معلومة

8.4: مزايا إعادة التركيب الجيني - علم الأحياء


ليس فقط إعادة التركيب ضروريًا للاقتران المتماثل أثناء الانقسام الاختزالي ، ولكن إعادة التركيب له على الأقل فائدتان إضافيتان للأنواع الجنسية. إنه يصنع توليفات جديدة من الأليلات على طول الكروموسومات ، ويحد من آثار الطفرات إلى حد كبير في المنطقة المحيطة بالجين ، وليس الكروموسوم بأكمله.

نظرًا لأن كل كروموسوم يخضع لحدث إعادة تركيب واحد على الأقل أثناء الانقسام الاختزالي ، يتم إنشاء مجموعات جديدة من الأليلات. لا يتم الحفاظ على ترتيب الأليلات الموروثة من كل والد ، ولكن الخلايا الجرثومية الجديدة تحمل كروموسومات مع توليفات جديدة من أليلات الجينات (الشكل 8.4). هذا المزج لمجموعات الأليلات هو مصدر غني للتنوع بين السكان.

الشكل 8.4. ينتج عن إعادة التركيب أثناء الانقسام الاختزالي توليفات جديدة من الأليلات في النسل. يتم توضيح زوج واحد متماثل من الكروموسومات ، بدءًا من مرحلة "الخيوط الأربعة". كل سطر عبارة عن جزيء DNA مزدوج في كروماتيد. الكروموسومات في الأب (الموروثة من الأجداد الأب) زرقاء وخضراء ؛ الكروموسومات المتماثلة في الأم (الموروثة من أجداد الأم) هي البني والوردي. تحتوي جميع الكروموسومات على جينات A و B و C ؛ تشير الأرقام المختلفة إلى أليلات مختلفة. في هذا الرسم التوضيحي ، يربط تقاطع على الذراع القصيرة للكروموسوم أثناء تطور الخلايا الجرثومية الذكرية الأليل 4 من الجين C مع الأليلات 1 من الجين A والأليل 2 للجين B ، بالإضافة إلى الترتيب المتبادل. تم توضيح تقاطع على الذراع الطويلة للكروموسوم لتطوير الخلية الجرثومية الأنثوية ، مما يجعل التركيبة الجديدة A3 و B3 و C1. يمكن أن يحصل الطفل على الكروموسومات الجديدة A1B2C4 و A3B3C1. لاحظ أن أيًا من هذه التركيبات لم يكن في الأب أو الأم.

بمرور الوقت ، ستفصل إعادة التركيب الأليلات في موضع واحد عن الأليلات في موضع مرتبط. إن الكروموسوم عبر الأجيال ليس ثابتًا ، بل هو "مائع" ، به العديد من التوليفات المختلفة من الأليلات. هذا يسمح بإزالة الأليلات غير الوظيفية (الأقل وظيفية) من السكان. إذا لم يحدث إعادة التركيب ، فإن أليلًا ضارًا متحورًا سيؤدي إلى القضاء على كروموسوم كامل من السكان. ومع ذلك ، مع إعادة التركيب ، يمكن فصل الأليل الطافر عن الجينات الأخرى على ذلك الكروموسوم. ثم يمكن للاختيار السلبي أن يزيل الأليلات المعيبة لجين ما من مجموعة سكانية بينما يؤثر على تواتر الأليلات فقط للجينات المرتبطة ارتباطًا وثيقًا بالجين الطافر. على العكس من ذلك ، يمكن اختبار الأليلات المفيدة النادرة للجينات في مجموعة سكانية دون أن تكون مرتبطة بشكل لا رجعة فيه بأي أليلات متحولة ضارة محتملة للجينات القريبة. هذا يحافظ على الحجم المستهدف الفعال للطفرة قريبًا من حجم الجين ، وليس الكروموسوم بأكمله.


إعادة التركيب الجيني للبكتيريا (مع رسم بياني)

في هذه العملية ، يتم تبادل الجينات والشيري من خلال أنبوب اقتران بين خليتي البكتيريا. تم إجراء هذه العملية لأول مرة بواسطة جوشوا ليدربيرج وإدوارد تاتوم (1946) في الإشريكية القولونية. حصلوا على جائزة نوبل في عام 1958 لعملهم في علم الوراثة البكتيرية. في وقت لاحق ، تم عرضه أيضًا في السالمونيلا و Vibrio و Pseudomonas.

هناك نوعان من البكتيريا للتزاوج ، أحدهما. النوع الذكوري أو F + أو خلية المتبرع ، والتي تتبرع ببعض الحمض النووي. النوع الآخر هو النوع الأنثوي أو F & # 8211 أو الخلية المستقبلة التي تتلقى الحمض النووي.

في وقت لاحق ، بعد تلقي الحمض النووي ، قد تتصرف الخلية المتلقية كخلية مانحة ، أي نوع F +. العامل F هو عامل الخصوبة أو عامل الجنس أو البلازميد F الموجود في خلية F + أي خلية مانحة أو نوع ذكر. البلازميد يشارك في الاقتران يسمى episome.

في هذه العملية ، يتم ربط خليتين من نوع التزاوج المعاكس ، أي F + و F & # 8211 ، مع بعضهما البعض بشكل مؤقت عن طريق الجنس (الشكل 2.26). يوجد ثقب بقطر 2.5 ميكرومتر يمكن من خلاله تمرير الحمض النووي من المتبرع إلى الخلية المتلقية. العامل F أو البلازميد F عبارة عن حلقة DNA مزدوجة غريبة ومغلقة ، موجودة في السيتوبلازم بصرف النظر عن النواة. يحتوي العامل F على حوالي 20 جينًا.

بعد إنشاء أنبوب الاقتران ، يستعد العامل F للتكرار بواسطة آلية دائرية دائرية. يبدأ شريطا العامل F في الانفصال عن بعضهما البعض ويمر أحدهما إلى المستلم ، أي خلية F & # 8211.

بعد الوصول إلى الخلية F & # 8211 ، تصنع الإنزيمات خيطًا متممًا وخجولًا يشكل حلزونًا مزدوجًا ينحني في حلقة. وبذلك تكتمل عملية التحويل. في خلية المتبرع ، أي في F + ، يتشكل أيضًا خيط DNA جديد لتكملة الشريط الأيسر من الحمض النووي لعامل F.

هناك نوع آخر من الاقتران حيث يتم مرور الحمض النووي النووي من خلال أنبوب الاقتران. تُعرف سلالات البكتيريا بسلالة Hfr (التردد العالي لإعادة التركيب). اكتشف ويليام هايز هذه السلالات من الإشريكية القولونية في الخمسينيات من القرن الماضي. يُطلق على عامل Hfr أيضًا اسم episome. في سلالة Hfr ، يرتبط العامل F بالحمض النووي النووي ، أي الكروموسوم البكتيري.

في هذه العملية ، تصبح خلايا Hfr و F & # 8211 مرتبطة ببعضها البعض عن طريق الجنس Pilus (الشكل 2.27). عند نقطة التعلق بعامل F ، ينفتح كروموسوم البكتريا والكروموسوم الشرياني وتتشكل نسخة من خيط واحد بواسطة آلية دائرية متدحرجة.

ثم يمر جزء من الحمض النووي المفرد الذي تقطعت به السبل إلى الخلية المتلقية من خلال بيلوس. بسبب التحريض في الوسط ، قد لا يبقى أنبوب الاقتران على قيد الحياة لفترة طويلة بسبب كسر بيلوس. وبالتالي ، قد لا يتمكن الطول الإجمالي لنقل الحمض النووي من الدخول إلى الخلية المتلقية.

يعتمد سلوك الحمض النووي المنقول على وجود وغياب عامل F:

إذا تم نقل عامل F بالفعل ، فإنه عادةً ما يظل منفصلاً عن كروموسوم الخلية المتلقية وتقوم الإنزيمات بتركيب خيط DNA تكميلي. ثم يشكل العامل حلقة ويوجد كبلازميد ، وبالتالي تصبح الخلية المتلقية متبرعة.

إذا ظل العامل F في النهاية الخلفية للحمض النووي المنقول أثناء دخوله إلى الخلية reci & shypient ، فقد لا يتمكن العامل F من الدخول نظرًا لكسر بيلوس ويأخذ جزء فقط به جينات جديدة (الشكل 2.27) الدخول. وبالتالي ، تظل سلالة F & # 8211 سلالة متلقية. في سلالة F & # 8211 ، يحدث إعادة التركيب الجيني بين جزء المتبرع والحمض النووي المتلقي.

(3) في بعض الأحيان ، إذا كان العامل F يتحرر من خلية Hfr ويحافظ على حالة مستقلة وغير مقيدة ، فإن خلية Hfr تتحول إلى خلية F +. في بعض الأحيان أثناء ترك العامل F من الكروموسوم البكتيري والخداع ، فإنه يأخذ قطعة من الكروموسو والحمض النووي الشيمالي. يُطلق على العامل F الذي يحتوي على جزء من الحمض النووي الصبغي F & # 8217-factor.

في وقت لاحق ، أثناء الاقتران ، عندما يتم نقل عامل F & # 8217 ، تتلقى الخلية المتلقية بعض الحمض النووي الصبغي من الخلية المانحة. تسمى هذه العملية بعملية الاستخراج الجنسي. في هذه العملية ، تستقبل الخلية المتلقية جزءًا من الحمض النووي الصبغي يتكرر مع العنصر الموجود لوظيفة معينة ، وبالتالي تكون الخلية المتلقية ثنائية الصبغيات جزئية.

معالجة # 2. التحول:

إنه نوع من إعادة التركيب الجيني حيث يمر فقط حامل الجينات ، أي جزيئات الحمض النووي للخلية المانحة ، إلى الخلية المتلقية عبر الوسط السائل:

وصفه فريدريك جريفيث (1928) ، عالم البكتيريا الإنجليزي. لقد قام بتجربته وخجله مع فئران المختبر ونوعين من المكورات الرئوية ، الالتهاب الرئوي الذي يسبب الالتهاب الرئوي. نوع واحد يحتوي على خلايا خشنة (R) غير مكبوسة وأخرى بها خلايا كبسولة ملساء (S). النوع R غير مُمْرِض ، بينما النوع S مُمْرِض.

عملية التحول مذكورة أدناه (الشكل 2.28):

(ط) عندما يتم حقن الخلايا الحية غير المسببة للأمراض (من النوع R) في الفئران ، تظل الفئران على قيد الحياة.

(2) عندما يتم حقن الخلايا الممرضة الميتة (من النوع S) في الفئران ، تظل الفئران أيضًا على قيد الحياة. & # 8217

(3) عندما يتم حقن الخلايا المسببة للأمراض (من النوع S) في الفئران ، فإنها تعاني من pneu & shymonia وتموت.

(4) عندما يتم خلط الخلايا الحية غير المسببة للأمراض (النوع R) بالخلايا الممرضة الميتة (النوع S) ويتم حقنها في الفئران ، فقد عانت أيضًا من الالتهاب الرئوي وماتت. عند عزل الأنسجة الميتة للفئران ، تم العثور على الخلايا الملساء (S) في أجار. تشير التجربة أعلاه إلى تحويل النوع R إلى النوع S.

في وقت لاحق ، قام James L.Laway (1932) بتحويل خلايا النوع الخام إلى نوع ناعم ، باستخدام الأجزاء من الخلايا ذات النوع الأملس الميتة وعمل Griffith & # 8217s المؤكد.

علاوة على ذلك ، وجد Oswald T. Avery و Colin M. MacLeod و Maclyn N. McCarty (1944) أيضًا أن الحمض النووي المعزول من الأجزاء يمكن أن يحفز التحول. كانت تجربتهم ونتائجهم الخجولة أول دليل على أن الحمض النووي هو المادة الوراثية في الكائن الحي. يمكن شرح الآلية المحتملة للتحول (الشكل 2.29).

يحدث التحول في خلايا قليلة من المجتمع المختلط. إنها طريقة مهمة وغير مهذبة لإعادة التركيب الجيني. ينفصل عدد قليل من خلايا المتبرع ويحدث إطلاق متفجر وتفتيت للحمض النووي. ثم يتم ربط جزء من الحمض النووي المزدوج الذي تقطعت به السبل وخجله (10-20 جينًا) بالخلية المتلقية للدخول (الشكل 2.29).

أثناء الدخول ، يتم إذابة خيط واحد من الجزء عن طريق الإنزيم تاركًا الشريط الثاني ، والذي ينتقل بعد ذلك إلى الخلية المتلقية من خلال جدار الخلية وذاكرة الخلية وشيبرين.

بعد الدخول ، يتم إزاحة جزء من خيط واحد من الحمض النووي المزدوج الذي تقطعت به السبل للخلية المتلقية بواسطة الإنزيم ثم يتم استبداله بالحمض النووي للخلية المانحة. ثم يتم إذابة الحمض النووي النازح بواسطة إنزيم آخر. وهكذا تتحول الخلية المتلقية والتي ستعرض خصائصها بالإضافة إلى شخصيات الحمض النووي المندمج حديثًا والمكوّن من نوع shyporated.

آلية مفصلة للتحول ، مع التركيز بشكل خاص على الكفاءة الطبيعية والمستحثة وامتصاص الحمض النووي:

وهكذا يحدث التحول عن طريق نقل الجينات hori & shyzontal من خلال امتصاص الحمض النووي الحر من قبل البكتيريا الأخرى. يحدث هذا التحول إما تلقائيًا عن طريق أخذ الحمض النووي من البيئة ، أي طبيعي ، أو عن طريق الامتصاص القسري تحت ظروف المختبر ، أي عملية اصطناعية.

أ. التحول الطبيعي:

أثناء التحول الطبيعي ، تلتصق الأجزاء العارية المجانية من الحمض النووي المزدوج المجدول للخلية المانحة بسطح الخلية المتلقية. قد تكون جزيئات ON A المزدوجة المجانية متاحة في الوسط عن طريق التحلل أو التحلل الطبيعي للبكتيريا (الشكل 2.30).

بعد ربط DNA المانح المزدوج الذي تقطعت به السبل بسطح البكتيريا المتلقية ، يتم هضم خيط واحد بواسطة نوكلياز بكتيري ، ثم يتم أخذ الشريط المتبقي بواسطة نظام نقل يحتاج إلى طاقة. يحدث هذا الامتصاص للحمض النووي خلال المرحلة اللوغاريتمية المتأخرة من النمو.

خلال هذه العملية ، يلعب نوع Rec A من البروتين دورًا مهمًا. يرتبط بروتين Rec A بالحمض النووي المفرد الذي تقطعت به السبل ويشكل طبقة حول الحمض النووي (الشكل 2.30). ثم يتحرك الحمض النووي المفرد المغلف والحمض النووي للخلية المتلقية بالقرب من بعضهما البعض للحصول على تسلسل متماثل وخجول.

بعد الوصول إلى المكان المناسب ، يقوم بروتين Rec A بإزاحة خيط واحد من الحمض النووي الصبغي للخلية المتلقية. تتطلب العملية تحللًا مائيًا لـ ATP للحصول على الطاقة. يتم بعد ذلك دمج خيط الحمض النووي الوارد مع خيط واحد من الحمض النووي البكتيري عن طريق زوج القاعدة ويحدث الخجل والربط بواسطة ليجاز الحمض النووي.

ثم يتم هضم خيط الدنا النازح للخلية المتلقية عن طريق نشاط DNase الخلوي. يتم تصحيح أي خطأ وتطابق بين خيوط المنطقة الجديدة من خلالهم. وهكذا اكتمل التحول. إذا فشل الحمض النووي المفرد الذي تقطعت به السبل في إعادة الاتحاد مع الحمض النووي المتلقي ، فإنه يتم حفره وإزالته بواسطة DNase الخلوي ويضيع.

ب. التحول الاصطناعي:

لا تتحول الإشريكية القولونية ، وهي مادة مثالية للبحث ، بشكل طبيعي. في وقت لاحق ، تم اكتشاف أن التحول في الإشريكية القولونية يمكن أن يتم عن طريق علاجات فيزيائية وكيميائية خاصة. يمكن القيام بذلك عن طريق تعريض الإشريكية القولونية لمجال كهربائي عالي الجهد وأيضًا عن طريق التركيز العالي لـ CaCI2. في ظل هذا الشرط والأكل ، تضطر الخلايا البكتيرية إلى امتصاص الحمض النووي الغريب. هذا النوع من التحول يسمى مصطنع.

خلال هذه العملية ، تكون الخلايا البكتيرية المتلقية قادرة على تناول شظايا الحمض النووي المزدوجة التي تقطعت بها السبل.

يجبر العلاج الفيزيائي أو الكيميائي الخلية البكتيرية المتلقية على تلقي الحمض النووي الخارجي. ثم يتم دمج الحمض النووي الغريب مع الكروموسوم عن طريق إعادة التركيب المتماثل والتألق ، بوساطة بروتين Rec A. يحفز بروتين Rec A تلدين جزأين من الحمض النووي وتبادل المنطقة المتجانسة.

وهذا يشمل النك ، أي قطع صغير من خيوط الحمض النووي وإعادة الانضمام إلى الأجزاء المتبادلة ، أي الكسر ولم الشمل. فيما يلي النموذج المقبول عمومًا للظاهرة المذكورة أعلاه (الشكل 2.31):

معالجة # 3. التنبيغ:

إنها طريقة خاصة لإعادة التركيب الوراثي حيث يتم نقل المادة الوراثية من المتبرع إلى الخلية المتلقية من خلال عاثية غير متكاثرة - البكتيريا المعتدلة والشيريوفاج. اكتشف هذا جوشوا ليدربيرج ونورتور زيندر (1952) أثناء بحثهما مع Salrv onella typhimurium.

في هذه العملية ، يتم دمج جزء صغير من الحمض النووي البكتيري في العاثية المهاجمة (أي الفيروس الذي يصيب البكتيريا) وعندما تصيب هذه البكتيريا خلية بكتيرية جديدة ، فإنها تنقل المادة الوراثية إليها ، وبالتالي يحدث إعادة التركيب الجيني.

التنبيغ نوعان:

ألف التنبيغ المتخصصة ، و

باء التنبيغ المعمم.

أ.التنقل المتخصص:

في هذه العملية ، تلتصق العاثية بجدار الخلية البكتيرية في موقع المستقبل وينتقل الحمض النووي للعاثيات إلى السيتو والشيبلازم للخلية المضيفة (الشكل 2.32 أ). لا تسبب العاثية تحلل البكتيريا المضيفة. في الخلية البكتيرية ، رموز الحمض النووي العاثية لتخليق بروتينات معينة ، البروتينات المثبطة.

تمنع بروتينات المثبط الفيروس من إنتاج المواد اللازمة لتكرارها. في الخلية البكتيرية ، قد يوجد الحمض النووي الفيروسي كقطعة في السيتوبلازم أو قد يعلق نفسه بـ chro & shymosome ، المعروف باسم prophage (الشكل 2.32 ب). تسمى الخلية البكتيرية التي تحمل النبضة اللايسوجينية وتسمى الظاهرة التي يوجد فيها الحمض النووي للعاثية والبكتيريا معًا باسم lysogeny.

قد تظل الخلية البكتيرية مستحلبًا لعدة أجيال وخلال هذه الفترة يتنافر الحمض النووي الفيروسي ويتفكك عدة مرات مع الكروموسوم البكتيري.

ومع ذلك ، مع مرور الوقت ، توقف الملتهمة عن تخليق البروتينات المثبطة في الخلية البكتيرية ، ثم يبدأ تركيب مكونات الملتهمة. الآن ينفصل الحمض النووي للعاثية عن الكرومو البكتيري والخداع ويبدأ في تركيب العاثيات pro & shyteins (الشكل 2.32C).

خلال هذا الفصل ، يلتصق به عدد من جينات البكتيريا. تستمر هذه الجينات المرتبطة في التكاثر جنبًا إلى جنب مع الحمض النووي للعاثية (الشكل 2.32 د) وتتطور لاحقًا إلى جزيئات فج ، تلك التي تخرج من الخلية البكتيرية عن طريق الانفجار (الشكل 2.32E).

عندما يصيب جسيم الملتهمة الجديد (الشكل 2.32F) خلية جديدة من البكتيريا والبكتيريا (الشكل 2.32G ، H) ، تدخل الجينات البكتيرية والبكتيرية المرفقة الموجودة مع جسيم الملتهمة في كروموسوم البكتيريا الجديدة والخجول ويسبب إعادة التركيب (الشكل 2.321) .

وهكذا تحتوي الخلية البكتيرية الجديدة على جيناتها وعدة جينات من الخلية البكتيرية الأم. يُعرف هذا النوع من التنبيغ باسم التنبيغ المتخصص ، وهو حدث نادر للغاية.

باء التنبيغ المعمم:

تعتبر عملية التنبيغ هذه أكثر شيوعًا من التنبيغ المحدد والتحول. هنا يوجد جزء prophage & shycle في السيتوبلازم للخلية البكتيرية المصابة (الشكل 2.32J). في هذه العملية ، يبدأ دنا العاثيات في تصنيع عاثيات جديدة.

خلال هذه العملية ، يتم تجزئة كروموسوم الخلية البكتيرية (الشكل 2.32 ك) وتصبح بعض الأجزاء مرتبطة بالحمض النووي لبعض جسيمات الملتهمة الجديدة ، بينما يبقى البعض الآخر مع دنا الطور (الشكل 2.32 لتر).

عندما تهاجم العاثية المشكلة حديثًا مع شظية وخجل من الكروموسوم البكتيري في حمضها النووي (الشكل 2.32M) بكتيريا جديدة ، يتم نقل جين البكتيريا الأم إلى البكتيريا الجديدة ويسبب إعادة التركيب والتألق. هذا النوع من التنبيغ يسمى التنبيغ المعمم. هذا النوع من التحويل والشيء نادر أيضًا.


ما هي ميزة إعادة التركيب الجيني كطريقة للتكاثر في البكتيريا؟ وقت أقل في العثور على بكتيريا أخرى معدلات تكاثر أعلى المزيد من الحساسية للمضادات الحيوية تباين جيني أكبر

يتميز إعادة التركيب الجيني البكتيري بنقل الحمض النووي من كائن حي يسمى المتبرع إلى كائن حي آخر باعتباره المتلقي والنتيجة هي إنتاج المؤتلف الجيني ، الأفراد. تمتلك هذه البكتيريا المؤتلفة تنوعًا جينيًا أكبر لأنها تحمل ليس فقط الجينات التي ورثتها من الخلايا الأم ، ولكن أيضًا الجينات التي تم إدخالها إلى جينوماتها. هناك ثلاثة أنواع من الآليات التي تخلق اختلافات جينية في البكتيريا (من خلال إعادة التركيب):

1. التحول - الذي يحدث عندما تمتص البكتيريا قطعة من الدنا تطفو في بيئتها ،

2. التنبيغ - يحدث عندما ينتقل الحمض النووي عرضيًا من بكتيريا إلى أخرى بواسطة فيروس (عاثية) و

3. الاقتران - عندما يتم نقل الحمض النووي من بكتيريا إلى أخرى عبر أنبوب بين الخلايا.

تسمح آليات إعادة التركيب الجيني هذه جنبًا إلى جنب مع وقت الجيل القصير والطفرات العشوائية للبكتيريا بالتطور بسرعة كبيرة ، وعلى سبيل المثال ، تخلق مقاومة للمضادات الحيوية.


الميزة التطورية لإعادة التركيب الجيني في الجينوم المقاسة لأول مرة

قام باحثو جامعة ABB بتحديد أحد أهم الظواهر التي يصعب قياسها في التطور الجزيئي: تأثير إعادة التركيب الجيني على قدرة الأنواع على التكيف. حددت مجموعة أبحاث الجينوم والمعلوماتية الحيوية والتطور ، بالتعاون مع باحثين في جامعتي ساسكس وإدنبرة ، إحدى أهم الظواهر التي يصعب قياسها في التطور الجزيئي: تأثير إعادة التركيب الجيني على قدرة الأنواع التكيف.

كان هناك الكثير من النقاش حول الدور التطوري لإعادة التركيب الجيني: تبادل المواد الوراثية الأبوية التي تؤدي إلى ظهور تركيبات وراثية جديدة في النسل. إعادة التركيب ظاهرة عالمية عمليا في الكائنات الحية. يحدث إعادة التركيب في الكائنات الجنسية أثناء عملية الانقسام الاختزالي ، التي تنتج الخلايا الجنسية ، والحفاظ على هذه الآلية المتطورة ، التي تنظم إعادة التركيب إلى الجينوم بأكمله ، هو السبب المعتاد المعطى لكثرة الجنس. ولكن ما هي بالضبط ميزة إعادة التركيب؟ يوضح هذا العمل أن إعادة التركيب الجيني يسهل التكيف ويقدر التكلفة التطورية لغيابه أو نضوبه في الجينوم لأول مرة.

إن مصير طفرة جديدة في الجينوم ليس مشروطًا فقط بالميزة التكيفية أو العيب الذي تجلبه الطفرة إلى حاملها ، ولكن أيضًا بالسياق الكروموسومي الذي تظهر فيه. إذا كانت طفرة جديدة محددة محاطة بآخرين معرضين أيضًا للاختيار ، فإن هذه الطفرات ستتداخل (تتنافس) مع بعضها البعض لأنها لا تنفصل بشكل مستقل ، بحيث يكون اختيار المفصل أقل كفاءة مما لو كان الانتقاء يعمل على كل طفرة على حدة. تكلفة الارتباط هذه ، والمعروفة أيضًا باسم تداخل Hill-Robertson بعد اكتشافها ، تجعل الانتقاء الطبيعي أقل كفاءة عندما يعمل في نفس الوقت على مواقع مرتبطة مختلفة.

في عمل سابق نشر في المجلة طبيعة سجيةرسم المؤلفون أول خريطة عالية الدقة للانتقاء الطبيعي للجينوم وأثبتوا أن الانتقاء الطبيعي موجود في كل مكان في جينوم الأنواع المستخدمة كنموذج في علم الوراثة: ذبابة الفاكهة Drosophila melanogaster. أحد الآثار المترتبة على هذه النتائج هو أنه في أي لحظة ستكون هناك متغيرات جينية مرتبطة ، تتعرض في وقت واحد للاختيار في الجينوم ، وبالتالي سيكون الاختيار دون المستوى الأمثل بسبب تكلفة الربط. كيف يمكن إثبات وجود هذه التكلفة بالفعل ، وكيف يمكن قياسها على وجه الخصوص؟

في حالة وجود تكلفة الربط ، حيثما تكون إعادة التركيب منخفضة ، ستكون هناك كثافة أكبر للمتغيرات الانتقائية التي لا تفصل بحرية ، مما يقلل من كفاءة الاختيار وبالتالي معدل التكيف. من ناحية أخرى ، ستقدم مناطق إعادة التركيب الأكبر معدلات تكيف أعلى. كان الهدف الأول من الدراسة هو تحديد ما إذا كانت المناطق ذات معدل إعادة التركيب الأعلى شهدت معدل تكيف جيني أعلى. لقياس التكيف الجيني ، استخدم الباحثون طرقًا إحصائية متطورة من علم الوراثة السكانية المطبقة على بيانات التباين الجيني. أظهرت النتائج وجود علاقة ارتباط موجبة للغاية بين إعادة التركيب والتكيف ، مما يؤكد وجود تكلفة الارتباط في الجينوم.

جاءت المفاجأة عندما لوحظ أن العلاقة الخطية الأولية بين إعادة التركيب والتكيف تقاربت نحو عتبة مقاربة بدءًا من قيم إعادة التركيب التي تساوي أو تزيد عن 2 سم / ميغا بايت (سنتيمورجان لكل قاعدة ميغا). يشير هذا الخط المقارب إلى أن هناك قيمة إعادة تركيب عتبة يصل بعدها التكيف الجينومي إلى الحد الأقصى.

إن وجود هذه العتبة له نتيجتان مهمتان: (1) تختفي تكلفة الارتباط بما يتجاوز قيمة إعادة التركيب ، أو بعبارة أخرى ، تعمل الطفرات المختارة كما لو كانت منفصلة عمليًا عن بعضها بشكل مستقل. لن يؤدي معدل إعادة التركيب اللانهائي إلى زيادة معدل التكيف للجينوم أكثر من قيمة إعادة التركيب البالغة 2 سم / ميجا بايت (إعادة التركيب العتبة المقدرة). (2) يحدد الخط المقارب سقفًا مثاليًا لمعدل تكيف الجينوم ، حيث تكون قيمته تقديرًا لمعدل التكيف الأمثل ، في غياب تكلفة الربط.

بعد تحديد الوضع الأمثل ، من الممكن تقدير تكلفة الربط للجينوم من خلال تحليله. وجد الباحثون أن جينوم D. melanogaster لديه معدل تكيف يقارب 27٪ أقل من معدل التكيف الأمثل ، وهو المعدل الذي كان سيحصل عليه إذا لم تتداخل تأثيرات الطفرات مع بعضها البعض.

ينشر هذا العمل في كانون الثاني المقبل في المجلة علم الأحياء الجزيئي والتطور كما تضمنت دراسة المحددات الجينومية الأخرى ، مثل معدل الطفرة وكثافة الجينات على معدل التكيف الجينومي. تم تشكيل مجموعة أبحاث الجينوم والمعلوماتية الحيوية والتطور من قبل سيرجي هيرف & aacutes ، و S & ogravenia Casillas ، و Marta Coronado ، و Isaac Noguera ، و David Castellano (المؤلف الرئيسي للورقة) ، و Antonio Barbadilla (الباحث الرئيسي).

قدم عصر الجينوميات أحد أكثر الأمثلة إثارة للدهشة على قوة الانتقاء الطبيعي ، مما سمح لنا باكتشاف البصمات المميزة التي يتركها الانتقاء الطبيعي على الجينوم. يعد هذا العمل أيضًا خطوة أخرى في قياس الانتقاء الطبيعي على مستوى النيوكليوتيدات أو الجينات أو الجينوم ، حيث يعالج مسألة كيفية السياق الجيني ، سواء كان المعدل الحالي لإعادة التركيب أو معدل الطفرة ، يضبط كفاءة الطبيعة الطبيعية. اختيار. إن عصر الجينوميات السكانية التي نعيشها يحمل وعدًا بالكشف أخيرًا عن الطبيعة الحقيقية للتنوع الجيني.


الفيروسات كأدوات لتطوير اللقاحات

بوريانا مارينتشيفا ، في تسخير قوة الفيروسات ، 2018

8.4.2.2 اللقاحات المعاد تصنيفها

يتم تصنيع اللقاحات المعاد تصنيفها من خلال الاستفادة من القدرة الطبيعية للفيروسات ذات الجينومات المجزأة على إعادة التصنيف عندما تصيب أكثر من سلالة الخلية المضيفة. حاليًا ، ينطبق هذا النهج على فيروس الأنفلونزا أ ، الذي يتكون جينومه من 8 أجزاء من الحمض الريبي النووي الريبي ، وعلى فيروسات الروتا ، التي تؤوي ما مجموعه 11 مقطعًا جينوميًا من الرنا المزدوج الجيني. الهدف من إعادة التصنيف هو "تجميع" متغير فيروسي مع إمراض مخففة يمكن استخدامه للتحصين الآمن. بمجرد اختيار المعاد الفرز المطلوب ، يتم نشره في سياق عدوى سلالة واحدة ، وبالتالي منع إمكانية الارتداد أو التغييرات الجذرية بسبب حدث إعادة تجميع آخر. تم تطوير نوعين من لقاحات الفيروسة العجلية المعاد تصنيفها: أحدهما إعادة تصنيف للفيروسات العجلية البشرية ، والآخر إعادة تصنيف للفيروسات العجلية البشرية والأبقار. الجهود جارية لفهم آلية تغليف الفيريون بشكل أفضل في الأنفلونزا A و B و C وإشارات التغليف ذات الصلة. يُعتقد عمومًا أن الأنواع الثلاثة من الأنفلونزا نادرًا ما يتم إعادة تصنيفها بسبب إشارات التعبئة المختلفة. وبالتالي من الممكن استخدام الإنفلونزا C ، التي تسبب مرضًا غير موسمي خفيف ولا تشكل عمومًا تهديدًا صحيًا كبيرًا ، كوسيلة لأنفلونزا A و / أو B من مستضدات الأنفلونزا السطحية.


نظرة عامة على المنهجية

سعينا إلى تحديد إحصاءات الملخص الطوبولوجي (باستخدام كخط أساس للمقارنة) التي يمكن أن تكون بمثابة ميزات للخوارزميات لإجراء استدلال معدل إعادة التركيب. باستخدام البيانات المحاكاة ، قمنا بحساب مجموعة متنوعة من الملخصات الطوبولوجية للأبعاد 0 و 1 و 2 من مصفوفة مسافة هامينج بين التسلسلات.

أشارت نتائج انحدار LASSO إلى أن الميزات الطوبولوجية ذات أعلى قدرة تنبؤية لمعدل إعادة التركيب هي ، بالترتيب: (1) متوسط ​​البعد 0 طول الرمز الشريطي (ψ) و (2) رقم Betti الأول () و (3) تباين البعد 0 أطوال الباركود (Φ). استخدمنا بعد ذلك مجموعة غير خطية من هذه الإحصائيات الطوبولوجية الثلاثة لبناء نموذج جديد قائم على TDA لاستدلال معدل إعادة التركيب ، وهو مقدر إعادة التركيب الطوبولوجي (TREE). استخدمنا البيانات المحاكاة لإجراء التحقق الأولي من النموذج. للتحقق من صحة أكثر جدية ، طبقنا TREE على 22 مجموعة جينوم كاملة من RG ذبابة الفاكهة السكان (تجمع وآخرون. 2012) (انظر أساليب لمزيد من التفاصيل) ومقارنة أدائها مع مقدر معدل إعادة التركيب الذي قدمته كامارا وآخرون. (2016) ، وإلى LDhelmet. قمنا أيضًا بقياس TREE على مجموعة بيانات أكبر بكثير من أرابيدوبسيس الجينوم ، الذي يتكون من 1135 فردًا وما يصل إلى 50 ألفًا من النيوكلوتايد.

التدوين والرموز

في جميع أنحاء النص ، نشير إلى كميات مختلفة. ندرجها هنا (الجدول 1) بالإضافة إلى المكان الذي تم تعريفها فيه لأول مرة.

الحدس المتحد للإحصاء الطوبولوجي

الإحصائيات الطوبولوجية الرئيسية ذات الأهمية هنا ، رقم Betti الأول ، و ، متوسط ​​طول الشريط في مخطط الباركود ذي البعد 0. من أجل ربطها بالعملية البيولوجية لإعادة التركيب ، سوف نستخدم لغة نظرية الاندماج. للحصول على مقدمة مفصلة عن هذا المجال ، انظر Wakeley (2009). نلاحظ أن نهجنا يختلف عن الاعتبارات الأخيرة ليسنيك وآخرون. (2018) من حيث أننا نعتبر نموذجًا متحدًا بأطوال الفروع وسلوك النموذج. علاوة على ذلك ، نفترض نظام أخذ عينات أكثر تقييدًا حيث لا يُعرف سوى التسلسلات في المحطات المتزامنة للرسم البياني ، على عكس التسلسلات على طول علم الأنساب.

شرح ψ:

نحن نقدم حجة استكشافية مفادها أن قيمة مرتفعة في وجود إعادة التركيب من خلال إظهار السلوك المطلوب عند التطرف في معدل إعادة التركيب. أولاً ، ندعي أنه في حالة عدم وجود إعادة التركيب ، فإن توزيع أطوال الميزات يتوافق مع التوزيع المقاس للطفرة لأطوال الفروع في الشجرة المتماسكة للعينة ، كما هو موضح في الشكل 1 أ. نظرًا لوجود سلسلة نسب ثابتة واحدة تصف جميع المواضع ضمن التسلسل ، يكفي حساب الطول المتوقع للشجرة المتحدية وقسمتها على حجم العينة. بافتراض وجود عدد كبير من السكان ثنائي الصبغة المثالي من الحجم ن، والتي نقوم بأخذ عينات منها ك الأفراد مع ك صغير بما فيه الكفاية بالنسبة ل ن، وقت الانتظار المتوقع بين أحداث الاندماج هو الأجيال (واترسون 1975 تافاري 1984) ، حيث ك هو عدد السلالات المتبقية. ثم يتم عمل الشجرة المتحدية الكاملة من كل فترة زمنية ك مرات ، لعدد السلالات المتبقية في ذلك الوقت. إن تلخيص كل هذه المقاطع والقسمة على حجم العينة يعطينا ما يلي: أين ميكرومتر هو معدل الطفرة لكل جيل. والجدير بالذكر أن هذا يعادل العدد المتوقع لمواقع الفصل مقسومًا على حجم العينة لكل مقدر واترسون (واترسون 1975).

نظهر الآن أنه في حدود إعادة التركيب اللانهائي ، توقع ψ أكبر تمامًا من الحالة التي يوجد فيها سلسلة نسب ثابتة واحدة. إذا كان هناك إعادة تركيب مجانية ، فكل موقع في العينة له سلسلة نسب مستقلة ، والتي سنمتوسطها ، لذلك يجب أن تكون جميع الأشرطة بنفس الطول (الشكل 2). بمعنى آخر ، تصبح القيمة المتوقعة لـ هي متوسط ​​وقت الاندماج المقاس لشخصين تم أخذ عيناتهم عشوائيًا في الجيل الحالي. هذا ببساطة. كل ما تبقى هو إظهار أن & lt1. نظرًا لأن المجموع الجزئي مقيد بهذا الأمر بالنسبة لجميع قيم ك & GT5. يشير هذا أيضًا إلى أن التباين في طول ميزات الباركود يجب أن ينخفض ​​مع زيادة معدل إعادة التركيب ، وهو ما نلاحظه في عمليات المحاكاة. من خلال دمج المعلومات حول كل من طول الشجرة المندمجة وتوزيع الفروق الزوجية في المتوسط ​​على طوبولوجيا متعددة ، يمكن اعتبار ψ على أنه التقاط تشوهات في المقدار المتوقع للتطور المستقل بين العينات التي تحدث عندما تحتوي التسلسلات على عدة سلالات جينية متنافرة.

من خلال حساب المتوسط ​​على سلاسل الأنساب المتعددة ، يقترب الرمز الشريطي للسمات من أشرطة طول متطابقة تساوي وقت الاندماج الزوجي المتوقع. (أ) مجمع C̆ech لهذه النقاط عند نصف القطر المرسوم هو رسم بياني بدورة (كما هو موضح بالخطوط المنقطة) ، حيث أن التقاطع الثلاثي فارغ. (ب) ARG مع النسب ب وراثة ص نسبة جينومها من النسب المؤدي إلى أ.

شرح :

نقترح ، بالإضافة إلى ذلك ، أن الحدس القياسي لاستخدامه في اكتشاف الدورات في ARG [المقدم في Chan وآخرون. (2013) ، كامارا وآخرون. (2016) ، وكذلك هنا في الملحق أ: معلومات أساسية عن TDA] ، من المحتمل أن يبالغ في تبسيط العلاقة بين أحداث وميزات إعادة التركيب في الباركود. لهذا ، سننظر في مجمعات C̆ech ، بدلاً من مجمعات Vietoris-Rips (التي نستخدمها في التحليلات الفعلية). هذه مرتبطة ارتباطًا وثيقًا (Ghrist 2014) ، لكن بناء مجمع C̆ech يسمح بتكوين ثقوب عند إعطاء ثلاث نقاط فقط (انظر الشكل 3 أ) ، مما يتيح لنا التفكير في ثلاث محطات فقط. بالنظر إلى الرسم البياني في الشكل 3 ب ، من الواضح أنه إذا أخذ المرء عينات التسلسلات في كل عقدة ، فستكون هناك ميزة ملحوظة تتوافق بدقة مع الثقب في الرسم البياني. ومع ذلك ، في العديد من الدراسات الجينية ، لا توجد عينات من الأسلاف المشتركة للتسلسلات الحالية. إذا قصرنا بياناتنا على التسلسلات في المحطات ، فإن اكتشاف الدورة الواحدة يصبح دالة على عدم تجانس الطفرة على طول الرسم البياني ، ولا يمكن اكتشاف أي حدث إعادة تركيب واحد إذا تم إعطاؤنا فقط مسافات الالتحام الحقيقية بين العينات على طول علم الأنساب. لرؤية هذا ، خذ المحطات أ و ج من الرسم البياني. حسب الفرضية ، فإن مقدار الوقت بينهم وبين سلفهم المشترك الأخير (MRCA) هو نفسه ، وهو ما سنسميه إل. ويترتب على ذلك أن الحد الأدنى لنصف القطر بحيث تتقاطع الكرات حول هذه النقاط هو إل. ثم ، لكي يكون التقاطع الثلاثي للكرات حول المحطات فارغًا ، ب يجب أن تكون مسافة أكبر من إل من MRCA. However, each portion of its genome has certainly experienced the same amount of time since the MRCA regardless of recombination history. Therefore, we require that there be a more than expected amount of mutations generated along the path to ب in order for this event to be detected, given the actual sequence data.

Given the true coalescent distances between the terminals , a recombination cycle will not be detected in the manner shown in (a), and so will not generate an feature in the C̆ech complex at any radius. This example motivates the need for topological summaries beyond for recombination estimation.

However, if we take into account multiple recombination events, certain configurations of multiple events will generate features even if we know the true coalescent distances. This is because we can now introduce additional independent evolution in one of the tips by having recombination occur both within a clade and with an outgroup lineage (see Figure 4). We note that is nonzero only in the presence of recombination events, assuming no sequence convergence and infinite sites, but the sampling reality may bias detection in subtle ways. This also implies that the length of the bar will not necessarily be indicative of features of the actual cycle in the graph, as it will increase in length as additional mutations are placed on the lineage leading to ب, even if the cycle itself is untouched. We find via simulations (see Supplemental Material, Supplement S1 section Filtering ) that filtering small bars only hurts our inference capabilities, as we would then expect.

A genealogy with two recombination events, with the three resulting gene trees overlaid. A loop will be formed in the C̆ech complex of when the radius is equal to the time to the MRCA for أ و ج، حيث ب is now further from that node than either أ أو ج.

Combining ψ and :

These explanations for the behavior of ψ and also implies differences in behavior between ψ and under different population models. For example, while rapid demographic changes, such as exponential population growth, will distort ψ-based estimation (Figure 5), counts features generated by recombination at a rate independent of the underlying tree structure, since the relative distances to the MRCA are unchanged with multifurcations. On the other hand, we find empirically that ψ is very robust (especially compared to ) to perturbations in the form of missing data, which serve only to minorly rescale the bars on average. These differences suggest that a reliable predictor should incorporate both features. A more formal follow-up to the behavior of these statistics under different models of demography and selection, as well as further characterization of the behavior of ψ using the sequentially Markov coalescent (SMC) model (McVean and Cardin 2005) will be conducted in future work.

Exponential population expansion creates multiple-merger events and shrinks internal branches. This can give a similar signal in as increased recombination, but does not change cycle detectability via in the ARG.


What is the advantage of genetic recombination as a mode of reproduction in bacteria? less time finding other bacteria higher rates of reproduction more susceptibility to antibiotics greater genetic variation

Bacterial genetic recombination is characterized by DNA transfer from one organism called donor to another organism as the recipient and the result is the production of genetic recombinants, individuals. Those recombinant bacteria have a greater genetic variation because they carry, not only the genes they inherited from their parent cells but also the genes introduced to their genomes. There are three types of mechanisms that create genetic variations in bacteria (through recombination):

1. Transformation-that occurs when bacterium takes up a piece of DNA floating in its environment,

2. Transduction-occurs when DNA is accidentally moved from one bacterium to another by a virus (bacteriophage) and

3. Conjugation- when DNA is transferred from one bacteria to another through a tube between cells.

Those mechanisms of genetic recombination together with short generation time and random mutations allow bacteria to evolve very quickly and for example, create resistance to antibiotics.


What Causes Genetic Drift?

Population Bottleneck

A population bottleneck is a type of genetic drift in which a population’s size severely decreases. Competition, disease, or predation leads to these massive decreases in population size. The allele pool is now determined by the organisms which did not die. Some alleles increase in frequency simply because they are the only alleles left. This type of genetic drift can be seen when people don’t take their entire course of antibiotics.

Antibiotics kill harmful bacteria in your system, regardless of what alleles they have. Antibiotics cause a massive reduction in harmful bacteria. This stops symptoms of the disease. A small population will survive if a patient quits their antibiotic early. This much smaller population could have allele frequencies that are very different from the original population of bacteria. These changes do not reflect the success or failure of the different alleles, but rather the effects of a random selection of bacteria. The new alleles will dominate the population until selection or more genetic drift cause the allele frequencies to change.

Founder Effect

In another type of genetic drift known as the founder effect, a new population is formed, or “founded”, in a new location. If this new population does not interact and reproduce with the main population, the allele frequencies in this population will be much different from that of the parent population. Many islands contain species that only exist on a single island because of the founder effect. For instance, if only two birds of a species land on an island, their alleles alone will account for the diversity present.

While these alleles will dominate at first, mutations will arise in the population that will lead to new adaptations. This new adaptation stays with the founding population. With enough time, the two populations can diverge to a point which they can no longer interbreed. Species often separate in this way.


Mutations have allowed humans to adapt to their environment. For instance, lactose tolerance is a specific external mutation that was advantageous in societies that raised cows and goats. Mutations have been responsible for antibiotic resistance in bacteria, sickle cell resistance to malaria, and immunity to HIV, among others. A rare gene mutation leading to unusual shortness of height has proven to be advantageous for a particular Ecuadorian community. National Public Radio's (NPR) Jon Hamilton writes how the Ecuadorian community with the rare gene mutation known as Laron syndrome are protected against cancer and diabetes.

In 2008, Professor Eiberg from the Department of Cellular and Molecular Biology stated, “Originally, we all had brown eyes but a genetic mutation affecting the OCA2 gene in our chromosomes resulted in the creation of a 'switch,' which literally 'turned off' the ability to produce brown eyes.” He explains that things like “hair color, baldness, freckles, and beauty spots” are all brought about by mutations.


أساليب

Three sets of D. melanogaster lines resulting from long-term directional selection for stress tolerance were employed in our experiments: (1) three desiccation-resistant lines established by selection over 48 generations (2) three lines tolerant to severe hypoxic stress generated through long-term experimental selection (for more than 200 generations), and (3) three hyperoxia-tolerant lines. Details of the experimental scheme for hypoxia-tolerance selection were provided elsewhere [81, 82]. Peculiarities of the selection for hyperoxia tolerance are described by Zhao et al. [83]. Selection for desiccation tolerance was performed by DDA.

Selection for desiccation tolerance

Wild individuals of D. melanogaster (n = 120) were collected in March 2009 from Madhya Pradesh, Jabalpur, India (23°30’N 80°01’E alt. 393 m). Before the start of the selection experiment, mass culture was maintained for five generations under standard laboratory conditions at low density (on yeast-cornmeal-agar medium at 21 °C, and

70 % relative humidity) to eliminate environmental effects. For laboratory selection, virgin flies were sexed under CO2 anesthesia at least 48 h prior to the experiment. Then, virgin flies (3–4 days old) were placed in groups of 25 into plastic vials containing 2 g of silica gel and covered with foam discs. Experiments were conducted for males and females separately. Flies were subjected to desiccation stress until approximately LT70–LT85 level of mortality was reached. Control groups were established in the same manner, excluding water stress. In each generation, we examined approximately 1,000 virgin flies of each sex per replicate, of which at least 100 males and 100 females survived the LT70–85 cut-off to become the parents of the next generation. For each group (selection and control), survivors were randomly allocated into three sub-groups (three replicates). The same protocol was repeated for 48 generations (each next generation was subjected to analogous treatment), and then selection was relaxed for 8–10 generations before initiating the recombination tests. The control lines were not subjected to any treatment and were maintained in comparable densities to the selection lines on standard media. In the present study, we used three control and three desiccation-resistant lines for recombination tests. Average desiccation tolerance of the initial population was 14.8 h and 23.2 h (with SD = 2.88 and 3.44), for males and females, respectively. After 48 generations of selection, these tolerance characteristics increased to 25.3 h and 43.6 h for males and females, respectively, i.e. 3.65 SDs and 5.93 SDs compared to the starting population.

Hypoxia- and hyperoxia-tolerant lines

Selection for hypoxia/hyperoxia tolerance was initiated after crossing 27 isofemale D. melanogaster lines (kindly provided by Dr. Andrew Davis), that varied considerably in acute anoxia test as well as for eclosion rates when cultured under hypoxic or hyperoxic conditions. Males and virgin females (n = 20) were collected and pooled from each isofemale line. This parental population was reared at room temperature with standard food medium. F1 embryos from the pooled population were separated and maintained in nine separate chambers, three each for control, hypoxia- and hyperoxia-selection experiments. Trial experiments were run to determine the starting O2 concentrations for hypoxia- and hyperoxia-tolerance selection. We analyzed the feasibility and tolerance capacity of the F1 progeny of the parental cross to different O2 concentrations (i.e. 8, 6, or 4 % O2 for hypoxia selection and 60 %, 70 %, 80 % and 90 % O2 for hyperoxia selection). In addition, the tolerance levels of each parental line to hypoxia or hyperoxia were measured by testing survival of each individual line in the hypoxic or hyperoxic environments. In the pilot study, the selection for hypoxia tolerance was therefore started at 8 % O2 and for hyperoxia tolerance at 60 % O2. The low O2 concentration was gradually decreased by 1 % and the high O2 was increased by 10 % every 3 to 5 generations to maintain the selection pressure. The population size was kept at around 2,000 flies in each generation. Eggs of the first egg laying for each generation were removed to limit genetic drift induced by the ‘early-bird’ effect. After seven generations of selection, hyperoxia tolerance was increased to 80 % O2, and after 13 generations the hypoxia tolerance in the hypoxia-selected flies reached 5 %, a level that is lethal for most of the control flies (Additional file 2: Figure S3). The hyperoxia-selected flies broke through the lethal hyperoxic level (90 % O2) after 13 generations of selection, and the hypoxia-selected flies exhibited tolerance to a severe level of hypoxia (4 % O2, embryonic lethal to control flies) following 32 generations of selection. The lethality in these selection experiments was defined as the level of oxygen in which D. melanogaster cannot complete development and reproduce.

Genetic crosses

Virgin females (3 days post-eclosion) of each control and selection lines (three replicate lines each for control and selection groups) were allowed to mate with males of marker stocks (Additional file 2: Figure S1). Four marker stocks were employed (Additional file 2: Figure S2): y cv v f for the X chromosome net dp b pk cn for the 2 L arm, cn kn c px sp for the 2R arm, and ru h th cu sr e for chromosome 3. F1 heterozygous virgin females were collected for each replicate line, and thereafter test-crossed with marker males. Because maternal age may also influence rf في D. melanogaster, we reduced this effect by allowing the 50- to 60-hour old (post-eclosion) F1 virgin females to mate with marker males for approximately 48 hours. To obtain a sufficient number of flies per replicate for scoring recombination, each replicate line was divided into three sub-replicates before the start of recombination experimentation. In this panel, we scored recombination in nine sub-replicates of three replicate lines each for control and selection. In the desiccation experiment, we scored 1,050 individuals of each replicate line (or 350 individuals per sub-replicate), i.e. a total 6,300 flies were counted for estimation of rf at the X chromosome. We scored 750 individuals of each replicate line (or 250 individuals per sub-replicate), i.e. 4,500 individuals each were scored for arms 2 L and 2R and chromosome 3. A total of 19,800 flies were counted for estimation of rf in the desiccation-selection experiment. Similarly, 750 flies per line, or a total 27,000 flies, were scored for rf in the hypoxia/hyperoxia experiments. In the three experiments, we scored a total of 46,800 individuals.

تحليل احصائي

For each pair of intervals and each of the three control or selection lines, ML analysis was performed to estimate the recombination frequencies ص 1ك و ص 2k together with the coefficient of coincidence ج ك (ك = 1,2,3). For a pair of intervals, either adjacent or non-adjacent, the log-likelihood function had the following form:

$ log left(Lleft(r<1>_k,r<2>_k,_k ight) ight)=sum__ log left(

_left(kern0.10em r<1>_k,r<2>_k,_k ight) ight) $

أين أنا, j ϵ <0, 1>define whether the recombination event occurred in the first or second interval, respectively (0 – no recombination, 1 – recombination), ك denotes the replicate line, and ص ijk و n ijk represent the probability and the observed number of individuals of the genotype class اي جاي in replicate line ك in the backcross progeny (within control or selection). The frequencies for the four genotype classes were defined as:

The ML estimate ( widehat<<oldsymbol>_k> ) of the vector θ ك = (ص1 ك, ص2 ك, ج ك) ل ك = 1,2,3 was obtained by numerical optimization of the log-likelihood function إل (θ ك), using the gradient-descent procedure in which all three parameters ص1 ك, ص2 ك و ج ك are evaluated simultaneously in every iteration:

أين n refers to iteration number, ك to the line (within control or selection), and α to the step size. The variances of the estimated parameters ص 1ك, ص 2ك, ج ك were calculated as corresponding diagonal elements of the covariance matrix الخامس ك = أنا 1 ( ( >>_k ) ) = أنا ك 1 , where أنا is the Fisher’s information matrix [54]. The estimates of the parameter vector Θ = (ص 1, ص 2, ج) for the entire group (control or selection) together with the vector الخامس Θ of their variances, were obtained as:

This approach enables tests of the heterogeneity of the lines within selection and control groups, across the entire set of selection and control lines, and between selection and control groups, with respect to the estimated parameters. To assess the heterogeneity of ( widehat<<oldsymbol>_k> ) estimates of all three parameters (ص1 ك, ص2 ك ج ك) في ك lines we can use the following statistics that is asymptotically distributed as χ 2 with 3(ك-1) degrees of freedom:

To assess heterogeneity of a single parameter ص في ك lines the following statistics asymptotically distributed as χ 2 with df = ك-1 can be used:

where ( widehat<<oldsymbol>_k> ) is the ML-estimate of θ ك, σ pk 2 is the squared standard error of parameter ص في ال ك th line, and ( widehat ) is the weighted mean of ( widehat<<oldsymbol>_k> ) . Using this weighted likelihood approach, we can present the total heterogeneity of ( widehat<<oldsymbol>_k> ) across all lines of control and selection groups as:

Thus, the significance of the difference between selection and control lines can be tested using the statistics:

The importance of using this approach in testing the differences in interference derives from the fact that heterogeneity of recombination rates within the sample (e.g. between replicate lines of the selection group), with positive co-variation of recombination rates in two intervals, may lead to biased upward estimates of ج وحتى ج >1 [63]. Therefore, to reduce the danger of such outcomes while testing for significance between control and selection lines in each of the three experiments, we employed, wherever possible, the weighted ML estimates of recombination (Additional file 3) and interference (Additional files 4 and 5) parameters in weighted likelihood approach, in addition to the standard ML approach (see below). However, where ( widehat < heta_c>) , the estimate of ج, was zero in one or more of the three control or selection lines, its standard error was also zero, thereby overweighting the estimates of ج from the other two lines and leading to zero weighted average per selection or control. Thus, for all the data we also employed the standard and more direct ML approach allowing for each line, in both selection and control, to have its own ص1 ك و ص2 ك. Namely, to test for significance of the differences of ج values in selection and control, we performed log-likelihood ratio test of H0 ج for all selected and control lines> versus H1 :

ح1 : <Θ مراقبة = (ص 1ج, ص 2 ج, ج ج), Θ اختيار = (ص 1s, ص 2s, ج س)> vs. H0 : <Θ مراقبة = (ص 1c, ص 2 ج, ج), Θ اختيار = (ص 1c, ص 2 ج, ج)>, where pairs of vectors ص 1ج و ص 2ج represent the unknown rf values for the analyzed pair of intervals for the three control lines, ص 1س و ص 2س – the vectors of rf values for the three selection lines, ج ج و ج س – the line-independent values of coefficients of coincidence for control and selection groups, and ج ز – the global ج under the H0 assumption that ج س = ج ج. Therefore, the H0 و ح1 hypotheses are specified by 14 and 13 parameters and the log-likelihood ratio test of H1 versus H0 is asymptotically distributed as χ 2 with df = 1.

The obtained ص values (for two-tailed test) were subjected to false discovery rate correction for multiple comparisons before demonstrations in tables, figures and text. For false discovery rate correction, we used a total 48 comparisons across three experiments (with 16 intervals in each) for the recombination rates, while 189 comparisons for the interference estimates.


شاهد الفيديو: هام جدا. لحل المسائل الوراثية اول ثانوي.. ملخص التراكيب الجينية والحالات الوراثية (كانون الثاني 2022).