معلومة

كيف يتم قراءة الحمض النووي

كيف يتم قراءة الحمض النووي


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.

سؤال غريب قليلا هنا. قيل لي أن الحمض النووي يُقرأ في مجموعات من ثلاثة أفراد.

بافتراض ذلك ، فإن سؤالي هو: ما هي الطريقة الأفضل لوصف كيفية قراءة الحمض النووي.

(123) 456789 إلى 123 (456) 789 إلى 123456 (789) أو (123) 456789 إلى 1 (234) 56789 إلى 12 (345) 6789

بافتراض أن سلسلة الأرقام 123456789 تمثل تسلسل الحمض النووي.


أكواد الحمض النووي للبروتينات عبر الكودونات. الكودون هو مزيج من ثلاثة نيوكليوتيدات. نظرًا لوجود 4 نيوكليوتيدات مختلفة متوفرة في الحمض النووي ، فهناك 64 تباديلًا ممكنًا. ترمز هذه الكودونات الـ 64 للأحماض الأمينية الـ 20 و 3 أكواد الإيقاف. وبالتالي ، يتم ترميز العديد من الأحماض الأمينية بواسطة عدة أكواد مختلفة - يُقال إن الشفرة الجينية زائدة عن الحاجة.

عادةً ما تحتوي تسلسلات الحمض النووي على إطار قراءة واحد (لكن انظر إجابة @ user3790338 للحصول على استثناء مثير للاهتمام لهذه القاعدة). يتم تعريف إطار القراءة ، بشكل أساسي ، بواسطة الحمض الأميني الأول للبروتين الذي يفك تشفيره. بعد ذلك ، كل ثلاثة توائم هو كودون واحد ، بطريقة غير متداخلة (123 - 456 - 789 - إلخ). لاحظ أن تسلسل الحمض النووي يحتوي على ما يسمى الإنترونات التي تتدخل في ترميز الحمض النووي. يتم استبعاد هذه المناطق بعد النسخ. من أجل الوضوح لقد تجاهلتهم في إجابتي.

ومع ذلك ، يجب على المرء أن يدرك أن ترميز الحمض النووي هذا مهم فقط من الناحية الفيزيولوجية أثناء الترجمة ، أي عندما يتم ترجمة mRNA إلى بروتين. إن الريبوسوم هو الذي يقرأ بالفعل الكودونات ويوقف الكودونات ليحدد الحمض الأميني الذي يجب دمجه في البروتين النامي ومتى تتوقف الترجمة. ومن ثم ، على الرغم من أننا نقرأ تسلسل الحمض النووي من حيث الكودونات ، فإن الآلية الخلوية لا تقرأ الحمض النووي ، إنها تقرأ mRNA.


بافتراض أن موضع الترميز الأول هو 1 ، سيتم قراءة الحمض النووي على النحو التالي: (123) 456789 إلى 123 (456) 789 إلى 123456 (789). هناك استثناءات قليلة إلى حد ما لذلك ، على سبيل المثال بعض الفيروسات (مثل http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/1966841) ، حيث تتداخل إطارات القراءة كما في المثال الثاني. هذا لأن الجينوم الفيروسي أصغر بكثير ويحتاج إلى ترميز جميع البروتينات إلى أقل قدر ممكن من الحمض النووي. لاحظ أن هناك أكثر من طريقة لتداخل الإطارات.


يمكن قراءة الحمض النووي البكتيري إما للأمام أو للخلف

تحتوي البكتيريا على تناسق في إشارات الحمض النووي الخاصة بها والتي تمكنها من قراءتها إما للأمام أو للخلف ، وفقًا للنتائج الجديدة في جامعة برمنغهام التي تتحدى المعرفة الحالية حول النسخ الجيني.

في جميع الكائنات الحية ، يتم تقسيم كود الحمض النووي إلى أقسام توفر معلومات حول عملية معينة. يجب قراءة هذه قبل استخدام المعلومات. تحدد الخلايا بداية كل قسم باستخدام "علامات" ، والتي حددها العلماء لأول مرة في الستينيات.

لطالما كان يُفترض أن هذه العلامات تمكن من قراءة التسلسلات الجينية في اتجاه واحد. ومع ذلك ، تُظهر الدراسة الجديدة ، التي نُشرت في مجلة Nature Microbiology ، أن الكائنات وحيدة الخلية لها إشارات DNA متناظرة. هذا يعني أنه يمكن قراءة رمز DNA في أي من الاتجاهين.

يوضح المؤلف الرئيسي ، البروفيسور ديفيد غرينغر ، أن: "معظم الدراسات حول الإشارات الجينية تتغاضى عن التناظر ، لكننا نعتقد أن هذا مهم للغاية ويمثل مستوى جديدًا تمامًا من تنظيم الجينات التي لم يتم التحقيق فيها بعد."

الأسباب الدقيقة للقراءة ثنائية الاتجاه ليست واضحة بعد وستتطلب مزيدًا من التحقيق. إحدى النظريات التي يدرسها الفريق هي أنها تساعد في تجنب قراءة "الاصطدامات" مع المتواليات الأخرى.

على الرغم من أن الدراسة الحالية تركز بشكل أساسي على البكتيريا ، إلا أن الفريق يتكهن بأنه من المحتمل العثور على تناظر الإشارة في البشر والحيوانات والكائنات الحية الأخرى أيضًا. ستكون الخطوة التالية للبحث هي التحقيق في ظاهرة خلايا الخميرة التي تشبه الخلايا البشرية بشكل أوثق.

يضيف البروفيسور غرينغر: "إن فهم كيفية قراءة الجينات أمر أساسي للعديد من فروع التكنولوجيا الحيوية. تعتمد الكثير من الأدوية ، على سبيل المثال ، على القدرة على التحكم في كيفية قراءة الجينات ، لذلك من المهم أن نفهم تمامًا كيف تعمل هذه الإشارات ، وكيف يمكننا استخدام هذه المعرفة لتحسين الرعاية الصحية ".


قاعدة الزوج

أ قاعدة الزوج يشير إلى قاعدتين تشكلان "درجة سلم الحمض النووي". الحمض النووي النوكليوتيدات يتكون من جزيء السكر وجزيء حمض الفوسفوريك وجزيء يسمى القاعدة. القواعد هي "الحروف" التي توضح الشفرة الجينية. في الحمض النووي ، تكون أحرف الكود هي A و T و G و C ، والتي ترمز إلى المواد الكيميائية الأدينين والثايمين والجوانين والسيتوزين ، على التوالي. في قاعدة الاقتران، يتزاوج الأدينين دائمًا مع الثايمين ، والجوانين دائمًا يتزاوج مع السيتوزين.

أكثر: يتم "قراءة" الحمض النووي في اتجاه معين ، تمامًا مثل قراءة الحروف والكلمات في اللغة الإنجليزية من اليسار إلى اليمين. كل نهاية لجزيء DNA لها رقم. يشار إلى نهاية واحدة باسم 5 '(خمسة برايم) ويشار إلى الطرف الآخر باسم 3 '(ثلاثة رئيسيات). تشير التعيينات 5 'و 3' إلى عدد ذرة الكربون في جزيء سكر الديوكسيريبوز الذي ترتبط به مجموعة الفوسفات.

توضح هذه الشريحة كيفية ترقيم الكربونات الموجودة في السكريات ، لمساعدتك على تحديد أي نهايات هي 5 '، وأيها 3'. بمجرد معرفة الاتجاه الذي تتم فيه قراءة الخصلة ، فإنك تعرف تلقائيًا الاتجاه الذي تقرأ فيه الخصلة الأخرى. هذا لأن الخيوط هي أيضًا مضاد (يركضون في اتجاهين متعاكسين) ، كما هو مذكور في الشريحة السابقة.


النسخ في الخلايا بدائية النواة وحقيقية النواة

إيلينا كيسيليفا / مكتبة صور العلوم / غيتي إيماجز

بينما يحدث النسخ في كل من الخلايا بدائية النواة وحقيقية النواة ، فإن العملية تكون أكثر تعقيدًا في حقيقيات النوى. في بدائيات النوى ، مثل البكتيريا ، يتم نسخ الحمض النووي بواسطة جزيء RNA polymerase دون مساعدة عوامل النسخ. في الخلايا حقيقية النواة ، هناك حاجة لعوامل النسخ لحدوث النسخ ، وهناك أنواع مختلفة من جزيئات RNA polymerase التي تقوم بنسخ الحمض النووي اعتمادًا على نوع الجينات. يتم نسخ الجينات التي ترمز للبروتينات بواسطة RNA polymerase II ، ويتم نسخ ترميز الجينات لـ RNAs الريبوسوم بواسطة RNA polymerase I ، ويتم نسخ الجينات التي ترمز لنقل RNAs بواسطة RNA polymerase III. بالإضافة إلى ذلك ، فإن العضيات مثل الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء لها بوليميرات RNA الخاصة بها والتي تقوم بنسخ الحمض النووي داخل هياكل الخلايا هذه.


رقاقة متسلسلة: رقاقة متسلسلة

أميت بول ، نيكول سي ريدل ، في طرق علم التخلق ، 2020

2.2.1 بصمة الحمض النووي

للتغلب على قيود EMSA ، التي لا تقدم أي معلومات بخصوص تسلسل الحمض النووي الذي يتفاعل معه بروتين كروماتين معين ، يتم استخدام بصمة الحمض النووي. تعتمد طريقة بصمة الحمض النووي على مبدأ أن الموقع الذي يرتبط فيه البروتين بالحمض النووي محمي من هضم نوكلياز ، مما يعني أنه من خلال عزل الأجزاء "المحمية" من الحمض النووي ، يمكن تحديد موقع ارتباط البروتين الدقيق [38-40]. تعد بصمة الحمض النووي تقنية حساسة للغاية ، وتتوفر بروتوكولات قوية ، وهي طريقة اختيار ممتازة لتحديد أشكال الربط في سياق تسلسل محدود [41]. في البداية ، تم تطوير البصمة كملف في المختبر تقنية ، تسمح الأساليب الأحدث بدراسة تفاعلات الحمض النووي / البروتين في الجسم الحي. طور مولر وزملاؤه تفاعل البوليميراز المتسلسل (LMPCR) بوساطة الربط في عام 1989 لدراسة التفاعل بين مُحسِّن النمو لجين كيناز الكرياتين العضلي (MCK) والمنظم العضلي MyoD1 (التمايز العضلي 1) [42]. أظهر نهج البصمة LMPCR أن MyoD1 كان مرتبطًا في عدة مواقع في منطقة المحسن الخاصة بنسخ MCK بنشاط في خلايا عضلية متباينة ولكنها غائبة عن هذه المواقع في الخلايا العضلية غير المتمايزة [42]. وبالمثل ، تم استخدام البصمة LMPCR لإثبات أن mdm2 يحتوي محفز الجينات الورمية على عنصر استجابة p53 مرتبط بـ p53 أثناء التنشيط النسخي لـ mdm2 [43]. تم استخدام هضم نوكلياز تقييد متبوعًا بـ LMPCR لتعيين كثافة البوليميراز عند استجابة الصدمة الحرارية Hsp82 المروج [44] ، و في الجسم الحي تم استخدام LMPCR لإظهار أن عامل النسخ NFI يعمل كمثبط قوي لنسخ الجين p21 ، ويربط موقعًا مستهدفًا بين موضع النوكليوتيدات - 161 و - 149 بالنسبة إلى موقع بدء النسخ (TSS) [45]. توضح هذه الأمثلة أن طرق البصمة DNA تظل مفيدة لدراسة تفاعلات البروتين / الحمض النووي في سياق الكروماتين ، خاصةً إذا كانت هناك حاجة إلى دقة عالية جدًا في عدد صغير من المواقع.

في السنوات الأخيرة ، بذلت جهود لتطوير طرق على مستوى الجينوم لبصمة الحمض النووي. على سبيل المثال ، DNase-seq (تسلسل المواقع شديدة الحساسية DNase I) ، الذي طوره Boyle وزملاؤه في عام 2008 ، وهي تقنية يتم فيها هضم النوى باستخدام DNase I (Deoxyribonuclease I) ، وبعد عدة خطوات معالجة بما في ذلك إصلاح النهاية ، وربط الرابط ، و الهضم ، يتم تحديد التسلسلات المجاورة لمواقع قطع DNase I من خلال تسلسل الجيل التالي [46] (للحصول على بروتوكول مفصل ، انظر [47]). يستخدم بويل وزملاؤه هذه التقنية لرسم خرائط للمواقع شديدة الحساسية لـ DNase I في خلايا CD4 الأولية البشرية (مجموعة التمايز 4) + الخلايا التائية ، مما يسمح لهم برسم خريطة مناطق الكروماتين المفتوح عبر الجينوم [46]. استخدم Hesselberth وزملاؤه طريقة مماثلة تتضمن هضم DNase I متبوعًا بتسلسل الجيل التالي لتنفيذ "البصمة الجينومية الرقمية" [48]. كشف تحليلهم لكروماتين الخميرة عن عدد كبير من المناطق المحمية التي تشير إلى ارتباط عامل النسخ أو النوكليوسومات الموضوعة بدقة [48]. تستمر مناهج البصمة DNA على مستوى الجينوم في التطور ، وفي عام 2019 ، تم تقديم XL (crosslink) -DNase-seq ، والذي يتضمن خطوة ربط خفيفة من قبل أوه وزملاؤه للسماح برسم الخرائط للعوامل ذات معدلات إشغال الكروماتين الأقصر [49]. توضح هذه الأمثلة أن بصمة الحمض النووي لا تزال تستخدم من قبل الباحثين الذين يحتاجون إلى معلومات عالية الدقة حول ربط مكونات الكروماتين.


من الخلية إلى الحمض النووي

رصيد الصورة: Clipart.com

غرض

تعريف الطلاب بالمعلومات الجينية المخزنة في الحمض النووي داخل نواة الخلية البشرية.

مفهوم

الهدف من هذا الدرس هو تعريف الطلاب بالخلية البشرية وحمضها النووي كمعلومات وراثية تحكم كيفية عمل الخلية. يوصى بتدريس هذا الدرس قبل الخوض في العملية الأكثر تقنية وكيميائية حيوية للنسخ والنسخ والترجمة.

عند التعرف على الخلايا ، غالبًا ما يقفز الطلاب على الفور إلى الهياكل والوظائف. هذا النهج المجزأ يفسح المجال لسوء فهم العلاقة بين الخلايا والكائنات الحية التي تتكون منها. توصف كتب علم الأحياء الخلايا بأنها اللبنات الأساسية للحياة ، ومع ذلك لا يستطيع الطلاب في كثير من الأحيان شرح كيف يمكن لشيء صغير جدًا أن يساعد في تكوين إنسان أو شجرة أو بكتيريا. غالبًا ما يعتقد الطلاب أن الخلايا تطفو داخل الهياكل ، حيث يتم تصوير خلايا الدم وهي تتحرك عبر الشرايين والأوردة. حتى استخدام لغة معينة يمكن أن يعزز هذا النوع من التفكير الخاطئ ، وقد يُفهم أن العبارة & ldquocells في القلب & rdquo تعني أن هناك خلايا داخل القلب ، ولكنها لا تصنع القلب نفسه. تشير الأبحاث إلى أنه قد يكون من الأسهل على الطلاب فهم أن الخلية هي الوحدة الأساسية للبنية (التي يمكنهم ملاحظتها) من أن الخلية هي الوحدة الأساسية للوظيفة (والتي يجب استنتاجها من التجارب) (Dreyfus & amp Jungwirth، 1989). في هذا الدرس ، سيبدأ الطلاب في فهم الخلايا كوحدة أساسية للبنية والبدء في استكشاف كيفية قيام الحمض النووي بإعلام وظيفة الخلية.

تظهر الأبحاث أيضًا أن طلاب المدارس الثانوية قد يكون لديهم العديد من المفاهيم الخاطئة حول الخلايا بعد التعليمات التقليدية (Dreyfus & amp Jungwirth ، 1988). بينما يتعلم الطلاب تفاصيل الانقسام ، والتنفس الخلوي ، والتمثيل الضوئي ، غالبًا ما لا يتم التعامل مع الفهم الأكبر لكيفية ارتباط هذه العمليات الكيميائية والبيولوجية المفصلة بالحياة والنمو. علاوة على ذلك ، يتم تعليم الطلاب عادة شكل ووظيفة الخلايا & ldquotypical & rdquo ، وغالبًا ما يتم عزلهم عن الخلايا الأخرى. يتم تسليط الضوء على الاختلافات بين الخلايا بدائية النواة والخلايا حقيقية النواة ، وكذلك الاختلافات بين الخلايا النباتية والحيوانية. من الناحية المفاهيمية ، يشجع هذا الطلاب على الاعتقاد بأن جميع الخلايا النباتية متماثلة جسديًا وشكلًا ، وكذلك لجميع الخلايا الحيوانية. نظرًا لأن الخلايا غالبًا ما تُدرس في عزلة و [مدش] على وجه الخصوص من خلال الرسومات أو النماذج لحيوان واحد ونماذج أولية للخلايا النباتية و mdashst الطلاب أيضًا قد لا يكونوا قادرين على وصف كيفية تواصل الخلايا في كائن واحد مع بعضها البعض والارتباط بها.

أخيرًا ، غالبًا ما يكون الطلاب غير قادرين على التوفيق بين مفهومين يتم تدريسهما خلال وحدة بيولوجيا الخلية. من ناحية ، يتعلمون أن جميع المعلومات الجينية التي ترمز لكائن حي يتم ترميزها داخل DNA و rsquos DNA وأن هذا الرمز الجيني هو نفسه في كل خلية من خلايا الكائن الحي. ومع ذلك ، من ناحية أخرى ، يتعلم الطلاب أن الخلايا تتمايز وتتخصص. قد تصبح خلايا الكبد ، والخشب ، والغدة الدرقية ، وما إلى ذلك. كيف يمكن لخليتين من الكائن الحي أن يكون لهما نفس المعلومات الجينية تمامًا ، ومع ذلك يصبحان أنواعًا مختلفة من الخلايا ذات الوظائف والمورفولوجيا المتخصصة؟

هذا الدرس مخصص لمستوى المدرسة الثانوية ويفترض أن الطلاب لديهم بعض المعلومات السابقة حول الخلايا والحمض النووي. سيساعدك قسم التحفيز وبداية التطوير في هذا الدرس على تحديد تصورات الطالب المسبقة.

التحفيز

قبل الدرس ببضعة أيام ، اسأل الطلاب ، "مما تتكون الكائنات الحية؟ & rdquo اطلب من الطلاب كتابة ما لا يزيد عن ثلاثة ردود على ورقة فارغة أو على بطاقة فهرسة. لا يحتاجون إلى كتابة أسمائهم على إجاباتهم ، ولكن تأكد من مشاركة جميع الطلاب في هذا النشاط القصير. جمع الردود وتنظيمها في فئات خارج وقت الفصل الدراسي. يمكن إجراء النشاط شفهيًا أيضًا من خلال مطالبة الطلاب بمشاركة الردود وكتابتها على السبورة. ومع ذلك ، فقد أظهرت التجربة السابقة مع هذا النشاط ما يلي: 1) لا يساهم جميع الطلاب في المناقشة بأفكارهم ، مما يمنعك من التحقق مما يعتقده جميع الطلاب ، و 2) يخجل الطلاب أحيانًا من مشاركة الأفكار أو المصطلحات الأولى التي تأتي في عقولهم ، مثل & ldquosperm. & rdquo ، يضمن تجميع الردود بشكل مجهول أنك تعرف المفاهيم المسبقة لجميع الطلاب.

اكتب القائمة النهائية للكلمات والعبارات على السبورة أو على ورق اللوح. يجب تجميع المصطلحات ذات الصلة معًا ، مثل & ldquocarbon و & rdquo & ldquowater و & rdquo و & ldquoatoms. & rdquo عادةً ما يساهم الطلاب في المصطلح & ldquocell & rdquo. قد ترغب أيضًا في تضمين المصطلحين & ldquotissue & rdquo و & ldquoorgan. & rdquo

اطلب من الطلاب ترتيب المصطلحات حسب ترتيب علاقتهم ببعضهم البعض. قم بتيسير المناقشة من خلال الأسئلة الإرشادية ، مثل:

  • ما هي العلاقة بين الكربون والذرات؟
  • كيف يمكننا ترتيب هذه الشروط حسب حجم الصنف؟
  • هل توجد أشياء أخرى داخل الخلايا غير الحمض النووي؟
  • ما هي بعض الأمثلة على الخلايا؟ (هذا هو المكان الذي يمكن فيه دمج مصطلحات مثل & ldquosperm & rdquo أو & ldquored blood cell & rdquo.)

قد تبدو النتيجة مثل الويب أكثر من كونها قائمة. أخبر الطلاب أن الفصل سيبدأ وحدة عن بيولوجيا الخلية ، حيث سيتعلمون أنواعًا مختلفة من الخلايا ووظائفها ومقصوراتها المختلفة. أشر إلى أن الخلايا غالبًا ما توصف بأنها اللبنات الأساسية للحياة. ومع ذلك ، تتكون الخلايا نفسها من أجزاء مختلفة ، لكل منها وظيفة محددة.

تطوير

في هذا الجزء من الدرس ، سيقوم الطالب بفحص الخلايا عن كثب من خلال استكشاف بعض الرسوم المتحركة والتفاعلات عبر الإنترنت. ابدأ بسؤال الطلاب:

    ربما تكون قد تعلمت أن نصف المعلومات الجينية للإنسان تأتي من الأم ونصفها من الأب. ما هذه المعلومات الجينية؟
      (إنه DNA.)
      (إنها تأتي من البيضة).
      (إنها تأتي من الحيوانات المنوية).

    ناقش مع الطلاب أنه عندما تتحد البويضة والحيوانات المنوية ، فإنهما يشكلان خلية جنينية واحدة تحتوي على مجموعة كاملة من الحمض النووي.

      كيف تصبح تلك الخلية الجنينية الأولى خليتين أو ثلاث أو أربع وهكذا؟
        (يبدأ في الانقسام).
        (يتكرر الحمض النووي وينقسم مع كل انقسام خلوي).

      شارك مع الطلاب أن كل خلية تحتوي على نفس نسخة المعلومات الجينية التي كانت موجودة في أول خلية جنينية. اعرض على الطلاب الرسوم المتحركة لانقسام الخلية الحيوانية ووصف كيف أن الخليتين اللتين تم إنتاجهما من الانقسام الخلوي متماثلان تمامًا مع الخلية الأولى. إذا استمر هذا في الحدوث مرارًا وتكرارًا ، كما هو الحال بالنسبة للأجنة ، فإن كل خلية هي نسخة طبق الأصل من الخلية الأولى مع نفس الحمض النووي الموجود في تلك الخلية الأولى. بناءً على ذلك ، اطلب من الطلاب التفكير في مصدر الكبد ، أو القلب ، والجلد ، والدماغ ، والعظام ، وما إلى ذلك.

      أظهر للطلاب الشكل 1 من الخلايا والأنسجة الحيوانية. بدلاً من ذلك ، يمكنك طباعة الصورة وتقديمها للطلاب على شكل ورقة. اسأل الطلاب:

      صف كيف يكون لكل نوع من خلايا المعدة وظيفة مختلفة. على سبيل المثال ، تتقلص خلايا أنسجة العضلات الملساء وتتوسع للسماح للطعام والمغذيات بالتحرك على طول الجهاز الهضمي. تبطن الخلايا الظهارية العمودية داخل المعدة ، وتمتص العناصر الغذائية في مجرى الدم. توفر خلايا الدم الحمراء الأكسجين لجميع خلايا المعدة الأخرى. تنقل الخلايا المكونة للنسيج العصبي الرسائل العصبية من وإلى الدماغ. الخلايا المكونة للنسيج الضام تدعم وتحمي المعدة. يمكنك أيضًا مراجعة كيفية اختلاف الخلايا شكليًا عن بعضها البعض. ذكر الطلاب أن كل هذه الخلايا هي نتيجة انقسام خلية من خلية سابقة. في النهاية ، كانت الخلية الأولى لهذا الكائن الحي هي الخلية الجنينية التي تحتوي على الحمض النووي من البويضة والحيوانات المنوية. هذا يعني أن الانقسام الخلوي ينتج عنه خلايا متطابقة وراثيا مع بعضها البعض. تحتوي جميع أنواع الخلايا الخمسة التي راجعها الطلاب في الرسم التخطيطي على نفس المعلومات الجينية بالضبط. بعبارة أخرى ، على الرغم من اختلاف الخلايا في الشكل والوظيفة ، إلا أنها متطابقة وراثيًا.

      اطلب من الطلاب استخدام ورقة التعريف الخاصة بطالب إدخال الخلية البشرية والحمض النووي للوصول إلى الرسوم المتحركة عبر الإنترنت من الخلية إلى الحمض النووي. يجب أن يمر الطلاب من خلال الرسوم المتحركة والإجابة على الأسئلة المقابلة. يمكنهم كتابة إجاباتهم على ورقة الطالب من الخلية إلى الحمض النووي.

      راجع الأسئلة مع الطلاب. اشرح أي مفردات جديدة مقدمة من الرسوم المتحركة ، مثل البكتيريا ، وحقيقيات النوى ، والميكرومتر ، والنانومتر ، وبروتينات الهيستون ، والجزيء البوليمري. راجع مع الطلاب أن الميزة الفريدة للخلايا حقيقية النواة هي وجود نواة حيث يتم تخزين الحمض النووي.

        تذكر الرسوم المتحركة أن البشر لديهم 46 كروموسومًا. كم عدد الكروموسومات التي تأتي من الأم؟ من الأب؟
          (يأتي 23 كروموسومًا من كل والد.)
          (يتكاثرون وتحصل كل خلية جديدة على نسخة من نفس الكروموسومات الـ 46).
          (هناك نوعان من الخيوط يلتفان حول بعضهما البعض بطريقة حلزونية ، مربوطة ببعضها البعض بواسطة قواعد.)

        إذا كان متاحًا ، اعرض للطلاب نموذجًا للحمض النووي. أشر إلى كيف أن التجاذب بين القواعد يربط الهيكل الحلزوني معًا. اعرض على الطلاب صورًا للتركيب الجزيئي للقواعد ، مع توضيح العناصر المختلفة مثل الكربون والهيدروجين. ذكر الطلاب بنشاط العصف الذهني أثناء التحفيز وأشر إلى أن أصغر وحدة هي الذرة.

        ناقش مع الطلاب أن كل خلية في جسم الإنسان تحتوي على نفس 46 كروموسومًا مثل كل خلية أخرى. أي أن المعلومات الجينية المخزنة في نواة كل خلية بشرية مطابقة لكل خلية أخرى في ذلك الكائن الحي. ومع ذلك ، كما رأى الطلاب في صورة المعدة ، تختلف خلايا جسم الإنسان عن بعضها البعض من حيث الوظيفة والتشكل. لماذا تصبح بعض الخلايا خلايا قلب بينما تصبح خلايا أخرى خلايا كبد؟ كيف تعرف الخلايا الوظيفة التي يجب أن تؤديها؟

        لاستكشاف هذا السؤال ، يجب على الطلاب استخدام ورقة البريد الإلكتروني الخاصة بهم للذهاب إلى جولة حول الأساسيات على موقع Learn Genetics والإجابة على الأسئلة المقابلة في ورقة البريد الإلكتروني. يمكنهم تسجيل إجاباتهم على ما هو الحمض النووي؟ ورقة الطالب. يمكنك العثور على إجابات للأسئلة الموجودة في ما هو الحمض النووي؟ ورقة المعلم.

        بعد الانتهاء من النشاط ، راجع الأسئلة مع الطلاب. ناقش مع الطلاب أن جميع المعلومات الجينية في الخلية مخزنة في نمط من أربع قواعد ، وهي الأدينين والجوانين والسيتوزين والثايمين. هذه مختصرة على التوالي A و G و C و T. الشفرة الوراثية الكاملة للكائن الحي و mdash بما في ذلك كيف ستنمو كل خلية ، وتعمل ، وتبدو & mdashis مخزنة في نمط هذه الأحرف الأربعة. نمط هذه الحروف يشكل & ldquosentences & rdquo تسمى الجينات. الجين هو امتداد من الحمض النووي يرمز إلى بروتين. لا يترك الحمض النووي النواة أبدًا ، لذا يمكنه فعلاً القيام بوظيفة الخلية. بدلاً من ذلك ، يشبه الحمض النووي مخططًا مكونًا من الجينات. تتم قراءة الجينات بواسطة الآلية النووية للخلية و rsquos وتنتج بروتينات محددة. يرمز كل جين لبروتين معين. هناك جينات للبروتينات لها علاقة بالسمع ، ووظيفة القلب ، والدفاع المناعي ، وامتصاص المغذيات ، وما إلى ذلك.

        تقدير

          في تقديرك ، هل تعتقد أن هناك جينات قليلة أم كثيرة؟
            (هناك العديد من الجينات في الحمض النووي.)
            (لا.)
            (ترتبط وظيفة الخلية بأنواع البروتينات المنتجة. فعلى سبيل المثال ، تنتج خلايا القلب بروتينات خاصة بوظيفة القلب. ومن ناحية أخرى ، تنتج خلايا العين بروتينات خاصة بوظيفة العين. )
            (تنتج الخليتان بروتينات مختلفة بناءً على جينات مختلفة من الحمض النووي يتم قراءتها بواسطة آلية الخلية و rsquos. تنتج خلية الأذن الداخلية بروتينات لها علاقة بوظيفتها ، وكذلك خلية المعدة. هذا هو السبب تبدو وتعمل بشكل مختلف.)
            (نعم.)
            (يتم إنتاجها من الانقسام الفتيلي ، وهو انقسام الخلايا الذي يتكاثر فيه الحمض النووي. جميع الخلايا لها نفس الحمض النووي للخلية الجنينية الأولى.)
            (تحتوي كل خلية على 46 كروموسومًا).
            (نعم.)
            (الجينات هي أجزاء من الحمض النووي. إذا كان الحمض النووي هو نفسه في كلتا الخليتين ، فإن الجينات هي نفسها أيضًا لأنها جزء من الكل).
            (لا.)
            (نعم.)

          اطلب من الطلاب مراعاة ما يلي: بدأ كل طالب في الفصل كخلية واحدة ، تنتج من بويضة وحيوان منوي. كانت الخلية الأولى تحتوي على 46 كروموسومًا ، 23 من كل والد. كيف أصبحت تلك الخلية الوحيدة الإنسان الذي يعمل بكامل طاقته كما هو عليه اليوم؟ شجع الطلاب على التفكير في انقسام الخلايا وأن الخلايا تتخصص بناءً على الجينات التي تنشط داخل الحمض النووي.

          ملحقات

          يعتبر استخراج الحمض النووي درسًا في NetLinks للعلوم يوفر للطلاب فرصة لاستخراج الحمض النووي.

          بعد فهم مفهوم الجينات ، يمكن للطلاب استكشاف الجينوم البشري وأهمية فك تشفير جميع الجينات داخل الحمض النووي البشري. استخدم درس Science NetLinks "تكسير الكود الجيني".

          يمكن للطلاب استكشاف وظيفة ومورفولوجيا الخلايا المختلفة في جسم الإنسان من خلال النظر إلى الشرائح المعدة. يوفر معمل الأنسجة عبر الإنترنت صورًا عديدة لشرائح بشرية جاهزة يمكن تكبيرها. عزز أنه على الرغم من اختلاف الخلايا داخل جسم الإنسان ، إلا أنها تحتوي على نفس المعلومات الجينية: 46 كروموسومًا ، حيث يأتي نصفها من الأم والنصف الآخر من الأب.

          اطلب من الطلاب مشاهدة بقية جولة الأساسيات التفاعلية عبر الإنترنت للحصول على فهم أكثر اكتمالاً لكيفية ترميز الجينات للبروتينات التي تحدد الوظيفة الفعلية وتشكل الخلايا. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن للطلاب معرفة المزيد عن الحمض النووي ومقارنته بالمعلومات الجينية الموجودة في فأر وزهرة من خلال لعبة تفاعلية عبر الإنترنت DNA The Double Helix. يوفر مركز Dolan DNA Learning Center أيضًا خططًا للدروس وتفاعلات عبر الإنترنت حول اكتشاف الحمض النووي والجزيء والتكنولوجيا الوراثية والتطبيقات المستقبلية.

          بالنسبة للنشاط المخبري ، اطلب من الطلاب مراقبة خلايا الخد الخاصة بهم واستخراج الحمض النووي. يمكن العثور على درس لهذه التجربة في الأنشطة العملية لتدريس علم الأحياء لطلاب المدارس الثانوية أو المدارس الإعدادية.

          يمكن العثور على الموارد التعليمية والمعلومات حول مشروع الجينوم البشري في المعهد الوطني لبحوث الجينوم البشري وموقع rsquos.


          فريدريش ميشر واكتشاف الحمض النووي

          على مدار الستين عامًا الماضية ، ارتفع الحمض النووي من كونه جزيءًا غامضًا بملحق مفترض أو وظائف هيكلية داخل النواة إلى أيقونة العلوم الحيوية الحديثة. غالبًا ما تبدأ قصة الحمض النووي في عام 1944 حيث أظهر أفيري وماكلويد وماكارتي أن الحمض النووي هو المادة الوراثية. في غضون 10 سنوات من تجاربهم ، فك Watson و Crick هيكلها ، ومع ذلك تم تصدع عقد آخر على الشفرة الجينية. ومع ذلك ، فإن قصة الحمض النووي بدأت بالفعل في عام 1869 ، مع الطبيب السويسري الشاب فريدريش ميشر. بعد أن أنهى تعليمه كطبيب ، انتقل Miescher إلى توبنغن للعمل في مختبر الكيمياء الحيوية Hoppe-Seyler ، وكان هدفه هو توضيح اللبنات الأساسية للحياة. باختيار الكريات البيض كمصدر له ، قام أولاً بفحص البروتينات في هذه الخلايا. ومع ذلك ، خلال هذه التجارب ، لاحظ وجود مادة ذات خصائص غير متوقعة لا تتطابق مع خصائص البروتينات. حصل Miescher على أول تنقية خام للحمض النووي. كما قام بفحص خصائص وتكوين هذه المادة الغامضة وأظهر أنها تختلف اختلافًا جوهريًا عن البروتينات. نظرًا لحدوثه في نوى الخلايا ، فقد أطلق على المادة الجديدة اسم "nuclein" - وهو مصطلح لا يزال محفوظًا في اسم حمض deoxyribonucleic الحالي.


          مايك كامدار ، مستقبل كتابة الحمض النووي ، وعمل علم الأحياء

          باستخدام طريقة جديدة لتخليق الحمض النووي ، يستعد مايك كامدار وفريقه في Molecular Assemblies. [+] تعطل أي صناعة يمكنك تخيلها.

          لا يدرك معظمنا مدى تأثير التكنولوجيا الحيوية على كل جزء من حياتنا اليومية ، من الأدوية التي نستخدمها إلى الطعام الذي نتناوله وحتى الأزياء التي نرتديها. تم بناء الكثير من العالم المادي باستخدام علم الأحياء ، وهو اتجاه من المؤكد أنه سيستمر.

          لكن كيف يمكننا بالفعل البناء باستخدام علم الأحياء؟

          الجواب هو تخليق الحمض النووي. تتكون اللبنات الأساسية لكل أشكال الحياة من أربعة نيوكليوتيدات كيميائية ، تسمى A و C و T و G. قم بربط هذه الأحرف الأربعة معًا بطرق مختلفة وستحصل على موزة أو قرد أو بكتيريا تصنع رائحة الموز أو شيء من هذا القبيل ما بين أثنين.

          وبما أن تخليق الحمض النووي أصبح أرخص وأرخص ، فإن المهندسين البيولوجيين يبتكرون طرقًا أكثر وأكثر ذكاءً لاستخدام الحمض النووي بشكل جيد. قد تتوقع البعض ، كما هو الحال في علوم الحياة حيث يمكن أن تصنع أدوية السرطان المستقبلية والطب الشخصي. البعض الآخر أكثر إثارة للدهشة ، مثل كيفية تحول الصناعة الكيميائية إلى علم الأحياء باعتباره الطريقة المفضلة لتصنيع الإلكترونيات الحيوية عالية الأداء للهواتف الموجودة في جيوبنا.

          وفي قلب صناعة تصنيع الحمض النووي التي تبلغ تكلفتها مليار دولار ، يوجد فريق مركّز من المبتكرين بقيادة مايك كامدار ، الرئيس التنفيذي لشركة Molecular Assemblies في سان دييغو.

          تخليق الفوسفوراميديت: قلب وروح صناعة التكنولوجيا الحيوية

          بدأت Molecular Assemblies منذ أكثر من 30 عامًا عندما قام Bill Efcavitch و Curt Becker ، ثم مؤسسا الشركة الرائدة في مجال التكنولوجيا الحيوية Applied Biosystems ، بتسويق أول طريقة عملية لتصنيع الحمض النووي. تُعرف هذه الطريقة القائمة على المواد الكيميائية ، المعروفة باسم تخليق الفوسفوراميديت ، باختراق هائل ولا تزال هي المعيار الصناعي لصنع الحمض النووي اليوم. لقد أدى إلى مجموعة واسعة من الأدوات والتقنيات التي تستخدم الحمض النووي وساعدت في ظهور صناعة التكنولوجيا الحيوية كما نعرفها.

          قائمة فوربس 2021 للشركات الناشئة التي تبلغ قيمتها مليار دولار: الترشيحات مفتوحة

          كيف يعمل الازدحام المروري في شيكاغو على دعم الأمور في لوس أنجلوس ، ولماذا يجب أن ننتبه إلى مخزون خطوط الأنابيب

          مع قيود سلسلة التوريد في دائرة الضوء ، يرفع سوق المعادن الصناعية في أتلانتا 20 مليون دولار للتوسع

          Bill Efcavitch ، أحد رواد تصنيع الحمض النووي الذي تعتمد عليه صناعة التكنولوجيا الحيوية إلى حد كبير. [+] بنيت.

          ولكن حتى ذلك الحين ، أدرك إيفكافيتش وبيكر حدوده الكامنة. على وجه التحديد ، أدت المواد الكيميائية المستخدمة في العملية إلى إتلاف الحمض النووي حتى أثناء تصنيعه ، مما يحد من أطوال ونوعية الحمض النووي الذي يمكن تصنيعه.

          يقول إيفكافيتش ، وهو رجل محبوب للغاية ويبدو أنه عم مفضل أكثر من كونه أسطورة علمية: "الطريقة الكيميائية المستخدمة في تصنيع الحمض النووي اليوم رائعة للغاية". "ولكن بمجرد أن تبدأ في بناء الحمض النووي لفترة أطول من حوالي 100 نيوكليوتيد ، فإن إنتاجيتك تنخفض بسرعة كبيرة ، وهذا لم يتغير منذ عدة عقود."

          هناك نوعان من التحديات الكبيرة الأخرى في تركيب الفوسفوراميديت اليوم. أولاً ، ينتج كميات كبيرة من النفايات الكيميائية السامة. ثانيًا ، غالبًا ما يتطلب تنقية ومعالجة بعد التوليف.

          لذلك في عام 2013 أسس بيل وكيرت التجميعات الجزيئية لإنشاء نهج جديد لتخليق الحمض النووي. كان هدفهم هو الكأس المقدسة للحمض النووي: التركيب الأنزيمي.

          كيف يعمل تخليق الحمض النووي الأنزيمي

          لإنشاء هذه الأوتار الطويلة من A و C و T و G ، تحتاج إلى إنزيم يسمى بوليميراز لإضافة الحرف الصحيح واحدًا تلو الآخر. مع تخليق الحمض النووي التقليدي ، تحتاج إلى بوليميراز محدد لكل حرف من الحروف ، وتتضمن نقطة البداية بين كل حرف مضاف خطوة كيميائية إضافية. لكن التجميعات الجزيئية تعمل مع بوليميراز بيولوجي يمكنه إرفاق أي من الأحرف الأربعة. تم تصميم البوليميراز (في هذه الحالة ، ديوكسينوكليوتيديل ترانسفيراز ، أو TdT) لربط أي نيوكليوتيد مزود به ، ثم إيقاف عمله وحمايته. يتم غسل أنبوب التفاعل من النيوكليوتيدات ، ويتم تحضير النظام للجولة التالية ، مضيفًا أي نيوكليوتيدات تزوده به بعد ذلك. اغسل ، اشطف ، كرر.

          هذه الطريقة دقيقة للغاية ، مما يسمح لها بعمل خيوط طويلة حقًا. هذا شيء يكافح التخليق الكيميائي معه ، خاصةً عندما تصبح الخيوط أطول وأطول ، وتزداد احتمالات حدوث خطأ في مكان ما على طول الطريق.

          جعل التخليق الأنزيمي حقيقة تجارية

          وهنا يأتي دور مايك كامدار. في عام 2016 ، عينته Molecular Assemblies ليصبح رئيسًا ومديرًا تنفيذيًا وعضوًا في مجلس الإدارة. بصفته خبيرًا في الصناعة ولديه خبرة في تطوير الأعمال والتمويل ، فقد أبرم صفقات تجارية بقيمة مليار دولار وجمع أكثر من 400 مليون دولار من رأس المال الاستثماري والأسواق العامة. كامدار عضو أيضًا في مجالس إدارة شركة Genoa Pharmaceuticals (وهي شركة شارك في تأسيسها) ، و Medipacs (رئيس مجلس الإدارة) ، و Prime Genomics ، و Vault Pharma.

          في Molecular Assemblies ، كان عمله أقل من بناء أول شركة تجعل التخليق الأنزيمي حقيقة تجارية.

          في الفترة القصيرة التي قضاها في المنصب ، جمع كامدار ما يقرب من 20 مليون دولار ، وظف 18 شخصًا ، وضاعف من تواجد الشركة في مبنى جديد من خمسة طوابق في سان دييغو. لقد أغلق مؤخرًا السلسلة A للشركة ، وقام بتجميع مسئولي التكنولوجيا الحيوية لمجلس إدارة الشركة ، بما في ذلك Helge Bastian (M2GEN ، المعروف سابقًا باسم Thermo Fisher) ، وتود بيترسون (معهد ألين ، سابقًا علم الجينوم الاصطناعي) ، وديفيد هوانج ( اجيلنت تكنولوجيز).

          “Nucleic acid synthesis has been core to Agilent’s contribution to the advancement of the life science industry, and the enzymatic synthesis of DNA is poised to further enable a next generation of important nucleic acid-based products.”

          Darlene J.S. Solomon, Ph.D., Chief Technology Officer and Senior Vice President, Agilent Technologies

          Disrupting industries from health to electronics

          Now, Kamdar has set a bold vision for the future of DNA synthesis. “The thing that inspired me was the broad application for the technology,” Kamdar says.

          First, he hopes that his company will transform the life sciences industry, including things like much-anticipated CRISPR gene-editing therapies, cutting-edge CAR-T cancer treatments, and the emerging DNA/RNA vaccine space—made all the more urgent in light of the coronavirus pandemic and the efforts of Moderna and others to create the world’s first mRNA vaccines.

          But Kamdar has good reason to believe the impacts will go much, much farther. Take industrial sectors like chemicals and materials. A new McKinsey report suggests that as much as 60 percent of the physical inputs to the global economy could be produced biologically. Most anything made with petrochemistry—your carpets, cosmetics, and contact lenses, to name a few—could soon be made with biology. Not necessarily because it’s greener, but because you can engineer biology to make things more economically and more precisely.

          All the world’s data in a shoebox

          One of the more fascinating and less intuitive applications of DNA synthesis is data storage.

          DNA is the most compact and durable information storage molecule that exists in our world. Depending who you ask, you could store all the world’s information in a shoebox or a teaspoonful of DNA. In a beautiful demonstration of the feasibility of enzymatic synthesis, Molecular Assemblies announced in 2018 that it has successfully completed an end-to-end run to store and retrieve digital information in DNA using enzymatic DNA synthesis.

          “To our knowledge, we are the first industry group to store and retrieve digital information in DNA using enzymatic synthesis in a cost-effective, sustainable, and scalable way,” says Kamdar.

          There are good reasons to believe that the future will be written in DNA. The world is producing more digital information than can be efficiently stored. DNA represents an essentially limitless hard drive in nearly zero space. You could think of DNA data storage as your “golden backup.” It might take a day or two to retrieve a complete restore, but it will always and forever be a lossless, failsafe backup, capable of recording anything and everything you could ever want.

          And with enzymatic synthesis, that vision is a little closer to reality.

          The great synthesis race is on

          Kamdar, Efcavitch, and the rest of the Molecular Assemblies team have been working on enzymatic DNA synthesis as long as anyone, and they have a formidable patent war chest for their efforts. But they are by no means the only company that recognizes the potential of this technology. DNAScript, Evonetix, Nuclera, Ansa Biotechnologies, and Kern Systems are all working to make enzymatic synthesis a commercial success.

          “There will be more than one enzymatic synthesis company,” says Kamdar. If you look at the market for traditional chemical synthesis, he says, there are also many players, including Twist Bioscience, Agilent Technologies, Thermo Fisher, Danaher, IDT, Synbio-tech, and more. “We believe the same to be true for enzymatically derived DNA.”

          Perhaps more importantly, Kamdar says that Molecular Assemblies is going a different route with its platform-independent technology.

          “We don’t want to create a desktop device,” says Kamdar. “We want to be the ink in a lot of DNA printers.”

          He adds: “We anticipate being at a commercial level by next year.”

          While Kamdar is confident in Molecular Assemblies’ place in the future landscape, he says that the biggest new threat to the entire synthesis industry is COVID-19.

          “All of us have to maintain productivity to advance technology, generate partnerships, and raise capital,” he says, but doing so is difficult while adhering to government-mandated guidelines for social distancing, shifts in work practices, and so on, not to mention the uncertainty that coronavirus is creating in private and public capital markets. The kinds of problems the DNA business is best at solving—biological ones—can also create business problems of their own.

          The future of DNA is unimaginably cool

          I am a biotech-optimist, but even for me it’s difficult to fathom the ultimate impact that enzymatic DNA synthesis could have on the world.

          Take, for example, two very cool, far-out applications of DNA synthesis that I haven’t even mentioned. One is nanotechnology, the folding of DNA to create precise 2D & 3D shapes as useful nanoscale construction materials. The other is DNA electronics, the merging of microchip technology with genetic chemistry to create the next era in computer science. They sound like science fiction now, but let’s ask Kamdar about them in ten years.

          There is a bioindustrial revolution happening right now, one that stands to have a direct annual global impact of $2 trillion to $4 trillion in 2030-40. One of the driving forces of the new bioeconomy is cheap DNA sequencing (reading), which has been decreasing at a rate faster than Moore’s Law. Enzymatic synthesis could have the same kind of impact on DNA writing—with exponential effect on just about every industry you can imagine.

          Follow me on Twitter at @johncumbers and @synbiobeta. Subscribe to my weekly newsletters in synthetic biology. Thank you to Kevin Costa for additional research and reporting in this article. I’m the founder of SynBioBeta, and some of the companies that I write about—including Molecular Assemblies—are sponsors of the SynBioBeta conference و weekly digest. Here’s the full list of SynBioBeta sponsors. I am also an operating partner at DCVC, which has invested in Molecular Assemblies.


          67 DNA Structure and Sequencing

          بنهاية هذا القسم ، ستكون قادرًا على القيام بما يلي:

          • Describe the structure of DNA
          • Explain the Sanger method of DNA sequencing
          • Discuss the similarities and differences between eukaryotic and prokaryotic DNA

          The building blocks of DNA are nucleotides. The important components of the nucleotide are a nitrogenous (nitrogen-bearing) base, a 5-carbon sugar (pentose), and a phosphate group ((Figure)). The nucleotide is named depending on the nitrogenous base. The nitrogenous base can be a purine such as adenine (A) and guanine (G), or a pyrimidine such as cytosine (C) and thymine (T).


          The images above illustrate the five bases of DNA and RNA. Examine the images and explain why these are called “nitrogenous bases.” How are the purines different from the pyrimidines? How is one purine or pyrimidine different from another, e.g., adenine from guanine? How is a nucleoside different from a nucleotide?

          تحتوي البيورينات على هيكل حلقة مزدوجة مع حلقة من ستة أعضاء مدمجة في حلقة من خمسة أعضاء. Pyrimidines are smaller in size they have a single six-membered ring structure.

          السكر هو deoxyribose في DNA و ribose في RNA. The carbon atoms of the five-carbon sugar are numbered 1′, 2′, 3′, 4′, and 5′ (1′ is read as “one prime”). The phosphate, which makes DNA and RNA acidic, is connected to the 5′ carbon of the sugar by the formation of an ester linkage between phosphoric acid and the 5′-OH group (an ester is an acid + an alcohol). In DNA nucleotides, the 3′ carbon of the sugar deoxyribose is attached to a hydroxyl (OH) group. In RNA nucleotides, the 2′ carbon of the sugar ribose also contains a hydroxyl group. The base is attached to the 1’carbon of the sugar.

          The nucleotides combine with each other to produce phosphodiester bonds. The phosphate residue attached to the 5′ carbon of the sugar of one nucleotide forms a second ester linkage with the hydroxyl group of the 3′ carbon of the sugar of the next nucleotide, thereby forming a 5′-3′ phosphodiester bond. In a polynucleotide, one end of the chain has a free 5′ phosphate, and the other end has a free 3′-OH. These are called the 5′ and 3′ ends of the chain.

          In the 1950s, Francis Crick and James Watson worked together to determine the structure of DNA at the University of Cambridge, England. كان علماء آخرون مثل لينوس بولينج وموريس ويلكينز يستكشفون هذا المجال بنشاط. Pauling previously had discovered the secondary structure of proteins using X-ray crystallography. In Wilkins’ lab, researcher Rosalind Franklin was using X-ray diffraction methods to understand the structure of DNA. Watson and Crick were able to piece together the puzzle of the DNA molecule on the basis of Franklin’s data because Crick had also studied X-ray diffraction ((Figure)). في عام 1962 ، مُنح جيمس واتسون وفرانسيس كريك وموريس ويلكنز جائزة نوبل في الطب. لسوء الحظ ، بحلول ذلك الوقت ، توفي فرانكلين ، ولم يتم منح جوائز نوبل بعد وفاته.


          Watson and Crick proposed that DNA is made up of two strands that are twisted around each other to form a right-handed helix. Base pairing takes place between a purine and pyrimidine on opposite strands, so that A pairs with T, and G pairs with C (suggested by Chargaff’s Rules). Thus, adenine and thymine are complementary base pairs, and cytosine and guanine are also complementary base pairs. The base pairs are stabilized by hydrogen bonds: يشكل الأدينين والثايمين رابطتين هيدروجينيتين ، ويشكل السيتوزين والجوانين ثلاث روابط هيدروجينية. The two strands are anti-parallel in nature that is, the 3′ end of one strand faces the 5′ end of the other strand. The sugar and phosphate of the nucleotides form the backbone of the structure, whereas the nitrogenous bases are stacked inside, like the rungs of a ladder. Each base pair is separated from the next base pair by a distance of 0.34 nm, and each turn of the helix measures 3.4 nm. Therefore, 10 base pairs are present per turn of the helix. The diameter of the DNA double-helix is 2 nm, and it is uniform throughout. Only the pairing between a purine and pyrimidine and the antiparallel orientation of the two DNA strands can explain the uniform diameter. The twisting of the two strands around each other results in the formation of uniformly spaced major and minor grooves ((Figure)).


          DNA Sequencing Techniques

          Until the 1990s, the sequencing of DNA (reading the sequence of DNA) was a relatively expensive and long process. Using radiolabeled nucleotides also compounded the problem through safety concerns. With currently available technology and automated machines, the process is cheaper, safer, and can be completed in a matter of hours. Fred Sanger developed the sequencing method used for the human genome sequencing project, which is widely used today ((Figure)).

          Visit this site to watch a video explaining the DNA sequence-reading technique that resulted from Sanger’s work.

          The sequencing
          method is known as the dideoxy chain termination method. The method is based on the use of chain terminators, the dideoxynucleotides (ddNTPs). The ddNTPSs differ from the deoxynucleotides by the lack of a free 3′ OH group on the five-carbon sugar. If a ddNTP is added to a growing DNA strand, the chain cannot be extended any further because the free 3′ OH group needed to add another nucleotide is not available. By using a predetermined ratio of deoxyribonucleotides to dideoxynucleotides, it is possible to generate DNA fragments of different sizes.


          The DNA sample to be sequenced is denatured (separated into two strands by heating it to high temperatures). The DNA is divided into four tubes in which a primer, DNA polymerase, and all four nucleoside triphosphates (A, T, G, and C) are added. In addition, limited quantities of one of the four dideoxynucleoside triphosphates (ddCTP, ddATP, ddGTP, and ddTTP) are added to each tube respectively. The tubes are labeled as A, T, G, and C according to the ddNTP added. For detection purposes, each of the four dideoxynucleotides carries a different fluorescent label. Chain elongation continues until a fluorescent dideoxy nucleotide is incorporated, after which no further elongation takes place. After the reaction is over, electrophoresis is performed. Even a difference in length of a single base can be detected. The sequence is read from a laser scanner that detects the fluorescent marker of each fragment. For his work on DNA sequencing, Sanger received a Nobel Prize in Chemistry in 1980.

          Sanger’s genome sequencing has led to a race to sequence human genomes at rapid speed and low cost, often referred to as the $1000-in-one-day sequence. Learn more by selecting the Sequencing at Speed animation هنا.

          Gel electrophoresis is a technique used to separate DNA fragments of different sizes. Usually the gel is made of a chemical called agarose (a polysaccharide polymer extracted from seaweed that is high in galactose residues). Agarose powder is added to a buffer and heated. After cooling, the gel solution is poured into a casting tray. Once the gel has solidified, the DNA is loaded on the gel and electric current is applied. The DNA has a net negative charge and moves from the negative electrode toward the positive electrode. The electric current is applied for sufficient time to let the DNA separate according to size the smallest fragments will be farthest from the well (where the DNA was loaded), and the heavier molecular weight fragments will be closest to the well. Once the DNA is separated, the gel is stained with a DNA-specific dye for viewing it ((Figure)).


          The first draft sequence of the Neanderthal genome was recently published by Richard E. Green et al. in 2010. 1 Neanderthals are the closest ancestors of present-day humans. They were known to have lived in Europe and Western Asia (and now, perhaps, in Northern Africa) before they disappeared from fossil records approximately 30,000 years ago. Green’s team studied almost 40,000-year-old fossil remains that were selected from sites across the world. Extremely sophisticated means of sample preparation and DNA sequencing were employed because of the fragile nature of the bones and heavy microbial contamination. In their study, the scientists were able to sequence some four billion base pairs. The Neanderthal sequence was compared with that of present-day humans from across the world. After comparing the sequences, the researchers found that the Neanderthal genome had 2 to 3 percent greater similarity to people living outside Africa than to people in Africa. While current theories have suggested that all present-day humans can be traced to a small ancestral population in Africa, the data from the Neanderthal genome suggest some interbreeding between Neanderthals and early modern humans.

          Green and his colleagues also discovered DNA segments among people in Europe and Asia that are more similar to Neanderthal sequences than to other contemporary human sequences. Another interesting observation was that Neanderthals are as closely related to people from Papua New Guinea as to those from China or France. This is surprising because Neanderthal fossil remains have been located only in Europe and West Asia. Most likely, genetic exchange took place between Neanderthals and modern humans as modern humans emerged out of Africa, before the divergence of Europeans, East Asians, and Papua New Guineans.

          Several genes seem to have undergone changes from Neanderthals during the evolution of present-day humans. These genes are involved in cranial structure, metabolism, skin morphology, and cognitive development. One of the genes that is of particular interest is RUNX2, which is different in modern day humans and Neanderthals. This gene is responsible for the prominent frontal bone, bell-shaped rib cage, and dental differences seen in Neanderthals. It is speculated that an evolutionary change in RUNX2 was important in the origin of modern-day humans, and this affected the cranium and the upper body.

          Watch Svante Pääbo’s talk explaining the Neanderthal genome research at the 2011 annual TED (Technology, Entertainment, Design) conference.

          DNA Packaging in Cells

          Prokaryotes are much simpler than eukaryotes in many of their features ((Figure)). Most prokaryotes contain a single, circular chromosome that is found in an area of the cytoplasm called the منطقة نووية.


          In eukaryotic cells, DNA and RNA synthesis occur in a separate compartment from protein synthesis. In prokaryotic cells, both processes occur together. What advantages might there be to separating the processes? What advantages might there be to having them occur together?

          The size of the genome in one of the most well-studied prokaryotes, E.coli, is 4.6 million base pairs (approximately 1.1 mm, if cut and stretched out). So how does this fit inside a small bacterial cell? The DNA is twisted by what is known as supercoiling. Supercoiling suggests that DNA is either “under-wound” (less than one turn of the helix per 10 base pairs) or “over-wound” (more than 1 turn per 10 base pairs) from its normal relaxed state. Some proteins are known to be involved in the supercoiling other proteins and enzymes such as DNA gyrase help in maintaining the supercoiled structure.

          Eukaryotes, whose chromosomes each consist of a linear DNA molecule, employ a different type of packing strategy to fit their DNA inside the nucleus ((Figure)). At the most basic level, DNA is wrapped around proteins known as هيستون to form structures called nucleosomes. The histones are evolutionarily conserved proteins that are rich in basic amino acids and form an octamer composed of two molecules of each of four different histones. The DNA (remember, it is negatively charged because of the phosphate groups) is wrapped tightly around the histone core. This nucleosome is linked to the next one with the help of a linker DNA. This is also known as the “beads on a string” structure. With the help of a fifth histone, a string of nucleosomes is further compacted into a 30-nm fiber, which is the diameter of the structure. Metaphase chromosomes are even further condensed by association with scaffolding proteins. At the metaphase stage, the chromosomes are at their most compact, approximately 700 nm in width.

          In interphase, eukaryotic chromosomes have two distinct regions that can be distinguished by staining. The tightly packaged region is known as heterochromatin, and the less dense region is known as euchromatin. Heterochromatin usually contains genes that are not expressed, and is found in the regions of the centromere and telomeres. The euchromatin usually contains genes that are transcribed, with DNA packaged around nucleosomes but not further compacted.


          ملخص القسم

          The currently accepted model of the double-helix structure of DNA was proposed by Watson and Crick. Some of the salient features are that the two strands that make up the double helix have complementary base sequences and anti-parallel orientations. Alternating deoxyribose sugars and phosphates form the backbone of the structure, and the nitrogenous bases are stacked like rungs inside. The diameter of the double helix, 2 nm, is uniform throughout. A purine always pairs with a pyrimidine A pairs with T, and G pairs with C. One turn of the helix has 10 base pairs. Prokaryotes are much simpler than eukaryotes in many of their features. Most prokaryotes contain a single, circular chromosome. In general, eukaryotic chromosomes contain a linear DNA molecule packaged into nucleosomes, and have two distinct regions that can be distinguished by staining, reflecting different states of packaging and compaction.

          أسئلة الاتصال المرئي

          (Figure) In eukaryotic cells, DNA and RNA synthesis occur in a separate compartment from protein synthesis. In prokaryotic cells, both processes occur together. What advantages might there be to separating the processes? What advantages might there be to having them occur together?

          (Figure) Compartmentalization enables a eukaryotic cell to divide processes into discrete steps so it can build more complex protein and RNA products. But there is an advantage to having a single compartment as well: RNA and protein synthesis occurs much more quickly in a prokaryotic cell.

          راجع الأسئلة

          DNA double helix does not have which of the following?

          1. antiparallel configuration
          2. complementary base pairing
          3. major and minor grooves
          4. اليوراسيل

          In eukaryotes, what is the DNA wrapped around?

          أسئلة التفكير النقدي

          Provide a brief summary of the Sanger sequencing method.

          The template DNA strand is mixed with a DNA polymerase, a primer, the 4 deoxynucleotides, and a limiting concentration of 4 dideoxynucleotides. DNA polymerase synthesizes a strand complementary to the template. Incorporation of ddNTPs at different locations results in DNA fragments that have terminated at every possible base in the template. These fragments are separated by gel electrophoresis and visualized by a laser detector to determine the sequence of bases.

          Describe the structure and complementary base pairing of DNA.

          DNA has two strands in anti-parallel orientation. The sugar-phosphate linkages form a backbone on the outside, and the bases are paired on the inside: A with T, and G with C, like rungs on a spiral ladder.

          Prokaryotes have a single circular chromosome while eukaryotes have linear chromosomes. Describe one advantage and one disadvantage to the eukaryotic genome packaging compared to the prokaryotes.

          Advantage: The linear arrangement of the eukaryotic chromosome allows more DNA to be packed by tightly winding it around histones. More genetic material means that the organism can encode more information into a single cell. This eventually allowed some eukaryotes to develop into multicellular organisms with cell specialization.
          Disadvantage: Maintaining more genetic material requires more energy, and introduces the possibility for more errors (more complexity).


          The Dangers of DNA Testing

          In a new study, 74 out of 108 crime laboratories implicated an innocent person in a hypothetical bank robbery.

          Dr. Hampikian is a professor of biology at Boise State University.

          Researchers from the National Institute of Standards and Technology gave the same DNA mixture to about 105 American crime laboratories and three Canadian labs and asked them to compare it with DNA from three suspects from a mock bank robbery.

          The first two suspects’ DNA was part of the mixture, and most labs correctly matched their DNA to the evidence. However, 74 labs wrongly said the sample included DNA evidence from the third suspect, an “innocent person” who should have been cleared of the hypothetical felony.

          The test results are troubling, especially since errors also occur in actual casework. Just ask Dwayne Jackson of Las Vegas.

          When he was 18, he was told that his DNA matched DNA from a home invasion and kidnapping of a woman and her two daughters. He was advised that a jury would most likely believe the DNA, not him. Facing a life sentence at trial, he pleaded guilty to reduced charges in 2003.

          Mr. Jackson spent nearly four years in a Nevada prison, until the crime lab realized it had accidentally switched his sample with another suspect’s tube. The lab apologized, and he was released from prison.

          Image

          Tube swaps are easy to understand. But some laboratory errors are far more difficult to detect. For example, it’s hard to interpret DNA mixtures from three or more people. As DNA testing has become more sensitive, most laboratories are now able to produce profiles from anyone who may have lightly touched an object. The result is that DNA mixtures have become more common, making up about 15 percent of all evidence samples.

          To assess how labs are doing with these mixtures, the institute’s researchers have conducted several national studies over the past two decades. Basically, they gave crime labs DNA from several people, as well as DNA from fake crime scenes. They asked the labs if any suspects matched the evidence. If the labs found a match, they were required to report a match statistic. This statistic indicates the odds that the match is a coincidental or innocent match.

          One shocking result from the new N.I.S.T. study is that labs analyzing the same evidence calculated vastly different statistics. Among the 108 crime labs in the study, the match statistics varied over 100 trillion-fold. That’s like the difference between soda change and the United States’ gross domestic product. These statistics are important because they are used by juries to consider whether a DNA match is just coincidence.

          I first learned about the results of this study in 2014, at a talk by one of its authors. It was clear that crime labs were making mistakes, and I expected the results to be published quickly. Peer-reviewed publication is important, because most judges won’t let you cite someone’s PowerPoint slide in your testimony.

          But years went by before the study was published, preventing lawyers from using the findings in court, and academics from citing the results in journal articles. If some of us had not complained publicly, it may not ever have been published.

          While this lapse in publication is troubling, more disturbing is that the authors try to mute the impact of their own excellent work. Neither the paper’s title nor the abstract mention the shocking findings. And the paper contains an amazing number of disclaimers.

          In fact, the conclusion begins with a stark disclaimer apparently intended to block courtroom use:

          The results described in this article provide only a brief snapshot of DNA mixture interpretation as practiced by participating laboratories in 2005 and 2013. Any overall performance assessment is limited to participating laboratories addressing specific questions with provided data based on their knowledge at the time. Given the adversarial nature of the legal system, and the possibility that some might attempt to misuse this article in legal arguments, we wish to emphasize that variation observed in DNA mixture interpretation cannot support any broad claims about “poor performance” across all laboratories involving all DNA mixtures examined in the past.

          People serving time behind bars based on shoddy DNA methods may disagree. It is uncomfortable to read the study’s authors praising labs for their careful work when they get things right, but offering sophomoric excuses for them when they get things wrong. Scientists in crime labs need clear feedback to change entrenched, error-prone methods, and they should be strongly encouraged to re-examine old cases where such methods were used.

          The good news is that there are methods to reanalyze old DNA mixture data using computer programs that can help analysts correct errors, without any new lab testing. In fact, one lesson from the study is that while only seven of the 108 labs in the study properly excluded the innocent profile, one of them used such a program (TrueAllele by Cybergenetics). Many crime labs now have access to these programs and use them on current cases. But they could and should easily go back and re-examine old DNA mixtures to correct tragic mistakes.

          In fact, we have shown that this is possible. Working with Cybergenetics analysts and Innocence Network organizations in four states, our Boise State University laboratory has re-examined a few select cases and already persuaded courts to overturn a conviction in New Mexico, two in Indiana and two in Montana. We have also helped identify a new suspect in a 23-year-old murder.

          While we have to go to court to get access to case data (a very time-consuming process), the crime labs don’t. They could easily review their own cases. With tens of thousands of DNA mixtures analyzed each year, there are many innocent people who hope the crime labs and courts take the national institute’s study seriously, and act quickly.

          Greg Hampikian is a professor of biology at Boise State University and a co-author of “Exit to Freedom.”


          شاهد الفيديو: السيلوليت. أسباب لايذكرها الأطباء وعلاجه مع الدكتور بيرج - احتباس السوائل (ديسمبر 2022).