوتها ، يتم تشغيلها فقط في خلايا الجلد وليس في الدماغ النامي والجينات المطلوبة لتطور خلايا الدماغ وجعل ترابطها في الدماغ ولكن ليس في الجلد.

أثناء التطور ، يجب تشغيل الجينات "تشغيل" و "إيقاف". تساعد العلامات فوق الجينية في ذلك

يتعلق مجال كبير جدًا من البحث اليوم بكيفية عمل كل هذا الجين الذي يعمل على إيقاف التشغيل ، ويستخدم جزء كبير من هذه العملية العلامات الكيميائية اللاجينية ، خاصة علامات الأسيتيل والميثيل هيستون. من أجل أن تكون هذه الخلايا الجذعية الجنينية قادرة على إنتاج جميع الأنواع الأخرى من الخلايا ، يتم (تقريبًا) إعادة ضبط مفاتيحها اللاجينية بالكامل مقارنة بالخلايا البالغة. لقد وضعت "تقريبًا" بين قوسين كما نعلم من الجينات المطبوعة والوراثة اللاجينية عبر الأجيال أن هناك استثناءات.

علم التخلق ، النعجة دوللي والأصدقاء

في فبراير 1997 ، أصبحت خروف تدعى دوللي أشهر مثال على نوعها ، حتى أنها أصبحت لفترة وجيزة من المشاهير في التلفزيون. سبب شهرتها هو أنها كانت أول حيوان ثديي يتم "تكوينه" من خلال عملية تسمى نقل نواة الخلية الجسدية ، أو بعبارة أخرى أول استنساخ من صنع الإنسان (من صنع الإنسان ليكون متميزًا عن التوائم المتطابقة ، الذين هم طبيعيون الحيوانات المستنسخة). تتطلب العملية التي أدت إلى ولادتها بويضة ناضجة (بيضة غير مخصبة) من أنثى واحدة وخلية عادية من ضرع الخروف الثاني. أولاً ، تمت إزالة النواة (الجزء الذي يحتوي على الحمض النووي) من البويضة. تم إجراء ذلك باستخدام مجهر خاص ، فعلى الرغم من أن البويضات كبيرة جدًا مقارنة بالخلايا الأخرى ، إلا أنها لا تزال صغيرة جدًا بحيث لا يمكن رؤيتها بالعين المجردة. ثم يتم إدخال نواة خلية الضرع في البويضة المستأصلة. وهكذا ، كان لدى دوللي ثلاث "أمهات": المتبرع بالبويضة ، والمتبرع بخلية الضرع والأغنام التي حملت الجنين النامي إلى نهايته. لم يشارك أي أب. على الرغم من أن هذه العملية كانت ، ولا تزال ، غير فعالة للغاية ، إلا أنها كانت أول دليل على أن الجينات من خلية ثديية بالغة يمكن "إعادة برمجتها جينيًا" إلى حالة الخلايا الجذعية الجنينية التي يمكن أن تتطور إلى أي نوع آخر من الخلايا. بعد ذلك تم تطبيق نفس العملية على أنواع أخرى وقد يكون لها استخدامات طبية في توليد الخلايا التي يمكنها إصلاح الأنسجة التالفة بسبب الإصابة أو المرض.

ملخص: مشروع epigenome و ENCODE - "مصادم الهادرونات الكبير" في علم الأحياء

في حين أن مصطلح "الجينوم" يشير إلى تسلسل الحمض النووي الكامل للكائن الحي (ثلاثة مليارات حرف منه للبشر) ، فإن الإيبيجينوم يشير إلى النمط الكامل من التعديلات اللاجينية عبر جميع الجينات ، بما في ذلك علامات الحمض النووي للميثيل ، وعلامات هيستون الميثيل ، وهستون الأسيتيل العلامات والعلامات الكيميائية الأخرى التي لم نذكرها ، في كل نوع خلية من الكائنات الحية. يمثل هذا قدرًا لا يمكن تخيله تقريبًا من المعلومات ، مما يؤدي إلى تقزيم حتى مشروع الجينوم البشري. ومع ذلك ، فإن معرفة الإبيجينوم ضرورية للإجابة الكاملة على بعض أكبر الأسئلة في علم الأحياء مثل: كيف نتطور من كرة من الخلايا المتطابقة إلى كائن حي كامل؟ لماذا نتقدم في العمر وكيف يمكننا فهم أمراض مثل السرطان بشكل أفضل؟ ليس من المستغرب إذن أن يكون علم التخلق والجينوم مجالًا كبيرًا للبحث. تم تضمين بعض الأبحاث في هذا المجال في مشروع ENCODE (موسوعة عناصر الحمض النووي) ، وهو مشروع مستمر لتحديد أنماط العلامات اللاجينية في العديد من أنواع الخلايا المختلفة للجينوم البشري بأكمله (http://genome.ucsc.edu) / ENCODE /). أحيانًا ما يتم تشبيه مشروع ENCODE بمصادم الهادرونات الكبير أو LHC في سويسرا. المصادم LHC هو أكبر قطعة من المعدات العلمية التي تم بناؤها على الإطلاق ، ويهدف علماء الفيزياء بإجراء التجارب إلى استكشاف التفاصيل الأساسية للمادة التي يتكون منها الكون. على الرغم من أن علماء الأحياء ليس لديهم (أو يحتاجون) مثل هذه القطعة المذهلة لأبحاثهم ، فإن الجهد المبذول لفحص تعقيد الإبيجينوم البشري قد تم تشبيهه بمشروع LHC نظرًا لحجمه وتعقيده وكمية المعلومات التي يتم إنشاؤها .

أخطاء جينية

علم التخلق هو مجال تتزايد فيه معرفتنا العلمية بسرعة. أحد الأشياء التي اكتشفها العلماء هو أن الأخطاء الوراثية اللاجينية شائعة في أمراض مثل السرطان والخلايا المسنة. ونتيجة لذلك ، يقوم العلماء بتطوير الأدوية التي تستهدف الإيبيجينومات المعيبة ، ومن الأمثلة الأولى استخدام مثبطات HDAC ، على غرار المركب الموجود في غذاء ملكات النحل. من دراسة الأنماط الغريبة للوراثة مثل البصمة الجينية ، الصفراء / agouti آفي الفأر ، والقطط المكونة بالكامل من ذبل السلحفاة وغيرها من الظواهر ذات الصلة ، اكتشف علماء الأحياء طبقة جديدة كاملة من المعلومات التي تقع "على قمة" تسلسل الحمض النووي لجيناتنا. تشرح هذه الاكتشافات الجديدة هذه الملاحظات المحيرة السابقة ، ولكن لديها أيضًا إمكانات كبيرة لفهم وعلاجات جديدة للأمراض البشرية.


خلفية

مثيلة الحمض النووي للسيتوزين (5-ميثيل سيتوزين (5mC)) هي علامة فوق جينية منتشرة في كل من الحيوانات والنباتات ، ويبدو أنها تلعب أدوارًا مهمة في العمليات البيولوجية المختلفة ، مثل إسكات الجينات وطبعها. في الآونة الأخيرة ، أظهرت الدراسات أن الخلايا الجذعية الجنينية (ESCs) والخلايا العصبية بوركينجي تحتوي على مستويات عالية من 5-هيدروكسي ميثيل سيتوزين (5hmC) [1 ، 2]. تم إثبات أن الإنسان TET1 ، وهو إنزيم يعتمد على 2-oxoglutarate- والحديد (II) ، يحفز تحويل 5mC إلى 5hmC على حد سواء في المختبر و في الجسم الحي [1]. بعد ذلك ، تبين أن جميع بروتينات الفئران Tet ، Tet1 و Tet2 و Tet3 ، قادرة على تحويل 5mC إلى 5hmC [3]. يرتبط الاضطراب في TET1 و TET2 البشري بأمراض مثل سرطان الدم المرتبط بـ MLL [4] واضطرابات التكاثر النقوي [5]. اقترحت الدراسات أن 5hmC يثبط بروتين ربط الميثيل- CpG MeCP2 من الحمض النووي المرتبط [6]. بالإضافة إلى استبعاد بروتينات ربط الميثيل- CpG ، قد يقوم 5hmC بتجنيد بروتين (بروتينات) ربط 5hmC غير معروف. علاوة على ذلك ، نظرًا لأن DNA methyltransferase DNMT1 يرتبط بشكل ضعيف بـ 5hmC [1 ، 7] ، فمن الممكن أن يلعب 5hmC دورًا في استبعاد DNMT1 من السيتوزينات الميثيلة وبالتالي قد يعزز إزالة ميثيل الحمض النووي. الأهم من ذلك ، يتضاءل 5hmC مع تمايز الخلايا الجذعية الجنينية (ESCs) ، مما يشير إلى أن 5hmC قد تلعب أدوارًا محددة في الخلايا الجذعية الجنينية. في الواقع ، لقد ثبت أن الماوس Tet1 مطلوب لصيانة ESC [3]. لا تزال وظيفة 5hmC في الثدييات غير مفهومة جيدًا. لفهم دور 5hmC بشكل أكبر ، من الضروري أن نفهم أين يتم توطين 5hmC في الجينوم. في الآونة الأخيرة ، تم الإبلاغ عن خريطة جينوم واسعة تبلغ 5hmC في مخيخ الفأر [8]. تم تعليم 5hmC كيميائيًا وإثراء التقارب ، وتم ترتيب تسلسل الحمض النووي المنقى. وجد المؤلفون أن 5hmC مخصب أكثر من الجينات ويرتبط بشكل إيجابي بمستويات التعبير [8].

في الآونة الأخيرة ، أصبحت الأجسام المضادة التجارية الخاصة بـ 5hmC متاحة. بينما تتعرف هذه الأجسام المضادة على وجه التحديد على 5hmC ، من المهم ملاحظة أنها تميل إلى تفضيل مواقع 5-hydroxymethylated بكثافة على مواقع 5hmC مفردة (الشكل S1 في ملف إضافي 1). هنا قمنا بإنشاء خرائط على مستوى الجينوم لـ 5hmC في ESCs البشرية (hESCs) عن طريق إجراء ترسيب مناعي هيدروكسي ميثيل DNA متبوعًا بالتسلسل المتوازي على نطاق واسع باستخدام محلل جينوم Illumina (hmeDIP-seq). كما فعلت سونغ وآخرون. [8] ، وجدنا أن جزءًا كبيرًا من قمم 5hmC تم إثرائها على الجينات. ومع ذلك ، وجدنا أيضًا أن 5hmC مخصب أكثر من معززات hESC المتوقعة ، مما يشير إلى دور محتمل لـ 5hmC في تنظيم الجينات. علاوة على ذلك ، لاحظنا إثراء قمم 5hmC بمواقع ربط النسخ مثل تلك الخاصة بعوامل تعدد القدرات OCT4 و NANOG. بالإضافة إلى ذلك ، وجدنا أن مناطق 5hmC تتوافق مع مناطق جينومية منحرفة GC.


محتويات

أصبحت الإشعاعات غير المؤينة ، والمجالات الكهرومغناطيسية (EMF) مثل الترددات الراديوية (RF) ، أو إشعاع تردد الطاقة شائعة جدًا في الحياة اليومية. كل هذه موجودة على شكل إشعاع منخفض التردد يمكن أن يأتي من الأجهزة الخلوية اللاسلكية أو من خلال الأجهزة الكهربائية التي تسبب إشعاعًا منخفض التردد للغاية (ELF). أظهر التعرض لهذه الترددات المشعة تأثيرًا سلبيًا على خصوبة الرجال من خلال التأثير على الحمض النووي للحيوانات المنوية وتدهور الخصيتين [2] بالإضافة إلى زيادة خطر تكوين الورم في الغدد اللعابية. [3] [4] تعتبر الوكالة الدولية لأبحاث السرطان أن المجالات الكهرومغناطيسية للترددات الراديوية من المحتمل أن تكون مسببة للسرطان للإنسان ، ولكن الأدلة محدودة. [5]

الإشعاع والتصوير الطبي تحرير

أدى التقدم في التصوير الطبي إلى زيادة تعرض البشر لجرعات منخفضة من الإشعاع المؤين. تبين أن التعرض للإشعاع في طب الأطفال له تأثير أكبر حيث لا تزال خلايا الأطفال تتطور. [2] الإشعاع الناتج عن تقنيات التصوير الطبي ضار فقط إذا تم استهدافه باستمرار عدة مرات في فترة زمنية قصيرة. تم إدخال تدابير السلامة من أجل الحد من التعرض للإشعاع المؤين الضار مثل استخدام المواد الواقية أثناء استخدام أدوات التصوير هذه. يتم استخدام جرعة أقل أيضًا للتخلص تمامًا من احتمال حدوث تأثير ضار من أدوات التصوير الطبي. قرر المجلس الوطني للحماية من الإشعاع والقياسات جنبًا إلى جنب مع العديد من اللجان العلمية الأخرى لصالح استمرار استخدام التصوير الطبي لأن المكافأة تفوق بكثير الحد الأدنى من المخاطر التي تم الحصول عليها من تقنيات التصوير هذه. إذا لم يتم اتباع بروتوكولات الأمان ، فهناك زيادة محتملة في خطر الإصابة بالسرطان. هذا يرجع في المقام الأول إلى انخفاض الميثيل لجينات دورة الخلية ، مثل تلك المتعلقة بالاستماتة وإصلاح الحمض النووي. يمكن أن يتسبب الإشعاع المؤين الناتج عن هذه التقنيات في العديد من التأثيرات الضارة الأخرى في الخلايا بما في ذلك التغييرات في التعبير الجيني ووقف دورة الخلية. ومع ذلك ، فإن هذه النتائج غير محتملة للغاية إذا تم اتباع البروتوكولات المناسبة. [1] [4]

تتعلق نظرية الهدف بنماذج كيف يقتل الإشعاع الخلايا البيولوجية وتستند إلى افتراضين رئيسيين:

  1. "يعتبر الإشعاع سلسلة من المقذوفات العشوائية
  2. وتعتبر مكونات الخلية أهدافًا قصفتها هذه المقذوفات "[6].

استندت عدة نماذج حول النقطتين المذكورتين أعلاه. من النماذج المقترحة المختلفة تم العثور على ثلاثة استنتاجات رئيسية:

  1. تخضع الضربات المادية لتوزيع بواسون
  2. يسمح فشل الجسيمات المشعة في مهاجمة المناطق الحساسة من الخلايا ببقاء الخلية
  3. موت الخلية هو دالة أسية لجرعة الإشعاع المتلقاة حيث أن عدد الضربات المتلقاة يتناسب طرديًا مع جرعة الإشعاع ، وتعتبر جميع الضربات مميتة [7]

يؤثر التعرض للإشعاع من خلال الإشعاع المؤين (IR) على مجموعة متنوعة من العمليات داخل الخلية المكشوفة. يمكن أن يسبب الأشعة تحت الحمراء تغييرات في التعبير الجيني ، وتعطيل دورة الخلية ، وموت الخلايا المبرمج. يعتمد مدى تأثير الإشعاع على الخلايا على نوع الخلية وجرعة الإشعاع. لقد ثبت أن بعض الخلايا السرطانية المشععة تظهر أنماط مثيلة الحمض النووي بسبب الآليات اللاجينية في الخلية. في الطب ، تعرض طرق التشخيص الطبي مثل الأشعة المقطعية والعلاج الإشعاعي الفرد للإشعاع المؤين. يمكن أن تؤدي الخلايا المشععة أيضًا إلى عدم الاستقرار الجيني في الخلايا المجاورة غير المشعة من خلال تأثير المتفرج. يمكن أن يحدث التعرض للإشعاع أيضًا عبر العديد من القنوات الأخرى غير الإشعاع المؤين فقط.

النماذج الباليستية الأساسية

تحرير نموذج الهدف الفردي ذو الهدف الفردي

في هذا النموذج ، تكفي ضربة واحدة على هدف لقتل خلية [7] المعادلة المستخدمة لهذا النموذج هي كما يلي:

حيث يمثل k ضربة على الخلية ويمثل m كتلة الخلية.

تحرير نموذج ضربة واحدة الهدف n

في هذا النموذج ، تحتوي الخلية على عدد من الأهداف n. ضربة واحدة لهدف واحد لا تكفي لقتل الخلية ولكنها تعطل الهدف. يؤدي تراكم الضربات الناجحة على أهداف مختلفة إلى موت الخلايا. [7] المعادلة المستخدمة لهذا النموذج هي كما يلي:

حيث يمثل n عدد الأهداف في الخلية.

النموذج التربيعي الخطي تحرير

المعادلة المستخدمة لهذا النموذج هي كما يلي: [7]

حيث تمثل αD إصابة تم إجراؤها بواسطة مسار جسيم واحد وتمثل βD إصابة تم إجراؤها بواسطة مسار جسيمين وتمثل S (D) احتمال بقاء الخلية.

تحرير نموذج لامدا الثلاثة

أظهر هذا النموذج دقة وصف البقاء للجرعات العالية أو المتكررة. [7]

المعادلة المستخدمة لهذا النموذج هي كما يلي:

النموذج الخطي التربيعي تحرير

المعادلة المستخدمة لهذا النموذج هي كما يلي: [7]

نماذج الفرضيات الفرعية تحرير

تعديل نموذج الإصلاح الخطأ

يوضح هذا النموذج متوسط ​​عدد الآفات قبل أي عمليات تنشيط للإصلاح في الخلية. [7]

المعادلة المستخدمة لهذا النموذج هي كما يلي:

اين انتا يمثل ناتج الآفات المستحثة في البداية ، مع كون λ معامل الإصلاح الذاتي الخطي ، و T يساوي الوقت

تحرير النموذج القاتل - المميت

تستكشف هذه المعادلة فرضية أن الآفة تصبح قاتلة في غضون فترة زمنية معينة إذا لم يتم إصلاحها بواسطة إنزيمات الإصلاح. [7]

المعادلة المستخدمة لهذا النموذج هي كما يلي:

T هي مدة الإشعاع و tص هو وقت الإصلاح المتاح.

تعديل نموذج الإصلاح القابل للإشباع

يوضح هذا النموذج كفاءة نظام الإصلاح المتناقص مع زيادة جرعة الإشعاع. ويرجع ذلك إلى تشبع حركيات الإصلاح بشكل متزايد مع زيادة جرعة الإشعاع. [7]

المعادلة المستخدمة لهذا النموذج هي كما يلي:

n (t) هو عدد الآفات غير المعالجة ، c (t) هو عدد جزيئات الإصلاح أو الإنزيمات ، k هو معامل التناسب ، و T هو الوقت المتاح للإصلاح.

تحرير الهرمونات الإشعاعية

Hormesis هي الفرضية القائلة بأن المستويات المنخفضة من التحفيز المعطل يمكن أن تسبب تكيفات مفيدة في الكائن الحي. [8] يحفز الإشعاع المؤين إصلاح البروتينات التي عادة ما تكون غير نشطة. تستخدم الخلايا هذه المحفزات الجديدة للتكيف مع الضغوطات التي تتعرض لها. [9]

تحرير تأثير المرارة الناجم عن الإشعاع (RIBE)

في علم الأحياء ، يوصف تأثير المتفرج على أنه تغييرات في الخلايا القريبة غير المستهدفة استجابة للتغيرات في خلية مستهدفة في البداية بواسطة عامل معطل. [10] في حالة تأثير Bystander الناجم عن الإشعاع ، يكون الضغط على الخلية ناتجًا عن الإشعاع المؤين.

يمكن تقسيم تأثير المتفرج إلى فئتين ، تأثير المتفرج طويل المدى وتأثير المتفرج قصير المدى. في تأثير المتفرج بعيد المدى ، تُرى تأثيرات الإجهاد بعيدًا عن الخلية المستهدفة في البداية. في المدى القصير ، تظهر تأثيرات الإجهاد في الخلايا المجاورة للخلية المستهدفة. [10]

لقد ثبت أن كل من فوتونات نقل الطاقة الخطية المنخفضة وفوتونات نقل الطاقة الخطية العالية تنتج RIBE. تم الإبلاغ عن أن فوتونات نقل الطاقة الخطية المنخفضة تسبب زيادات في الطفرات وتقليل بقاء الخلايا في المقايسات المستنسخة. تم الإبلاغ عن الأشعة السينية وأشعة جاما لتسبب زيادات في كسر حبال الحمض النووي المزدوج ، والمثيلة ، والاستماتة. [10] هناك حاجة إلى مزيد من الدراسات للوصول إلى تفسير قاطع لأي تأثير جيني لتأثير المتفرج.

تشكيل تحرير ROS

ينتج الإشعاع المؤين جسيمات سريعة الحركة لها القدرة على إتلاف الحمض النووي ، وإنتاج جذور حرة شديدة التفاعل تُعرف باسم أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS). يحدث إنتاج ROS في الخلايا المشعة بواسطة LDIR (الإشعاع المؤين بجرعة منخفضة) بطريقتين ، عن طريق التحليل الإشعاعي لجزيئات الماء أو تعزيز نشاط تخليق أكسيد النيتريك (NOS). يتفاعل تكوين أكسيد النيتريك الناتج مع جذور الأكسيد الفائق. هذا يولد بيروكسينيتريت وهو سام للجزيئات الحيوية. يتم إنتاج ROS الخلوي أيضًا بمساعدة آلية تتضمن نيكوتيناميد أدينوزين ثنائي النوكليوتيد فوسفات (NADPH) أوكسيديز. يساعد NADPH أوكسيديز في تكوين ROS عن طريق توليد أنيون فوقي عن طريق نقل الإلكترونات من NADPH الخلوي عبر غشاء الخلية إلى الأكسجين الجزيئي خارج الخلية. تزيد هذه العملية من احتمال تسرب الإلكترونات والجذور الحرة من الميتوكوندريا. يؤدي التعرض لـ LDIR إلى إطلاق الإلكترون من الميتوكوندريا مما يؤدي إلى المزيد من الإلكترونات التي تساهم في تكوين الأكسيد الفائق في الخلايا.

ينتج عن إنتاج ROS بكميات كبيرة في الخلايا تحلل الجزيئات الحيوية مثل البروتينات والحمض النووي والحمض النووي الريبي. في إحدى هذه الحالات ، من المعروف أن ROS تخلق فواصل مزدوجة مجدولة ومفردة في الحمض النووي. هذا يجعل آليات إصلاح الحمض النووي تحاول التكيف مع الزيادة في فواصل شرائط الحمض النووي. شوهدت تغييرات وراثية في تسلسل الحمض النووي على الرغم من أن تسلسل نوكليوتيدات الحمض النووي يبدو كما هو بعد التعرض لـ LDIR. [11]

تفعيل تحرير NOS

يقترن تكوين ROS بتكوين نشاط سينثاز أكسيد النيتريك (NOS). لا يتفاعل مع O2 - توليد البيروكسينيتريت. تؤدي الزيادة في نشاط NOS إلى إنتاج البيروكسينيتريت (ONOO-). يعتبر البيروكسينيتريت من العناصر المؤكسدة القوية الجذور ويتفاعل مع مجموعة واسعة من الجزيئات الحيوية مثل قواعد الحمض النووي والبروتينات والدهون. يؤثر البيروكسينيتريت على وظيفة الجزيئات الحيوية وهيكلها وبالتالي يزعزع استقرار الخلية بشكل فعال. [11]

آلية الاكسدة وتنظيم الجينات اللاجينية تحرير

يتسبب الإشعاع المؤين في أن تولد الخلية زيادة في نسبة الأكسجين التفاعلية وتؤدي زيادة هذه الأنواع إلى إتلاف الجزيئات البيولوجية الكبيرة. من أجل التعويض عن هذه الأنواع الجذرية المتزايدة ، تتكيف الخلايا مع التأثيرات المؤكسدة التي يسببها الأشعة تحت الحمراء عن طريق تعديل آليات تنظيم الجينات اللاجينية. هناك 4 تعديلات جينية يمكن أن تحدث:

  1. تكوين مقاربات بروتينية تمنع التنظيم اللاجيني
  2. تغيير حالة مثيلة الحمض النووي الجيني تفاعلات هيستون التي تؤثر على ضغط الكروماتين
  3. تعديل مسارات الإشارات التي تتحكم في تعبير عامل النسخ

تحرير تكوين مقاربة البروتين بوساطة ROS

تعمل أنواع الأكسجين التفاعلية المتولدة عن طريق الإشعاع المؤين على تعديل الهستونات كيميائيًا مما قد يتسبب في حدوث تغيير في النسخ. ينتج عن أكسدة مكونات الدهون الخلوية تكوين جزيء محب للكهرباء. يرتبط الجزيء المحب للكهرباء ببقايا اللايسين في الهيستونات مما يتسبب في تكوين مقارب كيتو أميد. يمنع تكوين معقد الكيتوأميد بقايا اللايسين من الهيستونات من الارتباط ببروتينات الأسيتيل وبالتالي تقليل نسخ الجينات. [11]

تعديل ميثلة الحمض النووي بوساطة ROS

يُرى فرط ميثيل الحمض النووي في الجينوم مع تكسر الحمض النووي على أساس جيني محدد ، مثل محفزات الجينات التنظيمية ، لكن المثيلة العالمية للجينوم تظهر نمط ميثيل خلال فترة إجهاد أنواع الأكسجين التفاعلية. [12]

يؤدي تلف الحمض النووي الناجم عن أنواع الأكسجين التفاعلية إلى زيادة مثيلة الجينات وإسكات الجينات في النهاية.تعدل أنواع الأكسجين التفاعلية آلية المثيلة اللاجينية عن طريق إحداث فواصل الحمض النووي التي يتم إصلاحها لاحقًا ثم ميثيلها بواسطة DNMTs. تقوم جينات الاستجابة لتلف الحمض النووي ، مثل GADD45A ، بتجنيد البروتينات النووية Np95 لتوجيه هيستون ميثيل ترانسفيراز نحو موقع الحمض النووي التالف. ثم تقوم الفواصل في الحمض النووي الناجم عن الإشعاع المؤين بتجنيد DNMTs من أجل إصلاح موقع الإصلاح وزيادة ميثيله.

يحدث نقص الميثيل على نطاق واسع في الجينوم بسبب أنواع الأكسجين التفاعلية هيدروكسيل الميثيل سيتوزينات إلى 5-هيدروكسي ميثيل سيتوزين (5hmC). [13] يعمل إنتاج 5hmC كعلامة فوق جينية لتلف الحمض النووي الذي يمكن التعرف عليه بواسطة إنزيمات إصلاح الحمض النووي. تقوم إنزيمات إصلاح الحمض النووي التي تجذبها العلامة بتحويل 5hmC إلى قاعدة سيتوزين غير ميثيل مما يؤدي إلى نقص الميثيل في الجينوم. [14]

آلية أخرى تحفز hypomethylation هي استنفاد S-adenosyl methionine synthetase (SAM). يؤدي انتشار أنواع الأكسيد الفائق إلى أكسدة الجلوتاثيون المخفض (GSH) إلى GSSG. نتيجة لهذا ، تم إيقاف توليف SAM الركيزة. SAM هو مركب أساسي للتشغيل الطبيعي لـ DNMTs وبروتينات هيستون ميثيل تراسنفيراز.

تحرير تعديل ما بعد الترجمة بوساطة ROS

من المعروف أن كسر الحمض النووي المزدوج الذي تقطعت به السبل والناجمة عن التعرض للإشعاع المؤين يغير بنية الكروماتين. يتم إصلاح الفواصل المزدوجة التي تقطعت بهم السبل بشكل أساسي بواسطة بوليمرات بوليمر ADP (PAR) التي تتراكم في موقع الكسر مما يؤدي إلى تنشيط بروتين إعادة تشكيل الكروماتين ALC1. يتسبب ALC1 في استرخاء النواة مما يؤدي إلى التنظيم فوق الجيني للجينات. تتضمن آلية مماثلة ترنح توسع الشعيرات المتحور (ATM) سيرين / ثريونين كيناز وهو إنزيم يشارك في إصلاح الفواصل المزدوجة التي تقطعت بها السبل الناتجة عن الإشعاع المؤين. فسفوريلات ATM KAP1 الذي يتسبب في استرخاء الكروماتين المغاير ، مما يسمح بحدوث زيادة النسخ.

أظهر محفز جينات إصلاح عدم تطابق الحمض النووي (MSH2) نمط فرط الميثيل عند تعرضه للإشعاع المؤين. تحفز أنواع الأكسجين التفاعلية أكسدة deoxyguanosine إلى 8-hydroxydeoxyguanosine (8-OHdG) مما يتسبب في حدوث تغيير في بنية الكروماتين. تعمل محفزات الجينات التي تحتوي على 8-OHdG على تعطيل الكروماتين عن طريق تحفيز ثلاثي ميثيل H3K27 في الجينوم. تتحكم إنزيمات أخرى مثل الترانسجلوتاميناز (TGs) في إعادة تشكيل الكروماتين من خلال البروتينات مثل sirtuin1 (SIRT1). تتسبب TGs في قمع النسخ أثناء إجهاد أنواع الأكسجين التفاعلية عن طريق الارتباط بالكروماتين وتثبيط sirtuin 1 هيستون ديسيتيلاز من أداء وظيفتها. [11]

تحرير الخسارة بوساطة ROS للطباعة اللاجينية

يتم فقدان البصمة اللاجينية أثناء إجهاد أنواع الأكسجين التفاعلية. يتسبب هذا النوع من الإجهاد التأكسدي في فقدان إشارات NF- B. يرتبط عامل ربط CCCTC لعنصر المحسن (CTCF) بمنطقة التحكم في البصمة لعامل النمو الشبيه بالأنسولين 2 (IGF2) الذي يمنع المعززات من السماح بنسخ الجين. تتفاعل بروتينات NF- B مع البروتينات المثبطة لـ IκB ، ولكن أثناء الإجهاد التأكسدي تتحلل بروتينات IκB في الخلية. يؤدي فقدان بروتينات IκB لبروتينات NF- إلى الارتباط إلى دخول بروتينات NF- B إلى النواة للارتباط بعناصر استجابة محددة لمواجهة الإجهاد التأكسدي. يؤدي ارتباط NF- B و corepressor HDAC1 لعناصر الاستجابة مثل عامل ربط CCCTC إلى انخفاض في التعبير عن عنصر حظر المحسن. هذا الانخفاض في التعبير يعيق الارتباط بمنطقة التحكم في بصمة IGF2 وبالتالي يتسبب في فقدان البصمة وتعبير IGF2 biallelic. [11]

بعد التعرض الأولي للإشعاع المؤين ، تنتشر التغيرات الخلوية في النسل غير المعرض للخلايا المشععة للعديد من الانقسامات الخلوية. إحدى الطرق التي يمكن بها تفسير هذا الوضع غير المندلي للوراثة هي من خلال آليات الوراثة اللاجينية. [11]

الإشعاع المؤين وتحرير مثيلة الحمض النووي

عدم الاستقرار الجيني عبر الميثيل الناقص لـ LINE1 Edit

يؤثر التعرض للإشعاع المؤين على أنماط مثيلة الحمض النووي. أظهرت خلايا سرطان الثدي التي عولجت بجرعات مجزأة من الإشعاع المؤين أن نقص ميثيل الحمض النووي في مواقع الجينات المختلفة يشير تجزئة جرعة واحدة من الإشعاع إلى جرعات منفصلة أصغر. [15] يرتبط Hypomethylation لهذه الجينات بتناقص التعبير عن العديد من DNMTs وبروتينات ربط الميثيل CpG. تم تحديد عناصر LINE1 القابلة للنقل كأهداف للإشعاع المؤين. ينتج عن عملية التحويل النحيف لعناصر LINE1 تنشيط العناصر وبالتالي زيادة مستويات بروتين LINE1. تؤدي زيادة نسخ عناصر LINE1 القابلة للنقل إلى زيادة تعبئة مواضع LINE1 وبالتالي زيادة عدم الاستقرار الجيني. [11]

إشعاع مؤين وتعديل هيستون تحرير

يمكن ربط الخلايا المشععة بمجموعة متنوعة من تعديلات الهيستون. الإشعاع المؤين في خلايا سرطان الثدي يمنع H4 ليسين ثلاثي مثيلة. أظهرت نماذج الفأر التي تعرضت لمستويات عالية من الأشعة السينية انخفاضًا في كل من المثيلة الثلاثية لـ H4-Lys20 وضغط الكروماتين. مع فقدان ثلاثي الميثيل لـ H4-Lys20 ، زاد نقص ميثيل الحمض النووي مما أدى إلى تلف الحمض النووي وزيادة عدم الاستقرار الجيني. [11]

تحرير فقدان المثيلة عن طريق آليات الإصلاح

يمكن إصلاح الانكسارات في الحمض النووي بسبب الإشعاع المؤين. يعد تخليق الحمض النووي الجديد بواسطة بوليميرات الحمض النووي أحد الطرق التي يمكن بها إصلاح تلف الحمض النووي الناجم عن الإشعاع. ومع ذلك ، فإن بوليميرات الحمض النووي لا تدخل قواعد ميثلة مما يؤدي إلى انخفاض في مثيلة الخيط المركب حديثًا. تمنع أنواع الأكسجين التفاعلية أيضًا نشاط DNMT الذي من شأنه أن يضيف مجموعات الميثيل المفقودة بشكل طبيعي. هذا يزيد من فرصة أن تصبح الحالة المنزوعة الميثيل من الحمض النووي في نهاية المطاف دائمة. [16]

يؤثر الوراثة اللاجينية على تحرير الدماغ النامي

يمكن أن يكون للتعرض المزمن لهذه الأنواع من الإشعاع تأثير على الأطفال منذ وقت مبكر عندما يكونون أجنة. تم الإبلاغ عن حالات متعددة من إعاقة نمو الدماغ ، والتغيرات السلوكية مثل القلق ، وتعطيل التعلم السليم ومعالجة اللغة. تبين أن زيادة حالات اضطراب فرط الحركة ونقص الانتباه وسلوك التوحد ترتبط ارتباطًا مباشرًا بالتعرض لموجات EMF. صنفت منظمة الصحة العالمية RFR على أنها مادة مسرطنة محتملة لتأثيراتها اللاجينية على تعبير الحمض النووي. أظهر التعرض لموجات EMF على أساس ثابت لمدة 24 ساعة أنه يقلل من نشاط ميرنا في الدماغ مما يؤثر على النشاط التنموي والعصبي. يتسبب هذا التغيير فوق الجيني في إسكات الجينات الضرورية إلى جانب التغيير في التعبير عن الجينات الأخرى التي تشكل جزءًا لا يتجزأ من التطور الطبيعي للدماغ. [2]

MGMT- و LINE1- تحرير مثيلة الحمض النووي المحدد

يؤثر مثيلة الحمض النووي على استجابات الأنسجة للإشعاع المؤين. يمكن استخدام تعديل المثيلة في الجين MGMT أو في العناصر القابلة للنقل مثل LINE1 لتغيير استجابات الأنسجة للإشعاع المؤين وفتح مناطق جديدة لعلاج السرطان.

MGMT بمثابة علامة النذير في الورم الأرومي الدبقي. يرتبط Hypermethylation لـ MGMT بتراجع الأورام. يؤدي فرط ميثيل MGMT إلى إسكات النسخ الذي يثبط عوامل الألكلة في الخلايا القاتلة للورم. أظهرت الدراسات أن المرضى الذين تلقوا علاجًا إشعاعيًا ، ولكن لم يتلقوا علاجًا كيميائيًا بعد استخراج الورم ، كان لديهم استجابة محسنة للعلاج الإشعاعي بسبب مثيلة محفز MGMT.

تشمل جميع أنواع السرطانات التي تصيب الإنسان تقريبًا تَضَخُّم الميثيل لعناصر LINE1. تشير دراسات مختلفة إلى أن نقص الميثيل في LINE1 يرتبط بانخفاض معدل البقاء على قيد الحياة بعد كل من العلاج الكيميائي والعلاج الإشعاعي.

تحرير العلاج بمثبطات DNMT

يتم استكشاف مثبطات DMNT في علاج الأورام الخبيثة. تظهر الدراسات الحديثة في المختبر أن مثبطات DNMT يمكن أن تزيد من تأثير الأدوية الأخرى المضادة للسرطان. لا تزال معرفة التأثير في الجسم الحي لمثبطات DNMT قيد التحقيق. لا تزال الآثار طويلة المدى لاستخدام مثبطات DNMT غير معروفة. [16]


شكر وتقدير

نشكر إلين جروندبرج على توفير المسبار المحدد ح 2 تقديرات من [9] ، وماريا لاندي (المؤلف الرئيسي لشي وآخرون. [23]) لمشاركتنا تقديراتهم لنسبة تباين المثيلة التي أوضحها تعدد الأشكال المجاور. تم التحقق من الحالات ووضعها الحيوي من خلال سجل فيكتوريا للسرطان (VCR) والمعهد الأسترالي للصحة والرعاية (AIHW) ، بما في ذلك مؤشر الوفيات الوطني وقاعدة بيانات السرطان الأسترالية. نشكر آدم جيلوم (كلية بايلور للطب) للمساعدة في الأرقام.

التمويل

تم دعم TEV من خلال جائزة منحة التدريب RP 140113 من معهد الوقاية من السرطان وأبحاث أمبير في تكساس (CPRIT). تم دعم CC جزئيًا من خلال منحة CPRIT RP170005. تم تمويل تجربة ENID بشكل مشترك من قبل مجلس البحوث الطبية في المملكة المتحدة (MRC) ووزارة التنمية الدولية (DFID) بموجب اتفاقية كونكوردات MRC / DFID (برنامج MRC MC-A760-5QX00). تم دعم MNR و YYG و SEM و ZH من قبل خطة التحدي الكبير لمؤسسة Bill and Melinda Gates "تحقيق النمو الصحي" (منحة OPP1 066947). يتم دعم ZH و AG من خلال المنح المقدمة من المعهد الوطني للسرطان (INCa ، فرنسا) و Association pour la Recherche sur le Cancer (ARC ، فرنسا). تم تمويل توظيف Gustave Roussy و Villejuif و Cohort بواسطة VicHealth و Cancer Council Victoria. تم دعم هذا العمل من قبل المجلس الوطني الأسترالي للصحة والبحوث الطبية (NHMRC) [منح 1088405 و 1074383]. تم تمويل التوظيف الجماعي MCCS من قبل VicHealth و Cancer Council Victoria. تم دعم MCCS بشكل أكبر من خلال منح NHMRC الأسترالية 209057 و 396414 والبنية التحتية التي قدمها مجلس السرطان في فيكتوريا. تم دعم دراسات مثيلة التحكم في الحالة المتداخلة من قبل NHMRC [منح 1011618 ، 1026892 ، 1027505 ، 1050198 ، 1043616]. MCS هو زميل أبحاث أول NHMRC. JLH هو زميل أبحاث رئيسي أول في NHMRC. تم دعم RAW بمنح من وزارة الزراعة الأمريكية (CRIS 3092-5-001-059) و CPRIT (RP170295) و UK-MRC (MR / M01424X / 1). لم تلعب أي من هيئات التمويل دورًا في تصميم الدراسة أو جمع البيانات أو تحليلها أو تفسيرها.

توافر البيانات والمواد

فيما يتعلق بموسم ENID لتحليل الحمل ، تم إيداع مجموعات بيانات HM450 الكاملة في GEO (GSE99863) [30]. فيما يتعلق بدراسة Melbourne Collaborative Cohort ، تتوفر مجموعة البيانات الكاملة المستخدمة في هذا التحليل (ESS وقيم اختبار التحكم السلبي M لجميع مجموعات التحكم في الحالة السبع والمتغيرات المشتركة المرتبطة بها) على http://linkedomics.org/essmccs/[32 ] وعلى Figshare على https://figshare.com/articles/_/5663515 [79].


المواد والأساليب

تصميم ميكروأري

تم تصميم مجموعة تبليط الحمض النووي بالاشتراك مع Roche NimbleGen لتجميع جزء من المتصورة المنجلية الجينوم مع تباعد مسبار متوسط ​​مستهدف يبلغ 12 نقطة أساس. تم استخدام التجميع 3D7 (PlasmoDB v5.5) كتسلسل مرجعي. استهدف التصميم جميع الكروموسومات 2 و 4 و 7 و 9 والكروموسومات الجزئية 3: 106138-147339 ونهاية 5: 947885 و 12: start-66805 (ملف إضافي 1). تم اختيار الكروموسومات الثلاثة المبلطة بالكامل بشكل عشوائي. ومع ذلك ، فإن الكروموسومات الأربعة المكسوة جزئيًا تمثل مناطق ذات أهمية خاصة بالنظر إلى فرضيتنا أن lncRNAs قد تشارك في إعادة تشكيل الكروماتين وعمليات الطفيليات المهمة سريريًا. كانت المجسات متغيرة الطول Tم- قليل النوكليوتيدات متطابقة ، بمتوسط ​​55 نقطة أساس لكل منهما. تم فحص تسلسلات المسبار بحثًا عن التهجين المتقاطع المفرط إلى تسلسل 3D7: تم التخلص من أي مجسات مع أكثر من خمسة مطابقات بحث متسلسلة قريبة ومحاذاة بواسطة خوارزمية التجزئة (SSAHA) [70 ، 71]. ملأ التصميم النهائي 366479 مجسًا على المصفوفة ، 96.81٪ منها فريد. تم إيداع البيانات الأولية والموحدة التي تمت مناقشتها في هذا المنشور في NCBI's Gene Expression Omnibus ويمكن الوصول إليها من خلال الانضمام [GEO: GSE27937].

ثقافة الطفيليات ، وإعداد الحمض النووي الريبي ، ووضع العلامات (كدنا) لتهجين ميكروأري

نسخة من المتصورة المنجلية تمت زراعة السلالة 3D7 باستخدام الطرق القياسية [72 ، 73] وتم عزل الحمض النووي الريبي الكلي من كل عينة كما هو موصوف [74]. تم تنظيف Total RNA بعمود RNeasy (Qiagen ، فالنسيا ، كاليفورنيا ، الولايات المتحدة الأمريكية) وتركز في مرشح الطرد المركزي Microcon YM-30 (Millipore ، Billerica ، MA ، الولايات المتحدة الأمريكية). تم بعد ذلك تعريض إجمالي الحمض النووي الريبي (1 ميكروغرام) لتضخيم انتقائي من نوع poly-A باستخدام Message Amp II (Ambion ، Foster City ، CA ، USA) ، واستبدال خلائط dNTP / NTP المتحيزة (2A / T / U: 1C / G) للحلول متاح. تم تصنيف aRNA الناتج باستخدام النسخ العكسي Superscript II (Invitrogen ، Carlsbad ، CA ، الولايات المتحدة الأمريكية) باستخدام السداسيات العشوائية ، وإما Cy3- أو Cy5-dUTPs (GE Healthcare ، Piscataway ، NJ ، الولايات المتحدة الأمريكية) لمدة ساعتين عند 42 درجة مئوية بعد خطوة التلدين التمهيدي لمدة 10 دقائق عند 65 درجة مئوية. تم تركيز التفاعل على عمود Microcon YM-30 وتعرض لتهجين مصفوفة وفقًا لبروتوكول NimbleGen القياسي.

تطبيع البيانات ومراقبة الجودة

تم تطبيع البيانات الخام من كل عينة كميًا [75] وتحويل السجل 2 قبل التنبؤ بأرقام التقييم الثالث على طول المتصورة المنجلية الجينوم. اعتمدنا خط أنابيب المعالجة المسبقة لدينا على مقاييس مراقبة الجودة المعمول بها: إزالة التباين غير البيولوجي وعلاقة قوية بين البيانات الأولية والمعايرة [76]. يُظهر الملف الإضافي 15 توزيعات السجل 2 (الكثافة) لكل عينة قبل وبعد التطبيع الكمي ، ومخططات مربع السجل 2 (الشدة) لكل عينة بعد التطبيع الكمي ، وجميع مخططات تبعثر الارتباط الزوجي للبيانات قبل وبعد التطبيع. ارتباط بيرسون يساوي 1.0 بين البيانات الأولية والمعايرة في جميع العينات المتطابقة. يوضح الملف الإضافي 16 أنه ، لكل عينة ، لاحظنا فقط زيادة طفيفة في متوسط ​​كثافة تهجين المسبار الجيني مع عدد قواعد G + C. بالنظر إلى أننا لا نجري مقارنات تعبير مطلقة أو كمية للنصوص (مقارنات التعبير النسبي فقط لنفس النص عبر النقاط الزمنية) ونؤكد عدم وجود تحيز في محتوى G + C في lncRNAs المتوقعة ، اعتبرنا هذا غير منطقي. تم توسيط البيانات المعيارية (عند الصفر) قبل التنميط التعبير وتصفح البيانات في عارض الجينوم المتكامل [77].

الكشف عن TARs من صفائف التبليط

لقد كتبنا ونفذنا خوارزمية نافذة انزلاقية تكرارية لمسح قيم كثافة تهجين المسبار المعياري لكل عينة من أجل تقارير TAR المهمة إحصائيًا. على وجه التحديد ، استخدمنا إجراء تبديل maxT بخطوة واحدة (1000 تباديل) لتحويل متوسط ​​درجة شدة المجس "T" المحسوبة في كل شريحة نافذة ممكنة يبلغ عددها 366000 تقريبًا على طول البيانات المقيسة إلى فرضية متعددة معدلة ص- القيمة [29-31]. ثم قمنا بإلقاء النوافذ مع تعديلها ص- قيم أكبر من 0.05 للتحكم في معدل خطأ النوافذ الذي يُتوقع أن يكون مهمًا عند 5٪. كررنا هذا الإجراء ما مجموعه 28 مرة باستخدام أحجام النوافذ 5 و 10 و 15 و 20 و 25 و 30 و 40 مسبارًا. بعد ذلك ، تقاطعنا مع جميع النوافذ المهمة مع تعليقات الجينات PlasmoDB v6.5 ، ودمجنا نوافذ مشروحة متداخلة لتحديد حدود 1،229 TARs لترميز البروتين و 8 RNA RNAs. وبالمثل ، قمنا بدمج النوافذ المتداخلة التي لم تتداخل مع أي جين معروف أو متوقع لتحديد حدود 123 تقريرًا قطريًا غير مشروح. تم استخدام BEDTools v4 لجميع تقاطعات البيانات والاتحادات [78]. يسرد الملف الإضافي 2 إحداثيات تقرير التقييم الثالث المتوقعة.

تصفية تقارير التقييم الثالث غير المشروحة

قمنا بتصفية تقارير التقييم المرجعية غير المشروحة عن طريق تعيين معيار طول أدنى يبلغ 200 نقطة أساس والتأكد من عدم إمكانات ترميز بلاستكس المتوقعة. من بين 123 تقريرًا قطريًا تم توقعه غير مشروحة ، كان 46 تقريرًا أقل من 200 نقطة أساس (ملف إضافي 5). استرجعنا تسلسل FASTA للـ 77 المتبقية من PlasmoDB v6.5 ، واستخدمنا خادم الويب NCBI BLASTX للبحث عن أي تطابقات بروتين مهمة [79]. تم استخدام إعدادات BLASTX الافتراضية (BLOSUM62 ، حجم الكلمة 3 ، تصفية منخفضة التعقيد ، وما إلى ذلك) باستثناء حد توقع للإبلاغ عن أهمية المطابقة (أي إمكانية الترميز) تم تعيينه عند 0.01. تم تصنيف سبعة عشر تسلسلًا بدرجة توقع & lt 0.01 على أنها رواية مفترضة المتصورة المنجلية الجينات أو الجينات الخادعة وتم استبعادها من توصيف lncRNA الإضافي (ملف إضافي 6). بحثنا في قواعد بيانات تسلسل البروتينات غير الزائدة عن الحاجة و Swissprot (nr) باستخدام استعلامات الكائن الحي التالية: جميع الكائنات الحية ، المتصورة, المتصورة المنجلية، و المتصورة المنجلية سلالة 3D7.

تحليل مصطلح علم الوجود الجيني للجينات الخاصة بالمرحلة

تم إجراء تحليل مصطلح علم الجينات (GO) للجينات الخاصة بالمرحلة باستخدام GOstat مع الإعدادات الافتراضية [80] و Sanger GeneDB المتصورة المنجلية شروح الجينات. تم تحديد الجينات الخاصة بالمرحلة من خلال تقاطع التعليقات التوضيحية للجينات PlasmoDB v6.5 مع نصوص ترميز البروتين المعبر عنها بأقصى حد في كل نقطة زمنية. لقد بحثنا عن مصطلحات GO التي تم تمثيلها بشكل كبير في الجينات الخاصة بالمرحلة مقابل 1360 جينة ترميز البروتين التي تغطيها المجموعة. يسرد الملف الإضافي 4 جميع الجينات التي تغطيها المصفوفة والجينات الخاصة بالمرحلة وأعلى أربعة مصطلحات GO تمثيلا بشكل زائد في كل نقطة زمنية.

الحفاظ على التسلسل التطوري

تم استرداد تسلسل FASTA لـ 60 lncRNAs المفترضة و 8 نسخ من RNA الريبوسوم من التسلسل المرجعي 3D7 (PlasmoDB v7.1). قمنا أيضًا بتنزيل تسلسل FASTA الجيني من PlasmoDB v7.1 الذي يمثل جميع العناصر الثمانية المتسلسلة أو المتسلسلة جزئيًا المتصورة محيط (المتصورة المنجلية, P. reichenowi, P. gallinaceum, P. نولسي, P. النشيطة, P. berghei, P. yoelli، و P. chaubadi). لقد بحثنا عن حفظ التسلسل باستخدام BLASTN (WU-BLAST 2.0 MP-WashU (4 مايو 2006)) باستخدام نفس عوامل التصفية ذات التعقيد المنخفض ومعلمات السياق مثل خادم PlasmoDB v7.1 بلاست (-filter seg -ctxfactor 2.00) وتعيين توقع عتبة الأهمية حتى 0.01. سجلنا أدنى BLASTN ص- القيمة داخل كل نوع (ملف إضافي 7 ، الأعمدة من s إلى z).

الحفظ الواسع لـ lncRNA-TARE-4L عبر الثمانية المتصورة تم تحديد الأنواع لتكون مهمة عن طريق التباديل الصفري. اخترنا 600 منطقة عشوائية بين الجينات من الجينوم المرجعي 3D7 (بناءً على شرح v.7.1). تم تحديد حجم هذه المناطق بين الجينات لتتناسب مع توزيع الطول لـ 60 lncRNAs المفترض ، وتم تضمينها في بحث WU-BLAST. من بين 600 منطقة عشوائية بين الجينات ، وجدنا 27 فقط محفوظة في جميع الأنواع الثمانية ، مما أسفر عن تجربة تجريبية ص-قيمة 0.045.

التنميط التعبير

لتوصيف كل تقرير TAR متنبأ به ، قمنا بحساب تعبيره في كل نقطة زمنية مثل شدة التهجين المتوسطة للمسبارات التي تتدرج داخل أو حتى 25 نقطة أساس على جانبي إحداثيات بدء وإيقاف TAR المتوقعة. بعد ذلك ، تم التركيز على ملف تعريف التعبير لكل تقرير بحثي عن نقاط زمنية وتصور باستخدام خوارزمية تقليل أبعاد التجميع غير الهرمي. على وجه التحديد ، استخدمنا تحجيم متعدد الأبعاد غير متري (nMDS) كما هو مطبق في حزمة R-project 'NeatMap' لترتيب الصفوف والحفاظ على طوبولوجيا البيانات. في تطوير والتحقق من صحة حزمة "NeatMap" ، قام Rajaram و Oono [81] بتطبيق nMDS بشكل مشابه لتصور بيانات التعبير عن دورة خلية الخميرة.نوجه القارئ إلى الشكل 1 د من Rajaram و Oono [81] والشكل 4 من Taguchi و Oono [82] للحصول على أمثلة ومناقشة شاملة لفائدة nMDS في تحديد الأنماط العلائقية للتعبير الجيني. والجدير بالذكر ، نظرًا لأن nMDS هي تقنية تحسين عددية غير خطية ، فقد تم تشغيل تنسيقات متعددة لتحديد الحل الأمثل.

لقد أجرينا مقارنة مفصلة بين lncRNA وتعبير ترميز البروتين ، ووجدنا مرشحين لـ lncRNA ليتم التعبير عنها على قدم المساواة مع نصوص ترميز البروتين. يتضمن الملف الإضافي 3 تصورات إضافية لنسخة ترميز البروتين مقابل تعبير lncRNA المفترض ، بما في ذلك خرائط الحرارة القياسية وخرائط الحرارة المنسقة nMDS دون التركيز على النقاط الزمنية. يوفر الملف الإضافي 3 أيضًا رسمًا بيانيًا لقيم التعبير القصوى لمرشحي lncRNA ونسخ ترميز البروتين. بشكل ملحوظ ، وجدنا 30 مرشحًا من lncRNA (50 ٪) يتم تحفيزهم بأكثر من ضعفين عبر عينات دورة الوقت لدينا (ملف إضافي 7 ، العمود k). بالمقارنة ، تتطابق 309 من 1229 نسخة من ترميز البروتين (25 ٪) مع هذا المعيار.

أقرب الجينات المجاورة

تم استخراج أقرب جينات مجاورة لمجموعة مكونة من 60 lncRNAs مفترضة باستخدام إحداثيات الجين Cistrome Analysis و PlasmoDB v6.5.

تحليل الارتباط

لاستنتاج ربط lncRNA المفترض أو علاقات UTR مع جينات الترميز المجاورة ، قمنا بقياس ارتباط بيرسون بين lncRNA المفترض وملفات تعريف التعبير الجيني المجاورة (ملف إضافي 7 ، العمود j). لقد حددنا بشكل متحفظ جين الترميز المجاور ليكون الجين الأكثر ارتباطًا والمعبر عنه على جانبي كل موضع lncRNA المفترض. درسنا أيضًا توزيعًا فارغًا للارتباطات من أزواج متجاورة من جينات الترميز. وجدنا أن الـ 60 lncRNAs المرشحة سيتم إثرائها من أجل الارتباط العالي بالجينات المجاورة. كان 40 من هؤلاء المرشحين مرتبطين ارتباطًا وثيقًا (r & gt 0.9) ، في حين يجب أن يكون 10 فقط مرتبطًا بشكل كبير كما يتضح من توزيعنا الفارغ (ملف إضافي 9). قمنا بعد ذلك بالتحقيق في ملفات تعريف التعبير لمرشحي lncRNA باستخدام r & lt 0.9 لضمان عكس قيم الارتباط تباينًا ذا مغزى بيولوجيًا. لقد حددنا التباين ذي المعنى من الناحية البيولوجية بأنه تغيير أكبر من 0.5 ضعف عبر النقاط الزمنية.

رسم خرائط متواليات lncRNA-TARE المتماثلة

استخدمنا خادم الويب PlasmoDB v6.5 BLASTN لتسجيل إحداثيات تسلسل lncRNA-TARE المتماثل استنادًا إلى تسلسل lncRNA-TARE-4L المتوقع. استرجعنا بعد ذلك تسلسل FASTA لأكثر التيلوميرات القريبة 50000 نقطة أساس على كل نهاية كروموسوم من PlasmoDB v6.5 ، واستخدمنا برنامج JDotter [83] لإنشاء مخططات نقطية للحمض النووي ترسم خرائط التكرارات التيلوميرية ، TAREs من 1 إلى 5 ، Rep20 ، والأول متوقع الجين في كل نهاية. وضعنا كل جين lncRNA-TARE متوقع على خرائط dotplot لتأكيد أن خرائط lncRNA-TARE إلى TARE 2 والتسلسل بين TARE 2 و TARE 3 على نهايات 22 كروموسوم. ثم استخدمنا Geneious للتجميع (ClustalW) والتحقيق في حفظ تسلسل lncRNA-TARE.

ثقافة الطفيليات لتحليل qRT-PCR

تم إجراء دورتين دراسيتين مستقلتين للنسخ البيولوجي للتحقق من صحة تعبير lncRNA-TARE والتحقيق فيه بمزيد من التفاصيل. لكل دورة زمنية ، يتم إذابة الثلج حديثًا المتصورة المنجلية تمت زراعة استنساخ السلالة 3D7 باستخدام الطرق القياسية [72] في خلايا الدم الحمراء البشرية بنسبة 4٪ من الهيماتوكريت. تم استكمال وسيط RPMI-HEPES بمصل بشري 5٪ (O +) و 5٪ Albumax II (Invitrogen ، كارلسباد ، كاليفورنيا ، الولايات المتحدة الأمريكية). تمت مزامنة الثقافات في البداية باستخدام علاجين بمحلول سوربيتول بنسبة 5٪ [73] متباعدتين بمقدار 16 ساعة. للحصول بعد ذلك على ثقافات متزامنة للغاية ، تم اختيار طفيليات المرحلة الحلقية المشكلة حديثًا لاستخدام 5 ٪ من علاجات محلول السوربيتول خلال الجيلين التاليين لإعادة الغزو. تم توسيع الثقافات شديدة التزامن وحصادها في نقاط زمنية محددة للمرحلة. تم الطرد المركزي لكل مزرعة تم حصادها عند 2400 دورة في الدقيقة في Sorvall RT6000B ، وتم تحزيم خلايا الدم الحمراء باستخدام محلول صابونين 0.05٪ (التركيز النهائي). تم غسل الطفيليات المحررة باستخدام محلول ملحي مخزّن من الفوسفات (الرقم الهيدروجيني 7.4) ، وحبيبات عند 13.2 دورة في الدقيقة في جهاز طرد مركزي صغير ، وتعليقها في 1 مل من كاشف TRIZOL ، وتخزينها عند -80 درجة مئوية قبل استخراج الحمض النووي الريبي.

إعداد الحمض النووي الريبي لتحليل qRT-PCR و RACE

تم إجراء استخراج TRIZOL-chloroform وطبق الطبقة المائية على عمود RNeasy (Qiagen). تم إجراء عملية هضم الدنا في العمود لمدة 30 دقيقة لإزالة الحمض النووي الجيني. تم أيضًا معالجة الحمض النووي الريبي المزال باستخدام TURBO DNase (Ambion) وتنظيفه على عمود RNeasy ثانٍ (Qiagen) لإنتاج عينات RNA عالية النقاء.

تحليل qRT-PCR

الحمض النووي الريبي (1 ميكروغرام) من كل مرة تم نسخ عينة الدورة التدريبية عكسيًا باستخدام استراتيجية تمهيدية عشوائية (مجموعة النسخ العكسي عالية السعة من النظم البيولوجية التطبيقية (كدنا) كارلسباد ، كاليفورنيا ، الولايات المتحدة الأمريكية) جنبًا إلى جنب مع رد فعل تحكم في النسخ العكسي ناقص لكل عينة لتأكيد إزالة الحمض النووي الجيني. تم إجراء تفاعلات qPCR باستخدام 800 نانومتر من البادئات ومزيج Roche FastStart SYBR Green Master (إنديانابوليس ، إنديانا ، الولايات المتحدة الأمريكية). تم تنفيذ التلدين التمهيدي والتمديد (55 درجة مئوية / 60 ثانية) لمدة 40 دورة على أداة Applied Biosystems 7900.

استخدمنا برنامج PCR Miner [84] لحساب كل من عتبة الدورة (Ct) لكل تفاعل qPCR وكفاءة التضخيم لكل زوج تمهيدي. قمنا بعد ذلك بحساب التعبير النسبي لكل جين lncRNA-TARE في كل عينة دورة زمنية عن طريق حساب متوسط ​​التكرارات التقنية واستخدام الجين المرجعي PF08_0085 والنقطة الزمنية المرجعية T30 (trophozoite) للتطبيع. تم حساب خطأ نسب التعبير المعياري باستخدام طريقة دلتا ، بناءً على توسع سلسلة تايلور المقطوع ، لحساب التباين التقني في كل من قياسات الجينات المستهدفة والمرجعية. تم تحليل تجارب التكرار البيولوجي بشكل منفصل ومن ثم تم حساب متوسط ​​قياسات التعبير المعياري. استخدمنا طريقة تيلور المحدودة للتوسع لتحديد كيفية انتشار الخطأ في متوسط ​​قيمة التعبير.

التصميم التمهيدي qRT-PCR

تم تصميم أزواج التمهيدي لتضخيم جينات lncRNA-TARE المتوقعة وبروتين ربط SPE2 PfSip2 (PFF0200c) باستخدام برنامج Premier Biosoft International AlleleID 7.6 (Palo Alto ، CA ، الولايات المتحدة الأمريكية). ينفذ برنامج تصميم AlleleID التمهيدي تصميمًا تمهيديًا محددًا للغاية عن طريق تسلسل البحث بلاست وإخفاء المناطق الزائدة عن الحاجة قبل التصميم التمهيدي. لقد تحققنا أيضًا بشكل مستقل من خصوصية التمهيدي باستخدام BLASTN على موقع PlasmoDB v6.5 على الويب ، وتأكدنا من منحنيات انصهار amplicon الفردية وعدم وجود تشكيل باهت التمهيدي. لقد طلبنا كفاءة تضخيم زوج التمهيدي ، كما تم حسابها بواسطة برنامج PCR Miner [84] ، لتكون 90٪ على الأقل لضمان نتائج قابلة للتكرار. استخدمنا جين التدبير المنزلي الموصوف سابقًا P08_0085 (إنزيم يوبيكويتين المترافق 1) [74] لحساب جميع نسب التعبير الجيني النسبي الطبيعية. يتم سرد تسلسل lncRNA-TARE و PfSip2 التمهيدي في ملف إضافي 11.

ينتهي التضخيم السريع لل [كدنا]

استخدمنا RACE بوساطة Ligase RNA وفقًا لمواصفات الشركة المصنعة (Ambion) وباستخدام 10 ميكروغرام من T40 ± 3 hpi مختلط 1: 1 من استخلاص دورة زمنية مستقلة. استخدمنا برنامج Premier Biosoft International AlleleID 7.6 لتصميم بادئات تستهدف 20 موقعًا lncRNA-TARE (ملف إضافي 11). لرسم خريطة للغطاء الافتراضي 5 بوصات ، استخدمنا إستراتيجية تمهيدية متداخلة مع بادئات متباعدة تقريبًا 350 نقطة أساس معاكسة للتسلسل المستهدف. لتعيين 3 'termini ، استخدمنا إستراتيجية تمهيدية شبه متداخلة باستخدام تمهيدي مضاد واحد للتسلسل المستهدف وأشعال متداخلة تتوافق مع تسلسل المحول 3'. والجدير بالذكر أن 5 'RACE الخارجي التمهيدي هو مكمل عكسي لـ 3' RACE التمهيدي ، مما يضمن التقاط النصوص المتجاورة. تم تضمين تفاعلات التحكم في النسخ العكسي ناقصًا لـ 3 'RACE.

تم إجراء الدراجات الخارجية والداخلية 5 'RACE PCR باستخدام SuperTaq Plus polymerase (Ambion) وظروف الدراجات التالية: 94 درجة مئوية لمدة 3 دقائق ، 5 دورات من 94 درجة مئوية لمدة 30 ثانية ، 60 درجة مئوية لمدة 30 ثانية ، 68 درجة مئوية لمدة 3 دقائق ، 35 دورة من 94 درجة مئوية لمدة 30 ثانية ، و 55 درجة مئوية لمدة 30 ثانية ، و 68 درجة مئوية لمدة 3 دقائق ، والتمديد النهائي لمدة 10 دقائق عند 68 درجة مئوية. كان ركوب الدراجات RACE PCR 3 'مشابهًا باستثناء إجراء تمسخ عند 94 درجة مئوية لمدة 15 ثانية وتم إجراء التمديد عند 68 درجة مئوية لمدة 8 دقائق. تم استئصال منتجات PCR ، وتنقيتها باستخدام أعمدة Qiagen MinElute Gel Extraction Cleanup ، واستنساخها في ناقل pCR-2.1TOPO (Invitrogen).

قمنا بتسلسل 27 و 10 مستعمرات تقابل 3 'و 5' من منتجات RACE ، على التوالي ، باستخدام خدمات Genewiz وبرنامج التحليل Geneious [85]. تم تمثيل ما مجموعه 12 موقعًا مختلفًا من lncRNA-TARE بشكل لا لبس فيه في منتجات RACE المتسلسلة 3 '. يتم تضمين إحداثيات الكروموسوم والنهاية الأصلية على الطرف الأيسر من الكروموسوم 4 لكل منتج RACE متسلسل في الملف الإضافي 12 جنبًا إلى جنب مع محاذاة رسومية لكل منتج RACE متسلسل إلى الطرف الأيسر من الكروموسوم 4 في ملف إضافي 13. كانت منتجات RACE قلص لاستبعاد أي مكالمات أساسية منخفضة الجودة وتسلسل متجه يتجاوز القواعد الأربعة الأولى قبل المحاذاة.


شاهد الفيديو: Can Trauma Be Inherited? (أغسطس 2022).