معلومة

11.5: الطفرات - علم الأحياء

11.5: الطفرات - 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.

أهداف التعلم

  • قارن بين الطفرات النقطية وطفرات تغير الإطارات
  • وصف الفروق بين الطفرات المغلوطة ، والهراء ، والصامتة
  • صف الفروق بين الإصلاح الفاتح والداكن
  • اشرح كيف تعمل المطفرات المختلفة
  • اشرح لماذا يمكن استخدام اختبار أميس للكشف عن المواد المسببة للسرطان
  • تحليل تسلسل الحمض النووي وتحديد أمثلة لأنواع الطفرات
  • هـ القوانين التالية ضمن قانون الغاز المثالي

الطفرة هي تغيير وراثي في ​​تسلسل الحمض النووي للكائن الحي. قد يكون للكائن الحي الناتج ، المسمى بالطفرة ، تغير واضح في النمط الظاهري مقارنة بالنوع البري ، وهو النمط الظاهري الأكثر شيوعًا في الطبيعة. يُمنح التغيير في تسلسل الحمض النووي إلى mRNA من خلال النسخ ، وقد يؤدي إلى تغيير تسلسل الأحماض الأمينية في البروتين عند الترجمة. نظرًا لأن البروتينات تؤدي الغالبية العظمى من الوظائف الخلوية ، فإن التغيير في تسلسل الأحماض الأمينية في البروتين قد يؤدي إلى تغيير النمط الظاهري للخلية والكائن الحي.

آثار الطفرات على تسلسل الحمض النووي

هناك عدة أنواع من الطفرات التي يتم تصنيفها وفقًا لكيفية تغيير جزيء الحمض النووي. نوع واحد ، يسمى الطفرة النقطية ، يؤثر على قاعدة واحدة ويحدث بشكل أكثر شيوعًا عندما يتم استبدال قاعدة بأخرى أو استبدالها. تنتج الطفرات أيضًا عن إضافة قاعدة واحدة أو أكثر ، تُعرف باسم الإدراج ، أو إزالة قاعدة واحدة أو أكثر ، والمعروفة باسم الحذف.

تمرين ( PageIndex {1} )

ما نوع الطفرة التي تحدث عندما يحتوي الجين على عدد أقل من النيوكليوتيدات في تسلسلها؟

آثار الطفرات على بنية البروتين ووظيفته

قد يكون للطفرات النقطية مجموعة واسعة من التأثيرات على وظيفة البروتين (الشكل ( PageIndex {1} )). نتيجة لانحلال الكود الجيني ، ستؤدي الطفرة النقطية عادةً إلى دمج الحمض الأميني نفسه في عديد الببتيد الناتج على الرغم من تغيير التسلسل. لن يكون لهذا التغيير أي تأثير على بنية البروتين ، وبالتالي يسمى الطفرة الصامتة. تؤدي الطفرة الخاطئة إلى دمج حمض أميني مختلف في عديد الببتيد الناتج. يعتمد تأثير الطفرة الخاطئة على مدى الاختلاف الكيميائي بين الحمض الأميني الجديد والحمض الأميني من النوع البري. موقع الحمض الأميني المتغير داخل البروتين مهم أيضًا. على سبيل المثال ، إذا كان الحمض الأميني المتغير جزءًا من الموقع النشط للإنزيم ، فقد يكون تأثير الطفرة الخاطئة مهمًا. ينتج عن العديد من الطفرات المغلوطة بروتينات لا تزال تعمل ، على الأقل إلى حد ما. في بعض الأحيان ، قد تظهر آثار الطفرات الخاطئة فقط في ظل ظروف بيئية معينة ؛ تسمى هذه الطفرات المغلوطة الطفرات الشرطية. نادرًا ما تكون الطفرة الخاطئة مفيدة. في ظل الظروف البيئية المناسبة ، قد يمنح هذا النوع من الطفرات الكائن الحي الذي يؤويه ميزة انتقائية. نوع آخر من الطفرات النقطية ، يسمى طفرة لا معنى لها ، يحول كودونًا يشفر حمضًا أمينيًا (كودون حاسي) إلى كودون توقف (كودون لا معنى له). تؤدي الطفرات غير المنطقية إلى تخليق البروتينات التي تكون أقصر من النوع البري وعادة ما تكون غير فعالة.

تؤدي عمليات الحذف والإدخال أيضًا إلى تأثيرات مختلفة. نظرًا لأن الكودونات عبارة عن ثلاثة توائم من النيوكليوتيدات ، فقد تؤدي عمليات الإدخال أو الحذف في مجموعات من ثلاثة نيوكليوتيدات إلى إدخال أو حذف واحد أو أكثر من الأحماض الأمينية وقد لا تسبب تأثيرات كبيرة على وظيفة البروتين الناتج. ومع ذلك ، فإن طفرات تغيير الإطارات ، الناتجة عن عمليات إدراج أو حذف عدد من النيوكليوتيدات التي ليست من مضاعفات الثلاثة تمثل مشكلة كبيرة بسبب حدوث تحول في نتائج إطار القراءة (الشكل ( فهرس الصفحة {1} )). نظرًا لأن الريبوسومات تقرأ الرنا المرسال في كودونات ثلاثية ، يمكن لطفرات انزياح الإطارات أن تغير كل حمض أميني بعد نقطة الطفرة. قد يتضمن إطار القراءة الجديد أيضًا رمز توقف قبل نهاية تسلسل التشفير. وبالتالي ، فإن البروتينات المصنوعة من الجينات التي تحتوي على طفرات انزياح الإطارات تكون دائمًا تقريبًا غير وظيفية.

تمرين ( PageIndex {2} )

  1. ما هي الأسباب التي تجعل تغيير النوكليوتيدات في جين ما للبروتين قد لا يكون له أي تأثير على النمط الظاهري لذلك الجين؟
  2. هل من الممكن إدخال ثلاث نيوكليوتيدات معًا بعد النيوكليوتيدات الخامس في جين مشفر للبروتين لإنتاج بروتين أقصر من المعتاد؟ كيف أم لا؟

طفرة مفيدة

منذ الإبلاغ عن أول حالة إصابة بفيروس نقص المناعة البشرية (HIV) في عام 1981 ، توفي ما يقرب من 40 مليون شخص بسبب الإصابة بفيروس نقص المناعة البشرية ،1 الفيروس المسبب لمتلازمة نقص المناعة المكتسب (الإيدز). يستهدف الفيروس الخلايا التائية المساعدة التي تلعب دورًا رئيسيًا في سد الاستجابة المناعية الفطرية والتكيفية ، وإصابة الخلايا التي تشارك عادةً في استجابة الجسم للعدوى وقتلها. لا يوجد علاج لعدوى فيروس نقص المناعة البشرية ، ولكن تم تطوير العديد من الأدوية لإبطاء أو منع تقدم الفيروس. على الرغم من احتمال إصابة الأفراد في جميع أنحاء العالم بالعدوى ، فإن أعلى معدل انتشار بين الأشخاص الذين تتراوح أعمارهم بين 15 و 49 عامًا هو في أفريقيا جنوب الصحراء الكبرى ، حيث يصاب شخص واحد من بين كل 20 شخصًا ، وهو ما يمثل أكثر من 70٪ من الإصابات في جميع أنحاء العالم2 (الشكل ( PageIndex {2} )). لسوء الحظ ، هذا أيضًا جزء من العالم حيث تكون استراتيجيات الوقاية والأدوية لعلاج العدوى أكثر نقصًا.

في السنوات الأخيرة ، زاد الاهتمام العلمي باكتشاف عدد قليل من الأفراد من شمال أوروبا المقاومين لعدوى فيروس نقص المناعة البشرية. في عام 1998 ، نشر عالم الوراثة الأمريكي ستيفن جيه أوبراين من المعاهد الوطنية للصحة (NIH) وزملاؤه نتائج تحليلهم الجيني لأكثر من 4000 فرد. أشارت هذه الدراسات إلى أن العديد من الأفراد من أصل أوروبي آسيوي (تصل إلى 14٪ في بعض المجموعات العرقية) لديهم طفرة حذف ، تسمى CCR5-delta 32 ، في الجين المشفر CCR5. CCR5 هو مُستقبِلات موجودة على سطح الخلايا التائية ، وهو ضروري للعديد من سلالات الفيروس للدخول إلى الخلية المضيفة. تؤدي الطفرة إلى إنتاج مستقبلات لا يستطيع فيروس نقص المناعة البشرية الارتباط بها بشكل فعال وبالتالي يمنع دخول الفيروس. الأشخاص المتماثلون لهذه الطفرة قد قللوا بشكل كبير من قابلية الإصابة بعدوى فيروس العوز المناعي البشري ، وأولئك غير المتجانسين يتمتعون ببعض الحماية من العدوى أيضًا.

ليس من الواضح سبب إصابة الأشخاص المنحدرين من أصل أوروبي شمالي ، على وجه التحديد ، بهذه الطفرة ، ولكن يبدو أن انتشارها أعلى في شمال أوروبا وينخفض ​​بشكل مطرد في عدد السكان مع تحرك المرء جنوبًا. تشير الأبحاث إلى أن الطفرة كانت موجودة منذ ما قبل ظهور فيروس نقص المناعة البشرية وربما تم اختيارها في السكان الأوروبيين نتيجة التعرض للطاعون أو الجدري. قد تحمي هذه الطفرة الأفراد من الطاعون (الذي تسببه البكتيريا يرسينيا بيستيس) والجدري (الناجم عن فيروس الجدري) لأن هذا المستقبل قد يكون متورطًا أيضًا في هذه الأمراض. يعد عمر هذه الطفرة محل نقاش ، لكن التقديرات تشير إلى أنها ظهرت بين 1875 و 225 عامًا ، وربما انتشرت من شمال أوروبا من خلال غزوات الفايكنج.

أدى هذا الاكتشاف المثير إلى طرق جديدة في أبحاث فيروس نقص المناعة البشرية ، بما في ذلك البحث عن أدوية لمنع ارتباط CCR5 بفيروس نقص المناعة البشرية لدى الأفراد الذين يفتقرون إلى الطفرة. على الرغم من أن اختبار الحمض النووي لتحديد الأفراد الذين يحملون طفرة CCR5-delta 32 أمر ممكن ، إلا أن هناك حالات موثقة لأفراد متماثلين للطفرة التي تنقل فيروس نقص المناعة البشرية. لهذا السبب ، لا ينصح مسؤولو الصحة العامة باختبار الحمض النووي للطفرة على نطاق واسع حتى لا يشجعوا السلوك المحفوف بالمخاطر لدى أولئك الذين يحملون الطفرة. ومع ذلك ، فإن تثبيط ارتباط فيروس نقص المناعة البشرية بـ CCR5 لا يزال يمثل استراتيجية صالحة لتطوير العلاجات الدوائية للمصابين بفيروس نقص المناعة البشرية.

أسباب الطفرات

يمكن أن تسبب الأخطاء في عملية تكرار الحمض النووي طفرة تلقائيةس ليحدث. معدل الخطأ لبوليميراز الحمض النووي هو قاعدة غير صحيحة لكل مليار زوج قاعدي مكرر. التعرض للطفراتس يمكن أن يسبب طفرة مستحثةس، وهي أنواع مختلفة من العوامل الكيميائية أو الإشعاعات (جدول ( PageIndex {1} )). يمكن أن يؤدي التعرض للطفرات إلى زيادة معدل الطفرات أكثر من 1000 ضعف. غالبًا ما تكون المطفرات أيضًا مادة مسرطنةس، العوامل التي تسبب السرطان. ومع ذلك ، في حين أن جميع المواد المسرطنة تقريبًا تسبب الطفرات الجينية ، فليست كل المواد المطفرة بالضرورة مواد مسرطنة.

المطفرات الكيميائية

تتفاعل أنواع مختلفة من المطفرات الكيميائية مباشرة مع الحمض النووي إما عن طريق العمل كنظائر نيوكليوزيد أو عن طريق تعديل قواعد النيوكليوتيدات. تسمى المواد الكيميائية النوكليوزيد التناظريةس تشبه من الناحية الهيكلية قواعد النوكليوتيدات العادية ويمكن دمجها في الحمض النووي أثناء النسخ (الشكل ( PageIndex {3} )). تحفز هذه النظائر الأساسية الطفرات لأنها غالبًا ما يكون لها قواعد اقتران قواعد مختلفة عن القواعد التي تحل محلها. يمكن للمطفرات الكيميائية الأخرى تعديل قواعد الحمض النووي العادية ، مما يؤدي إلى قواعد مختلفة لإقران القواعد. على سبيل المثال ، يعمل حمض النيتروز على نزع أمين السيتوزين ، وتحويله إلى اليوراسيل. ثم يقترن اليوراسيل مع الأدينين في جولة لاحقة من النسخ المتماثل ، مما يؤدي إلى تحويل زوج قاعدة GC إلى زوج أساسي AT. يعمل حمض النيتروز أيضًا على نزع أمين الأدينين إلى هيبوكسانثين ، والذي يتزاوج مع السيتوزين بدلاً من الثايمين ، مما يؤدي إلى تحويل زوج قاعدي TA إلى زوج قاعدي CG.

المطفرات الكيميائية المعروفة باسم عامل الإقحامس تعمل بشكل مختلف. تنزلق هذه الجزيئات بين القواعد النيتروجينية المكدسة للحلزون المزدوج للحمض النووي ، مما يؤدي إلى تشويه الجزيء وإنشاء مسافات غير نمطية بين أزواج قاعدة النوكليوتيدات (الشكل ( فهرس الصفحة {4} )). نتيجة لذلك ، أثناء تكرار الحمض النووي ، قد يتخطى بوليميراز الحمض النووي تكرار العديد من النيوكليوتيدات (مما يؤدي إلى حذف) أو إدخال نيوكليوتيدات إضافية (مما يؤدي إلى إدخال). قد تؤدي أي من النتيجتين إلى حدوث طفرة في الإطارات. تعتبر منتجات الاحتراق مثل الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات عوامل تقاطع خطيرة بشكل خاص يمكن أن تؤدي إلى سرطانات تسبب الطفرات. تُستخدم عوامل الإقحام إيثيديوم بروميد وبرتقال أكريدين بشكل شائع في المختبر لتلطيخ الحمض النووي للتصور وهي مطفرة محتملة.

إشعاع

يمكن أن يؤدي التعرض للإشعاع المؤين أو غير المؤين إلى حدوث طفرات في الحمض النووي ، على الرغم من وجود آليات مختلفة. يمكن أن تتسبب الإشعاعات المؤينة القوية مثل الأشعة السينية وأشعة جاما في حدوث انشقاقات مفردة ومزدوجة في العمود الفقري للحمض النووي من خلال تكوين جذور الهيدروكسيل عند التعرض للإشعاع (الشكل ( PageIndex {5} )). يمكن للإشعاع المؤين أيضًا تعديل القواعد ؛ على سبيل المثال ، نزع أمين السيتوزين إلى اليوراسيل ، مشابه لعمل حمض النيتروز.3 يستخدم التعرض للإشعاع المؤين لقتل الميكروبات لتعقيم الأجهزة الطبية والأطعمة ، بسبب تأثيره الدراماتيكي غير المحدد في إتلاف الحمض النووي والبروتينات والمكونات الخلوية الأخرى (انظر استخدام الطرق الفيزيائية للتحكم في الكائنات الحية الدقيقة).

الإشعاع غير المؤين ، مثل الضوء فوق البنفسجي ، ليس نشيطًا بدرجة كافية لبدء هذه الأنواع من التغييرات الكيميائية. ومع ذلك ، يمكن أن يؤدي الإشعاع غير المؤين إلى تكوين ثنائي الملمس بين قاعدتين متجاورتين من بيريميدين ، وهما عادة ثايمين ، داخل خيط نيوكليوتيد. أثناء تكوين ثايمين الثايمين ، يصبح الثايمين المتجاورين مرتبطين تساهميًا ، وإذا تركت دون إصلاح ، فإن كلا من نسخ الحمض النووي ونسخه يتوقفان عند هذه النقطة. قد يستمر بوليميراز الحمض النووي ويكرر الثنائيات بشكل غير صحيح ، مما قد يؤدي إلى حدوث طفرات في الإطار أو طفرات نقطية.

الجدول ( PageIndex {1} ): ملخص عوامل الطفرات
العوامل المطفرةطريقة عملالتأثير على الحمض النووينوع الطفرة الناتجة
نظائر النيوكليوزيد
2-أمينوبورينيتم إدخاله في مكان A لكن أزواج القاعدة مع Cيحول AT إلى زوج قاعدة GCنقطة
5-بروموراسيليتم إدخاله في مكان T ولكن أزواج القاعدة مع Gيحول AT إلى زوج قاعدة GCنقطة
عامل تعديل النوكليوتيدات
أكسيد النيتروزيهدم C إلى Uيحول GC إلى زوج قاعدة ATنقطة
إقحام العوامل
أكريدين أورانج ، بروميد إيثيديوم ، هيدروكربونات عطرية متعددة الحلقاتيشوه اللولب المزدوج ، ويخلق تباعدًا غير عادي بين النيوكليوتيداتيقدم عمليات الحذف والإدخال الصغيرةFrameshift
إشعاعات أيونية
الأشعة السينية ، أشعة جاماتشكل جذور الهيدروكسيليسبب انكسار الحمض النووي أحاديًا ومزدوجًاقد تؤدي آليات الإصلاح إلى حدوث طفرات
الأشعة السينية ، أشعة جامايعدل القواعد (على سبيل المثال ، deaminating C إلى U)يحول GC إلى زوج قاعدة ATنقطة
الإشعاع غير المؤين
فوق بنفسجيتشكل ديمر بيريميدين (عادة ثايمين)يسبب أخطاء في تكرار الحمض النوويFrameshift أو نقطة

تمرين ( PageIndex {3} )

  1. كيف يقدم التناظرية الأساسية طفرة؟
  2. كيف يقوم عامل الإقحام بإدخال طفرة؟
  3. ما نوع الطفرات التي تسبب ثايمين الثايمين؟

إصلاح الحمض النووي

إن عملية تكرار الحمض النووي دقيقة للغاية ، ولكن يمكن أن تحدث الأخطاء بشكل عفوي أو تحدث بسبب الطفرات. يمكن أن تؤدي الأخطاء غير المصححة إلى عواقب وخيمة على النمط الظاهري. طورت الخلايا العديد من آليات الإصلاح لتقليل عدد الطفرات التي تستمر.

التدقيق اللغوي

يتم تصحيح معظم الأخطاء التي تحدث أثناء تكرار الحمض النووي على الفور بواسطة معظم بوليمرات الحمض النووي من خلال وظيفة تسمى التدقيق اللغوي. في التدقيق اللغوي ، يقرأ بوليميراز الحمض النووي القاعدة المضافة حديثًا ، مما يضمن أنها مكملة للقاعدة المقابلة في حبلا القالب قبل إضافة القاعدة التالية. إذا تمت إضافة قاعدة غير صحيحة ، يقوم الإنزيم بعمل قطع لتحرير النيوكليوتيدات الخاطئة وتضاف قاعدة جديدة.

إصلاح عدم التطابق

يتم تصحيح بعض الأخطاء التي تم إدخالها أثناء النسخ المتماثل بعد وقت قصير من نقل آلية النسخ. تسمى هذه الآلية بإصلاح عدم التطابق. تتعرف الإنزيمات المتضمنة في هذه الآلية على النيوكليوتيدات المضافة بشكل غير صحيح ، وتزيلها ، وتستبدلها بالقاعدة الصحيحة. أحد الأمثلة على ذلك هو إصلاح عدم التطابق الموجه بالميثيل في بكتريا قولونية. الحمض النووي هو hemimethylated. هذا يعني أن الخصلة الأبوية يتم ميثليتها في حين أن خصلة الابنة المركبة حديثًا ليست كذلك. يستغرق الأمر عدة دقائق قبل أن تتم ميثلة الخصلة الجديدة. ترتبط البروتينات MutS ، و MutL ، و MutH بموقع hemimethylated حيث تم العثور على النيوكليوتيدات غير الصحيحة. MH يقطع الخيط غير الميثيل (الخيط الجديد). يزيل نوكلياز خارجي جزءًا من الشريط (بما في ذلك النيوكليوتيدات غير الصحيحة). ثم يتم ملء الفجوة المتكونة بواسطة DNA pol III و ligase.

إصلاح ديمر الثايمين

نظرًا لأن إنتاج ثايمين الثايمين شائع (لا تستطيع العديد من الكائنات الحية تجنب الضوء فوق البنفسجي) ، فقد تطورت آليات لإصلاح هذه الآفات. في إصلاح ختان النوكليوتيدات (يسمى أيضًا الإصلاح الداكن) ، تزيل الإنزيمات ثنائي بيريميدين وتستبدلها بالنيوكليوتيدات الصحيحة (الشكل ( فهرس الصفحة {6} )). في بكتريا قولونية، يتم فحص الحمض النووي بواسطة مركب إنزيم. إذا تم العثور على تشويه في اللولب المزدوج الذي تم تقديمه بواسطة ثنائي بيريميدين ، فإن مركب الإنزيم يقطع العمود الفقري للسكر والفوسفات عدة قواعد في اتجاه مجرى النهر وفي اتجاهه ، ثم تتم إزالة جزء الحمض النووي بين هذين القطعتين إنزيميًا. يستبدل DNA pol I النوكليوتيدات المفقودة بالنيوكليوتيدات الصحيحة ويغلق DNA ligase الفجوة في العمود الفقري للسكر والفوسفات.

يحدث الإصلاح المباشر (ويسمى أيضًا الإصلاح الخفيف) لثيمرات الثايمين من خلال عملية التنشيط الضوئي في وجود الضوء المرئي. يتعرف إنزيم يسمى photolyase على التشوه في حلزون الحمض النووي الناجم عن ثايمين الثايمين ويرتبط بالثيمر. بعد ذلك ، في ظل وجود الضوء المرئي ، يغير إنزيم الفوتولياز التشكل ويفكك ثايمين الثايمين ، مما يسمح لثيمينات الثايمين مرة أخرى بالربط الصحيح مع الأدينينات على الشريط التكميلي. يبدو أن التنشيط الضوئي موجود في جميع الكائنات الحية ، باستثناء الثدييات المشيمية ، بما في ذلك البشر. يعتبر التنشيط الضوئي مهمًا بشكل خاص للكائنات الحية المعرضة بشكل مزمن للأشعة فوق البنفسجية ، مثل النباتات والبكتيريا الضوئية والطحالب والشعاب المرجانية ، لمنع تراكم الطفرات التي يسببها تكوين ثايمين ثايمر.

تمرين ( PageIndex {4} )

  1. أثناء إصلاح عدم التطابق ، كيف يتعرف الإنزيم على الخيط الجديد وأي الخيط القديم؟
  2. كيف يقوم عامل الإقحام بإدخال طفرة؟
  3. ما نوع الطفرة التي يقوم بإصلاحها فوتولياز؟

تحديد المسوخ البكتيرية

إحدى التقنيات الشائعة المستخدمة لتحديد الطفرات البكتيرية تسمى الطلاء المتماثل. تُستخدم هذه التقنية للكشف عن الطفرات الغذائية ، المسماة auxotrophs ، والتي لها طفرة في الجين الذي يشفر إنزيمًا في مسار التخليق الحيوي لمغذٍ معين ، مثل الأحماض الأمينية. نتيجة لذلك ، بينما تحتفظ الخلايا من النوع البري بالقدرة على النمو بشكل طبيعي على وسط يفتقر إلى المغذيات المحددة ، فإن الكائنات المساعدة غير قادرة على النمو في مثل هذا الوسط. أثناء الطلاء المتماثل (الشكل ( فهرس الصفحة {7} )) ، يتم تحوير مجموعة من الخلايا البكتيرية ثم يتم تغطيتها كخلايا فردية على لوحة معقدة من الناحية التغذوية والسماح لها بالنمو إلى مستعمرات. تتم إزالة الخلايا من هذه المستعمرات من هذه اللوحة الرئيسية ، غالبًا باستخدام مخمل معقم. ثم يتم ضغط هذا المخمل ، الذي يحتوي على خلايا ، في نفس الاتجاه على ألواح من وسائط مختلفة. يجب أيضًا أن تكون لوحة واحدة على الأقل كاملة من الناحية التغذوية لضمان نقل الخلايا بشكل صحيح بين اللوحات. تفتقر الأطباق الأخرى إلى مغذيات محددة ، مما يسمح للباحث باكتشاف العديد من المسوخات المساعدة غير القادرة على إنتاج مغذيات محددة. يمكن استخدام الخلايا من المستعمرة المقابلة على اللوحة الكاملة من الناحية التغذوية لاستعادة المتحولة لمزيد من الدراسة.

تمرين ( PageIndex {5} )

لماذا يتم طلاء الخلايا على طبق غذائي كامل بالإضافة إلى الصفائح التي تفتقر إلى العناصر الغذائية عند البحث عن طفرات؟

اختبار أميس

يعد اختبار أميس ، الذي طوره بروس أميس (1928 -) في سبعينيات القرن الماضي ، طريقة تستخدم البكتيريا للفحص السريع وغير المكلف لإمكانية الإصابة بالسرطان للمركبات الكيميائية الجديدة. يقيس الاختبار معدل الطفرة المرتبط بالتعرض للمركب ، والذي ، إذا ارتفع ، قد يشير إلى أن التعرض لهذا المركب يرتبط بزيادة مخاطر الإصابة بالسرطان. يستخدم اختبار أميس ككائن اختبار سلالة السالمونيلا تيفيموريوم هذا هو auxotroph هيستيدين ، غير قادر على تصنيع الهيستيدين الخاص به بسبب طفرة في الجين الأساسي المطلوب لتكوينه. بعد التعرض لمطفر محتمل ، يتم لصق هذه البكتيريا على وسيط يفتقر إلى الهيستيدين ، ويتم تسجيل عدد الطفرات التي تستعيد القدرة على تصنيع الهيستيدين ومقارنتها بعدد هذه الطفرات التي تنشأ في غياب الطفرات المحتملة (الشكل ( PageIndex {8} )). المواد الكيميائية التي تسبب الطفرات الجينية ستؤدي إلى ظهور المزيد من الطفرات مع تخليق الهيستيدين المستعاد في اختبار أميس. نظرًا لأن العديد من المواد الكيميائية ليست مطفرة بشكل مباشر ولكن يتم استقلابه إلى أشكال مطفرة بواسطة إنزيمات الكبد ، يتم تضمين مستخلص كبد الفئران بشكل شائع في بداية هذه التجربة لتقليد التمثيل الغذائي للكبد. بعد إجراء اختبار أميس ، يتم إجراء مزيد من الاختبارات على المركبات التي تم تحديدها على أنها مطفرة لخصائصها المحتملة المسببة للسرطان باستخدام نماذج أخرى ، بما في ذلك نماذج حيوانية مثل الفئران والجرذان.

تمرين ( PageIndex {6} )

  1. ما هي الطفرة المستخدمة كمؤشر لمعدل الطفرة في اختبار أميس؟
  2. لماذا يمكن أن يعمل اختبار أميس كاختبار للسرطان؟

المفاهيم الأساسية والملخص

  • أ طفره هو تغيير وراثي في ​​الحمض النووي. قد تؤدي الطفرة إلى تغيير في تسلسل الأحماض الأمينية للبروتين ، مما قد يؤثر على وظيفته.
  • أ طفرة نقطة يؤثر على زوج أساسي واحد. قد تسبب طفرة نقطية أ طفرة صامتة إذا كانت رموز كودون mRNA لنفس الحمض الأميني ، أ طفرة مغلوطة إذا كانت رموز كودون mRNA لحمض أميني مختلف ، أو أ طفرة هراء إذا أصبح كودون mRNA كودون توقف.
  • قد تحتفظ الطفرات الخاطئة بوظائفها ، اعتمادًا على كيمياء الحمض الأميني الجديد وموقعه في البروتين. تنتج الطفرات غير المنطقية بروتينات مبتورة وغير وظيفية في كثير من الأحيان.
  • أ طفرة انزياح الإطار ينتج عن إدخال أو حذف عدد من النيوكليوتيدات ليس من مضاعفات الثلاثة. التغيير في إطار القراءة يغير كل حمض أميني بعد نقطة الطفرة وينتج عنه بروتين غير وظيفي.
  • الطفرات العفوية تحدث من خلال أخطاء تكرار الحمض النووي ، بينما الطفرات المستحثة تحدث من خلال التعرض ل مطفر.
  • غالبًا ما تكون العوامل المسببة للطفرات مسببة للسرطان ولكن ليس دائمًا. ومع ذلك ، فإن جميع المواد المسرطنة تقريبًا تسبب الطفرات الجينية.
  • تشمل المطفرات الكيميائية نظائرها الأساسية والمواد الكيميائية التي تعدل القواعد الموجودة. في كلتا الحالتين ، يتم إدخال الطفرات بعد عدة جولات من تكرار الحمض النووي.
  • إشعاعات أيونية، مثل الأشعة السينية وأشعة جاما ، تؤدي إلى تكسر العمود الفقري للفوسفوديستر في الحمض النووي ويمكنها أيضًا تعديل القواعد كيميائيًا لتغيير قواعد الاقتران الأساسي.
  • الإشعاع غير المؤين مثل الضوء فوق البنفسجي قد يُدخل ثنائيات بيريميدين (الثايمين) ، والتي ، أثناء تكرار الحمض النووي والنسخ ، قد تؤدي إلى حدوث طفرات في الإطارات أو طفرات نقطية.
  • تمتلك الخلايا آليات لإصلاح الطفرات التي تحدث بشكل طبيعي. بوليميراز الدنا له نشاط تدقيق. إصلاح عدم التطابق هو عملية لإصلاح القواعد المدمجة بشكل غير صحيح بعد اكتمال تكرار الحمض النووي.
  • يمكن أيضًا إصلاح ثنائيات بيريميدين. في إصلاح ختان النوكليوتيدات (إصلاح داكن)، تتعرف الإنزيمات على التشوه الناتج عن ثنائي بيريميدين واستبدال الشريط التالف بالقواعد الصحيحة ، باستخدام خيط الحمض النووي غير التالف كقالب. قد تستخدم البكتيريا والكائنات الحية الأخرى أيضًا الإصلاح المباشر، حيث يقوم إنزيم photolyase ، في وجود الضوء المرئي ، بتفكيك البيريميدين.
  • من خلال مقارنة النمو على الصفيحة الكاملة ونقص النمو على الوسائط التي تفتقر إلى مغذيات محددة ، تسمى طفرات فقدان الوظيفة المحددة auxotrophs ويمكن تحديد.
  • ال اختبار أميس هي طريقة غير مكلفة تستخدم البكتيريا المساعدة لقياس الطفرات الجينية لمركب كيميائي. الطفرات هي مؤشر على احتمالية الإصابة بالسرطان.

متعدد الخيارات

أي مما يلي هو تغيير في التسلسل يؤدي إلى تكوين كودون الإيقاف؟

A. طفرة خطأ
ب. طفرة هراء
جيم طفرة صامتة
د. طفرة حذف

ب

ينتج عن تكوين ثنائيات البيريميدين أي مما يلي؟

A. الأخطاء العفوية من قبل بوليميراز الحمض النووي
التعرض لأشعة جاما
ج- التعرض للأشعة فوق البنفسجية
د- التعرض لعوامل الإقحام

ج

أي مما يلي هو مثال على طفرة تغيير الإطارات؟

A. حذف كودون
B. طفرة خطأ
C. حذف نوكليوتيد واحد

د

أي مما يلي هو نوع إصلاح الحمض النووي الذي يتم فيه تكسير ثايمين الثايمين مباشرة بواسطة إنزيم فوتولياز؟

أ- الإصلاح المباشر
B. إصلاح ختان النوكليوتيدات
C. إصلاح عدم التطابق
تصحيح التجارب المطبعية

أ

أي مما يلي بخصوص اختبار أميس صحيح؟

A. يتم استخدامه لتحديد المسوخات المساعدة التي تم تشكيلها حديثًا.
ب. يتم استخدامه لتحديد المسوخات ذات النشاط التخليقي الحيوي المستعاد.
C. يتم استخدامه لتحديد المسوخات العفوية.
يتم استخدامه لتحديد المسوخات التي تفتقر إلى نشاط تنشيط الضوء.

ب

املاء الفراغ

المطفر الكيميائي الذي يشبه بنيويًا النوكليوتيدات ولكن له قواعد مختلفة في الاقتران الأساسي يسمى ________.

نظير نوكليوزيد

يسمى الإنزيم المستخدم في الإصلاح الخفيف لتقسيم ثايمين الثايمين ________.

فوتولياز

يسمى النمط الظاهري للكائن الحي الأكثر شيوعًا في الطبيعة بـ ________.

النوع البري

خطأ صحيح

عادة ما تكون المواد المسرطنة مطفرة.

حقيقي

اجابة قصيرة

لماذا من المرجح أن تكون عمليات الإدراج أو الحذف أكثر ضررًا للخلية من الطفرات النقطية؟

التفكير النقدي

يوجد أدناه العديد من متواليات الحمض النووي التي تم تحويرها مقارنة بالتسلسل من النوع البري: 3’-T A C T G A C T G A C G A T C-5 ". تخيل أن كل جزء من جزيء الحمض النووي قد انفصل استعدادًا للنسخ ، لذلك أنت ترى فقط خيط القالب. قم ببناء متواليات الحمض النووي التكميلية (تشير إلى نهايتي 5 و 3) لكل تسلسل DNA متحور ، ثم قم بنسخ خيوط القالب (التي تشير إلى نهايتي 5 و 3) ، وترجمة جزيئات mRNA باستخدام الشفرة الجينية ، وتسجيل الحمض الأميني الناتج تسلسل (يشير إلى نهايتي N و C). أي نوع من الطفرات هو كل؟

عنصر قالب الحمض النووي المتحور رقم 1: 3’-T A C T G T C T G A C G A T C-5 " تسلسل الحمض النووي التكميلي: تسلسل الحمض النووي الريبي المنسوخ من القالب: تسلسل الحمض الأميني للببتيد: نوع الطفرة:
عنصر قالب الحمض النووي المتحور رقم 2: 3’-T A C G G A C T G A C G A T C-5 " تسلسل الحمض النووي التكميلي: تسلسل الحمض النووي الريبي المنسوخ من القالب: تسلسل الحمض الأميني للببتيد: نوع الطفرة:
عنصر قالب الحمض النووي المتحور رقم 3: 3’-T A C T G A C T G A C T A T C-5"تسلسل الحمض النووي التكميلي: تسلسل الحمض النووي الريبي المنسوخ من القالب: تسلسل الحمض الأميني للببتيد: نوع الطفرة:
عنصر قالب الحمض النووي المتحول رقم 4: 3’-T A C G A C T G A C T A T C-5 " تسلسل الحمض النووي التكميلي: تسلسل الحمض النووي الريبي المنسوخ من القالب: تسلسل الحمض الأميني للببتيد: نوع الطفرة:

لماذا تعتقد أن اختبار أميس أفضل من استخدام النماذج الحيوانية لفحص المركبات الكيميائية بحثًا عن الطفرات الجينية؟

الحواشي

  1. 1 منظمة الصحة العالمية. "بيانات مرصد الصحة العالمي (GHO) ، فيروس نقص المناعة البشرية / الإيدز." http://www.who.int/gho/hiv/en/. تم الوصول إليه في 5 أغسطس 2016.
  2. 2 منظمة الصحة العالمية. تم الوصول إليه في 5 أغسطس 2016.
  3. 3 ك. تندال وآخرون. "التغييرات في تسلسل قاعدة الحمض النووي الناجم عن الطفرات بأشعة جاما في Lambda Phage و Prophage." علم الوراثة 118 لا. 4 (1988): 551-560.

11.5: الطفرات - علم الأحياء

يتم توفير جميع المقالات المنشورة بواسطة MDPI على الفور في جميع أنحاء العالم بموجب ترخيص وصول مفتوح. لا يلزم الحصول على إذن خاص لإعادة استخدام كل أو جزء من المقالة المنشورة بواسطة MDPI ، بما في ذلك الأشكال والجداول. بالنسبة للمقالات المنشورة بموجب ترخيص Creative Common CC BY ذي الوصول المفتوح ، يجوز إعادة استخدام أي جزء من المقالة دون إذن بشرط الاستشهاد بالمقال الأصلي بوضوح.

تمثل الأوراق الرئيسية أكثر الأبحاث تقدمًا مع إمكانات كبيرة للتأثير الكبير في هذا المجال. يتم تقديم الأوراق الرئيسية بناءً على دعوة فردية أو توصية من المحررين العلميين وتخضع لمراجعة الأقران قبل النشر.

يمكن أن تكون ورقة الميزات إما مقالة بحثية أصلية ، أو دراسة بحثية جديدة جوهرية غالبًا ما تتضمن العديد من التقنيات أو المناهج ، أو ورقة مراجعة شاملة مع تحديثات موجزة ودقيقة عن آخر التقدم في المجال الذي يراجع بشكل منهجي التطورات الأكثر إثارة في العلم. المؤلفات. يوفر هذا النوع من الأوراق نظرة عامة على الاتجاهات المستقبلية للبحث أو التطبيقات الممكنة.

تستند مقالات اختيار المحرر على توصيات المحررين العلميين لمجلات MDPI من جميع أنحاء العالم. يختار المحررون عددًا صغيرًا من المقالات المنشورة مؤخرًا في المجلة ويعتقدون أنها ستكون مثيرة للاهتمام بشكل خاص للمؤلفين أو مهمة في هذا المجال. الهدف هو تقديم لمحة سريعة عن بعض الأعمال الأكثر إثارة المنشورة في مجالات البحث المختلفة بالمجلة.


اكتشاف يعتمد على الجينوم في السرطان

في ورقة بحثية عام 1956 [1] ، لاحظ أوتو واربورغ أن النمط السائد لإنتاج الطاقة في الخلايا السرطانية كان عن طريق التحلل الهوائي وليس عن طريق أكسدة البيروفات في الميتوكوندريا ، كما هو الحال في الخلايا الطبيعية. قادت هذه الملاحظة واربورغ إلى افتراض أن هذا التغيير في التمثيل الغذائي كان سببًا أساسيًا للسرطان. بعد سنوات ، في عام 1986 ، رأى ريناتو دولبيكو أنه يجب متابعة دراسة الجينوم الخلوي لمعرفة المزيد عن السرطان ، إما عن طريق اتباع نهج "مجزأ" للبحث عن الجين حسب الجين ، أو عن طريق تسلسل الجينوم بأكمله [2].

الطفرات الجسدية في الجينات IDH1 و IDH2

في العصر الحالي لعلم الجينوم السرطاني ، أحد أكثر الاكتشافات إثارة للاهتمام وغير المتوقعة الناتجة عن التسلسل غير المتحيز للورم المتطابق والعينات الطبيعية هو طفرات النقطة الجسدية الموجودة في جينات إيزوسيترات ديهيدروجينيز إيزو إنزيم ، IDH1 و IDH2. تم اكتشافه لأول مرة عن طريق تسلسل الإكسونات (الإكسونات مجتمعة) لورم الدماغ الدبقي ورم أرومي دبقي متعدد الأشكال (GBM) [3] ، متحور IDH1 وجد في 12٪ من الأورام التي تم تحليلها. يظهر النهج العام لالتقاط exome وتحليله في الشكل 1. إعادة التسلسل المركّز اللاحق صقل حدوث الطفرات في أرجينين 132 (R132) من IDH1 ، والتي توجد في أكثر من 80٪ من GBMs الثانوية (GBMs التي تظهر في البداية كـ الأورام النجمية منخفضة الدرجة (أورام الخلايا النجمية)) ، وأقل من 10٪ من الأورام النجمية الأولية [4-6]. حدد العمل اللاحق ، الذي تم شرحه لاحقًا في هذه المراجعة ، التأثير البيولوجي لهذه الطفرات على وظيفة الإنزيم. عند فحص الأورام الدبقية ، بما في ذلك GBMs ، والسلبية لطفرات IDH1 ، تم تحديد الطفرات الجسدية المتكررة لـ IDH2 في بقايا R172 المماثلة [4 ، 7]. ليس فقط طفرات IDH1 و IDH2 متكررة ، ولكن الدراسات التي أجرتها العديد من المختبرات أثبتت أن الطفرة في IDH1 تحدث مبكرًا في تطور الورم الدبقي [8]. وتجدر الإشارة إلى أن الطفرات تؤثر على أليل واحد فقط في الموضع المحدد (من الأليلين إما من IDH1 أو IDH2 ، ولكن ليس كلاهما في نفس الورم) ، وهو أمر محير بالنظر إلى الدليل على أنه تم اختيارهما في وقت مبكر من تكوين الأورام. كشف تحليل الارتباط بين الطفرة في IDH1 أو IDH2 والعديد من السمات السريرية عن ارتباطات مثيرة للاهتمام بين وجود الطفرة والسن المبكر لظهور المرض ووقت البقاء على قيد الحياة الأطول في GBMs وفي الأورام النجمية الكشمية (نوع آخر من الورم الدبقي ، يختلف عن GBMs) [4].

المخطط العام لالتقاط الإكسوم المستهدف ، وتسلسل الجينوم الكامل ، وتسلسل النسخ. (أ) في التقاط exome ، يتم دمج مكتبة عشوائية من الأجزاء الجينومية ، تحتوي كل منها على محولات خاصة بالمنصة في كل طرف ، مع مجموعة من المجسات التي تحدد الإكسوم البشري. بعد التهجين ، المسبار: يتم التقاط الأجزاء الهجينة من مكتبة الجينوم باستخدام خرز مغناطيسي وعزلها عن المحلول عن طريق تطبيق مغناطيس ، أو عن طريق التقاط المرحلة الصلبة. تُستخدم شروط التحوير لاستخراج مجموعة أجزاء مكتبة الجينوم التي تم التقاطها من الهجينة ، وإعدادها للتسلسل. (ب) في تسلسل الجينوم الكامل ، يتم إنشاء نفس مكتبة الأجزاء العشوائية كما في (أ) ، ولكن يتم ترتيب الأجزاء الناتجة مباشرة دون خطوة التقاط. (ج) في تسلسل النسخ ، يتم تحويل الحمض النووي الريبي إلى cDNA ، ويتم تجزئة cDNAs الناتجة ، ويتم ربط محولات المكتبة بالأجزاء الناتجة ، متبوعة بالتسلسل. لوحة (أ) مستنسخة بإذن من [27].

تلعب إنزيمات IDH دورًا رئيسيًا في التمثيل الغذائي الخلوي ، وتحفيز تحويل الأيزوسترات إلى α-ketoglutarate (α-KG) وتوليد NADPH من NADP + في العملية (الشكل 2). يتنبأ التركيب البلوري لـ IDH1 [9] أن بدائل الأحماض الأمينية الموجودة في موضع R132 ستضعف تفاعل الإنزيم مع ركيزة الأيزوسيترات ، وقد قدمت الدراسات الوظيفية والكيميائية الحيوية للبروتينات الطافرة من قبل عدة مجموعات رؤى مهمة حول هذا [ 4 ، 10 ، 11]. قام Zhao وزملاؤه [10] بتقييم في المختبر الأنشطة الأنزيمية لثلاثة طفرات IDH1 مشتقة من الورم - R132H و R132C و R132S - من خلال التعبير عن التركيبات الطافرة في خلايا 293T من الكلية الجنينية البشرية المحولة. لقد لاحظوا أن جميع المسوخات الثلاثة لديها انخفاض بنسبة 80 ٪ في القدرة على تحويل isocitrate إلى α-KG مقارنة بالأنزيم من النوع البري ، وكشفت التحليلات الحركية الأخرى عن انخفاض كبير في تقارب isocitrate في جميع المسوخات الثلاثة. نظرًا لأن IDH1 يعمل كمجمع متماثل ، فإن Zhao وآخرون. [10] ثنائيات IDH1 المعزولة المعبر عنها من جينات النوع R132H المتحولة والبرية التي تم إدخالها الإشريكية القولونية. تم تحديد ثلاث مجموعات ثنائية ، النوع البري: R132H أظهر 4 ٪ فقط من نشاط إنزيم dimer من النوع البري ، بينما كانت homodimers R132H: R132H غير نشطة تمامًا تقريبًا.

تأثير طفرات IDH1 / 2 على بيولوجيا الخلايا السرطانية. (أ) في الخلايا الطبيعية ، يتمثل دور إنزيمات IDH1 و IDH2 في تحويل isocitrate إلى α-ketoglutarate (α-KG) ، وتحويل NADP + إلى NADPH. إن وجود α-KG ينظم برولات هيدروكسيلاز (PHD) التي بدورها تعزز تدهور العامل المحفز لنقص الأكسجة 1α (HIF-1α). HIF-1α هو عامل نسخ ينظم التعبير عن الجينات المتعلقة باستقلاب الجلوكوز وتكوين الأوعية ومسارات الإشارات الأخرى عن طريق استشعار انخفاض مستويات الأكسجين الخلوي. تقوم إنزيمات IDH الطافرة بتحويل α-KG إلى 2-hydroxyglutarate (2-HG) ، مما يؤدي إلى تراكم هذا oncometabolite. (ب) مقارنة التنميط الأيضي للخلايا من النوع البري IDH (اللوحة العلوية) والخلايا المتحولة (اللوحة السفلية) ، مما يشير إلى زيادة مستويات 2-HG المرتبطة بالطفرة. 2-HG غائب في خلايا IDH البرية. لوحة (ب) مستنسخة بإذن من [15].

ما هي العواقب الأيضية لطفرات IDH1؟ باستخدام خط خلايا الورم الأرومي الدبقي البشري U-87 MG ، Zhao وآخرون. [10] أظهر انخفاضًا مصاحبًا في مستويات α-KG الخلوية بعد هدم IDH1 الداخلي ، ولأن α-KG مطلوب بواسطة برولايل هيدروكسيلاز ، فإن الإنزيمات التي تعمل على الهيدروكسيلات وتعزز تحلل العامل المحفز لنقص الأكسجة 1α (HIF-1α) ، داخل الخلايا تم تمييز مستويات HIF-1α أيضًا. تشاو وآخرون. أظهر أنه عندما يتم هدم IDH1 من النوع البري بواسطة تدخل RNA باستخدام RNA قصير الشعر ، يرتفع HIF-1α ، وعندما يتم التعبير عن IDH1 بشكل مفرط ، يتم تقليل مستويات HIF-1α. HIF-1α is a component of HIF-1, a transcription factor that regulates the expression of genes related to glucose metabolism, angiogenesis, and other signaling pathways by sensing low cellular oxygen levels. By performing quantitative PCR to measure the transcripts of three known HIF-1 target genes - glucose transporter 1 (Glut1), vascular endothelial growth factor (VEGF), and phosphoglycerate kinase (PGK1) - Zhao وآخرون. demonstrated induced expression of these genes as a consequence of either the knockdown of wild-type IDH1 or the expression of the IDH1 R132H mutant. On staining glioma samples for HIF-1α, those tumors with previously identified R132H mutations showed a statistically stronger staining signal than those without mutations. Thus, this body of evidence has demonstrated that when IDH1 is mutated, its function is reduced and the downstream impact of that reduced function (the consequential upregulation of HIF-1α) contributes to the cell's progression to cancer, thereby indicating that a likely function of IDH1 is that of a tumor suppressor gene. Further experimentation is needed to support the claim that IDH2 may be a tumor suppressor gene also.

Building on the initial characterizations of IDH1 mutations in gliomas, Dang وآخرون. [11] took a metabolomics-based approach to identify further changes in associated metabolite levels when an IDH1 mutation is present [11]. They found 2-hydroxyglutarate (2-HG) to be the only metabolite with significantly increased abundance in cells expressing R132H mutant IDH1. In a clever series of experiments, the increase in 2-HG was shown to result from the NADPH-dependent reduction of α-KG by mutant IDH1, a new function that is enabled by the mutation at R132. The authors demonstrated a similar gain of function for the R132C, R132L and R132S mutations. Their X-ray crystallographic studies showed that the R132H mutation in IDH1 results in the formation of an active site distinct from that of the wild-type enzyme. With the aim of improving diagnostic efficacy, Dang وآخرون. examined 12 GBM tumors with various R132 mutations in IDH1, and found 2-HG levels 100-fold greater or more than in tumors with wild-type IDH1 the measured decrease in α-KG was, however, not statistically different in mutant versus wild-type IDH1 tumors. This finding indicates that in the clinic, detecting patients with increased 2-HG levels would identify GBMs with IDH1 mutations, predicting an overall longer survival time. Indeed, since secondary GBMs develop from lower-grade gliomas, therapeutic inhibition of 2-HG production might slow the transition time to GBM development, offering an improved survival benefit as a result.

In our laboratory we have been using a whole-genome shotgun approach to sequence tumor genomes. In the second case of acute myeloid leukemia (AML) we sequenced, we discovered an IDH1 R132 mutation that was subsequently found in about 8% of our 187 banked AML patient samples, showing that this mutation is not restricted to gliomas [12]. In these tumor genomes, we detected R132C, R132H and R132S substitutions, with R132C being most common (8 of 16). PCR assays designed to detect IDH2 R172 mutations in the 188 AML samples did not reveal any. Correlation analyses of clinical data and mutational status for AML patients with IDH1 mutations indicated that the presence of IDH1 mutations, in cases with normal cytogenetics and with wild-type nucleophosmin-1 (NPM1), a commonly mutated gene in AML that has been known for some time, predicted a worse prognosis, although we did not reach statistical significance with our cohort. Soon after, Schnittger وآخرون. [13] reported an analysis of a cohort of 999 AML patients, finding that IDH1 mutations were frequent (in 9.3% of samples), that the R132C mutant was the most common, and that in the presence of wild-type NPM1 and intermediate cytogenetics (a cytogenetic evaluation of the leukemia cells revealing no clues as to the patient's prognosis), patients with IDH1 mutations had a significantly unfavorable prognosis (ص = 0.038).

A subsequent study by Gross وآخرون. [14] examined an additional 145 AML biopsies, identifying 11 IDH1 R132 mutant samples [14]. Four IDH1-mutant primary samples had relapse samples that also carried the IDH1 mutation. AML cells carrying the R132 mutant of IDH1 were found by gas chromatography-mass spectrometry to have 2-HG levels around 50-fold greater than in samples with wild-type IDH1. Similarly, higher 2-HG levels were detected in sera from patients positive for the IDH1 R132 mutation. Two wild-type IDH1 samples had elevated 2-HG levels and were found to be carrying IDH2 R172 mutations, the first report of these in AML. Importantly, this paper reinforced the fact that metabolite screening rather than mutational screening can be an important diagnostic approach for the detection of elevated 2-HG levels and, by inference, IDH1/2 mutations. Because of the apparent predominance in AML of the IDH1 R132C mutation over R132H (which is more predominant in gliomas), Gross وآخرون. [14] looked at the kinetics of the R132C mutant enzyme. The R132C enzyme showed a dramatic loss of affinity for isocitrate (resulting in a reduction in Kم) and a drop of more than six orders of magnitude in net efficiency (Kقطم) of isocitrate metabolism.

In another recent study, our understanding of IDH mutations and their detection has been extended. Ward وآخرون. [15] have determined that the gain of function seen in the IDH1 R132 mutants (that is, the ability to reduce α-KG) is also found in the IDH2 R172K mutant. Metabolic profiling of cells expressing IDH2 R172K revealed an approximately 100-fold increase in intracellular 2-HG compared with cells overexpressing wild-type IDH2, and this finding was extended to leukemia cells carrying the IDH2 R172K mutation. Ward وآخرون. [15] also screened AML samples with normal cytogenetics but unknown IDH mutational status for increased levels of 2-HG, and then evaluated the mutational status based on the result of the screening assay. In this test, 2-HG measurement was found to predict mutational status with high accuracy. In addition, a new IDH2 mutation, R140Q, was identified in five samples. In a second evaluation of 78 AML samples, IDH2 R140Q mutations were found to be more frequent than either IDH1 R132 mutations or IDH2 R172K [15].

Despite some differences among sample sets, this body of work, aiming to characterize the impact of IDH mutations on tumor cell biology has led to the conclusion that all mutations discovered so far enable a gain of function in α-KG reduction with a concomitant increase in the tumor-specific metabolite, or oncometabolite, 2-HG. Although the contribution of 2-HG to tumor cell biology remains speculative, Ward وآخرون. noted that all IDH mutation-containing tumor types identified so far (leukemias and gliomas) are distinguished by proliferation of a relatively undifferentiated cell population, and in this context the effect of 2-HG in the tumor and its microenvironment is to block cellular differentiation [15].


Mutations in RECQL Gene Are Associated with Predisposition to Breast Cancer

The genetic cause for approximately 80% of familial breast cancer patients is unknown. Here, by sequencing the entire exomes of nine early-onset familial breast cancer patients without BRCA1/2 mutations (diagnosed with breast cancer at or before the age of 35) we found that two index cases carried a potentially deleterious mutation in the RECQL gene (RecQ helicase-like chr12p12). Recent studies suggested that RECQL is involved in DNA double-strand break repair and it plays an important role in the maintenance of genomic stability. Therefore, we further screened the RECQL gene in an additional 439 unrelated familial breast cancer patients. In total, we found three nonsense mutations leading to a truncated protein of RECQL (p.L128X, p.W172X, and p.Q266X), one mutation affecting mRNA splicing (c.395-2A>G), and five missense mutations disrupting the helicase activity of RECQL (p.A195S, p.R215Q, p.R455C, p.M458K, and p.T562I), as evaluated through an in vitro helicase assay. Taken together, 9 out of 448 BRCA-negative familial breast cancer patients carried a pathogenic mutation of the RECQL gene compared with one of the 1,588 controls (P = 9.14×10-6). Our findings suggest that RECQL is a potential breast cancer susceptibility gene and that mutations in this gene contribute to familial breast cancer development.

بيان تضارب المصالح

The authors have declared that no competing interests exist.

الأرقام

Fig 1. Analysis of the splicing mutation…

Fig 1. Analysis of the splicing mutation 395–2 A>G.

(A) RT-PCR analysis of RNA extracted…

Fig 2. Functional analyses of the eight…

Fig 2. Functional analyses of the eight missense mutations in the RECQL الجين.


Bone Remodeling

Even after skeletal maturity has been attained, bone is constantly being resorbed and replaced with new bone in a process called bone remodeling . In this lifelong process, mature bone tissue is continually turned over, with about ten per cent of the skeletal mass of an adult being remodeled each year. Bone remodeling is carried out through the work of osteoclasts — which are bone cells that resorb bone and dissolve its minerals — and osteoblasts , which are bone cells that make new bone matrix.

Bone remodeling serves several functions. It shapes the bones of the skeleton as a child grows, and it repairs tiny flaws in bone that result from everyday movements. Remodeling also makes bones thicker at points where muscles place the most stress on them. In addition, remodeling helps regulate mineral homeostasis , because it either releases mineral from bones into the blood or absorbs mineral from the blood into bones. Figure 11.5.3 shows how osteoclasts in bones are involved in calcium regulation.

Figure 11.5.3 Keeping the calcium level in homeostasis involves the work of osteoclasts, the bone cells that resorb bone and release calcium into the blood.

The action of osteoblasts and osteoclasts in bone remodeling and calcium homeostasis is controlled by a number of enzymes , hormones , and other substances that either promote or inhibit the activity of the cells. In this way, these substances control the rate at which bone is made, destroyed, and changed in shape. For example, the rate at which osteoclasts resorb bone and release calcium into the blood is promoted by parathyroid hormone (PTH) and inhibited by calcitonin, which is produced by the thyroid gland (see the diagram in Figure 11.5.3). The rate at which osteoblasts create new bone is stimulated by growth hormone, which is produced by the anterior lobe of the pituitary gland. Thyroid hormone and sex hormones (estrogens and androgens) also stimulate osteoblasts to create new bone.


11.5 Review Questions

  • أنت هنا: & # 160
  • الصفحة الرئيسية
  • Umbrella
  • كتب مدرسية
  • بيو 581
  • 35 Review Questions

This text is based on Openstax Biology for AP Courses, Senior Contributing Authors Julianne Zedalis, The Bishop's School in La Jolla, CA, John Eggebrecht, Cornell University Contributing Authors Yael Avissar, Rhode Island College, Jung Choi, Georgia Institute of Technology, Jean DeSaix, University of North Carolina at Chapel Hill, Vladimir Jurukovski, Suffolk County Community College, Connie Rye, East Mississippi Community College, Robert Wise, University of Wisconsin, Oshkosh

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 Unported License, with no additional restrictions


11.5: Mutations - Biology

  • أنت هنا: & # 160
  • الصفحة الرئيسية
  • Andover Biology Department Textbooks
  • Openstax Biology for AP Courses (textbook for Bio58x sequence)
  • بيو 581
  • Chapter 11 Meiosis and Sexual Reproduction
  • 11.5 Review Questions

This text is based on Openstax Biology for AP Courses, Senior Contributing Authors Julianne Zedalis, The Bishop's School in La Jolla, CA, John Eggebrecht, Cornell University Contributing Authors Yael Avissar, Rhode Island College, Jung Choi, Georgia Institute of Technology, Jean DeSaix, University of North Carolina at Chapel Hill, Vladimir Jurukovski, Suffolk County Community College, Connie Rye, East Mississippi Community College, Robert Wise, University of Wisconsin, Oshkosh

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 Unported License, with no additional restrictions


Efficient Generation and Correction of Mutations in Human iPS Cells Utilizing mRNAs of CRISPR Base Editors and Prime Editors

In contrast to CRISPR/Cas9 nucleases, CRISPR base editors (BE) and prime editors (PE) enable predefined nucleotide exchanges in genomic sequences without generating DNA double strand breaks. Here, we employed BE and PE mRNAs in conjunction with chemically synthesized sgRNAs and pegRNAs for efficient editing of human induced pluripotent stem cells (iPSC). Whereas we were unable to correct a disease-causing mutation in patient derived iPSCs using a CRISPR/Cas9 nuclease approach, we corrected the mutation back to wild type with high efficiency utilizing an adenine BE. We also used adenine and cytosine BEs to introduce nine different cancer associated TP53 mutations into human iPSCs with up to 90% efficiency, generating a panel of cell lines to investigate the biology of these mutations in an isogenic background. Finally, we pioneered the use of prime editing in human iPSCs, opening this important cell type for the precise modification of nucleotides not addressable by BEs and to multiple nucleotide exchanges. These approaches eliminate the necessity of deriving disease specific iPSCs from human donors and allows the comparison of different disease-causing mutations in isogenic genetic backgrounds.

الكلمات الدالة: CRISPR/Cas9 base editors human induced pluripotent stem cells mRNA prime editors.

بيان تضارب المصالح

الكتاب تعلن أي تضارب في المصالح. The funders had no role in the design of the study in the collection, analyses, or interpretation of data in the writing of the manuscript, or in the decision to publish the results.


الاستنتاجات

We have built a FI network that covers close to half of human gene products. This functional network, which interconnects with the curated pathways available from Reactome and other human curated pathway databases, forms the foundation for a pathway-based data analysis system for high-throughput data analysis. We have applied this system to the analysis of two genome-wide GBM data sets and data sets from other cancer types and revealed common network patterns in cancer related genes and samples, suggesting that there exists a core network in GBM tumorigenesis.


From associated SNP to causal allele and causal gene

An important promise of human genetics is that GWASs offer an unbiased approach to discovering new pathways that cause disease. Towards this end, a major challenge is to take the expanding list of disease risk alleles and understand the effect on gene function. The first step is to identify which gene near the associated SNP has its function affected by the underlying causal mutation (which is rarely known). This step is critical, as the region of LD surrounding the associated SNP often contains more than one gene (although often there is one likely candidate gene from the known biology). A region of LD includes neighboring sequence in which a group of SNPs are highly correlated (for example, at a correlation coefficient of ص 2 > 0.80). Moreover, it is conceivable that the causal mutation exerts its effect at a distance (for example, by altering gene expression) or that the causal mutation is rare in the general population and located some distance from the associated SNP [29].

As shown in Figure 1, there are at least three general approaches to get from associated SNP to causal gene (and causal mutation). First, fine-mapping of the region of LD is performed using resequencing and dense genotyping. An allele is considered causal if it is predicted to alter function and if direct experimentation demonstrates altered function. An intriguing result from GWASs is that most associated SNPs lie outside coding regions, and most of the causal mutations probably also fall outside coding regions. It is likely that many causal mutations affect gene expression or mRNA splicing.

From associated SNP to causal gene/mutation. There are at least three ways to go from an associated SNP in a GWAS to the causal mutation(s) and causal gene. The first is to perform dense genotyping to identify the set of common SNPs that yield the strongest signal of association, followed by hypothesis-driven functional studies. The second is to perform deep re-sequencing to search for rare mutations that are independent of the common mutation and that alter protein function. The third is to use bioinformatics approaches to establish connections among genes across associated loci.

One of the best examples was fine-mapping and functional studies of IRF5, a gene associated with SLE and other autoimmune diseases [30, 31]. IRF5 encodes a member of the interferon regulatory factor (IRF) family, a group of transcription factors with diverse roles, including virus-mediated activation of interferon and modulation of cell growth, differentiation, apoptosis and immune system activity. Studies have revealed three functional alleles of IRF5: an exon 1 splice site variant, a 30-bp in-frame insertion/deletion variant of exon 6, and a variant in a conserved poly(A) + signal sequence that alters the length of the 3' untranslated region and stability of IRF5 mRNAs [30]. Haplotypes of these three variants define at least three distinct levels of risk to SLE. There is an approximately twofold increase in the level of risk between carriers of the highest and lowest risk haplotypes.

Second, candidate genes from a region of LD can be resequenced to search for independent, rare protein-coding mutations. The underlying hypothesis is that a true causal gene will harbor multiple risk alleles at least one of these might be common (and identified by GWAS), whereas many others will be rare. Precedence for this hypothesis comes from studies of Mendelian disorders, for which disease can be caused by many different mutations to the same gene (genetic heterogeneity). In a study published in 2009 [32], the coding exons of six genes identified by GWASs of T1D were resequenced to search for independent rare mutations. Two rare SNPs in the interferon-induced helicase C domain-containing protein 1 (IFIH1) gene were identified that conferred protection from T1D. IFIH1 is a cytoplasmic protein that recognizes RNA of certain viruses and mediates immune activation. Following infection, the IFIH1 protein senses the presence of viral RNA in the cytoplasm, triggers activation of nuclear factor (NF)-κB and IRF pathways and induces antiviral IFN-β response. The non-synonymous SNP with the strongest association, rs35667974 (which causes the amino acid substitution Ile923Val), was observed on an estimated 3 out of 960 case chromosomes but 24 out of 960 control chromosomes (ص = 0.00004) another SNP, rs35337543 (which affects a splice donor site), was observed on 7 case chromosomes and 23 control chromosomes (ص = 0.005). Both SNPs were genotyped in more than 20,000 additional case-control samples: rs35667974 was present in about 1% of cases and 2% of controls (ص = 2.1 × 10 -16 ) and rs35337543 in 1% of cases versus 1.5% of controls (ص = 1.4 × 10 -4 ). Both mutations are predicted to be loss-of-function mutations, although why these mutations influence risk of T1D remains unknown.

The third approach is less direct, but nonetheless very powerful, especially when there are many loci associated with risk of disease. The underlying hypothesis is that there are a limited number of biological pathways that are altered to confer risk of disease and that true causal genes will be restricted to those specific pathways. Examples of such pathways include known signaling pathways (such as the NF-κB pathway and risk of RA [33]) or catabolic pathways (such as autophagy and risk of Crohn's disease [20]). The challenge of this computational approach is to define categories of pathways, as our understanding of many biological processes is incomplete. One successful approach has been to use information contained in PubMed abstracts to establish connections between gene loci [34]. This approach has been used to identify putative causal genes for RA and celiac disease [5, 13]. In the RA study, three loci were identified that contained the genes CD28, CD2/CD58 و PRDM1, respectively [5]. Both CD2 and CD28 are co-stimulatory molecules on the surface of T cells. PRDM1 (also known as BLIMP-1) is a transcription factor that regulates terminal differentiation of B cells into immunoglobulin-secreting plasma cells. Once these connections are established among risk loci, direct experimentation is still required to prove the pathways are critical to disease.


شكر وتقدير

The authors thank all researchers and clinicians for their contributions to the field and apologize to those whose work they could not describe or cite.

The laboratory of K.D.K. was supported by a European Research Council (ERC) starting grant (334946), Fonds Wetenschappelijk Onderzoek (FWO)-Vlaanderen funding (G067015N and G084013N), and a Stichting Tegen Kanker grant (2012-176). The laboratory of J.C. was supported by an ERC consolidator grant (617340), and funding from FWO-Vlaanderen (G.0683.12), Stichting Tegen Kanker (2014-120), and Kom Op Tegen Kanker. T.G. was supported by the Emmanuel van der Schueren Kom Op Tegen Kanker fellowship.


شاهد الفيديو: الطفرات الجينية 2 (كانون الثاني 2023).