Informație

Când să decidem că două secvențe similare sunt sau nu gene diferite?


Lucrul la datele RNA-Seq m-a îndreptat să pun această întrebare. În joburile RNA-Seq, după asamblarea de novo avem o mulțime de transcrieri cu rate diferite de asemănare (de la 0 la aproape 100%) pe care uneori nu le cunoaștem locurile.

Deci, indiferent de locus, din ce motive diferențiem două sau mai multe secvențe?

Cum putem diferenția alelele unei gene de genele paraloge?

Sper că întrebarea mea este suficient de clară.


Genomică comparativă

Genomică comparativă este un domeniu de cercetare biologică în care sunt comparate trăsăturile genomice ale diferitelor organisme. [2] [3] Caracteristicile genomice pot include secvența ADN, gene, ordinea genelor, secvențe reglatoare și alte repere structurale genomice. [3] În această ramură a genomicii, părți întregi sau mari ale genomului rezultate din proiectele genomului sunt comparate pentru a studia asemănările și diferențele biologice de bază, precum și relațiile evolutive dintre organisme. [2] [4] [5] Principiul major al genomicii comparative este că caracteristicile comune ale două organisme vor fi adesea codificate în ADN-ul care este conservat în mod evolutiv între ele. [6] Prin urmare, abordările genomice comparative încep cu realizarea unei forme de aliniere a secvențelor genomului și căutarea secvențelor ortoloage (secvențe care au o ascendență comună) în genomii aliniați și verificarea în ce măsură acele secvențe sunt conservate. Pe baza acestora, se deduce genomul și evoluția moleculară și acest lucru poate fi la rândul său pus în contextul, de exemplu, al evoluției fenotipice sau al geneticii populației. [7]

Practic a început imediat ce genomul întreg al a două organisme a devenit disponibil (adică genomul bacteriilor Haemophilus influenzae și Mycoplasma genitalium) în 1995, genomica comparativă este acum o componentă standard a analizei fiecărei noi secvențe de genom. [2] [8] Odată cu explozia numărului de proiecte de genom datorită progreselor în tehnologiile de secvențiere a ADN-ului, în special a metodelor de secvențiere de generație următoare la sfârșitul anilor 2000, acest domeniu a devenit mai sofisticat, făcând posibilă tratarea multor genomi. într-un singur studiu. [9] Genomica comparativă a relevat niveluri ridicate de similitudine între organismele strâns legate, cum ar fi oamenii și cimpanzeii, și, mai surprinzător, similaritatea dintre organismele aparent înrudite, cum ar fi oamenii și drojdia Saccharomyces cerevisiae. [4] A arătat, de asemenea, diversitatea extremă a compoziției genelor în diferite linii evolutive. [8]


Institutul pentru Cercetarea Creației

Odată cu apariția biotehnologiei moderne, cercetătorii au reușit să determine secvența reală a celor aproximativ trei miliarde de baze de ADN (A, T, C, G) care alcătuiesc genomul uman. Au secvențiat și genomurile multor alte tipuri de creaturi. Oamenii de știință au încercat să folosească aceste noi date ADN pentru a găsi similitudini în secvențele ADN ale creaturilor care se presupune că sunt legate prin descendență evolutivă, dar similitudinile genetice oferă dovezi pentru evoluție?

ADN acceptă tipuri distincte

În iunie 2009 Acte și fapte, a fost publicat de autor un articol care arăta cum a fost utilizată această abordare în încercarea de a demonstra o relație evolutivă între oameni și cimpanzei. 1 Articolul a arătat că oamenii de știință încorporează o cantitate mare de prejudecăți în analizele lor pentru a manipula datele pentru a sprijini evoluția, atunci când datele ADN susțin categorisirea evidentă și distinctă a vieții care este observată în mod obișnuit în înregistrările fosile și în cele existente. forme de viata.

În realitate, există o delimitare clară între fiecare tip creat (oameni, cimpanzei, șoareci, găini, câini etc.) și nu există o amestecare sau o tranziție observată de la un fel de animal la altul. Toate tipurile create prezintă o anumită cantitate de variabilitate genetică în cadrul grupării lor, păstrând în același timp limite specifice genetice. Cu alte cuvinte, un fel nu se schimbă în altul, nici în dosarul fosil, nici în observațiile organismelor vii.

Secvențe de ADN similare

În timp ce genomul fiecărui tip creat este unic, multe tipuri de animale împărtășesc anumite tipuri specifice de gene care sunt în general similare în secvența ADN. Atunci când compară secvențele ADN între taxonii animalelor, oamenii de știință evoluționisti selectează adesea genele care sunt în mod obișnuit partajate și mai asemănătoare (conservate), acordând în același timp o atenție mai mică categoriilor de secvențe ADN care sunt diferite. Un rezultat al acestei abordări este că compararea secvențelor mai conservate permite oamenilor de știință să includă mai mulți taxoni de animale în analiza lor, oferind un set de date mai larg, astfel încât să poată propune un arbore evolutiv mai mare.

Deși aceste tipuri de gene pot fi ușor aliniate și comparate, abordarea generală este părtinitoare spre evoluție. De asemenea, evită majoritatea genelor și secvențelor care ar oferi o mai bună înțelegere a conceptelor de similaritate ADN.

Gene supresoare tumorale

De exemplu, există un grup de gene care nu numai că au fost utilizate în studii evolutive, dar au și un impact semnificativ asupra sănătății umane: genele supresoare tumorale. Aberațiile din cadrul genelor supresoare tumorale pot duce la cancer, deci este important ca secvențele lor să rămână nealterate. Aceste gene tind să fie foarte asemănătoare în multe tipuri de animale, ceea ce le face ideale pentru scopuri comparative. Similitudinile strânse ale acestor gene între mulți taxoni de animale au condus la utilizarea lor de către oamenii de știință în încercarea de a dovedi evoluția sau descendența comună. 2 Ce se întâmplă cu adevărat cu aceste tipuri de gene similare și cum pot fi interpretate într-un model de creație special, spre deosebire de un cadru naturalist?

În termeni foarte generali, genele supresoare tumorale sunt caracteristici cheie genomice (blocuri de cod genetic) care ajută la reglarea creșterii și diviziunii celulelor animale. Atunci când aceste gene funcționează corespunzător, ele codifică proteine ​​care pot preveni sau inhiba proliferarea celulelor în afara controlului, care stă la baza dezvoltării tumorilor. Când genele supresoare tumorale sunt inactivate din cauza unei mutații a ADN-ului, creșterea și divizarea celulelor nu mai sunt ținute sub control, rezultând cancer.

Există trei tipuri principale de gene supresoare tumorale. Un tip semnalizează celulele să încetinească și să nu mai împartă. Un alt tip de genă supresoare tumorale produce o proteină care este responsabilă pentru verificarea și repararea daunelor din ADN care se pot întâmpla atunci când celulele se divid și proliferează. Un al treilea este responsabil pentru a spune celulelor când să moară într-un proces numit apoptoza. Creșterea celulară, proliferarea și moartea celulară controlată sunt esențiale pentru dezvoltarea și întreținerea tuturor sistemelor animale.

De exemplu, mâinile umane se dezvoltă dintr-o structură inițială în formă de evantai, în care apoptoza (moartea celulară programată) îndepărtează celulele dintre degete, iar creșterea și divizarea celulelor construiesc degetele. Modul în care aceste gene sunt reglementate va varia în funcție de organism. Cu toate acestea, deoarece aspectele de bază ale ciclului celular sunt în general similare la multe animale, s-ar aștepta de fapt un nivel ridicat de conservare a secvenței ADN (similaritate) între părțile codificatoare ale genelor, precum și proteinele pe care le produc.

Ultimul programator genetic

În general, cu cât un proces celular este mai comun între organisme, cu atât diferitele sale componente vor fi mai asemănătoare. Indică acest lucru procese evolutive întâmplătoare sau poate fi un exemplu al utilizării și reutilizării înțelepte și eficiente a Creatorului și reutilizării codului genetic în diferite creaturi pentru a realiza o funcție celulară comună și de bază?

Luați în considerare lumea computerelor. Întrebați programatorii experimentați de computer cât de des rescriu complet blocuri de cod lungi și complicate atunci când au deja ceea ce au nevoie undeva în dosar. Când este necesară și disponibilă o bucată lungă de cod scris anterior, programatorii îl vor adapta pentru a se încadra în noul său context, dar de obicei nu îl vor rescrie complet.

Desigur, Dumnezeu este programatorul suprem, iar codul genetic pe care l-a dezvoltat va produce cea mai bună proteină posibilă pentru sistemul în care funcționează. Dacă un alt organism are o fiziologie similară, ne putem aștepta ca multe dintre aceleași gene să fie prezente în genomul său. Există un număr finit de moduri de a realiza aceeași sarcină în celule. Astfel, genele care sunt folosite pentru a îndeplini această sarcină vor fi de obicei destul de similare, cu variații cheie minore. Aceste mici diferențe există, deoarece Creatorul a optimizat genele pentru acel anumit tip de creatură și biochimia sa.

Ceea ce arată datele este că nivelurile ridicate de eficiență și utilitate în informațiile genetice par a fi o temă recurentă în studiul genomilor. De fapt, cu numărul limitat de gene din genomul uman (aproximativ 25.000), sunt derivate peste un milion de variante de proteine ​​diferite. 3 Deși nu este subiectul acestui articol, o singură genă animală poate codifica o mare varietate de proteine ​​diferite printr-o varietate de mecanisme de reglare complicate. Când oamenii de știință au descoperit acest fenomen, acesta a negat total mentalitatea o genă / o proteină care a existat inițial atunci când secvența ADN a început să fie studiată. Aceasta este o utilizare destul de eficientă a codului, care nu a fost niciodată egalată nici de cele mai complexe programe de calculator concepute de om.

Elemente genetice de reglementare

În timp ce evoluționiștii s-au concentrat asupra genelor care codifică proteinele, lucrul abia începe la o clasă la fel de esențială și complicată de secvență ADN numită elemente reglatoare. Acestea sunt secvențe de ADN care nu codifică proteinele, dar sunt implicate în reglarea genelor. În timp ce utilizarea și reutilizarea eficientă a codului sunt frecvente în rândul multor genomi, ceea ce este important nu este doar proteina generată de genă, ci cât, cât de des, cât de repede și când și unde este produsă în organism. Aici procesul de reglare a genelor începe să se complice cu adevărat. Aceste diferențe de reglementare joacă un rol cheie în definirea a ceea ce face unic un anumit tip de organism.

După ce secvența genomului uman a fost obținută la un nivel de finalizare satisfăcător pentru comunitatea științifică, a fost inițiat un efort separat, dar foarte finanțat și asociat, denumit proiectul ENCODE (ENCyclopedia of DNA Elements). 4 Aceasta implică cercetări în curs de desfășurare pentru a determina identitatea și caracteristicile elementelor de reglare din genomul uman. În prezent, ENCODE abia a zgâriat suprafața, dar rezultatele au revoluționat conceptul de genetică arătând niveluri complet noi de complexitate și eficiență a activării codului și a genei.

Imaginea genetică care începe să apară este de o complexitate incredibilă în rețea și de reglementare, combinată cu un nivel extrem de ridicat de eficiență în utilizarea codului - cu siguranță nimic din ceea ce ar fi putut evolua de la sine prin procese evolutive întâmplătoare întâmplătoare. După cum se vede ușor, încercarea de a utiliza gene comune legate de procese comune ca dovadă a evoluției se destramă rapid în lumina imaginii genomice mai mari. De fapt, se vorbește cu adevărat despre codarea inteligentă a programatorului biologic suprem - Dumnezeu Însuși.

  1. Tomkins, J. 2009. Asemănări om-cimpanzei: ascendență comună sau cercetare defectuoasă?Acte și fapte. 38 (6): 12-13.
  2. Jensen, L. J. și colab. 2006. Co-evoluția reglării ciclului celular transcripțional și post-translațional. Natură. 443 (7111): 594-597. . Postat pe expasy.ch iulie 2007, găzduit de Institutul Elvețian de Bioinformatică. . Postat pe site-ul Institutului Național de Cercetare a Genomului Uman la genome.gov.

* Dr. Tomkins este asociat de cercetare la Institutul pentru Cercetarea Creației.

Citați acest articol: Tomkins, J. 2009. Secvențe ADN comune: dovezi ale evoluției sau proiectare eficientă? Acte și fapte. 38 (8): 12-13.


Modificări la nivelul ADN-ului

Mutațiile punctiforme sunt clasificate în termeni moleculari în Tabelul 7-1, care prezintă principalele tipuri de modificări ale ADN-ului și efectele lor funcționale la nivel de proteine.

Tabelul 7-1

Mutații genetice la nivel molecular.

La nivelul ADN-ului, există două tipuri principale de modificări mutaționale punctuale: substituții de bază și adaosuri de bază sau ștergeri. Substituții de bază sunt acele mutații în care o pereche de baze este înlocuită cu alta. Substituțiile de bază pot fi împărțite din nou în două subtipuri: tranziții și transversii. Pentru a descrie aceste subtipuri, luăm în considerare modul în care o mutație modifică secvența pe o catenă de ADN (schimbarea complementară va avea loc pe cealaltă catenă.) O tranziție este înlocuirea unei baze cu cealaltă bază din aceeași categorie chimică (purina înlocuită prin purină: fie A până la G, fie G până la A pirimidină înlocuită cu pirimidină: fie C până la T, fie T până la C). O transversie este opusă și # x02014 înlocuirea unei baze a unei categorii chimice cu o bază a celeilalte (pirimidina înlocuită cu purină: C la A, C la G, T la A, T la G purină înlocuită cu pirimidină: A la C , A la T, G la C, G la T). În descrierea acelorași schimbări la nivelul dublu-catenar al ADN-ului, trebuie să afirmăm ambii membri ai unei perechi de baze: un exemplu de tranziție ar fi G & # x000b7C & # x02008 & # x02192 & # x02008A & # x000b7T cel al unei transversii ar fi G & # x000b7C & # x02008 & # x02192 & # x02008T & # x000b7A.

Plus sau mutații de ștergere sunt de fapt din nucleotidă cu toate acestea, convenția este să le numim baza-perechi de adăugări sau ștergeri. Cea mai simplă dintre aceste mutații sunt adăugiri cu o singură bază de perechi sau ștergeri cu o singură pereche de baze. Există exemple în care mutațiile apar prin adăugarea sau ștergerea simultană a mai multor perechi de baze simultan. După cum vom vedea mai târziu în acest capitol, mecanismele care produc în mod selectiv anumite tipuri de adăugări sau ștergeri de perechi de baze multiple sunt cauza anumitor boli genetice umane.

Care sunt consecințele funcționale ale acestor diferite tipuri de mutații punctuale? În primul rând, luați în considerare ce se întâmplă atunci când apare o mutație într-o parte polipeptidecodificatoare a unei gene. Pentru substituțiile cu o singură bază, există mai multe rezultate posibile, care sunt consecințe directe ale a două aspecte ale codului genetic: degenerarea codului și existența codonilor de terminare a traducerii.

Înlocuiri silențioase: mutația schimbă un codon pentru un aminoacid într-un alt codon pentru același aminoacid.

Mutații Missense: codonul pentru un aminoacid este înlocuit cu un codon pentru un alt aminoacid.

Mutații fără sens: codonul pentru un aminoacid este înlocuit cu un codon de terminare (oprire) de traducere.

Substituțiile silențioase nu modifică niciodată secvența de aminoacizi a lanțului polipeptidic. Severitatea efectului mutațiilor fără sens și prostii asupra polipeptidei va diferi de la caz la caz. De exemplu, dacă o mutație fără sens determină substituirea unui aminoacid similar din punct de vedere chimic, denumit o substituție sinonimă, atunci este probabil ca modificarea să aibă un efect mai puțin sever asupra structurii și funcției proteinei. Alternativ, substituții chimice de aminoacizi diferite, numite substituții fără sinonime, sunt mai susceptibile de a produce modificări severe în structura și funcția proteinelor. Mutațiile fără sens vor duce la încetarea prematură a traducerii. Astfel, au un efect considerabil asupra funcției proteinelor. De obicei, cu excepția cazului în care apar foarte aproape de capătul 3 & # x02032 al cadrului de citire deschis, astfel încât se produce doar o polipeptidă trunchiată parțial funcțională, mutațiile fără sens vor produce produse proteice complet inactive.

La fel ca mutațiile fără sens, adăugările sau delețiile cu o singură bază au consecințe asupra secvenței polipeptidice care se extind mult dincolo de locul mutației în sine. Deoarece secvența ARNm este & # x0201cread & # x0201d de către aparatul de translație în grupuri de trei perechi de baze (codoni), adăugarea sau ștergerea unei singure perechi de baze de ADN va schimba cadrul de citire începând de la locația adăugării sau ștergerii și extinzându-se până la terminalul carboxi al proteinei. Prin urmare, aceste leziuni sunt numite framehift mutații. Aceste mutații determină întreaga secvență de aminoacizi translațional în aval de situsul mutant să nu aibă nicio relație cu secvența inițială de aminoacizi. Astfel, mutațiile frame-shift prezintă de obicei pierderea completă a structurii și funcției proteinei normale.

Acum, să ne întoarcem la acele mutații care apar în secvențe de reglare și alte secvențe necodificate. Acele părți ale unei gene care nu codifică proteinele conțin o varietate de situri funcționale cruciale. La nivel de ADN, există site-uri la care proteinele specifice care reglează transcripția trebuie să se lege. La nivel de ARN, există, de asemenea, secvențe funcționale importante, cum ar fi situsurile de legare a ribozomilor de ARNm bacterieni și siturile de auto-ligare pentru excizia intronului în ARNm eucariote.

Ramificațiile mutațiilor din alte părți ale unei gene pe care segmentele de codificare a polipeptidelor sunt mult mai greu de prezis. În general, consecințele funcționale ale oricărei mutații punctuale (substituție sau adăugare sau ștergere) într-o astfel de regiune depind de locația sa și de dacă perturbă un sit funcțional. Mutațiile care perturbă aceste site-uri au potențialul de a schimba modelul de expresie al unei gene în ceea ce privește cantitatea de produs exprimată la un anumit moment sau ca răspuns la anumite indicii de mediu sau în anumite țesuturi. Vom vedea numeroase exemple suplimentare de astfel de site-uri țintă pe măsură ce vom explora mai târziu mecanismele de reglare a genelor (capitolele 14 și # x0201317). Este important să ne dăm seama că astfel de mutații de reglare vor afecta cantitatea de produs proteic al unei gene, dar nu vor modifica structura proteinei. Alternativ, unele mutații pot inactiva complet funcția (cum ar fi legarea polimerazei sau excizia intronului) și pot fi letale.

Se pare că genele conțin, de asemenea, secvențe necodificate care nu pot fi mutate & # x0201cpoint și # x0201d pentru a produce fenotipuri detectabile. Aceste secvențe sunt intercalate cu site-urile mutabile. Aceste secvențe sunt fie irelevante din punct de vedere funcțional, fie protejate într-un fel de deteriorarea mutațională.

Noile mutații sunt clasificate ca induse sau spontan. Mutații induse sunt definite ca fiind cele care apar după un tratament intenționat cu mutageni, agenți de mediu despre care se știe că măresc rata mutațiilor. Mutații spontane sunt cele care apar în absența tratamentului cunoscut pentru mutageni. Acestea reprezintă & # x0201c rata de fundal & # x0201d a mutației și sunt probabil sursa supremă de variație genetică naturală care se observă la populații.

Frecvența la care apar mutațiile spontane este scăzută, în general în intervalul unei celule din 10 5 până la 10 8. Prin urmare, dacă este necesar un număr mare de mutanți pentru analiza genetică, mutațiile trebuie să fie induse. Inducerea mutațiilor se realizează prin tratarea celulelor cu mutageni. Mutagenii cel mai frecvent utilizați sunt radiații cu energie ridicată sau exemple chimice specifice ale acestor mutageni și eficacitatea lor este dată în Tabelul 7-2 de pe pagina următoare. Cu cât este mai mare doza de mutagen, cu atât este mai mare numărul de mutații induse, așa cum se arată în Figura 7-1. Rețineți că Figura 7-1 arată a liniar răspuns la doză, care este adesea observat în inducerea mutațiilor punctuale. Mecanismele moleculare prin care acționează mutagenii vor fi acoperite în secțiunile următoare.

Tabelul 7-2

Frecvențe de mutație directă obținute cu diferiți mutageni în Neurospora.

Figura 7-1

Relația liniară între doza de raze X la care Drosophila melanogaster au fost expuse și procentul mutațiilor (în principal letale recesive legate de sex).

Recunoașteți că distincția dintre indusă și spontană este pur operațională. Dacă suntem conștienți că un organism a fost mutagenizat, apoi deducem că orice mutații care apar după această mutageneză au fost induse. Cu toate acestea, acest lucru nu este adevărat în sens absolut. Mecanismele care dau naștere la mutații spontane sunt, de asemenea, în acțiune în acest organism mutagenizat. În realitate, va exista întotdeauna un subset de mutații recuperate după mutageneză, care sunt independente de acțiunea mutagenului. Proporția mutațiilor care intră în acest subgrup depinde de cât de puternic este un mutagen. Cu cât rata mutațiilor induse este mai mare, cu atât este mai mică proporția mutațiilor recuperate care sunt de fapt & # x0201cspontane & # x0201d la origine.

Mutațiile induse și spontane apar prin mecanisme în general diferite, deci vor fi acoperite separat. După examinarea acestor mecanisme, vom explora subiectul reparării mutațiilor biologice. Fără aceste mecanisme de reparare, rata mutației ar fi atât de mare încât celulele ar acumula prea multe mutații pentru a rămâne viabile și capabile de reproducere. Astfel, evenimentele mutaționale care au loc sunt acele evenimente rare care au fost cumva trecute cu vederea sau ocolite de procesele de reparații.


Când să decidem că două secvențe similare sunt sau nu gene diferite? - Biologie

NOVA scienceNOW: Creierul păsărilor

Rezumatul activității
Elevii vor compara secvența de aminoacizi într-o genă împărtășită între oameni și alte șase organisme și vor deduce relații evolutive între specii.

obiective de invatare
Elevii vor putea:

explicați că diferite organisme au adesea aceleași gene.

înțelegeți cum oamenii de știință folosesc diferențele genetice pentru a deduce relații evolutive.

relatează modul în care genele comune pot fi rezultatul istoriei evolutive comune.

furnizați dovezi care sugerează că lucrurile vii au părinți strămoși comuni.

Timp sugerat
O perioadă de clasă

fundal
În segmentul NOVA scienceNOW Bird Brains, studenții învață că organismele la fel de diverse precum ciupercile, peștii, muștele și oamenii împărtășesc o genă numită FOXP2. Această genă produce un tip de proteină numită a factorul de transcriere, care activează sau dezactivează alte gene. Factorii de transcripție reglează multe alte gene și, din această cauză, pot afecta mai multe procese din diferite organisme. La animale, gena FOXP2 este activă în special în timpul dezvoltării embrionare la nivelul creierului, intestinului, inimii și plămânilor, dar oamenii de știință încă dezvăluie ce gene reglează în fiecare dintre aceste țesuturi.

După cum sa explicat în segmentul NOVA scienceNOW, FOXP2 joacă, de asemenea, un rol în procesele implicate în vorbirea umană și în cântecul păsărilor: persoanele cu o formă modificată a genei au dificultăți în multe aspecte ale vorbirii, iar păsările a căror activitate FOXP2 este întreruptă au probleme de învățare a cântecelor. . În ciuda acestor observații și a altor observații, oamenii de știință încă nu știu ce alte gene reglează FOXP2 sau care este funcția sa în numeroasele alte specii care împărtășesc această genă cu păsările și oamenii. Faptul că FOXP2 este atât de răspândit ridică întrebări suplimentare, nu numai cu privire la rolul său în alte organisme, ci și cu privire la modul în care gena diferă de la un organism la altul.

Toată viața de pe Pământ a apărut dintr-un singur strămoș comun, iar genele noastre reflectă această ascendență comună. Pe măsură ce speciile s-au diferențiat în timp evolutiv, secvențele ADN din genele lor au dobândit ușoare modificări. Conform teoriei evoluționiste, aceste schimbări se acumulează în timp: speciile care au divergat unele de altele cu mult timp în urmă au mai multe diferențe în ADN decât speciile care au divergut recent. Oamenii de știință folosesc acest grad de diferență ca ceas molecular pentru a-i ajuta să prezică cu cât timp în urmă speciile s-au despărțit unele de altele. În general, oamenii de știință spun că cu cât cele două specii s-au despărțit în urmă cu mai mult timp, cu atât sunt mai înrudite.

Poate că va trebui să le reamintiți elevilor dvs. despre natura ADN-ului, genelor, proteinelor și aminoacizilor și despre diferența dintre ele. ADN-ul este o moleculă formată din patru tipuri de unități numite baze. Cele patru baze & # 8212adenină (A), citozină (C), guanină (G) și timină (T) & # 8212 alcătuiesc colectiv „alfabetul” ADN-ului. Genele sunt locații distincte de-a lungul lungimii unei molecule de ADN. Secvența bazelor dintr-o genă determină ordinea aminoacizi într-o proteină, iar ordinea aminoacizilor acționează ca plan pentru proteină asamblare.

Deoarece secvența ADN determină secvența de aminoacizi a unei proteine, o genă împărtășită de două organisme strâns legate ar trebui să aibă secvențe de aminoacizi similare sau chiar identice. Acest lucru se datorează faptului că speciile strâns legate cel mai probabil au divergat unele de altele destul de recent în perioada evoluției. Astfel, nu au avut la fel de mult timp pentru a acumula mutații aleatorii în codurile lor genetice.

De ani de zile, oamenii de știință au folosit secvențe de ADN și aminoacizi pentru a descifra relațiile dintre speciile înrudite, precum diferite tipuri de reptile, păsări și chiar bacterii. Abordarea, numită „filogenie moleculară”, compară datele secvenței și clasifică gradul de relaționare al organismelor pe baza diferențelor din ADN-ul lor. Pe măsură ce cercetătorii secvenționează genomul unui număr din ce în ce mai mare de organisme în fiecare an, ei descoperă mai multe date de utilizat în studiile evolutive. În domeniul emergent al filogenomică, cercetătorii compară simultan numeroase gene și # 8212 și vor compara într-o bună zi genomele complete și # 8212 pentru a construi noi arbori evolutivi.

În această activitate, elevii dvs. vor analiza o suită de secvențe de aminoacizi dintr-o genă care face proteina Citocrom C. Toate organismele eucariote împărtășesc această proteină, care joacă un rol central în procesul de producere a energiei a respirației celulare. Citocromul C este o moleculă care conține fier care transportă electroni în timpul lanțului de transport al electronilor în respirația celulară. Proteina se găsește în multe descendențe, inclusiv în animale, plante și numeroase specii unicelulare. Omniprezenta sa îl face un instrument convenabil pentru studierea evoluției. Prin numărarea numărului de diferențe de aminoacizi între oameni și alte șase specii, elevii dvs. vor putea face predicții despre cât de strâns legate de oameni sunt de fiecare specie.

  • Marcați site-urile web Creierul și biologia păsărilor: diferențe moleculare.
  • Pregătiți suficiente copii ale fișei de predicție a relațiilor evolutive, astfel încât fiecare student să aibă una.
  • Ca o clasă, urmăriți segmentul NOVA scienceNOW Bird Brains.
  • Dacă este necesar, revedeți termenii „ADN”, „aminoacid”, „genă” și „proteină” împreună cu clasa.
  1. Conduceți o scurtă sesiune de brainstorming despre modul în care oamenii de știință clasifică organismele. Ce criterii ar putea folosi oamenii de știință pentru a determina cât de strâns legate sunt două specii? Ar putea căuta similitudini în trăsături fizice, comportament, mod de reproducere sau gene.
  2. Introduceți conceptul de utilizare a dovezilor moleculare, cum ar fi ADN sau datele secvenței de aminoacizi, pentru a dezlega relațiile evolutive dintre specii (vezi fundal). S-ar putea să subliniați că pentru unele specii, trăsăturile fizice singure nu oferă suficiente indicii. De exemplu, un cal este mai strâns legat de un câine sau de un bivol? Toți trei au blană și merg pe patru picioare, dar aceste indicii nu vă spun prea multe despre evoluție. Opțional: dacă este posibil, afișați scurta animație Biologie: diferențe moleculare. Întrebați elevii ce informații suplimentare oferă dovezi ADN oamenilor de știință care studiază evoluția.
  3. Împărțiți clasa în perechi și distribuiți fișa Predicting Evolutionary Relations.
  4. Lucrați printr-un exemplu ca o clasă.
    • Explicați că fiecare literă din tabel Aminoacizi din citocromul C proteic reprezintă un aminoacid în proteina Citocrom C. Cheia le arată ce aminoacid corespunde fiecărei litere.
    • Atrageți atenția elevilor asupra secvențelor de aminoacizi pentru oameni și ton. Asigurați-vă că elevii înțeleg că, deoarece secvența este prea lungă pentru a se potrivi pe o linie de text, se înfășoară la o a doua linie. Explicați că vor căuta numărul de aminoacizi care diferă între oameni și ton. De asemenea, explicați că literele cu text simplu reprezintă aminoacizi care pot varia între specii, în timp ce literele cu caractere aldine sunt aminoacizi identici la toate speciile.
    • În primul rând, numărați numărul diferențelor din secvență împreună. Prima diferență este în poziția 17 oamenii au un „eu”, în timp ce tonul are un „T.” Asigurați-vă că toți elevii pot identifica cele 21 de diferențe dintre oameni și ton.
  5. Rugați elevii să completeze fișele.
  6. Pentru a încheia, discutați următoarele puncte ca o clasă:
    • Tabelul enumeră trei specii de ciuperci: Candida, Neurospora, și drojdia de panificație. Cât de asemănătoare sunt secvențele lor de citocrom C? Secvențele lor sunt destul de diferite, cu 41 de diferențe între neurospora și drojdia de brutar, 43 între neurospora și Candida și 27 între drojdia de brutar și Candida. Ce puteți spune despre relațiile evolutive dintre ciuperci în comparație cu relația dintre cele două insecte de pe masă, musca viermelui și molia viermilor de mătase? Musca și molia sunt mai strâns legate în timp evolutiv, există doar 14 diferențe între muscă și molie Secvențe de citocrom C.
    • Porcii, vacile și oile au secvențe identice de citocrom C. Cum pot avea aceeași secvență, dar să fie specii diferite? Diferența dintre specii este determinată de mulți factori diferite specii pot avea în continuare secvențe identice, mai ales dacă acestea s-au îndepărtat de un strămoș comun recent în timpul evoluției.
    • Este potrivit ca oamenii de știință să deducă relații evolutive bazate pe informații dintr-o singură proteină? De ce sau de ce nu? Aceste animale au fiecare mii de gene. Faptul că o genă este identică pentru cele trei animale nu spune nimic despre celelalte gene. Este mai bine să te uiți la mai multe proteine ​​sau alte surse de dovezi ale ADN-ului. Proteinele evoluează la ritmuri diferite, iar dovezi suplimentare vor face o predicție despre o relație evolutivă mai puternică.

Împărțiți clasa în patru echipe. Atribuiți fiecărei echipe una dintre următoarele gene: FOXP2, hemoglobină alfa, fără ochi și arici sonor. Puneți elevii să viziteze Enciclopedia Kyoto a genelor și genomelor și să caute secvența de aminoacizi a genei lor la oameni. Puneți studenții să cerceteze câte dintre cele șase specii din fișele lor împărtășesc această genă cu oamenii pentru toate cazurile în care speciile împărtășesc gena, cereți elevilor să noteze primii zece aminoacizi enumerați în baza de date. Apoi, cereți elevilor să pregătească un scurt raport despre genă, câtă similitudine au descoperit între oameni și alte specii și ce știu oamenii de știință despre funcția genei.

EVALUARE
Răspunsuri la activitate:
Ton uman: ____21___
Om: balenă cenușie ___9____
Om: broască țestoasă: ____15___
Maimuță umană-rhesus: ___1__
Om: pui / curcan: ___13____
Om: neurospora (un tip de mucegai pentru pâine): __51_______

  1. Pe baza datelor secvenței de aminoacizi pe care le-ați colectat, cu ce organism sunt cele mai strâns legate de oameni? Cu ce ​​organisme sunt cei mai îndepărtați oameni? Explicați-vă raționamentul.
    Oamenii sunt cel mai strâns legați de maimuță, există o singură diferență de aminoacizi între cei doi. Oamenii sunt cei mai îndepărtați de Neurospora, există 51 de diferențe de aminoacizi între cele două.
  2. Ce date sau informații suplimentare vă pot ajuta să confirmați declarația făcută mai sus?
    Informațiile din alte gene ar întări afirmația că, de asemenea, am putea folosi dovezi fosile sau dovezi fizice, cum ar fi similitudinea în structurile și caracteristicile fizice.
  3. Răspunsul dvs. la întrebarea 1 de mai sus se potrivește cu predicția făcută la pasul 2 al procedurii? Explică-ți răspunsul.
    Răspunsurile vor varia, căutând dovezi că elevii își compară răspunsurile și explică de ce sunt aceiași sau de ce sunt diferiți.
  4. Explicați cum datele secvenței de aminoacizi pot ajuta oamenii de știință să deducă modele de relații evolutive între specii.
    Un aminoacid este unul dintre elementele constitutive ale unei proteine. Secvența ADN a unei gene determină ordinea aminoacizilor care alcătuiesc o proteină, astfel încât modificările secvenței ADN duc adesea la schimbări și la secvența aminoacizilor. By looking for amino acid sequence differences between species, scientists can infer how closely or distantly related two species are in evolutionary time.

Use the following rubric to assess each team's work.

  • Students clearly understand how molecular evidence relates to inferring patterns of evolution
  • Students ask follow-up questions showing creativity and critical thinking
  • Students miscount amino acid difference between species and do not make a connection between molecular evidence and patterns of evolution
  • Students make little effort to complete handouts or participate in discussion.

The "Bird Brains" activity aligns with the following National Science Education Standards (see books.nap.edu/html/nses).

Classroom Activity Author

Jennifer Cutraro and WGBH Educational Outreach Staff

Jennifer Cutraro has 12 years of experience in science writing and education. She has written text and ancillaries for Houghton Mifflin, K 12 , and Delta Education and has taught science and environmental education at science centers across the country. She also contributes news and feature stories about science and health to media outlets including The Los Angeles Times, Boston Globe, Science News for Kids și Scholastic Science World.


What causes a Substitution Mutation?

A substitution mutation can be caused by a number of sources directly related to the reading and storage of DNA. For instance, every hour each cell in your body losses around 1,000 nucleotides from the DNA backbone. These nucleotides fall off due to the process of depurare. In the process of replacing them, the proteins that manage the DNA make a mistake approximately 75% of the time, because there are 4 nucleotides to choose from. Other proteins must come along after and check the DNA for errors. If they miss the substitution mutation, it may stay and be replicated.

Another factor which can drive a substitution mutation is deamination, the process by which amino groups degrade off of nucleotides. One of the only ways the protein machinery can differentiate between nucleotides is the amino groups attached to them. As these fall off, the protein machinery can misrecognize the nucleotide, and supply the wrong nucleotide pair. When the DNA replicates, the new nucleotide will become established in a new cell line.

Sickle-Cell Anemia

The blood disease Sickle-cell anemia is caused by a simple substitution mutation. In the mutation, a single nucleotide is replaced in the portion of DNA which codes for a unit of hemoglobin. Hemoglobin is a multi-protein complex, responsible for carrying oxygen and supporting the shape of blood cells. The substitution mutation causes a glutamic acid in the protein to be changed to a valine amino acid.

While this might not seem like much of a change in a protein which contain over 140 amino acids, it makes all the difference. Valine, unlike glutamic acid, is hidrofob. As such, it repels polar interactions where glutamic acid would attract them. This severely impacts the protein’s ability to function. Blood cells immediately reflect this change, becoming shriveled and sickle-shaped. With a lower ability to carry oxygen, these cells also are more prone to clot within the small capillaries of organs. This can lead to an increased risk of heart attack, stroke, and other cardiovascular diseases.

Interestingly, the substitution mutation has survived in the population for a surprising reason. The parasite which causes malarie depends on human blood cells for part of its life cycle. People with the sickle-cell substitution mutation are less susceptible to getting malaria. Apparently the different shape and function of the blood cells impedes their reproductive processes.

Orbire de culoare

In your eye, certain cells are responsible for picking up the colors red, green, and blue. These cells rely on different proteins, which react to the various colors. A substitution mutation in the DNA that codes for one of these proteins can lead to the condition of color blindness. People with this condition have a hard time distinguishing between the colors, while their vision is still clear otherwise. Oftentimes, only one color is knocked out. The various proteins are coded for on different places on the DNA, which makes a substitution unlikely to occur in all three genes.


7.11E: Complementation

  • Contribuit de Boundless
  • Microbiologie generală la Boundless

Complementation refers to a relationship between two different strains of an organism which both have homozygous recessive mutations that produce the same phenotype (for example, a change in wing structure in flies) but which do not reside on the same (homologous) gene.

These strains are true breeding for their mutation. If, when these strains are crossed with each other, some offspring show recovery of the wild-type phenotype, they are said to show &ldquogenetic complementation&rdquo. When this occurs, each strain&rsquos haploid supplies a wild-type allele to &ldquocomplement&rdquo the mutated allele of the other strain&rsquos haploid, causing the offspring to have heterozygous mutations in all related genes. Since the mutations are recessive, the offspring will display the wild-type phenotype.

A complementation test (sometimes called a &ldquocis-trans&rdquo test) refers to this experiment, developed by American geneticist Edward B. Lewis. It answers the question: &ldquoDoes a wild-type copy of gene X rescue the function of the mutant allele that is believed to define gene X?&rdquo. If there is an allele with an observable phenotype whose function can be provided by a wild type genotype (i.e., the allele is recessive), one can ask whether the function that was lost because of the recessive allele can be provided by another mutant genotype. If not, the two alleles must be defective in the same gene. The beauty of this test is that the trait can serve as a read-out of gene function even without knowledge of what the gene is doing at a molecular level.

Figura: Complementation Test: Example of a complementation test. Two strains of flies are white eyed because of two different autosomal recessive mutations which interrupt different steps in a single pigment-producing metabolic pathway. Flies from Strain 1 have complementary mutations to flies from Strain 2 because when they are crossed the offspring are able to complete the full metabolic pathway and thus have red eyes.

Complementation arises because loss of function in genes responsible for different steps in the same metabolic pathway can give rise to the same phenotype. When strains are bred together, offspring inherit wildtype versions of each gene from either parent. Because the mutations are recessive, there is a recovery of function in that pathway, so offspring recover the wild-type phenotype. Thus, the test is used to decide if two independently derived recessive mutant phenotypes are caused by mutations in the same gene or in two different genes. If both parent strains have mutations in the same gene, no normal versions of the gene are inherited by the offspring they express the same mutant phenotype and complementation has failed to occur.

In other words, if the combination of two haploid genomes containing different recessive mutations yields a mutant phenotype, then there are three possibilities: Mutations occur in the same gene One mutation affects the expression of the other One mutation may result in an inhibitory product. If the combination of two haploid genomes containing different recessive mutations yields the wild type phenotype, then the mutations must be in different genes.


What is Recombination

Recombination refers to the exchange of DNA strands, producing new nucleotide rearrangements. It occurs between regions with similar nucleotide sequences by breaking and rejoining DNA segments. Recombination is a natural process regulated by various enzymes and proteins. Genetic recombination is important in maintaining genetic integrity and generating genetic diversity. The three types of recombination are homologous recombination, site-specific recombination, and transposition. Both site-specific recombination and transposition can be considered as non-chromosomal recombination where no exchange of DNA sequences occurs.

Recombinarea omologă

Homologous recombination is responsible for the meiotic crossing-over as well as the integration of transferred DNA into yeast and bacterial genomes. It is described by the Holliday model. It occurs between identical or nearly identical sequences of two different DNA molecules that can share homology in a limited region. The homologous recombination during meiosis is shown in figure 4.

Figure 4: Chromosomal Crossing-Over

Site-Specific Recombination

The site-specific recombination occurs between DNA molecules with very short homologous sequences. It is involved in the integration of the DNA of the bacteriophage λ (λ DNA) during its infection cycle into the E coli genomului.

Transpunere

Transposition is a process used by recombination to transfer DNA segments between genomes. During transposition, the transposons or the mobile DNA elements are flanked by a pair of short direct repeats, facilitating the integration into the second genome through recombination.

Recombinases are the class of enzymes which catalyze the genetic recombination. The recombinase, RecA is found in E coli. In bacteria, recombination occurs through mitosis and the transfer of genetic material between their organisms. In archaea, RadA is found as the recombinase enzyme, which is an ortholog of RecA. In yeast, RAD51 is found as a recombinase and DMC1 is found as a specific meiotic recombinase.


What is a Promoter?

Promoter is a sequence of DNA that is located near the site of the transcription initiation of the gene. It serves as the binding site for the RNA polymerase enzyme. RNA polymerase is the enzyme that catalyses the transcription of the gene. Promoter is always located near to the transcriptional unit of the gene. Promoter contains special DNA sequences that ensure the specific binding of RNA polymerase at the correct binding site for the correct transcription of the transcriptional unit. Main elements of the promoter region are core promoter element and regulatory elements. Transcriptional factors do the recruiting of the RNA polymerase. These factors have activator and repressor sequences to attach into the promoter region and regulate the transcription.

Figure 02: Promoter

Eukaryotic promoters have a conserved sequence known as TATA box that is located 25 to 35 base pairs upstream of the transcription start site. Promoter sequences can contain 100 to 1000 base pairs.


When to decide that two similar sequences are different genes or not? - Biologie

We've seen that Pax6 from vertebrates and eyeless from flies are remarkably similar in sequence and function, but what about our other visionaries — the squid and the flatworm? Despite the major differences in their eyes, they all have genes similar to Pax6. Here are corresponding sections of the Pax6-like eye-building genes for our visionaries. Similarities to the mouse gene are highlighted in green:

But why are these genes so similar when the animals from which they come, and the eyes that they develop, are so different? As discussed earlier, there are two basic evolutionary explanations for similarities: homology and analogy. Are these genes homologous (i.e., were they passed down from the common ancestor of all these different organisms) or analogous (i.e., did they all evolve independently through convergent evolution)?

Based on the observations that all of these gene versions are remarkably similar in sequence, have related functions, and are incredibly widespread (animals all across the tree of life have them), scientists have concluded that they must be homologous and must have been inherited from the common ancestor of all these animals. It is just too unlikely that all these different animal lineages happened to independently evolve remarkably similar genes that do remarkably similar jobs. The most parsimonious explanation is that the gene evolved just once long ago and was then passed down to all these different modern animal lineages.


Priveste filmarea: Viata lui Bebe iRaphahell pe SFARSITE! (Ianuarie 2022).