Informácie

6.6: Mutácie - biológia

6.6: Mutácie - biológia


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.

superhrdina

Môže mutácia skutočne zmeniť človeka na superhrdinu? Samozrejme, že nie, ale mutácie môžu niekedy viesť k drastickým zmenám v živých organizmoch.

Čo sú mutácie?

Mutácie sú náhodné zmeny v sekvencii báz v DNA. Slovo mutácia možno si spomeniete na korytnačky Ninja, ale to je nesprávne vysvetlenie toho, ako väčšina mutácií funguje. Po prvé, každý má mutácie. V skutočnosti má väčšina ľudí vo svojej DNA desiatky alebo dokonca stovky mutácií. Po druhé, z evolučného hľadiska sú mutácie nevyhnutné. Sú potrebné na to, aby nastala evolúcia, pretože sú hlavným zdrojom všetkých nových genetických variácií u akéhokoľvek druhu.

Príčiny mutácií

Je možné, aby sa mutácie vyskytli spontánne, alebo musí existovať príčina mutácie? Odpoveď je, že oboje je možné. Mutagenéza je proces, pri ktorom sa stabilným spôsobom mení genetická informácia organizmu, čo vedie k mutácii. V prírode môže mutagenéza viesť k zmenám, ktoré sú prospešné alebo škodlivé alebo nemajú žiadny účinok. Škodlivé mutácie môžu viesť k rakovine a rôznym dedičným chorobám, ale prospešné mutácie sú hybnou silou evolúcie. V roku 1927 Hermann Muller prvýkrát preukázal účinky mutácií s pozorovateľnými zmenami v chromozómoch. Vyvolal mutagenézu ožiarením ovocných mušiek röntgenovými lúčmi,

Mutagenéza sa môže vyskytnúť spontánne alebo môže byť indukovaná. K spontánnej mutácii môže jednoducho dôjsť. Tieto mutácie nie sú spôsobené environmentálnym faktorom, ale vyskytujú sa počas normálnych bunkových procesov. Spontánna mutácia môže byť spôsobená chybou počas replikácie DNA. Mutácie sa môžu vyskytnúť aj počas mitózy a meiózy. Mutácia spôsobená environmentálnym faktorom alebo mutagénom je známa ako indukovaná mutácia. Typické mutagény zahŕňajú chemikálie, ako sú tie, ktoré sa vdychujú pri fajčení, a žiarenie, ako je röntgenové žiarenie, ultrafialové svetlo a jadrové žiarenie. Rôzne mutagény majú rôzne spôsoby poškodenia DNA. Napríklad UV žiarenie môže spôsobiť väzbu medzi susednými nukleotidmi na jednom reťazci molekuly DNA (obrázok (PageIndex{2})). To bráni normálnej väzbe medzi komplementárnymi nukleotidmi opačného vlákna. To spôsobí vydutie dvojitej špirály DNA. Ak sa toto poškodenie neopraví, vedie k mutácii. DNA sa teda nereplikuje, neprepisuje a neprekladá správne.

Typy mutácií

Existujú rôzne typy mutácií. Dve hlavné kategórie mutácií sú zárodočné mutácie a somatické mutácie.

  • Zárodočné mutácie sa vyskytujú v gamétach, pohlavných bunkách, ako sú vajíčka a spermie. Tieto mutácie sú obzvlášť významné, pretože sa môžu preniesť na potomstvo a každá bunka v potomstve bude mať mutácie.
  • Somatické mutácie vyskytujú v iných bunkách tela. Tieto mutácie môžu mať malý vplyv na organizmus, pretože sú obmedzené len na jednu bunku a jej dcérske bunky. Somatické mutácie sa tiež nedajú preniesť na potomstvo.

Mutácie sa líšia aj spôsobom, akým sa mení genetický materiál. Mutácie môžu zmeniť celý chromozóm alebo len jeden alebo niekoľko nukleotidov.

Chromozomálne zmeny

Chromozomálne zmeny sú mutácie, ktoré menia štruktúru alebo počet chromozómov. Vyskytujú sa, keď sa časť chromozómu odlomí a nesprávne sa spojí alebo sa nespojí vôbec. Možné spôsoby výskytu týchto mutácií sú znázornené na obrázku (PageIndex{3}). Chromozomálne zmeny sú veľmi vážne. Často majú za následok smrť organizmu, v ktorom sa vyskytujú. Ak organizmus prežije, môže byť ovplyvnený viacerými spôsobmi. Príkladom ľudskej chromozomálnej zmeny je mutácia, ktorá spôsobuje Downov syndróm. Je to duplikačná mutácia, ktorá vedie k oneskoreniu vývoja a iným abnormalitám. Vyskytuje sa, keď jedinec zdedí ďalšiu kópiu chromozómu 21. Nazýva sa tiež trizómia („trojchromozóm“) 21.

A bodová mutácia je zmena jedného nukleotidu v DNA. Tento typ mutácie je zvyčajne menej závažný ako chromozomálna zmena. Príkladom bodovej mutácie je mutácia, ktorá mení kodón UUU na kodón UCU. Bodové mutácie môžu byť tiché, nezmyselné alebo nezmyselné mutácie, ako je uvedené v tabuľke (PageIndex{1}). Účinky bodových mutácií závisia od toho, ako menia genetický kód.

Tabuľka (PageIndex{1}): Typy bodových mutácií
TypPopisPríkladEffect
Tichýmutovaný kodón kóduje rovnakú aminokyselinuCAA (glutamín) → CAG (glutamín)žiadny
Missensemutovaný kodón kóduje inú aminokyselinuCAA (glutamín) → CCA (prolín)premenlivý
Nezmyselmutovaný kodón je predčasný stop kodónCAA (glutamín) → UAA (stop) zvyčajnevážne

Frameshift mutácie

A frameshift mutácia je delécia alebo inzercia jedného alebo viacerých nukleotidov, ktoré menia čítací rámec sekvencie báz. Delécie odstraňujú nukleotidy a inzercie pridávajú nukleotidy. Zvážte nasledujúcu postupnosť báz v RNA:

AUG-AAU-ACG-GCU = metionín-asparagín-treonín-alanín

Teraz predpokladajme, že v tejto sekvencii dôjde k inzercii. Povedzme, že A nukleotid je vložený za štartovací kodón AUG. Potom bude postupnosť báz:

AUG-AAA-UAC-GGC-U = metionín-lyzín-tyrozín-glycín

Aj keď je zvyšok sekvencie nezmenený, táto inzercia mení čítací rámec a tým aj všetky kodóny, ktoré za ním nasledujú. Ako ukazuje tento príklad, mutácia posunu rámca môže dramaticky zmeniť spôsob, akým sa čítajú kodóny v mRNA. To môže mať drastický vplyv na proteínový produkt. Ďalší príklad mutácie posunu rámca v dôsledku delécie nukleotidu je znázornený na obrázku (PageIndex{4}). V tomto príklade je mutáciou vytvorený predčasný stop kodón.

Účinky mutácií

Väčšina mutácií nemá negatívny ani pozitívny vplyv na organizmus, v ktorom sa vyskytuje. Tieto mutácie sa nazývajú neutrálne mutácie. Príklady zahŕňajú tiché bodové mutácie, ktoré sú neutrálne, pretože nemenia aminokyseliny v proteínoch, ktoré kódujú.

Mnohé iné poškodenia alebo chyby DNA nemajú na organizmus žiadny vplyv, pretože sú opravené skôr, ako dôjde k syntéze bielkovín. Bunky majú viacero opravných mechanizmov na opravu chýb v DNA.

Prospešné mutácie

Niektoré mutácie majú pozitívny vplyv na organizmus, v ktorom sa vyskytujú. Označujú sa ako prospešné mutácie. Vo všeobecnosti kódujú nové verzie proteínov, ktoré pomáhajú organizmom prispôsobiť sa ich prostrediu. Ak zvyšujú šance organizmu na prežitie alebo reprodukciu, je pravdepodobné, že sa mutácie časom stanú bežnejšími. Existuje niekoľko známych príkladov prospešných mutácií. Tu sú len dve:

  1. V baktériách sa vyskytli mutácie, ktoré umožňujú baktériám prežiť v prítomnosti antibiotických liekov. Mutácie viedli k vývoju kmeňov baktérií odolných voči antibiotikám.
  2. Jedinečná mutácia sa nachádza u ľudí v malom meste v Taliansku. Mutácia ich chráni pred rozvojom aterosklerózy, čo je nebezpečné hromadenie tukových látok v cievach. Dokonca bol identifikovaný jedinec, u ktorého sa mutácia prvýkrát objavila.

Škodlivé mutácie

Predstavte si, že urobíte náhodnú zmenu v komplikovanom stroji, akým je motor auta. Šanca, že náhodná zmena zlepší fungovanie auta, je veľmi malá. Táto zmena s väčšou pravdepodobnosťou povedie k tomu, že auto nejazdí dobre alebo možno nejazdí vôbec. Z rovnakého dôvodu akákoľvek náhodná zmena v DNA génu pravdepodobne povedie k produkcii proteínu, ktorý nefunguje normálne alebo nemusí fungovať vôbec. Takéto mutácie sú pravdepodobne škodlivé. Škodlivé mutácie môžu spôsobiť genetické poruchy alebo rakovinu.

  • Genetická porucha je choroba, syndróm alebo iný abnormálny stav spôsobený mutáciou jedného alebo viacerých génov alebo chromozomálnou zmenou. Príkladom genetickej poruchy je cystická fibróza. Mutácia v jedinom géne spôsobuje, že telo produkuje hustý, lepkavý hlien, ktorý upcháva pľúca a blokuje kanály v tráviacich orgánoch.
  • Rakovina je ochorenie, pri ktorom bunky rastú nekontrolovane a tvoria abnormálne masy buniek nazývané nádory. Vo všeobecnosti je spôsobená mutáciami v génoch, ktoré regulujú bunkový cyklus. Kvôli mutáciám sa bunky s poškodenou DNA môžu deliť bez obmedzení.

Funkcia: Moje ľudské telo

Predpokladá sa, že dedičné mutácie zohrávajú úlohu v približne 5 až 10 percentách všetkých druhov rakoviny. Boli identifikované špecifické mutácie, ktoré spôsobujú mnohé zo známych dedičných druhov rakoviny. Väčšina mutácií sa vyskytuje v génoch, ktoré riadia rast buniek alebo opravu poškodenej DNA.

Je možné vykonať genetické testovanie, aby sa zistilo, či jednotlivci zdedili špecifické mutácie spôsobujúce rakovinu. Niektoré z najbežnejších dedičných rakovín, pre ktoré je dostupné genetické testovanie, dedičná rakovina, rakovina prsníka a vaječníkov, spôsobené mutáciami v génoch s názvom BRCA1 a BRCA2. Okrem rakoviny prsníka a vaječníkov môžu mutácie v týchto génoch spôsobiť aj rakovinu pankreasu a prostaty. Genetické testovanie sa vo všeobecnosti vykonáva na malej vzorke telesnej tekutiny alebo tkaniva, ako je krv, sliny alebo kožné bunky. Vzorku analyzuje laboratórium, ktoré sa špecializuje na genetické testovanie a zvyčajne trvá aspoň niekoľko týždňov, kým sa získajú výsledky testu.

Mali by ste si dať genetické vyšetrenie, aby ste zistili, či ste zdedili mutáciu spôsobujúcu rakovinu? Takéto testovanie sa bežne nevykonáva len na skríning pacientov na riziko rakoviny. Namiesto toho sa testy vo všeobecnosti vykonávajú iba vtedy, ak sú splnené tieto tri kritériá:

  1. Test môže definitívne určiť, či je prítomná mutácia špecifického génu. To je prípad napríklad génových mutácií BRCA1 a BRCA2.
  2. Výsledky testov by mohli pomôcť pri orientácii budúcej lekárskej starostlivosti. Ak ste napríklad zistili, že máte mutáciu v géne BRCA1 alebo BRCA2, môžete absolvovať častejšie skríningy rakoviny prsníka a vaječníkov, ako sa vo všeobecnosti odporúča.
  3. Máte osobnú alebo rodinnú anamnézu, ktorá naznačuje, že máte riziko zdedenej rakoviny.

Kritérium číslo 3 je založené na takých faktoroch, ako sú:

  • diagnóza rakoviny v nezvyčajne mladom veku.
  • niekoľko rôznych druhov rakoviny vyskytujúcich sa nezávisle u toho istého jedinca.
  • niekoľko blízkych genetických príbuzných, ktorí majú rovnaký typ rakoviny (ako napríklad babička z matkinej strany, matka a sestra, ktoré majú rakovinu prsníka).
  • rakovina vyskytujúca sa v oboch orgánoch v súbore párových orgánov (ako sú obe obličky alebo oba prsníky).

Ak spĺňate kritériá pre genetické testovanie a odporúča sa vám ho podstúpiť, genetické poradenstvo sa dôrazne odporúča. Genetický poradca vám môže pomôcť pochopiť, čo výsledky znamenajú a ako ich využiť na zníženie rizika vzniku rakoviny. Napríklad pozitívny výsledok testu, ktorý ukazuje prítomnosť mutácie, nemusí nutne znamenať, že sa u vás rozvinie rakovina. Môže to závisieť od toho, či sa gén nachádza na autozóme alebo pohlavnom chromozóme a či je mutácia dominantná alebo recesívna. Faktory životného štýlu môžu tiež zohrávať úlohu pri riziku rakoviny, dokonca aj pri dedičných rakovinách, a včasná detekcia môže často zachrániť život, ak sa rakovina rozvinie. Genetické poradenstvo vám tiež môže pomôcť posúdiť šance, že akékoľvek deti, ktoré môžete mať, zdedia mutáciu.

Preskúmanie

  1. Definujte mutáciu.
  2. Identifikujte príčiny mutácie.
  3. Porovnajte a porovnajte zárodočné a somatické mutácie.
  4. Opíšte chromozomálne zmeny, bodové mutácie a posunové mutácie. Identifikujte potenciálne účinky každého typu mutácie.
  5. Prečo sú mnohé mutácie neutrálne vo svojich účinkoch?
  6. Uveďte príklad prospešnej mutácie a príklad škodlivej mutácie.
  7. Prečo si myslíte, že vystavenie mutagénom, ako je cigaretový dym, môže spôsobiť rakovinu?
  8. Pravda alebo lož. Mutácie sú vždy spôsobené vystavením toxickým látkam.
  9. Pravda alebo lož. Niektoré mutácie môžu predĺžiť alebo skrátiť chromozómy.
  10. Vysvetlite, prečo inzercia alebo delécia jedného nukleotidu môže spôsobiť mutáciu posunu rámca.
  11. Porovnajte a porovnajte missense a nezmyselné mutácie.
  12. Mutácia, ktorá nahrádza jeden nukleotid iným, sa nazýva ___________ mutácia.
  13. Aký typ mutácie je trizómia 21 alebo Downov syndróm?
  14. Vysvetlite, prečo sú mutácie dôležité pre evolúciu.

Preskúmajte viac

Žiarenie je všade okolo nás a je súčasťou každodenného života. Ale čo to vlastne je a čo to robí s vaším telom? Pozrite si to tu:

Pravdepodobne viete, že fajčenie zabíja, ale čo presne robí fajčenie s vaším telom? Viac sa dozviete tu:


Pozadie

Ako vznikajú gény s novými funkciami? Toto zostáva jednou z najzaujímavejších otvorených otázok v evolučnej genetike. Tri hlavné mechanizmy môžu vytvoriť gény novej funkcie: bodové mutácie a malé inzercie alebo delécie v existujúcich génoch duplikácia celých génov alebo domén v génoch v kombinácii s mutáciami, ktoré spôsobujú funkčnú divergenciu duplikátov [1–3] a rekombináciu medzi odlišnými génmi. na vytvorenie nových rekombinantných génov (pozri napríklad [4, 5]). Tu sa rozhodneme nazvať iba tento druh rekombinantného génového miešania, s výnimkou napríklad duplikácie domén v géne. Pri takomto premiešaní génov môžu byť rodičovské gény zničené alebo zachované [6]. Premiešavanie génov je jednoznačne najsilnejšou z troch príčin funkčnej inovácie, pretože môže generovať nové gény so štruktúrou výrazne odlišnou od štruktúry ktoréhokoľvek z rodičovských génov. Laboratórne evolučné štúdie ukazujú, že miešanie génov umožňuje vznik nových génových funkcií s rýchlosťou rádovo vyššou ako bodové mutácie [7, 8].

Veľa je známe o miere bodových mutácií [9] a génových duplikácií [10, 11]. Na rozdiel od toho, rýchlosť, akou dochádza k premiešaniu génov, je relatívne nepreskúmaná, a to napriek dôležitosti miešania pre funkčnú inováciu. Samozrejme, neoficiálne dôkazy naznačujú, že dochádza k úspešnému miešaniu génov a že vytvára gény s novými funkciami [4]. Najmä proteíny sú často mozaiky domén, ktoré sa vyznačujú sekvenčnou a štrukturálnou podobnosťou [12–19]. Mnoho domén sa vyskytuje vo viacerých proteínoch rôznych funkcií, čo naznačuje, že nové proteíny môžu vzniknúť kombináciou domén iných proteínov, čo je proces vyžadujúci rekombináciu. Okrem toho mnohé štúdie systematicky identifikovali jednu podtriedu udalostí génovej rekombinácie – génové fúzie [20–24]. Tieto štúdie počítajú udalosti génovej fúzie v záujmovom genóme vo vzťahu k viacerým, často veľmi vzdialene príbuzným druhom. Pretože fúzované gény majú často podobné funkcie, identifikácia fúznych udalostí môže pomôcť pri odvodzovaní génových funkcií. Tu sa zaoberáme otázkou, ktorá presahuje vyššie uvedené štúdie: ako časté je miešanie génov v porovnaní s inými silami zmeny genómu, ako je napríklad duplikácia génov? Tento problém je zložitý kvôli mnohým možným výsledkom rekombinácií. Tieto výsledky spadajú do troch hlavných kategórií, génové fúzie, delécie domén a inzercie domén (obrázok 1a). Systematická identifikácia týchto výsledkov v genómovom meradle je výpočtovo náročná, čo obmedzilo naše analýzy na skromný počet genómov (tabuľka 1).

Identifikácia miešania génov. (a) Génové miešanie a ako mení štruktúru génov. Tri scenáre 'inzercie domény' predstavujú inzercie domén z génu 2 do génu 1. Recipročné inzercie (gén 1 do génu 2) nie sú znázornené. (b) Rozlíšenie pravdy od falošných rekombinácií. V prípade falošnej rekombinácie má referenčný genóm R1 dva oddelené gény, kde T aj R2 majú jeden premiešaný gén. Najšetrnejšie vysvetlenie tohto pozorovania je, že premiešaný gén bol prítomný v R1, ale bol stratený od divergencie R1 od T.

Je možné identifikovať udalosti premiestňovania génov buď z informácií o sekvencii proteínov alebo z informácií o štruktúre proteínov. Prístupy založené na štruktúre [12–15] majú tú výhodu, že sú schopné detegovať rekombinačné udalosti, kde sa sekvenčná podobnosť medzi produktom rekombinácie a jeho rodičmi narušila na nepoznanie. Avšak, pretože dve veľmi vzdialené príbuzné štrukturálne domény môžu tiež vzniknúť prostredníctvom konvergentnej evolúcie [25, 26], identifikácia spoločného pôvodu dvoch domén na základe samotnej štruktúry môže byť problematická. Ďalším obmedzením je, že prístupy založené na štruktúre môžu identifikovať iba rekombinačné udalosti, ktoré rešpektujú hranice proteínových domén, zatiaľ čo niektoré úspešné rekombinačné udalosti sa môžu vyskytnúť v doménach [27–29]. Navyše štrukturálne informácie nie sú dostupné pre všetky gény. Napríklad databáza proteínových domén Pfam [30] neobsahuje žiadne štrukturálne informácie pre viac ako 40 % proteínov v pučiacich kvasinkách (Saccharomyces cerevisiae). Prístupy založené na štruktúre tak môžu vynechať veľa premiešaných génov. Kvôli týmto problémom sme zvolili sekvenčný prístup, ktorý nám umožňuje vyhľadávať udalosti miešania bez toho, aby sme robili obmedzujúce predpoklady týkajúce sa ich povahy. Naše vyhľadávanie v podstate neukladá žiadne obmedzenia na miešanie okrem toho, že musí v jednom géne zlúčiť dve sekvencie kódujúce proteín, ktoré boli predtým súčasťou dvoch rôznych génov. Vyhýbame sa teda predpokladu, že k miešaniu dochádza iba na hraniciach domén alebo s určitými mechanizmami rekombinácie bez vylúčenia jednej z možností. Naša analýza môže tiež zodpovedať za udalosti génovej duplikácie buď v rodičovských alebo rekombinovaných génoch.

Tu identifikujeme udalosti premiestňovania génov, ktoré sa vyskytli v „testovacom“ druhu T od jeho odlišnosti od referenčného druhu R1. Gén v testovacom genóme, ktorého časti sa zhodujú s viac ako jedným génom v referenčnom genóme, je kandidátom na udalosť premiešania génov, ku ktorej došlo od spoločného predka týchto dvoch genómov. Naša analýza tiež používa tretí genóm (referenčný genóm R2), aby sa zabránilo štiepeniu génu alebo strate génu v referenčnom genóme R1, čo by viedlo k falošnej identifikácii udalostí premiestňovania génov. Pretože R2 je vonkajšia skupina v porovnaní s T a R1, umožňuje nám detekovať takéto udalosti v R1 (pozri obrázok 1b). Ako každý prístup založený na porovnávacej sekvencii, naša analýza závisí od detegovateľnej podobnosti sekvencií medzi génmi. Inými slovami, naša analýza vylučuje rýchlo sa vyvíjajúce gény.


Výsledky

Identifikácia flexibilných reakcií v metabolizme kvasiniek

Na identifikáciu všetkých potenciálne flexibilných reakcií v metabolizme glukózy kvasiniek, ktoré boli aktívne za daných podmienok, sme použili nedávno zosúladený model metabolickej siete iLL672 s 1 038 reakciami (kódovanými 672 génmi), ktoré predstavujú 745 biochemicky odlišných reakcií (L Kuepfer, U Sauer a LM Prázdna, nepublikovaná práca), ktorá bola založená na genómovej škále S. cerevisiae model iFF708 [3]. Medzi hlavné úpravy pôvodného modelu patrí odstránenie slepých reakcií a nová formulácia bunkového rastu. Treba poznamenať, že žiadny z nižšie uvedených výsledkov kriticky nezávisel od sieťového modelu, ale zosúladenie iLL672 umožnilo presnejšiu diskrimináciu medzi smrteľnými a životaschopnými reakciami ako iFF708, ako bolo potvrdené rozsiahlymi rastovými experimentmi (L Kuepfer, U Sauer a LM Blank, nepublikované dielo).

Najprv sme identifikovali všetky reakcie aktívne v metabolizme glukózy divokého typu analýzou toku na úrovni genómu. Na tento účel sme určili distribúciu toku divokého typu v centrálnom metabolizme zo stabilného izotopového dávkového experimentu s 20 % [U-13 C] a 80 % neznačenej glukózy. Toto riešenie toku bolo potom mapované do mierky genómu pomocou minimalizácie euklidovskej normy tokov ako cieľovej funkcie. Celkovo bolo 339 zo 745 biochemických reakcií aktívnych počas rastu na samotnej glukóze (obrázok 1 a súbor doplnkových údajov 1), čo sa kvalitatívne zhoduje s odhadom Papp a kol. [16]. Najaktívnejšie reakcie (234) boli zásadné: 155 je kódovaných jednobunkovými génmi, 64 dvoma alebo viacerými duplicitnými génmi a 15 zatiaľ neznámymi génmi (obrázok 1 Súbor doplnkových údajov 1). V celej sieti bolo aktívnych a potenciálne flexibilných iba zvyšných 105 reakcií (30 kódovaných zatiaľ neznámymi génmi) v tom zmysle, že ich možno obísť alternatívnymi cestami (obrázok 1). Keďže toky v periférnych reakciách boli zvyčajne nižšie ako 0,1 % rýchlosti príjmu glukózy (pozri súbor doplnkových údajov 1), zamerali sme sa na 51 flexibilných reakcií kódovaných génom, ktoré katalyzovali tok aspoň 0,1 %. Týchto 51 reakcií bolo kódovaných 75 génmi (43 duplikátov, 23 singletonov a 9 multiproteínových komplexov).

Genómový podiel aktívnych, esenciálnych a flexibilných metabolických reakcií počas rastu S. cerevisiae (iLL672) na glukóze. Flexibilné reakcie sú definované ako reakcie s nenulovým tokom, ale nie sú nevyhnutné pre rast. V zátvorkách je uvedený počet génov, ktoré kódujú biochemické reakcie.

Fyziologická zdatnosť mutantov odstránených vo flexibilných reakciách

V 38 z týchto génov, ktoré kódovali 28 z 51 potenciálne flexibilných a vysoko aktívnych reakcií, sme skonštruovali prototrofné delečné mutanty homológnou rekombináciou [17] vo fyziologickom modelovom kmeni CEN.PK [18] (obrázok 2). Prototrofné pozadie bolo zvolené tak, aby sa minimalizovali potenciálne problémy suplementácie aminokyselín pre kvantitatívnu analýzu [19]. Týchto 38 experimentálnych knockoutov bolo v pentózofosfátovej (PP) dráhe, cykle trikarboxylovej kyseliny (TCA), glyoxylátovom cykle, syntéze polysacharidov, mitochondriálnych transportéroch a tvorbe vedľajšieho produktu (obrázok 2, tabuľka 1). Geneticky knockouty zahŕňajú 14 singletonových a 24 duplicitných génov, vrátane šiestich génových rodín, z ktorých boli všetci členovia vymazaní.

Centrálny metabolizmus uhlíka S. cerevisiae počas aeróbneho rastu na glukóze. Názvy génov v rámčekoch sú uvedené pre reakcie, ktoré boli analýzou rovnováhy toku identifikované ako flexibilné. Tmavosivé rámčeky označujú mutanty, pre ktoré bola distribúcia toku uhlíka určená experimentmi s 13 C-indikátormi. Bodky označujú, že gén je súčasťou proteínového komplexu. Šípky označujú reverzibilitu reakcie. Extracelulárne substráty a produkty sú kapitalizované. C1, jednouhlíková jednotka z C1 metabolizmus.

S výnimkou gnd1, všetkých 38 mutantov rástlo s glukózou ako jediným zdrojom uhlíka. Smrteľný fenotyp gnd1 mutant je v súlade s predchádzajúcou správou [20] a je podobný gndA mutant v Bacillus subtilis [21]. Ako v B. subtilis, mohli sme si vybrať gnd1 supresorové mutanty na glukóze (údaje nie sú uvedené). Na posúdenie kvantitatívneho príspevku každého génu k kondícii organizmu sme určili maximálne špecifické rýchlosti rastu v minimálnom a komplexnom médiu pomocou dobre prevzdušneného systému mikrotitračných platní [22]. Mutantná zdatnosť sa potom vyjadrila ako normalizovaná rýchlosť rastu vo vzťahu k rýchlosti rastu referenčného kmeňa (tabuľka 1). Na rozdiel od predtým uvádzanej súťažnej zdatnosti [20, 23, 24] je tu určená zdatnosť kvantitatívna fyziologická hodnota.

V komplexnom médiu YPD bola fyziologická zdatnosť u 38 životaschopných haploidných mutantov vo všeobecnosti v kvalitatívnej zhode s konkurenčnou zdatnosťou [20]. Z kvantitatívneho hľadiska sa však zdá, že naše údaje umožňujú lepšiu diskrimináciu (tabuľka 1) a významné rozdiely medzi fyziologickou a konkurenčnou zdatnosťou boli pozorované v adh1, dym1, a gpd1 mutantov. Iba traja mutanti - adh1, dym1, a gly1 - vykazovali poruchu kondície 20 % alebo viac (tabuľka 2). gly1 chýba treonín aldoláza, ktorá katalyzuje štiepenie treonínu na glycín [25], takže jeho fenotyp zostáva nevysvetlený, pretože glycín bol prítomný v médiu YPD.

Vo všeobecnosti rast na jedinom substráte znižoval metabolickú flexibilitu, pretože oveľa väčší podiel mutantov vykazoval významné poruchy zdatnosti (tabuľka 2). Hlavné defekty fitness boli výrazné u mutantov dráhy PP (gnd1, rpe1, sol3, a zwf1), čo naznačuje zvýšený dopyt po NADPH na biosyntézu. Fitness of the dym1 mutant bol jasne nižší ako u iných mutantov TCA-cyklu, pre ktoré existujú duplicitné gény. Silný fenotyp dym1 mutant bol trochu neočakávaný, pretože tok cez cyklus TCA je vo vsádzkových kultúrach glukózy všeobecne nízky alebo chýba S. cerevisiae [13, 14, 26, 27].

Redistribúcia intracelulárneho toku uhlíka v reakcii na génové delécie

Zatiaľ čo fyziologické údaje kvantifikujú defekt spôsobilosti, nedokážu rozlíšiť medzi intracelulárnymi mechanizmami, ktoré spôsobujú robustnosť delécie. Na identifikáciu redistribúcie toku uhlíka okolo metabolickej lézie sme použili analýzu metabolického toku založenú na experimentoch s 13 C-glukózou [8, 9]. Na rozdiel od in vitro aktivity enzýmov a údaje o expresii, analýza 13C-toku poskytuje priamy dôkaz in vivo presmerovanie toku alebo jeho neprítomnosť. Protokol toku pozostáva z dvoch odlišných krokov: po prvé, analytická identifikácia siedmich nezávislých pomerov metabolických tokov s pravdepodobnostnými rovnicami z distribúcie 13C v proteinogénnych aminokyselinách [12, 28, 29] a po druhé, odhad absolútnych tokov (in vivo reakčné rýchlosti) z fyziologických údajov a pomerov toku ako obmedzenia [10, 30]. Relatívna distribúcia intracelulárnych tokov bola u 37 mutantov dosť invariantná, pričom významnými výnimkami bola frakcia mitochondriálneho oxaloacetátu odvodená prostredníctvom toku cyklu TCA a frakcia mitochondriálneho pyruvátu pochádzajúca z malátu (obrázok 3).

Distribúcia šiestich nezávisle určených pomerov metabolického toku v 37 delečných mutantoch počas rastu na glukóze. V každom prípade je medián distribúcie označený zvislou čiarou, 25. percentil sivým rámčekom a 90. percentil vodorovnou čiarou. Dátové body mimo 90. percentilu sú označené bodkami. Referenčné napätie je označené prázdnym krúžkom.

Z experimentálne stanovených rýchlostí absorpcie/produkcie a pomerov toku ako obmedzení (súbor dodatočných údajov 3) sa vypočítali absolútne intracelulárne toky pomocou kompartmentalizovaného stechiometrického modelu, ktorý pozostáva z 35 reakcií a 30 metabolitov (súbor ďalších údajov 2). Tento model toku zahŕňal väčšinou reakcie centrálneho metabolizmu uhlíka, ktoré boli najrelevantnejšie pre zavedené genetické zmeny. Je potrebné poznamenať, že odstránené reakcie, s výnimkou pyruvátdehydrogenázy (PDA1), neboli vynechané zo sieťového modelu, takže vypočítaná absencia toku cez danú reakciu bola nezávisle overená z údajov označenia13C. Na rozdiel od relatívnej distribúcie intracelulárnych tokov sa absolútne reakčné rýchlosti u mutantov výrazne líšili. S výnimkou toku cyklom TCA (obrázok 4f) a glukoneogénnej PEP karboxykinázy (obrázok 4d) sa všetky ostatné toky vo všeobecnosti zvyšovali so zvyšujúcou sa rýchlosťou vychytávania glukózy (obrázok 4). Jedenásť z 37 mutantov však vykazovalo špecifické reakcie toku, ktoré sa odchyľovali od tohto všeobecného trendu (tabuľka 2, obrázok 4).

Absolútne metabolické toky v 37 flexibilných mutantoch ako funkcia rýchlosti absorpcie glukózy alebo vybraných intracelulárnych tokov. (a-f) Rýchlosť absorpcie glukózy (g,h) vybrané intracelulárne toky. Lineárna regresia distribúcie a 99% predikčný interval sú označené plnými a prerušovanými čiarami. Sú uvedené mutanty s významnými zmenami v distribúcii uhlíkového toku. Referenčný kmeň je označený otvoreným krúžkom. Extrémne vzory toku boli overené v 30 ml kultúrach v trepaných bankách (údaje nie sú uvedené).

Špecifické reakcie toku v jednorazových a duplikátnych génových knockoutoch

Špecifické reakcie toku boli výraznejšie medzi singletonovými mutantmi (tabuľka 2, obrázok 4). Aj keď tok cyklu TCA cez fumarázovú reakciu závislú od NAD + z fumarátu na malát bol už v referenčnom kmeni veľmi nízky (obrázky 3, 4f), dym1 mutant vykazoval výrazný fenotyp so zmeneným redoxným metabolizmom a významnou produkciou glycerolu (obrázok 5). Inaktivácia mitochondriálneho pyruvátdehydrogenázového komplexu v pda1 mutant bol obídený importom cytosolického acetyl-CoA do mitochondrií. Inaktivácia vetvy oxidačnej dráhy PP v zwf1 Mutant bol kompenzovaný reverzným tokom v neoxidačnej dráhe PP, čím sa získali prekurzory biomasy pentóza-5-fosfát a erytróza-4-fosfát (obrázok 5). Pretože primárnou úlohou dráhy PP na glukóze je generovanie NADPH, tok mitochondriálneho jablčného enzýmu závislý od NADP+ sa významne zvýšil v zwf1 mutant. Táto kompenzácia NADPH jablčným enzýmom bola nedávno navrhnutá aj z experimentov so spoločným kŕmením [31].

Relatívne rozdelenia absolútnych uhlíkových tokov v S. cerevisiae referenčný kmeň (Ref) a mutanty singletonového génu dym1, pda1 a zwf. Všetky toky sú normalizované na špecifickú rýchlosť vychytávania glukózy, ktorá je uvedená v hornej časti, a sú uvedené v rovnakom poradí v každom rámčeku. Reakcie kódované odstránenými génmi sú zobrazené na čiernom pozadí, ale neboli odstránené z modelu toku (okrem PDA1). Bilancia NADPH, ktorá je založená na kvantifikovaných tokoch a známych špecificitách kofaktorov, je daná ako syntetický tok transhydrogenázy. Vo všeobecnosti boli 95 % intervaly spoľahlivosti medzi 5 a 10 % pre hlavné toky. Väčšie intervaly spoľahlivosti boli odhadnuté pre reakcie s nízkym tokom, ako je jablčný enzým a PEP karboxykináza. Distribúcie toku boli overené v 30 ml kultúrach v trepaných bankách (údaje nie sú uvedené). C1, jednouhlíková jednotka z C1 metabolizmus P5P, pentóza 5-fosfáty.

Na rozdiel od singletonov môže byť delécia flexibilných duplicitných génov kompenzovaná buď alternatívnymi cestami alebo izoenzýmami. Vo väčšine prípadov sa však použili izoenzýmy, pretože sa nezistila žiadna zmena toku, pričom a dh1, ald6, cox5A, a mdh1 mutanty ako výnimky (tabuľka 2). Delécia hlavnej acetaldehyddehydrogenázy produkujúcej acetát, cytoplazmy ALD6 [32] výrazne znížila tvorbu acetátu. Primárnym účinkom delécie bola výrazne znížená rýchlosť vychytávania glukózy (obrázok 4). Hoci hlavný zdroj NADPH bol v tomto mutante inaktivovaný [33], tok dráhy PP sa nezvýšil, ale bol dokonca nižší ako v referenčnom kmeni (obrázok 6). To naznačuje, že výrazne znížená zdatnosť ald6 mutant (tabuľka 1) môže byť výsledkom hladovania NADPH - to znamená suboptimálnej rýchlosti redukcie NADP +. V súlade s tým sme odhadli, že požiadavka NADPH prekročila kombinovanú tvorbu NADPH z oxidačnej dráhy PP a jablčného enzýmu o 70 %, čo naznačuje, že zatiaľ neidentifikovaná reakcia (reakcie) nahrádza zostávajúcu produkciu NADPH. Kandidátmi sú mitochondriálna acetaldehyddehydrogenáza Ald4p [34], ktorá môže využívať buď NAD + alebo NADP + ako redoxné kofaktory alebo mitochondriálnu NADH kinázu Pos5p [35]. Delécia cytochrómu c oxidázová podjednotka Va COX5A v mitochondriálnom dýchacom reťazci zvýšená produkcia glycerolu, ktorý slúži ako prostriedok na reoxidáciu NADH (obrázky 4b, 6). Pretože tento mutant nemá funkčné mitochondrie [36], produkcia glycerolu bola riadená obmedzenou reoxidáciou NADH prostredníctvom zvyškovej aktivity NADH oxidázy v reťazci transportu elektrónov. Robustnosť bola teda dosiahnutá použitím alternatívneho umývadla NADH. Vzhľadom na to, že tok cez mitochondriálnu malátdehydrogenázu Mdh1 bol už v referenčnom kmeni veľmi nízky, defekt fitness mdh1 bolo prekvapujúce. Podobný k dym1 a ald6 mutantov, výrazne znížená zdatnosť mdh1 možno vysvetliť nerovnováhou medzi cyklom TCA a katabolizmom glukózy (obrázok 4f). Vo všeobecnosti sa tok cyklu TCA zvyšuje s klesajúcou rýchlosťou vychytávania glukózy [29], ale zostáva neproporcionálne nízky (neprítomný) v dym1, ald6, a mdh1 mutanty (obrázok 4f). Cytosolické a peroxizomálne duplicitné gény MDH2 a MDH3nekompenzovalo mitochondriálnu léziu, čo je v súlade s pozorovaným letálnym fenotypom mdh1 mutant pri pestovaní na acetáte [37].

Relatívne rozdelenia absolútnych uhlíkových tokov v S. cerevisiae referenčný kmeň a duplicitné génové mutanty ald6, cox5A a mdh1. Všetky toky sú normalizované na špecifickú rýchlosť vychytávania glukózy, ktorá je uvedená v hornej časti, a sú uvedené v rovnakom poradí v každom rámčeku. Reakcie kódované deletovanými génmi sú zobrazené na čiernom pozadí, ale neboli odstránené z modelu toku. Bilancia NADPH, ktorá je založená na tokoch a známych špecificitách kofaktorov, je daná ako syntetická transhydrogenáza. Vo všeobecnosti boli 95 % intervaly spoľahlivosti medzi 5 a 10 % pre hlavné toky. Väčšie intervaly spoľahlivosti boli odhadnuté pre reakcie s nízkym tokom, ako je jablčný enzým a PEP karboxykináza. Distribúcie toku boli overené v 30 ml kultúrach v trepaných bankách (údaje nie sú uvedené). C1, jednouhlíková jednotka z C1 metabolizmus P5P, pentóza 5-fosfáty.

Odolnosť genetickej siete

Vyššie uvedené výsledky toku ukazujú, že knockouty flexibilných reakcií sa asi v jednej tretine prípadov obídu alternatívnymi cestami a v ostatných dvoch tretinách cez izoenzýmy. Odráža to relatívny príspevok alternatívnych dráh a duplicitných génov k robustnosti genetickej siete? [5] Na kvantitatívne vyriešenie tejto otázky pre metabolizmus glukózy sme vypestovali 196 duplikátov (kódujúcich 87 reakcií) a 171 singletonových (kódujúcich 207 reakcií) knockout mutantov všetkých 294 génovo kódovaných aktívnych reakcií na glukózových platniach.

V 47 životaschopných jednorazových knockoutoch zabezpečuje presmerovanie toku alternatívnou cestou prežitie, čo bolo priamo overené údajmi o toku v 10 prípadoch (obrázok 4, tabuľka 3 a súbor dodatočných údajov 3). Zo 196 experimentálnych duplicitných mutantov 180 rástlo na jedinej glukóze, zatiaľ čo 16 mutácií bolo smrteľných. Keďže týchto 16 duplikátov zjavne neprispievalo ku genetickej robustnosti, celé ich rodiny (36 génov) boli odčítané od 150 duplikátne kódovaných základných reakcií (obrázok 1). Pre zvyšných 114 duplicitných génov máme silné dôkazy pre redundanciu siete ako základný mechanizmus robustnosti, pretože kódujú základné reakcie (ako bolo určené in silico) a každý z experimentálnych knockoutov bol životaschopný (obrázok 7). Pre 46 duplicitných génov, ktoré kódujú flexibilné reakcie (obrázok 1), kompenzácia duplikátmi a / alebo alternatívnymi cestami môže zabezpečiť proliferáciu. Ak boli dostupné, boli tieto mutanty klasifikované podľa ich distribúcie toku, čo znamená, že z 24 analyzovaných experimentálnych duplicitných mutantov štyri použili alternatívne dráhy a 20 izoenzým (obrázok 4, tabuľka 3 a súbor doplnkových údajov 3). In total we analyzed all 367 experimental mutants that encode the 294 active reactions of glucose metabolism, 140 of which were lethal and 227 viable. For the vast majority of the viable mutants, we identified the molecular mechanism that brought robustness to the knockout about: about 25% were alternative pathways and 75% duplicate genes (Figure 7).

The mechanistic basis of gene dispensability in all active reactions during glucose metabolism of S. cerevisiae. The mechanism was mostly identified from the phenotype on glucose plates. For 10 of the alternative pathways and for 20 duplicates encoding flexible reactions, the results were confirmed by 13 C-flux analysis. For 22 duplicate genes the data are not sufficient to distinguish between both mechanisms and they are labeled as not analyzed.


Proposed Beneficial Mutations in Bacteria

Richard Lenski and the Citrate Mutation in E. coli

In 1988, Dr. Richard Lenski, an evolutionary biologist at Michigan State University, began culturing 12 identical lines of Escherichia coli (a common gut bacteria). Over 50,000 generations and 25 years later, the experiment continues. Lenski has observed many changes in the E. coli as they adapt to the culture conditions in his lab. For example, some lines have lost the ability to break down ribose (a sugar),9 some have lost the ability to repair DNA,10 and some have reduced ability to form flagella (needed for movement).11 In other words, they’ve gotten lazy as they’ve adapted to life in the lab! If they were grown in a natural setting with their wild-type (normal) counterparts, they would not stand a chance in competing for resources.

In 2008, Lenski’s lab discovered another change in one of their lines of E. coli. A Nový vedec writer proclaimed, “A major innovation has unfurled right in front of researchers’ eyes. It’s the first time evolution has been caught in the act of making such a rare and complex new trait.”12 But was this change really the formation of “a rare and complex new trait”?

Normálne E. coli has the ability to utilize citrate as a carbon and energy source when oxygen levels are low. They transport citrate into the cell and break it down. Lenski’s lab discovered that one of their E. coli lines could now utilize citrate under normal oxygen levels.13 It’s easy to see that this was not “a major innovation” or the “making of a rare and complex new trait” because the normal E. coli already has the ability to transport citrate into the cell and use it! This was simply a beneficial outcome of mutations that changed under what conditions citrate was used by E. coli.14 The mutations caused the alteration of a pre-existing system, not the origin of a novel one. There is a lot of citrate in the medium that the bacteria are grown in, and since other carbon sources are not plentiful, the bacteria have merely adapted to the lab conditions.

Lenski stated, “It is clearly very difficult for E. coli to evolve this function. In fact, the mutation rate of the ancestral strain . . . is immeasurably low. . . .”15 If developing the ability to utilize citrate under different conditions by altering the pre-existing citrate system is so rare, then how much more improbable is it to believe that similar beneficial mutations can lead to the origin of novel traits necessary for dinosaurs to evolve into birds!

Nylon-Digesting Mutation in Bacteria

In the mid-1970s, bacteria (Arthrobacter sp. K172) were discovered in ponds with wastewater from a nylon factory that could digest the byproducts of nylon manufacture. Nylon is a synthetic polymer that was first produced in the 1940s, thus, the ability of bacteria to break down nylon must have been gained in the last few decades. Many evolutionists touted that the bacteria’s ability to break down nylon occurred through the gain of new genes and proteins. In a 1985 article entitled “New Proteins Without God’s Help,” the author explained testing that supposedly showed the bacteria’s ability to break down nylon was due to the formation of new proteins, not the modification of pre-existing ones.16 In conclusion he stated, “All of this demonstrates that . . . the creationists . . . and others who should know better are dead wrong about the near-zero probability of new enzyme formation. Biologically useful macromolecules are not so information-rich that they could not form spontaneously without God’s help.”17

Does this mean that biblical creationists should run screaming and stick our heads into the sand? No. In 2007, genetic analyses of Arthrobacter sp. K172 showed that no new genes or proteins had been added that resulted in the ability of the bacteria to break down nylon.18 Instead it was discovered that mutations in a pre-existing gene resulted in a protein that is capable of breaking down nylon. The protein, known as EII, normally breaks down a substance very similar to nylon. Slight alterations in what is called the “active site” of the protein (where the activity of breaking down the substance occurs) changed its specificity such that it could now also break down nylon. No changes occurred of the type necessary to go from molecules to man, just a “tweak” in a gene and protein whose normal function is to break down something very similar to nylon. Again, we see the alteration of a pre-existing gene and protein, not the origin of new ones. Information-rich molecules like DNA and protein cannot spontaneously form — they do need “God’s help.”

Barry Hall and the ebg Mutácia v E. coli

Beginning in the 1970s and continuing into the 1990s, Dr. Barry Hall, professor emeritus of the University of Rochester, New York, did extensive work in the field of what has been termed adaptive or directed mutations. According to evolutionary ideas, mutations are random changes in the DNA that may or may not be beneficial to an organism in its environment. However, research from scientists like Hall has indicated that adverse environmental conditions, like starvation, may initiate mechanisms in bacteria that result in mutations that specifically allow the bacteria to survive and grow in a given environment. These changes do not appear to be random in respect to the environment, thus the term directed or adaptive mutations.

There are two reasons why adaptive mutations are problematic for evolution. First, the mechanisms in bacteria for generating adaptive mutations are specifically responding to the environment. The changes are goal-oriented, allowing the organism to adapt and survive by alteration of pre-existing vlastnosti. A second reason is that the mechanisms resulting in adaptive mutations (which appear to be a very common type of mutation in bacteria) set limits on the genetic change possible and cannot account for the origin of novel traits.

E. coli can break down the sugar lactose to use as a food source. Hall was able to mutate a strain of E. coli such that it lost the ability to break down lactose.19 He then put the mutant E. coli in a starvation situation where lactose was the only food source. In order to survive, the E. coli either had to develop the ability to break down lactose or die. After a period of time, E. coli developed the ability to break down lactose. Ako urobil E. coli do this? Were new genes and proteins added to allow this to happen?

No. Genetic analyses showed that mutations had occurred in a group of pre-existing genes named ebg. These genes are in normal E. coli and produce proteins that very weakly break down lactose. The genes were also present in Hall’s mutant E. coli (he mutated only the primary set of genes used for lactose breakdown not the ebg gény). In response to the starvation conditions, mechanisms were initiated in the bacteria that resulted in mutations in the ebg genes that produced proteins with enhanced ability to break down lactose well enough that the mutant bacteria could survive. No new or novel traits were gained, there was merely the alteration of a pre-existing trait that allowed the bacteria to adapt and survive.

Interestingly, Hall theorized that if both the primary set of genes needed for lactose breakdown and the ebg genes were made non-functional (through mutations) that adaptive mutations would occur in iné genes resulting in E. coli once again developing the ability to break down lactose.20 However, “despite extensive efforts,” Hall was unable to get E. coli that could survive on lactose. They did not survive because adaptive mutations only make obmedzené zmeny. Ebg gény v E. coli already possess the ability to break down lactose, adaptive mutations enhanced this ability. Adaptive mutations cannot make possible the origin of lactose breakdown from genes whose functions are not as similar.

Despite the evidence, Hall concluded this aspect of his research by saying, “Obviously, given a sufficient number of substitutions, additions, and deletions, the sequence of any gene can evolve into the sequence of any other gene.”21 But Hall’s own experiments showed otherwise — a gene cannot just become a completely different gene adaptive mutations are limited. Mutations can cause changes in pre-existing traits, but observable mechanisms, such as adaptive mutation, cannot account for the origin of novel traits necessary for molecules-to-man evolution .


6’,6’-Difluoro-aristeromycin is a potent inhibitor of MERS-coronavirus replication

The severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) pandemic has highlighted the lack of treatments to combat infections with human or (potentially) zoonotic CoVs. Thus, it is critical to develop and evaluate antiviral compounds that either directly target CoV functions or modulate host functions involved in viral replication. Here, we demonstrate that low-micromolar concentrations of 6’,6’-difluoro-aristeromycin (DFA), an adenosine nucleoside analogue, strongly inhibit the replication of Middle East respiratory syndrome coronavirus (MERS-CoV) in a cell-based infection assay. DFA was designed to target S-adenosylhomocysteine (SAH) hydrolase and, consequently, may affect intracellular levels of the methyl donor S-adenosylmethionine, which is used by two CoV methyltransferases involved in the capping of the 5’ end of the viral mRNAs. Passaging of wild-type MERS-CoV in the presence of DFA selected a mutant with a

100-fold decreased DFA sensitivity. This drug-resistant population carried various amino acid substitutions in the viral nonstructural proteins (nsp), including mutations in nsp16, which has 2’-O-methyltransferase activity, and nsp13, which contains a nucleoside triphosphate hydrolase activity that has also been implicated in CoV capping. Based on our results, we hypothesize that DFA directly or indirectly affects viral cap methylation, either by inhibiting the viral enzymes involved or by binding to SAH hydrolase. We also evaluated the antiviral activity of DFA against other betacoronaviruses, but found it to have limited impact on their replication, while being quite cytotoxic to the Calu-3 cells used for this comparison. Nevertheless, our results justify the further characterization of DFA derivatives as an inhibitor of MERS-CoV replication.


New Research Reveals That Quantum Physics Causes Mutations in Our DNA

Quantum biology is an emerging field of science, established in the 1920s, which looks at whether the subatomic world of quantum mechanics plays a role in living cells. Quantum mechanics is an interdisciplinary field by nature, bringing together nuclear physicists, biochemists and molecular biologists.

In a research paper published by the journal Physical Chemistry Chemical Physics, a team from Surrey’s Leverhulme Quantum Biology Doctoral Training Centre used state-of-the-art computer simulations and quantum mechanical methods to determine the role proton tunneling, a purely quantum phenomenon, plays in spontaneous mutations inside DNA.

Proton tunneling involves the spontaneous disappearance of a proton from one location and the same proton’s re-appearance nearby.

The research team found that atoms of hydrogen, which are very light, provide the bonds that hold the two strands of the DNA’s double helix together and can, under certain conditions, behave like spread-out waves that can exist in multiple locations at once, thanks to proton tunneling. This leads to these atoms occasionally being found on the wrong strand of DNA, leading to mutations.

Although these mutations’ lifetime is short, the team from Surrey has revealed that they can still survive the DNA replication mechanism inside cells and could potentially have health consequences.

Dr. Marco Sacchi, the project lead and Royal Society University Research Fellow at the University of Surrey, said: “Many have long suspected that the quantum world – which is weird, counter-intuitive and wonderful – plays a role in life as we know it. While the idea that something can be present in two places at the same time might be absurd to many of us, this happens all the time in the quantum world, and our study confirms that quantum tunneling also happens in DNA at room temperature.”

Louie Slocombe, a PhD student at the Leverhulme Quantum Biology Doctoral Training Centre and co-author of the study, said: “There is still a long and exciting road ahead of us to understand how biological processes work on the subatomic level, but our study – and countless others over the recent years – have confirmed quantum mechanics are at play. In the future, we are hoping to investigate how tautomers produced by quantum tunneling can propagate and generate genetic mutations.”

Jim Al-Khalili, a co-author of the study and Co-Director of the Leverhulme Quantum Biology Doctoral Training Centre at the University of Surrey, said: “It has been thrilling to work with this group of young, diverse and talented thinkers – made up of a broad coalition of the scientific world. This work cements quantum biology as the most exciting field of scientific research in the 21st century.”

Reference: ” Quantum and classical effects in DNA point mutations: Watson–Crick tautomerism in AT and GC base pairs” by L. Slocombe, J. S. Al-Khalilib and M. Sacchi, 29 January 2021, Physical Chemistry Chemical Physics.
DOI: 10.1039/D0CP05781A


Leukemias, Lymphomas, and Other Related Disorders

75.6.6.6 IDH

Cytosolic and mitochondrial isocitrate dehydrogenases IDH1 a IDH2 catalyze oxidative decarboxylation of isocitrate and are involved in cellular defense of oxidative damage (159). Mutácie v IDH1 a IDH2 oncogenes have recently been reported in 5–15% of MDS and AML (160) . IDH1 mutations are common in AML with mutated NPM1 bez FLT3 mutations (see below), whereas IDH2 mutations occur frequently in older patients and are associated with distinctive gene and microRNA expression profiles (159,160). The mutations result in DNA hypermethylation and alteration of gene expression, and are associated with a poor prognosis (161) .


Case Study: CF Mutations

This case study is a follow-up to the Cystic Fibrosis Case Study where students explore how changes in transport proteins affects the movement of ions, resulting in a build-up of chloride ions and the symptoms of the disease.

Students were introduced to the idea that different mutations can cause differences in the transport proteins, but in the first version, the origin of these mutations was not discussed.

Eventually, students get to the chapter on DNA, RNA, and protein synthesis, so it’s a good time to circle back to the CF case and explore how mutations in DNA can affect the protein made by the ribosomes. Students should already have some background in the central dogma, but a review may be in order to remind students how to transcribe DNA to RNA and then use a codon chart to determine the sequence of amino acids. This practice worksheet on using codon charts is something they may have done in freshman biology.

This case explore frameshift mutations, missense mutations, and nonsense mutations. Students are given a section of DNA to transcribe and compare it to mutant DNA. Students should see that changes in DNA can result in changes in the synthesized protein, though some changes are more profound than others. The link below is a Google Doc designed for remote learning but will work for in-class lessons. An original in-class version is also available, where it doesn’t have the colored text boxes.



Komentáre:

  1. Dakarai

    Podľa môjho názoru to už niekto povedal, ale nemôžem zdieľať odkaz.

  2. Badal

    Offset!

  3. Cormack

    Rozmýšľali ste niekedy nad tým, že by ste si paralelne založili ďalší blog na príbuznú tému? Si v tom dobrý

  4. Agrican

    Potvrdzujem. Všetky vyššie uvedené sú pravdivé.

  5. Patrick

    Congratulations, a beautiful message

  6. Guthrie

    Mýlia sa. Som schopný to dokázať.



Napíšte správu