معلومة

1.4: الأسس الجينية والتطورية والتطورية - علم الأحياء

1.4: الأسس الجينية والتطورية والتطورية - علم الأحياء


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

1.4 الأسس الوراثية والتخلقية والتطورية

نشأ تطور الكائنات البيولوجية المعقدة على كوكبنا من خلال الآلية التطورية لـ الانتقاء الطبيعي. اقترح عالم الطبيعة البريطاني تشارلز داروين نظرية التطور البيولوجي عن طريق الانتقاء الطبيعي في كتابه ، "أصل الأنواع" التي تم نشرها في عام 1859. عرف داروين تطور على أنها "نزول مع تعديل" ، فكرة أن الأنواع تتغير بمرور الوقت ، وتؤدي إلى ظهور أنواع جديدة ، وتشترك في سلف مشترك. الآلية التي اقترحها داروين للتطور هي الانتقاء الطبيعي. وبالتالي ، فإن الانتقاء الطبيعي يتسبب في تكوين مجموعات سكانية تكيف, أو أكثر ملاءمة لبيئاتهم بمرور الوقت. يعتمد الانتقاء الطبيعي على البيئة ويتطلب تباينًا وراثيًا موجودًا في مجموعة.

يعمل الانتقاء الطبيعي على الكائن الحي النمط الظاهري، أو الخصائص الفيزيائية. النمط الظاهري يتم تحديده من خلال التركيب الجيني للكائن الحي (الطراز العرقى) والبيئة التي يعيش فيها الكائن الحي. عندما تمتلك كائنات مختلفة في مجتمع ما نسخًا مختلفة من الجين لسمة معينة ، يُعرف كل من هذه الإصدارات باسم أليل. هذا الاختلاف الجيني هو في الأساس الذي يكمن وراء الاختلافات في النمط الظاهري. تخضع بعض السمات لجين واحد فقط ، لكن معظم السمات تتأثر بتفاعلات العديد من الجينات. قد يكون للاختلاف في أحد الجينات العديدة التي تساهم في سمة ما تأثير ضئيل فقط على النمط الظاهري ؛ معًا ، يمكن لهذه الجينات إنتاج سلسلة متصلة من القيم المظهرية المحتملة.

على سبيل المثال ، تحدد التفاعلات بين مختلف جينات لون معطف الفروسية لون معطف الحصان. العديد من الألوان ممكنة ، لكن جميع الاختلافات تنتج عن تغييرات في جينات قليلة فقط. تمديد و agouti هي جينات معروفة بشكل خاص ولها تأثيرات دراماتيكية. على سبيل المثال ، الاختلافات في الجين agouti يمكن أن تساعد في تحديد ما إذا كان الحصان لونه أسود أو خليج ، وتغيير في تمديد الجين يمكن بدورها جعل كستناء الحصان ملونًا بدلاً من ذلك (الشكل 1.30). ومع ذلك ، فإن المتغيرات الجينية الأخرى مسؤولة عن عدد لا يحصى من الاحتمالات الأخرى للون المعطف ، بما في ذلك خيول palomino و buckskin و cremello.

الشكل 1.30 الاختلافات في النمط الجيني كمحددات للون معطف الحصان. تمتلك الخيول القادرة على إنتاج الصبغة السوداء ، eumelanin ، نسخة واحدة على الأقل من الصباغ المهيمن تمديد الجين (E / E أو E / e). ومن المثير للاهتمام أن أالنقرس الجين يتحكم في تقييد الصبغة السوداء الحقيقية (يوميلانين) في الغلاف. الخيول معبرة عن تمديد الجين المهيمن ، و متنحية في موضع الجين agouti (a / a) باللون الأسود ، كما هو موضح في (أ). في حين أن الخيول هي المهيمنة التمديد (E / E أو E / a) ولكنها أيضًا مهيمنة على التركيب الجيني agouti (أ / أ أو أ / أ)، لن يكون أسود بالكامل. اعتمادًا على مواقع الجينات الأخرى ، سيعرضون بدلاً من ذلك أنماط تلوين مثل الخليج ، كما هو موضح في (ب). صورة (أ) مقدمة من: الصدفة الصورة (ب) مقدمة من: CMSporthorses


وهكذا ، فإن الآلية الجزيئية الأولية التي تقود الانتقاء الطبيعي يتم التحكم فيها من خلال قابلية التوريث والتحول للصفات الجينية الموجودة في الجزيء الكبير ، حمض الديوكسي ريبونوكلييك (DNA). في الفصل 4 ، ستتعرف على الخصائص الهيكلية للحمض النووي ، بينما يركز الفصل 9 على الآليات الكيميائية الحيوية المرتبطة بتكرار الحمض النووي وأيضًا تفاصيل أهمية عملية إصلاح الحمض النووي والآليات الجزيئية للتطور على المستوى الجيني.

والجدير بالذكر أن الصفات المظهرية التي يحددها التركيب الجيني للكائن الحي لا تتحكم فيها بشكل مباشر المادة الجينية ، الحمض النووي ، ولكن بواسطة البروتينات التي يتم إنتاجها من المعلومات الموجودة داخل الجين. في عام 1945 ، عالم الوراثة جورج بيدل اقترح فرضية إنزيم الجين الأول التي تشير إلى أن الجينات شديدة التحديد عندما تقوم بتشفير تسلسل البروتين. ومع ذلك ، سيستغرق الأمر 16 عامًا أخرى قبل استنتاج الطبيعة البيوكيميائية لهذه العملية. بدأت الجهود لفهم كيفية تشفير البروتينات بعد اكتشاف بنية الحمض النووي في عام 1953. جورج جامو افترض أنه يجب استخدام مجموعات من ثلاث قواعد لتشفير 20 من الأحماض الأمينية القياسية التي تستخدمها الخلايا الحية لبناء البروتينات ، مما يسمح بحد أقصى 43 = 64 حمض أميني.

ال تجربة كريك وبرينر وبارنيت وواتس توبين أظهر أولاً أن الكودونات تتكون من ثلاث قواعد DNA (الشكل 1.31). مارشال نيرنبرغ و هاينريش ج كانت أول من كشف عن طبيعة الكودون في عام 1961.

الشكل 1.31 الكودونات تتكون من مجموعات من ثلاث قواعد. سلسلة من الكودونات في جزء من جزيء الرنا المرسال (mRNA). يتكون كل كودون من ثلاثة نيوكليوتيدات ، تتوافق عادةً مع حمض أميني واحد. يتم اختصار النيوكليوتيدات بالأحرف A ، U ، G ، C. هذا هو mRNA الذي يستخدم U (uracil). يستخدم الحمض النووي T (الثايمين) بدلاً من ذلك. سيوجه جزيء mRNA هذا الريبوسوم لتخليق بروتين وفقًا لهذا الكود.

الصورة بواسطة سفيردروب

استخدموا نظامًا خالٍ من الخلايا لترجمة تسلسل الحمض النووي الريبي متعدد اليوراسيل (أي UUUUU ...) واكتشفوا أن البولي ببتيد الذي صنعوه يتكون من الحمض الأميني فينيل ألانين فقط. وبالتالي استنتجوا أن الكودون UUU حدد الحمض الأميني فينيل ألانين.

تبع ذلك تجارب في سيفيرو أوتشواأظهر المختبر أن تسلسل الحمض النووي الريبي متعدد الأدينين (AAAAA ...) مشفر لـ polypeptide poly-lysine وأن تسلسل الحمض النووي الريبي متعدد السيتوزين (CCCCC ...) مشفر للبولي ببتيد متعدد البرولين. لذلك ، حدد الكودون AAA الحمض الأميني ليسين ، وحدد كودون CCC برولين الأحماض الأمينية. باستخدام البوليمرات المختلفة ، تم تحديد معظم الكودونات المتبقية.

العمل اللاحق هار جوبيند خورانا حددت بقية الشفرة الجينية. بعد ذلك بوقت قصير، روبرت دبليو هولي حددت بنية نقل الحمض النووي الريبي (الحمض النووي الريبي) ، جزيء المحول الذي يسهل عملية ترجمة الحمض النووي الريبي إلى بروتين. استند هذا العمل إلى دراسات Ochoa السابقة ، مما منح الأخير جائزة نوبل في علم وظائف الأعضاء أو الطب في عام 1959 للعمل على إنزيمات تخليق الحمض النووي الريبي.

تمديد هذا العمل ، Nirenberg و فيليب ليدر كشف الطبيعة الثلاثية للشفرة وفك رموز أكواده (الشكل 1.32). في هذه التجارب ، تم تمرير توليفات مختلفة من الرنا المرسال عبر مرشح يحتوي على الريبوسومات ، وهي مكونات الخلايا التي تحول الحمض النووي الريبي إلى بروتين. عززت ثلاثة توائم فريدة من ارتباط جزيئات الحمض الريبي النووي الريبوزي المحددة بالريبوسوم. تمكن ليدر ونيرنبرغ من تحديد تسلسل 54 من أصل 64 كودون في تجاربهم. حصل خورانا وهولي ونيرنبرغ على جائزة نوبل عام 1968 عن عملهم.

تم تسمية رموز التوقف الثلاثة من قبل المكتشفين ريتشارد إبستين وتشارلز شتاينبرغ. تمت تسمية "Amber" على اسم صديقهم Harris Bernstein ، والذي يعني اسمه الأخير "amber" باللغة الألمانية. تم تسمية الكودونين الآخرين بالإيقاف "ocher" و "opal" من أجل الحفاظ على سمة "أسماء الألوان".

الشكل 1.32 الكود الجيني. تم تحرير الصورة بواسطة سيث ميلر ، الملف الأصلي من تصميم وإنتاج: Kosi Gramatikoff بإذن من Abgent


كل جين يحتوي على إطار قراءة يتم تعريفه من خلال الثلاثية الأولية من النيوكليوتيدات التي تبدأ الترجمة منها. يحدد الإطار لمجموعة من الكودونات المتتالية غير المتداخلة ، والتي تُعرف باسم إطار قراءة مفتوح (ORF). على سبيل المثال ، السلسلة 5′-AAATGAACG-3 ، إذا تمت قراءتها من الموضع الأول ، تحتوي على الكودونات AAA و TGA و ACG ؛ إذا تمت قراءته من الموضع الثاني ، فإنه يحتوي على الكودونات AAT و GAA ؛ وإذا تمت قراءته من المركز الثالث ، فإنه يحتوي على الكودونات ATG و AAC. وبالتالي ، يمكن قراءة كل تسلسل في اتجاهه 5 → 3 في ثلاثة إطارات قراءة ، كل منها ينتج سلسلة مميزة من الأحماض الأمينية: في المثال المعطى ، Lys (K) -Trp (W) -Thr (T) ، Asn (N) -Glu (E) ، أو Met (M) -Asn (N) ، على التوالي. عندما يكون الحمض النووي مزدوج الشريطة ، يتم تحديد ستة إطارات قراءة ممكنة ، ثلاثة في الاتجاه الأمامي على خيط واحد وثلاثة في الاتجاه المعاكس. يتم تحديد إطارات تشفير البروتين بواسطة كودون البداية ، وعادةً ما يكون أول كودون AUG (ATG) في تسلسل الحمض النووي الريبي (DNA).

لإنهاء عملية الترجمة ، هناك ثلاثة أكواد توقف لها أسماء: UAG is العنبر، UGA هو أوبال (تسمى أحيانًا بني مصفر) ، و UAA هو أكسيد الرصاص. تسمى أكواد الإيقاف أيضًا أكواد "إنهاء" أو "هراء". يشيرون إلى إطلاق عديد الببتيد الناشئ من الريبوسوم.

أثناء عملية تكرار الحمض النووي ، تحدث أخطاء من حين لآخر في بلمرة الشريط الثاني. يمكن أن تؤثر هذه الأخطاء ، الطفرات ، على النمط الظاهري للكائن الحي ، خاصة إذا حدثت داخل تسلسل ترميز البروتين للجين. عادةً ما تكون معدلات الخطأ خطأً واحدًا في كل 10-100 مليون قاعدة - بسبب قدرة "تصحيح التجارب المطبعية" لبوليميراز الحمض النووي.

الطفرات المغلوطة و طفرات هراءهي أمثلة على الطفرات النقطية التي يمكن أن تسبب أمراضًا وراثية مثل مرض فقر الدم المنجلي والثلاسيميا على التوالي. مهم سريريا الطفرات المغلوطةيغير بشكل عام خصائص بقايا الأحماض الأمينية المشفرة بين الحالات الأساسية أو الحمضية أو القطبية أو غير القطبية ، في حين طفرات هراء يؤدي إلى إيقاف كودون.

تُعرف الطفرات التي تعطل تسلسل إطار القراءة عن طريق indels (عمليات الإدراج أو الحذف) غير المضاعفة لثلاث قواعد نيوكليوتيدية باسم طفرات الإطارات. عادة ما تؤدي هذه الطفرات إلى ترجمة مختلفة تمامًا عن الترجمة الأصلية ، ومن المحتمل أن تتسبب في قراءة كودون توقف ، مما يؤدي إلى اقتطاع البروتين. قد تؤدي هذه الطفرات إلى إضعاف وظيفة البروتين ، وبالتالي فهي نادرة الحدوث في الجسم الحي تسلسل ترميز البروتين. أحد أسباب ندرة وراثة طفرات انزياح الإطارات هو أنه إذا كان البروتين الذي يتم ترجمته ضروريًا للنمو تحت الضغوط الانتقائية التي يواجهها الكائن الحي ، فقد يتسبب غياب البروتين الوظيفي في الموت قبل أن يصبح الكائن الحي قابلاً للحياة. قد تؤدي الطفرات في فرامشفت إلى أمراض وراثية شديدة مثل مرض تاي ساكس.

على الرغم من أن معظم الطفرات التي تغير تسلسل البروتين ضارة أو محايدة ، فإن بعض الطفرات لها فوائد. قد تمكن هذه الطفرات الكائن الحي المتحور من تحمل ضغوط بيئية معينة بشكل أفضل من الكائنات الحية من النوع البري ، أو التكاثر بسرعة أكبر. في هذه الحالات ، تميل الطفرة إلى أن تصبح أكثر شيوعًا بين السكان من خلال الانتقاء الطبيعي. تُعرف اختلافات التسلسل المختلفة لنفس الجين أو البروتين داخل كائن حي واحد أو داخل مجموعة سكانية أو بين أنواع مختلفة باسم تسلسل تعدد الأشكال. يمكن أن تؤدي أحداث ازدواج الجينات على نطاق واسع أيضًا إلى أحداث تطورية.

تتم دراسة تطور البروتينات من خلال مقارنة تسلسلات وهياكل البروتينات من العديد من الكائنات الحية التي تمثل تشعبات تطورية متميزة. إذا كانت متواليات / هياكل اثنين من البروتينات متشابهة مما يشير إلى أن البروتينات تباعدت من أصل مشترك ، فإن هذه البروتينات تسمى بروتينات متماثلة. وبشكل أكثر تحديدًا ، تسمى البروتينات المتجانسة الموجودة في نوعين مختلفين باسم تقويم العظام. في حين يتم استدعاء البروتينات المتماثلة المشفرة بواسطة جينوم نوع واحد Paralogs. تسمى الجينات غير ذات الصلة التي لها أصول تطورية منفصلة ، ولكن كل منها يشفر البروتينات التي لها وظائف مماثلة النظير (الشكل 1.33).

الشكل 1.33 التطور الجيني لتسلسل البروتين. (اللوحة العلوية) يتضاعف الجين السلفي لينتج نظيرتين (جين A و B). ينتج حدث الانتواع أطباء تقويم في النوعين الابنتين. في الأنواع المنفصلة ، يكون للجين غير المرتبط وظيفة مماثلة (الجين C) ولكن له أصل تطوري منفصل وكذلك هو التناظرية. (اللوحة السفلية) تم استرداد نماذج البروتين ثلاثية الأبعاد أو نمذجتها باستخدام SWISS-MODEL: Human Histone H1.1 (Q02539) و Human Histone H1.2 (P16403) و E. coli HNS (P0ACF8). هيستون H1.1 من الشمبانزي (الكهوف عموم تم تصميم XP_016810512.1) باستخدام Human Histone H1.1 كقالب. نلاحظ أن بكتريا قولونية عادة ما يتم تصميم بروتين HNS على شكل ثنائي. يظهر هنا مونومر واحد فقط.

الصورة العلوية بواسطة توماس شافي


لقد تحسنت تقنيات تسلسل الحمض النووي بسرعة على مدى 15 إلى 20 عامًا الماضية مما يجعل من الممكن تسلسل الجينوم الكامل للكائنات الحية وبالتالي التنبؤ بالبروتين الكامل للكائن الحي ، بناءً على ترجمة الجينوم المتسلسل متبوعًا بالتعليق التوضيحي لـ ORFs المتوقعة باستخدام مقارنة النشوء والتطور للجينات / البروتينات المماثلة من الكائنات الحية الأخرى المعروفة. وقد أدى هذا إلى ظهور مجال المعلوماتية الحيوية التي تستخدم علوم الكمبيوتر والرياضيات والتحليل الإحصائي لتحليل الكميات الكبيرة من البيانات البيولوجية التي تم إنشاؤها في مشاريع تسلسل الجينوم. يمكن إنشاء العلاقات الجينية ، وبالتالي علاقات الأجداد ، لمختلف الجينات والبروتينات والكائنات الحية من خلال التحليل الإحصائي لمحاذاة التسلسل. لقد أثبتت مثل هذه الأشجار التطورية أن التشابه في التسلسل بين البروتينات يعكس عن كثب العلاقات التطورية بين الكائنات الحية.

يصف تطور البروتين التغيرات بمرور الوقت في شكل البروتين ووظيفته وتكوينه. من خلال التحليل الكمي والتجريب ، سعى العلماء جاهدين لفهم معدل وأسباب تطور البروتين. باستخدام تسلسل الأحماض الأمينية للهيموجلوبين والسيتوكروم ج من أنواع متعددة ، تمكن العلماء من استنباط تقديرات لمعدلات تطور البروتين. ما وجدوه هو أن المعدلات لم تكن متماثلة بين البروتينات. كل بروتين له معدله الخاص ، وهذا المعدل ثابت عبر السلالات (أي أن الهيموغلوبين لا يتطور بنفس معدل السيتوكروم ج ، لكن الهيموجلوبين من البشر والفئران وما إلى ذلك لديهم معدلات تطور مماثلة). لا تتحور جميع المناطق داخل البروتين بنفس المعدل ؛ تتحور المناطق المهمة وظيفيًا بشكل أبطأ وتحدث بدائل الأحماض الأمينية التي تتضمن أحماض أمينية مماثلة أكثر من البدائل غير المتشابهة. بشكل عام ، يبدو أن مستوى تعدد الأشكال في البروتينات ثابت إلى حد ما. تمتلك العديد من الأنواع (بما في ذلك البشر وذباب الفاكهة والفئران) مستويات مماثلة من تعدد أشكال البروتين.

يمكن أن تؤدي أحداث الازدواج الجيني التي تليها الطفرة أيضًا إلى ظهور نظائر ذات وظائف فريدة ومختلفة داخل الكائن الحي. يمكن أن يجعل هذا التعليق التوضيحي للجينومات استنادًا إلى التسلسل وحده مهمة صعبة ، حيث قد لا يكون لتسلسل البروتين المتماثل وظائف مماثلة في الجسم الحي. تشير التقديرات إلى أن ما يقرب من 10-25٪ من التعليقات التوضيحية التي تم إجراؤها على التماثل المتسلسل غير صحيحة وتتطلب التحقق التجريبي من الصحة. على سبيل المثال ، فإن ريبونوكلياز البنكرياس البشري هو إنزيم هضمي يستخدم لتفكيك الأحماض النووية. بروتين الأنجيوجينين هو نظير من نظير الريبونوكلياز البنكرياس ويشترك في التماثل العالي التسلسل والشكل ثلاثي الأبعاد (الشكل 1.34). ومع ذلك ، فإن وظائف هذه البروتينات مختلفة تمامًا. يحرض أنجيوجينين الأوعية الدموية عن طريق تنشيط عمليات النسخ في الخلايا البطانية. ومع ذلك ، إذا كانت وظيفة واحد فقط من هذه المتماثلات معروفة ، فسيكون من السهل الافتراض عن طريق الخطأ أن البروتين المتماثل سيكون متشابهًا في الوظيفة. وبالتالي ، يجب توخي الحذر عند استخدام أدوات المعلومات الحيوية لعدم المبالغة في تقدير القدرة التنبؤية لمحاذاة التسلسل.

الشكل 1.34 لا تحتوي البروتينات المتماثلة دائمًا على وظائف متماثلة. في المثال أعلاه ، يعتبر الإنزيم الهضمي ، الريبونوكلياز البنكرياس ، نظيرًا لبروتين الأنجيوجينين ويشترك في أصل سلفي. ومع ذلك ، فإن وظائف كل من هذه البروتينات متباينة تمامًا وقد تطورت بحيث لا تشترك في الوظيفة المتجانسة. تم استرداد نماذج البروتين ثلاثية الأبعاد باستخدام SWISS-MODEL: ريبونوكلياز البنكرياس البشري (P07998) والأنجيوجينين البشري (P03950)


يعد التحكم في التعبير الجيني أمرًا بالغ الأهمية في جميع عمليات الحياة ، مما يسمح بتمايز الخلايا لتشكيل هياكل وأعضاء مختلفة للجسم ، بالإضافة إلى تغييرات أصغر قابلة للعكس تسمح للكائن الحي بالاستجابة للمواقف والمحفزات البيئية المختلفة. في الفصل 12 ، سوف تستكشف الآليات الكيميائية الحيوية الرئيسية المستخدمة للتحكم في التعبير الجيني داخل الخلايا. وسيشمل هذا مناقشة مجال دراسة جديد ومثير إلى حد ما يعرف باسم علم التخلق. بالإضافة إلى توريث السمات من خلال مرور المعلومات الجينية ، يتضح سريعًا أن العوامل البيئية التي يتعرض لها الكائن الحي طوال حياته يمكن أن تؤثر على التعبير الجيني دون تغيير ماديًا في تسلسل الحمض النووي ، وأن هذه التغييرات في أنماط التعبير يمكن أن تكون طويلة الأمد ويمكن حتى أن تكون موروثة في الأجيال التالية. المصطلح علم التخلقتعني حرفيًا "فوق" أو "بالإضافة إلى" علم الوراثة ويركز على أنماط التعبير الجيني القابلة للتوريث التي تحدث نتيجة التعرض أو تجربة كائن حي داخل بيئته.

على سبيل المثال ، في المجتمعات البشرية ، يمكن أن يكون للأحداث المجهدة مثل الجوع آثار دائمة على الأطفال الذين يولدون في ظل هذه الظروف. هؤلاء الأطفال لديهم مخاطر أعلى للإصابة بالسمنة واضطرابات التمثيل الغذائي مثل البالغين ، بما في ذلك الإصابة بمرض السكري من النوع الثاني. في الواقع ، يمكن نقل هذه الاستعدادات ليس فقط إلى الأطفال الذين ولدوا أثناء الجوع ، ولكن أيضًا إلى أطفالهم في المستقبل مما يشير إلى أن الأحداث البيئية يمكن أن تؤثر على أنماط التعبير الجيني عبر أجيال متعددة. في تجارب معملية أكثر تحكمًا باستخدام الفئران ، تم إثبات أنه كلما قامت الجرذ الأم بلعق نسلها وتغذيتها ، كلما كان النسل أكثر هدوءًا واسترخاءًا. الفئران الأم التي تكون أقل رعاية وتتجاهل صغارها ، لديها ذرية تكبر وتظهر مستويات أعلى من القلق. لا تحدث هذه التغييرات بسبب الاختلافات الجينية بين النسل ، بل بسبب الاختلافات في أنماط التعبير الجيني.في الواقع ، يمكن تغيير الفئران الهادئة والمريحة لإظهار القلق الشديد من خلال تعريضها لعوامل تغير أنماط التعبير الجيني. سيتم تناول آليات التحكم في مثل هذه التغييرات القابلة للتوريث في أنماط التعبير الجيني في الفصل xx.

تكرار

يجب تكرار الحمض النووي في عملية تسمى النسخ المتماثل قبل انقسام الخلية. يسمح تكرار الحمض النووي لكل خلية ابنة أن تحتوي على مجموعة كاملة من الكروموسومات.

الرسوم المتحركة للنسخ المتماثل

النسخ

بالنسبة لجين معين ، فإن خيطًا واحدًا فقط من الحمض النووي يعمل كقالب للنسخ. ويرد أدناه مثال على ذلك. الشريط السفلي (الأزرق) في هذا المثال هو حبلا القالب ، والذي يُطلق عليه أيضًا علامة الطرح (-) ، أو خصلة الإحساس. هذا الخيط هو الذي يعمل كقالب لتركيب الرنا المرسال. يقوم إنزيم بوليميراز الحمض النووي الريبي بتجميع الرنا المرسال في اتجاه 5 إلى 3 مكمل لخيط القالب هذا. يُطلق على خيط الحمض النووي المعاكس (الأحمر) اسم خيط الترميز ، أو الخيط غير القوالب ، أو الخيط الموجب (+) ، أو الخيط المضاد.

أسهل طريقة للعثور على تسلسل mRNA المقابل (كما هو موضح باللون الأخضر أدناه) هي قراءة الترميز ، أو غير قالب ، أو علامة الجمع (+) ، أو الخيط المضاد مباشرة في الاتجاه 5 'إلى 3' لاستبدال U لـ T.

5 'T G A C C T C G A A C G G G A T G A A A G G 3'3' A C T G G A A G C T G C C C T A C T T C 5 '
5 'U G A C C U C G A C G G G A U G G A A G G 3'

نظرًا لأننا تعلمنا المزيد عن بنية الحمض النووي ، والحمض النووي الريبي ، والبروتينات ، فقد أصبح من الواضح أن النسخ والترجمة يختلفان في حقيقيات النوى وبدائيات النوى. على وجه التحديد ، تحتوي حقيقيات النوى على تسلسلات متداخلة من الحمض النووي (الإنترونات) داخل جين معين يفصل أجزاء ترميز الحمض النووي (إكسونات). يتم عمل نسخة أولية من الحمض النووي ، ويتم تقطيع الإنترونات وربط الإكسونات في امتداد متجاور لتشكيل الحمض النووي الريبي الرسول الذي يترك النواة. تحدث الترجمة في السيتوبلازم. تذكر أن بدائيات النوى لا تحتوي على نواة.

الرسوم المتحركة للنسخ

الرسوم المتحركة للربط مرنا

ترجمة

إذا تم فك تشفير المعلومات في تسلسل mRNA لتشكيل بروتين. في هذه العملية ، تحتوي مجموعة ثلاثية من النيوكليوتيدات (كودون) في الحمض النووي الريبي على معلومات حمض أميني واحد. تحدث الترجمة على مركب كبير من بروتين الحمض النووي الريبي يسمى الريبوسوم. يصبح جزيء RNA (tRNA) للنقل الوسيط مرتبطًا تساهميًا بحمض أميني واحد بواسطة إنزيم tRNA-acyl synthetase. يرتبط هذا الحمض الريبي النووي النقال "المشحون" من خلال منطقة مضادة مكملة للكودون الثلاثي في ​​الحمض الريبي النووي النقال. يقوم مركب الريبوسوم / الحمض الريبي النووي النقال بتدوير الرنا المرسال مما يسمح لمركب الحمض الريبي النووي النقال "المشحون" الجديد بالارتباط في موقع مجاور. يشكل الحمضان الأمينيان المجاوران رابطة ببتيدية في عملية يقودها انقسام ATP. تتكرر هذه العملية حتى يظهر كودون "إيقاف" في تسلسل الرنا المرسال. يوضح الكود الجيني العلاقة بين كودون الرنا المرسال الثلاثي والحمض الأميني الذي يقابله في سلسلة الببتيد المتنامية.

الشكل: Codon: تفاعلات Anticodon بين mRNA و tRNA


الشكل: الاختلافات العقيدة المركزية في حقيقيات النوى وبدائيات النوى

الرسوم المتحركة للترجمة

كما هو مذكور في فصل البروتين (قسم الأحماض الأمينية) يظهر نوعان من الأحماض الأمينية الأخرى أحيانًا في البروتينات (باستثناء الأحماض الأمينية التي تم تغييرها من خلال تعديل ما بعد الترجمة. أحدهما هو سيلينوسيستين ، والذي يوجد في Arachea و eubacteria والحيوانات. والآخر هو فقط تم العثور عليه مؤخرًا هو pyrrolysine ، الموجود في Arachea. هذه الأحماض الأمينية الجديدة مشتقة من تعديل Ser-tRNA وربما Lys-tRNA بعد شحن الحمض الأميني tRNA بالحمض الأميني الطبيعي ، لإنتاج selenocys-tRNA و pyrrolys-tRNA ، على التوالي. يتعرف -tRNA على كودون mRNA وهو عادةً كودون توقف ، بينما يتعرف selenocys-tRNA على UGA ، وهو أيضًا توقف للتغاضي. من الواضح أن جزءًا صغيرًا فقط من أكواد الإيقاف في تسلسل الرنا المرسال يمكن التعرف عليه بواسطة مجمع الرنا المرسال المعتاد. ما الذي يحدد هذا التعرف غير واضح.

ما هو الجين؟

يمكن أن يختلف تعريف الجين اعتمادًا على من تسأل. أصبح الجين العالمي حرفياً رمزًا ثقافيًا في يومنا هذا. هل يمكن لجيناتنا أن تشرح ما معنى أن تكون إنسانًا؟ لقد تغير تعريف الجين بمرور الوقت.

الشكل: عرض للجينات ومنتجاتها: من البساطة إلى التعقيد

تحتوي جينات حقيقيات النوى على exons (مناطق ترميز) وإنترونات (تسلسلات متداخلة) يتم نسخها لإنتاج نسخة أولية. في عملية ما بعد النسخ ، يتم تقطيع الإنترونات عن طريق الانقسام ، لإنتاج مرسال RNA ، mRNA ، والذي يُترجم إلى تسلسل بروتين. (انظر الرسم البياني أعلاه).

على مدى المائة عام الماضية ، مع زيادة فهمنا للكيمياء الحيوية ، تطور تعريف الجين من

  • أساس الصفات الموروثة
  • مناطق معينة من الكروموسومات
  • جزء من الكروموسوم ينتج إنزيمًا واحدًا
  • قطعة من الكروموسوم تنتج بروتينًا واحدًا
  • جزء من الكروموسوم ينتج منتجًا وظيفيًا

كان التعريف الأخير ضروريًا لأن بعض المنتجات الجينية التي لها وظيفة (هيكلية وحفازة) هي جزيئات RNA. يشمل التعريف الأخير أيضًا المناطق التنظيمية للكروموسوم المتورط في التحكم في النسخ. طور سنايدر وجيرستين خمسة معايير يمكن استخدامها في تحديد الجينات وهو أمر مهم حيث يتم تحليل الجينومات الكاملة للكائنات بحثًا عن الجينات.

  1. تحديد إطار القراءة المفتوح (ORF) - سيشمل ذلك سلسلة من الكودونات المقيدة برموز البدء والإيقاف. يصبح هذا الأمر أكثر صعوبة بشكل تدريجي إذا كان الجين يحتوي على عدد كبير من exons مضمنة في الإنترونات الطويلة.
  2. ميزات الحمض النووي المحددة داخل الجينات - قد تتضمن تحيزًا تجاه بعض الكودونات الموجودة في الجينات أو مواقع لصق (لإزالة intron RNA)
  3. مقارنة التسلسلات الجينية المفترضة للتماثل مع الجينات المعروفة من كائنات مختلفة ، مع تجنب التسلسلات التي قد تكون مناطق تنظيمية محفوظة.
  4. تحديد نصوص الحمض النووي الريبي أو البروتين المعبر عنه (والذي لا يتطلب تحليل تسلسل الحمض النووي كما تفعل الخطوات الثلاث الأولى) -
  5. تعطيل (كيميائيا أو من خلال طفرات محددة) منتج جيني (RNA أو بروتين).

تجعل النتائج الجديدة الأمر أكثر تعقيدًا لتحديد الجين ، خاصة إذا تمت دراسة نسخ "منطقة الجين". درس Cheng et al جميع النسخ من 10 كروموسومات بشرية مختلفة و 8 خطوط خلوية مختلفة. وجدوا عددًا كبيرًا من النصوص المختلفة ، والتي تداخل الكثير منها. يحدث التضفير غالبًا بين إنترونات غير متجاورة. تم العثور على النصوص من كلا الجدولين وكانت من مناطق تحتوي على إنترونات وإكسونات. وجدت دراسات أخرى أن ما يصل إلى 5٪ من النسخ استمرت حتى نهاية "الجين" في الجينات الأخرى. يتم نسخ 63٪ من جينوم الفأر بأكمله ، والذي يتكون من 2٪ فقط من exons.

C1. لغة الحمض النووي

أنامقدمة

في هذا الفصل القصير سوف تتعلم كيف يتعامل علماء الأحياء الجزيئية الحديثون مع الحمض النووي ، وهو المخطط الأساسي لجميع أشكال الحياة. الأبجدية المكونة من أربعة أحرف (A و G و C و T) التي تشكل الحمض النووي تمثل لغة تؤدي عند نسخها وترجمتها إلى عدد لا يحصى من البروتينات التي تجعلنا ما نحن عليه كأجناس وأفراد. دعنا نواصل الاستعارة القائلة بأن الحمض النووي هو لغة. لإتقان تلك اللغة ، كما هو الحال مع أي لغة أخرى ، نحتاج إلى أن نكون قادرين على قراءة تلك اللغة وكتابتها ونسخها وتحريرها. إذا كنت تستخدم معالج كلمات للعثور على سطر واحد في مستند مائة صفحة ، أو مقال واحد من كتاب واحد خارج مكتبة الكونغرس ، فستحتاج أيضًا إلى طريقة للبحث في قاعدة الطباعة الكبيرة المتاحة. قد ترغب في مقارنة نسختين مختلفتين من الملفات لمعرفة ما إذا كانتا تختلفان عن بعضهما البعض. من المعمل وهذه المناقشة ومجموعة المشكلات عبر الإنترنت ، ستتعلم كيف يقرأ العلماء الحديثون لغة الجينوم ويكتبونها وينسخونها ويعدلونها ويبحثونها ويقارنونها. لقد أحدثت هذه القدرات ، المكتسبة على مدار العشرين عامًا الماضية ، ثورة في فهمنا للحياة ومنحتنا القدرة على تغيير الحياة نفسها ، من أجل الخير أو الشر.

يوجد الحمض النووي في الكروموسومات البشرية كجزيء طويل مزدوج تقطعت به السبل. إنها فترة طويلة جدًا للدراسة الجسدية والتلاعب في المختبر. باستخدام بطارية من الإنزيمات ، يمكن تشقق الحمض النووي للكروموسومات كيميائيًا إلى أجزاء أصغر يسهل التلاعب بها. (تُستخدم تقنيات مماثلة لتسلسل البروتينات ، والتي تتطلب صنع شظايا متعددة الببتيد متداخلة.) بعد صنع الأجزاء ، يجب فصلها عن بعضها البعض من أجل دراستها. يمكن فصل شظايا الحمض النووي على أساس بعض السمات الهيكلية التي تميز الأجزاء عن بعضها البعض. لا يمكن استخدام القطبية نظرًا لأن جميع أجزاء الحمض النووي تحتوي على فوسفات سالب الشحنة في العمود الفقري للسكر والفوسفات في الجزيء. على الرغم من أن كل جزء سيكون له تسلسل فريد ، إلا أنه سيكون من الصعب فصل جميع الأجزاء المختلفة ، على سبيل المثال ، عن طريق ربط بعض الجزيئات التي ترتبط بتسلسل فريد في الأخدود الرئيسي لجزء معين إلى حبة كبيرة واستخدام تلك الخرزة. لفصل ذلك الجزء الفريد. ستحتاج إلى حبة مختلفة لكل جزء فريد! أفضل طريقة لفصل الشظايا عن بعضها البعض هي بناء الفصل على الحجم الفعلي للجزء باستخدام الرحلان الكهربائي على هلام الاغاروز أو بولي أكريلاميد.

مستخلص الكربوهيدرات المسمى الاغاروز مصنوع من الطحالب. يضاف الماء إلى المستخلص ، ثم يتم تسخينه. يذوب مستخلص الكربوهيدرات في الماء لتشكيل محلول لزج. يُسكب محلول الاغاروز في قالب (مثل الجيلي الدافئ) ويُترك ليتجمد. تم وضع مشط بلاستيكي ذو أسنان واسعة في الاغاروز عندما كان لا يزال سائلاً. عندما يكون الاغاروز صلبًا ، يمكن إزالة المشط ، تاركًا في مكانه آبارًا صغيرة. يمكن وضع محلول من شظايا الحمض النووي في الآبار. يتم تغطية لوح agarose مع العينة بمحلول عازل ووضع أقطاب كهربائية في نهاية كل لوح. يتم وضع القطب السالب بالقرب من نهاية البئر من لوح الاغاروز بينما يتم وضع القطب الموجب في الطرف الآخر. إذا تم تطبيق جهد عبر بلاطة الاغاروز ، فإن شظايا الحمض النووي سالبة الشحنة ستتحرك عبر هلام الاغاروز باتجاه القطب الموجب. يسمى هجرة الجزيئات المشحونة في المحلول باتجاه قطب كهربائي مشحون بشكل معاكس بالرحلان الكهربي. افترض أنك أحد الشظايا. بالنسبة لك ، يبدو الجل وكأنه نسيج عنكبوت متشابك. تتسلل في طريقك عبر الفتحات الموجودة في الويب وأنت تتحرك للأمام مباشرة إلى القطب الموجب. كلما كان الجزء أكبر ، كلما تحركت بشكل أبطأ لأنه من الصعب الوصول إلى شبكة الويب المتشابكة. على العكس من ذلك ، كلما كان الجزء أقصر ، زادت سرعة حركتك. باستخدام هذه التقنية وتعديلاتها العديدة ، يمكن فصل قليل النوكليوتيدات التي تختلف في نيوكليوتيدات واحدة عن بعضها البعض. في الرحلان الكهربائي لشظايا الحمض النووي ، تتم إضافة صبغة فلورية غير مشحونة ، بروميد إيثيديوم ، إلى المحلول العازل. تتداخل هذه الصبغة حرفيًا بين الأزواج الأساسية للحمض النووي ، مما يضفي لونًا أصفر-أخضر فلوريًا على الحمض النووي عندما يظهر ضوء الأشعة فوق البنفسجية على هلام الاغاروز.

أ.قراءة الحمض النووي:

سنناقش طريقة واحدة لقراءة تسلسل الحمض النووي. هذه الطريقة ، التي طورها سانجر ، فازت بجائزة نوبل الثانية. لتسلسل قطعة واحدة من الحمض النووي ، يتم تصنيع الخيط التكميلي. تم إعداد أربعة مخاليط تفاعل مختلفة. يحتوي كل منها على جميع ديوكسينوكليوتيدات المشعة الأربعة (dATP ، dCTP ، dGTP ، dTTP) المطلوبة للتفاعل وبوليميراز الحمض النووي. بالإضافة إلى ذلك ، يضاف dideoxyATP (ddATP) إلى أنبوب رد فعل واحد ، يتم إرفاق dATP و ddATP بشكل عشوائي بالنهاية 3 'المتزايدة للنهاية التكميلية التي تقطعت بها السبل. إذا تمت إضافة ddATP ، فلا يمكن إضافة المزيد من النيوكليوتيدات بعد ذلك نظرًا لأن نهايتها 3 لها H وليس OH. لهذا السبب يسمونه ديديوكسي. يتم إنهاء السلسلة الجديدة .. إذا تمت إضافة dATP ، ستستمر السلسلة في النمو حتى يلزم إضافة "أ" آخر. ومن ثم سيتم إنشاء سلسلة كاملة من الأجزاء السرية من سلاسل الحمض النووي ، تنتهي جميعها عند إضافة ddATP. يحدث نفس السيناريو للأنابيب الثلاثة الأخرى ، والتي تحتوي على dCTP و ddCTP و dTTP و ddTTP و dGTP و ddGTP على التوالي. سيتم وضع جميع الشظايا المصنوعة في كل أنبوب في ممرات منفصلة للرحلان الكهربائي ، حيث تنفصل الشظايا حسب الحجم.

ديديكسوينوكليوتيدات

الشكل: ديديكسوينوكليوتيدات

المشكلة: سوف تتظاهر بتسلسل قطعة واحدة من الحمض النووي كما هو موضح أدناه. تتم إضافة النيوكليوتيدات الجديدة بواسطة إنزيم بوليميراز DNA إلى التمهيدي ، GACT ، في اتجاه 5 'إلى 3'. ستقوم بإعداد 4 أنابيب تفاعل ، يحتوي كل أنبوب على جميع أنابيب dXTP. بالإضافة إلى ذلك ، أضف ddATP إلى الأنبوب 1 ، و ddTTP إلى الأنبوب 2 ، و ddCTP إلى الأنبوب 3 ، و ddGTP إلى الأنبوب 4. لكل خليط تفاعل منفصل ، حدد جميع التسلسلات الممكنة التي تم إجراؤها عن طريق كتابة التسلسلات المحتملة على أحد المتواليات التكميلية غير المكتملة أدناه . قم بقص التسلسلات المكتملة من الصفحة ، وحدد حجم متواليات عديد النوكليوتيد التي تم إجراؤها ، وضعها كما لو كانت تنتقل (بناءً على الحجم) في الممر المناسب للهلام التخيلي الذي رسمته على قطعة من الورق. سيحتوي المسار 1 على النيوكليوتيدات المصنوعة في الأنبوب 1 ، إلخ. ثم ارسم خطوطًا أسفل مواضع النوكليوتيدات المقطوعة لتمثيل عصابات الحمض النووي في الهلام. اقرأ تسلسل الحمض النووي التكميلي المركب. ثم اكتب تسلسل ssDNA الذي كان من المقرر أن يتم تسلسله.
5 'T C A C G A T C T G A 3' (الوقوف للترتيب)

3 'G A C T 5' (أساس)

3 'G A C T 5' (أساس)

3 'G A C T 5' (أساس)

3 'G A C T 5' (أساس)

3 'G A C T 5' (أساس)

3 'G A C T 5' (أساس)

3 'G A C T 5' (أساس)

3 'G A C T 5' (أساس)

نظرًا لأن شظايا الحمض النووي ليس لها لون يمكن اكتشافه ، فلا يمكن تصورها مباشرة في الهلام. يتم استخدام طرق بديلة. في الموصوف أعلاه ، يتم استخدام ddXTP's المشع. بمجرد تشغيل هلام التسلسل ، يمكن تجفيفه وتصور العصابات بواسطة التصوير الإشعاعي (يُسمى أيضًا التصوير الشعاعي التلقائي). يتم وضع مكان فيلم الأشعة السينية فوق الجل المجفف في بيئة مظلمة. ستبعث النطاقات ذات العلامات الإشعاعية إشعاعات ستعرض فيلم الأشعة السينية مباشرة فوق النطاقات. يمكن تطوير الفيلم لاكتشاف العصابات. في تقنية أحدث ، يمكن تمييز الدهان التمهيدي بصبغة متألقة. إذا تم استخدام صبغة مختلفة لكل خليط تفاعل ، فيمكن تشغيل جميع مخاليط التفاعل في مسار واحد من مادة هلامية. (في الواقع ، يلزم إجراء مزيج تفاعل واحد فقط يحتوي على جميع ddXTP معًا.) يمكن بعد ذلك مسح الهلام بواسطة الليزر ، الذي يكتشف التألق من الأصباغ ، كل منها بطول موجة مختلف.

الشكل: تسلسل الحمض النووي باستخدام مختلف الاشعال الفلوريسنت لكل تفاعل ddXTP

يسمح أحد التطورات الحديثة في التسلسل بتحديد التسلسل في الوقت الفعلي. يتم تمييز كل من الديوكسينوكليوتيدات الأربعة بفلور مختلف على 5 فوسفات (وليس القاعدة كما هو مذكور أعلاه). يقوم بوليميراز الحمض النووي المربوط بإطالة الحمض النووي على قالب ، مما يؤدي إلى إطلاق الفلوروفور في محلول (أي أن الفلوروفور غير مدمج في سلسلة الحمض النووي). يحدث التفاعل في غرفة التصور تسمى الدليل الموجي ذو الوضع الصفري وهو عبارة عن حجرة معدنية أسطوانية بعرض 70 نانومتر وحجم 20 زيبتوليترًا (20 × 10-21 لترًا). يتم تثبيته على دعامة زجاجية يتم من خلالها تحقيق إضاءة الليزر للعينة. بالنظر إلى الحجم الصغير ، تنتشر deoxynucleotides غير المدمجة ذات العلامات الفلورية للداخل والخارج في النطاق الزمني للميكرو ثانية. عندما يتم دمج ديوكسينوكليوتيد في الحمض النووي ، فإن وقت إقامته يكون في نطاق زمني بالمللي ثانية. هذا يسمح بالكشف المطول عن التألق الذي يعطي إشارة عالية لنسبة الضوضاء. التكنولوجيا الأحدث التي يتم فيها التسلسل عن طريق تحريك الحمض النووي عبر المسام في الأغشية يمكن أن تخفض التسلسل إلى 1000 دولار / جينوم أو أقل.

الرسوم المتحركة لتسلسل سانجر

تسلسل Nanopore

ب- كتابة الحمض النووي:

يمكن تصنيع قليل النوكليوتيد على حبة صلبة. بإضافة نيوكليوتيد واحد في كل مرة ، يمكن التحكم في تسلسل وطول قليل النوكليوتيد.

ج. نسخ الحمض النووي:

توجد عدة طرق لنسخ تسلسل الحمض النووي ملايين المرات. تستخدم معظم الطرق البلازميدات (الموجودة في البكتيريا) والفيروسات (التي يمكن أن تصيب أي خلية). تم تصميم الحمض النووي للبلازميد أو الفيروس بحيث يحتوي على نسخة من تسلسل الحمض النووي المحدد ذي الأهمية. ثم يعاد إدخال البلازميد أو الفيروس في الخلية حيث يحدث التضخيم.

في البداية ، يتم قطع الحمض النووي الذي يحتوي على جين أو تسلسل تنظيمي ذي أهمية في أماكن محددة باستخدام إنزيم يسمى نوكلياز مقيد ، أو إنزيم تقييد لفترة قصيرة. لا يشق الإنزيم الحمض النووي في أي مكان قديم ، بل في أماكن "مقيدة" في التسلسل ، تمامًا كما يشق بروتين داخلي بروتينًا بعد حمض أميني معين داخل سلسلة بروتينية. بدلاً من شق خيط واحد ، كما هو الحال في البروتينات ، يجب أن يشق نوكلياز التقييد كلا خيطي dsDNA. يمكن أن تقطع الخيوط بشكل نظيف لتترك نهايات حادة ، أو بطريقة متداخلة ، لترك ذيول صغيرة من ssDNA. توجد العديد من هذه المواقع بشكل عشوائي في الجينوم. يجب أن يحاط الجين المعني بمثل هذا التسلسل على كلا الجانبين. يستخدم نفس الإنزيم لشق البلازميد أو الحمض النووي للفيروس.

الشكل: شق الحمض النووي باستخدام إنزيم التقييد EcoR1

يمكن بعد ذلك إضافة الجزء الأجنبي من الحمض النووي إلى DNA البلازميد أو الفيروسي كما هو موضح لصنع جزيء DNA المؤتلف. هذه التقنية لاستنساخ الحمض النووي هي الأساس لمجال تكنولوجيا الحمض النووي المؤتلف بأكمله.

الشكل: استنساخ جزء تقييد إلى بلازميد

الرسوم المتحركة للربط الجيني

يمكن إضافة البلازميد إلى البكتيريا ، والتي تأخذه في عملية تسمى التحول. يمكن تكرار البلازميد في البكتيريا التي ستنسخ جزء الحمض النووي محل الاهتمام. عادةً ما يحمل البلازميد جينًا يمكنه أن يجعل البكتيريا مقاومة للمضادات الحيوية. ستنمو فقط البكتيريا التي تحمل البلازميد (ومن المفترض أن يكون الإدخال). لعزل الشظية المرغوبة ، يتم عزل البلازميدات من البكتيريا ، وتشقق بنفس إنزيم التقييد لإزالة الجزء المطلوب ، وبعد ذلك يمكن تنقيته. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن تحفيز البكتيريا للتعبير عن البروتين من الجين الأجنبي. في المختبر 4 ، سنقوم بتحويل البكتيريا ببلازميد يحتوي على الجين الخاص بحمض أديبوكتي البشري بيتا ، HAAP-B ، ونحث على التعبير عن الجين.

يمكن استخدام طريقة مماثلة لنسخ الحمض النووي حيث يتم إعادة اتحاد الجزء الغريب مع الحمض النووي للعاثية ، وهو فيروس يصيب بكتيريا مثل الإشريكية القولونية. يمكن تعبئة الحمض النووي المؤتلف في فيروسات فعلية ، كما هو موضح أدناه. عندما يصيب الفيروس البكتيريا ، فإنه يأمر الخلايا بصنع الملايين من الفيروسات الجديدة ، وبالتالي نسخ جزء الاهتمام الأجنبي.

أحيانًا لا يكون "استنساخ" أو نسخ جزء من الحمض النووي هو ما يريده المحقق حقًا. إذا كان الحمض النووي الجينومي يأتي من خلية بشرية ، على سبيل المثال ، فإن الجين سيحتوي على إنترونات. إذا وضعت هذا الحمض النووي في بلازميد أو عاثية ، فإن الإنترونات تتماشى معه. يمكن للبكتيريا أن تنسخ هذا الحمض النووي ، ولكن غالبًا ما لا يريد المرء نسخ (تضخيم) الحمض النووي فحسب ، بل يريد أيضًا نسخه إلى الحمض النووي الريبي ومن ثم ترجمته إلى بروتين.ومع ذلك ، لا تستطيع البكتيريا لصق intron RNA ، لذلك لا يمكن تصنيع mRNA الناضج. إذا كان بإمكان المرء استنساخ الحمض النووي للبكتيريا بدون الإنترونات ، فلن توجد هذه المشكلة. توجد إحدى هذه الطرق الممكنة التي تبدأ من خلالها بـ mRNA الفعلي لبروتين مهم. في هذه التقنية ، يتم عمل نسخة dsDNA من جزيء ss-mRNA. يسمى هذا الحمض النووي DNA (كدنا) ، للحمض النووي التكميلي أو المنسوخ. يمكن بعد ذلك استنساخ هذا في ناقل بلازميد أو عاثيات وتضخيمه كما هو موضح أعلاه.

نسخ الحمض النووي من M-RNA - إنشاء مكتبة C-DNA - إدراج

في منتصف الثمانينيات ، تم تطوير طريقة جديدة لنسخ (تضخيم) الحمض النووي في أنبوب اختبار. لا يحتاج إلى بلازميد أو فيروس. إنها تتطلب فقط جزء من الحمض النووي ، وبعض البادئات (عديد النيوكليوتيدات الصغيرة مكملة لأجزاء من الحمض النووي على كل حبلا وتتداخل مع قسم الحمض النووي المراد تضخيمه. فقط أضف إلى هذا الخليط dATP و dCTP و dGTP و dTTP وبوليميراز DNA المستقر للحرارة من الكائن الحي Thermophilus aquaticus (الذي يعيش في الينابيع الساخنة) ، ثم تذهب بعيدًا. يتم تسخين الخليط أولاً إلى درجة حرارة تؤدي إلى فصل خيوط DsDNA. يتم تبريد درجة الحرارة مما يسمح بفائض كبير من المقاييس المتكافئة من المواد الأولية حتى تصلب إلى ssDNA. إن بوليميراز Taq المستقر للحرارة (من Thermophilus aquaticus) يبلمر الحمض النووي من البادئات. يتم رفع درجة الحرارة مرة أخرى ، مما يسمح بفصل حبلا dsDNA. عند تبريد المواد الأولية تصلب مرة أخرى إلى الحمض النووي الأصلي والمركب حديثًا من الدورة الأخيرة وتوليف الحمض النووي يحدث مرة أخرى. تتكرر هذه الدورة كما هو موضح في الرسم التخطيطي. يسمى هذا التفاعل المتسلسل تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR). يتم تضخيم الحمض النووي المستهدف المركب مليون مرة في ن 20 دورة ، أو مليار مرة في 30 دورة ، والتي يمكن القيام بها في غضون ساعات قليلة.

الشكل: نسخ الحمض النووي في أنبوب الاختبار - تفاعل البلمرة المتسلسل (PCR)

الرسوم المتحركة لـ PCR

D. تحرير DNA

أثناء دراستنا لهيكل البروتين ، قضينا الكثير من الوقت في مناقشة كيف يمكن تعديل أحماض أمينية معينة تساهميًا إما لتحديد وجود الحمض الأميني ، أو في محاولة لتعديل نشاط البروتين. ظهرت تقنية أحدث وثورية في السنوات الخمس عشرة الماضية. باستخدام تقنية الحمض النووي المؤتلف ، يمكن تغيير الجين الذي يشفر البروتين في واحد أو أكثر من النيوكليوتيدات ، بطريقة من شأنها إما تغيير واحد أو أكثر من الأحماض الأمينية ، أو إضافة أو حذف واحد أو أكثر من الأحماض الأمينية. تستخدم هذه التقنية ، التي تسمى الطفرات الخاصة بالموقع ، على نطاق واسع من قبل كيميائي البروتين لتحديد أهمية حمض أميني معين في طي البروتين وبنيته ونشاطه. تم وصف التقنيات في الرسم البياني أدناه ؛

الشكل: الطفرات الخاصة بالموقع

E. البحث عن الحمض النووي

أين يوجد الجين الذي يرمز لبروتين معين في الكروموسوم؟ تتمثل إحدى طرق العثور على الجين في تصنيع "مسبار" قليل النوكليوتيد صغير مكمل لجزء من تسلسل الحمض النووي الفعلي للجين (تم تحديده من التجارب السابقة). إرفاق جزيء الفلورسنت إلى مسبار الحمض النووي. ثم خذ تحضير الخلية حيث يمكن رؤية الكروموسومات تحت المجهر. أضف إلى الخلية القاعدة التي تزيل حلزون الحمض النووي المزدوج الذي تقطعت به السبل ، وأضف مسبار الفلورسنت إلى الخلية ، وتسمح بإصلاح الحمض النووي المزدوج الذي تقطعت به السبل. سوف يرتبط المسبار الفلوري بالكروموسوم في موقع الجين الذي يتكامل معه الحمض النووي. التهجين هو العملية التي يتم من خلالها ربط تسلسل نيوكليوتيد أحادي الخيط (الهدف) من خلال روابط H بتسلسل نيوكليوتيدات تكميلي آخر (المسبار).

ماذا لو كنت لا تعرف تسلسل النوكليوتيدات للجين ، لكنك تعرف تسلسل الأحماض الأمينية للبروتين ، كما في المثال الموضح أدناه؟ من جدول الشفرة الجينية ، يمكنك التنبؤ بالتسلسل المحتمل لكل جزيء الحمض النووي الريبي المحتمل والمكمل للحمض النووي في الجين. نظرًا لأن بعض الأحماض الأمينية تحتوي على أكثر من كودون واحد ، فهناك العديد من التسلسلات المحتملة للحمض النووي التي يمكن أن ترمز لجزء البروتين. يوضح الرابط أدناه جميع تسلسلات mRNA المقابلة الممكنة التي يمكن أن ترمز لتسلسل قصير من الأحماض الأمينية. يجب استخدام التسلسل 20 Mer من الانحلال الأدنى في تسلسل النيوكليوتيدات كمسبار جيني محتمل.

F. مقارنة الحمض النووي

يجب أن يكون تسلسل الحمض النووي لكل فرد مختلفًا عن أي فرد آخر في العالم (باستثناء التوائم المتطابقة). يجب أن يكون الاختلاف أقل من الفرق بين الإنسان والشمبانزي ، حيث تكون النسبة 98.5٪ متطابقة. لنفترض أن كل تسلسل يحتوي على تسلسلات DNA متطابقة بنسبة 99.9٪ مقارنة ببعض "البشر العاديين". بالنظر إلى أن لدينا حوالي 4 مليارات زوج أساسي من الحمض النووي ، فهذا يعني أننا جميعًا مختلفون في حوالي 0.001 × 4.000.000.000 وهو ما يمثل حوالي 4 ملايين زوج أساسي مختلف. هذا يعني أنه في المتوسط ​​لدينا فرق نيوكليوتيد واحد لكل 1000 زوج أساسي من الحمض النووي. بعضها موجود في الجينات ، ولكن معظمها يقع بين الحمض النووي ، وقد ثبت أن العديد منها متجمع في مناطق من الحمض النووي عالي التكرار في نهايات الكروموسومات (تسمى التيلوميرات) وفي المنتصف (تسمى السنتروميرات).

تذكر الآن أن مواقع إنزيمات التقييد الخاصة بهم تتخلل بشكل عشوائي على طول الحمض النووي أيضًا. إذا حدثت بعض الاختلافات في الحمض النووي بين الأفراد داخل التسلسلات حيث يتم شق الحمض النووي بواسطة إنزيمات تقييدية ، فعندئذٍ في بعض الأفراد لن ينكسر إنزيم معين في الموقع المعتاد ، ولكن في موقع أبعد. وبالتالي ، يجب أن يختلف حجم شظايا إنزيم التقييد لكل شخص. يجب أن ينتج الحمض النووي لكل شخص ، عند قطعه بواسطة مجموعة من الإنزيمات المقيدة ، مجموعة فريدة من شظايا الحمض النووي ذات الأحجام الفريدة لهذا الفرد. لكل شخص DNA تعدد أشكال فريد لجزء تقييد طول (RFLP). كيف يمكنك اكتشاف مثل هذا تعدد الأشكال؟

أنت تعرف بالفعل كيفية قطع عينة الحمض النووي باستخدام إنزيمات مقيدة ، ثم فصل الأجزاء على هلام الاغاروز. ومع ذلك ، هناك حاجة إلى خطوة إضافية ، حيث يمكن أن تظهر آلاف الشظايا على الهلام ، والتي يمكن ملاحظتها على أنها لطاخة واحدة كبيرة مستمرة. ومع ذلك ، إذا كان من الممكن تفاعل كل جزء مع مجموعة من مجسات الحمض النووي المشعة الصغيرة التي تكون مكملة لأقسام معينة متعددة الأشكال من الحمض النووي (مثل الحمض النووي التليومير) ومن ثم تصور ، فسيتم ملاحظة مجموعات قليلة فقط من النطاقات المنفصلة في هلام الاغاروز . ستكون هذه النطاقات المنفصلة مختلفة عن نطاقات الحمض النووي التي تُرى في جين شخص آخر يُعامل بنفس الطريقة. تسمى هذه التقنية النشاف الجنوبي وتعمل كما هو موضح أدناه. يتم عزل شظايا الحمض النووي بالكهرباء في هلام الاغاروز. يتم التخلص من شظايا ds DNA بالتسخين ، ثم توضع قطعة من ورق الترشيح النيتروسليلوز أعلى الهلام. ينتقل الحمض النووي من الجل إلى ورق الترشيح. ثم يضاف إلى الورقة مسبار قليل النوكليوتيد المشع ، مكمل لموقع متعدد الأشكال على الحمض النووي. إنه يرتبط فقط بالجزء الذي يحتوي على الحمض النووي المكمل للمسبار. يتم تجفيف ورق الترشيح ، ويتم وضع قطعة من فيلم الأشعة السينية فوق الورقة. تعمل أيضًا على الجل ، وتنقل إلى الورقة ، وهي عبارة عن مجموعة من الأجزاء المشعة (التي ليست مكملة للمسبار) ، والتي تعمل كمجموعة من العلامات للتأكد من صحة الرحلان الكهربائي للهلام ونقله إلى ورق الترشيح. يتم عرض هذه التقنية في الصفحة التالية ، جنبًا إلى جنب مع تحليل RFLP من عائلة معينة.

عندما يتم استخدام هذه التقنية في قضايا الطب الشرعي (مثل محاكمة OJ Simpson) أو في حالات الأبوة ، فإنها تسمى بصمة الحمض النووي. مع التقنيات الحالية ، يمكن للمحققين أن يذكروا بشكل لا لبس فيه أن احتمالات نمط معين لا تنتمي إلى المشتبه به تتراوح بين مليون إلى واحد. فيلم الأشعة السينية الموضح أدناه هو نسخة من أدلة جنائية حقيقية تم الحصول عليها من قضية اغتصاب. تظهر اللطخة الجنوبية الناتجة عن المشتبه به 1 والمشتبه به 2 والضحية وأدلة الطب الشرعي. حلل البيانات.

الشكل: التحليل العدلي للطب الشرعي الجنوبي / PCR - تعدد الأشكال القيد الممتد


1.4: الأسس الجينية والتطورية والتطورية - علم الأحياء

في هذا القسم ، سنلقي نظرة على بعض الطرق التي تساعد بها الوراثة في تشكيل ما نحن عليه. الوراثة تنطوي على أكثر من المعلومات الجينية من آبائنا. وفقًا لعلم النفس التطوري ، فإن الميراث الجيني يأتي من أكثر الجينات تكيفًا لأسلافنا. سنلقي نظرة على ما يحدث من الناحية الجينية أثناء الحمل ونلقي نظرة سريعة على بعض التشوهات الجينية. قبل الخوض في هذه المواضيع ، من المهم التأكيد على التفاعل بين الوراثة والبيئة. لماذا أنت على ما أنت عليه؟ عندما تفكر في بعض سماتك (الطول والوزن والشخصية والصحة وما إلى ذلك) ، اسأل نفسك عما إذا كانت هذه الميزات ناتجة عن عوامل وراثية أو عوامل بيئية أو كليهما. هناك احتمالات ، يمكنك أن ترى الطرق التي ساهمت بها العوامل الوراثية والبيئية (مثل نمط الحياة والنظام الغذائي وما إلى ذلك) في هذه الميزات.

نتائج التعلم

  • اشرح منظور علم النفس التطوري لتطور مدى الحياة
  • وصف المكونات الجينية للحمل
  • وصف الجينات وأهميتها في الوراثة الجينية
  • وصف تشوهات الكروموسومات
  • اشرح قيمة اختبار ما قبل الولادة
  • وصف التفاعل بين علم الوراثة والبيئة
  • قارن بين التوائم أحادية الزيجوت وثنائية الزيجوت

علم الأحياء (BIOL)

يعرّف طلاب السنة الأولى بالتخصص ومجال البيولوجيا والموارد المهنية والأكاديمية المتاحة للطلاب في جامعة نورث إيسترن. يعرّف الطلاب بأعضاء هيئة التدريس والمستشارين وزملائهم الطلاب ، ويقدم توجيهاً أولياً للبحث الجامعي والتعليم التعاوني وغير ذلك. تساعد خيارات التعلم التجريبي في تطوير المهارات الأكاديمية اللازمة للنجاح ، وتوفر أسسًا في ثقافة وقيم مجتمع الجامعة وتساعد في تنمية المهارات الشخصية - باختصار ، تعرّف الطلاب بالموارد والمهارات اللازمة ليصبحوا طالبًا جامعيًا ناجحًا.

بيول 1107. أسس علم الأحياء. (4 ساعات)

يقدم مبادئ التطور والبنية الخلوية والوظيفة والانتقال الجيني ومسارات الطاقة وعلم وظائف الأعضاء. يغطي الموضوعات الحالية في علم الأحياء ويقيم ويناقش المؤلفات العلمية الحالية. يستكشف الطبيعة متعددة التخصصات لعلم الأحياء. يتيح للطلاب فرصة للتحضير للاستفسارات الموضوعية في دورات علم الأحياء.

المتطلبات الأساسية (ق): بيول 1108

بيول 1108. مختبر بيول 1107. (ساعة واحدة)

يرافق BIOL1107. يشمل العديد من التجارب المعملية التي تؤكد على المبادئ التطورية ، والبنية الخلوية والوظيفة ، والانتقال الجيني ، ومسارات الطاقة ، وعلم وظائف الأعضاء.

المتطلبات الأساسية (ق): بيول 1107

بيول 1111. بيولوجيا عامة 1. (4 ساعات)

يستكشف المبادئ الأساسية لعلم الأحياء مع التركيز على تلك السمات المشتركة بين جميع الكائنات الحية والتي يمكن رؤيتها من خلال عدسة النظرية التطورية. من خلال المحاضرات والقراءات والمناقشات ، يوفر للطلاب فرصة لفهم كيف تم استخدام المنهج العلمي لمعالجة الأسئلة البيولوجية. تشمل الموضوعات المركزية التطورات الحديثة في تشريح الخلية وعلم وظائف الأعضاء ، بما في ذلك التفاعل بين العضيات ، ونقل الأغشية ، ونقل طاقة إشارات الخلايا عبر الخلايا ومن خلال التكاثر الخلوي للمحيط الحيوي والوراثة السرطانية والاضطرابات الوراثية البشرية وتخليق البروتين والتكنولوجيا الحيوية. يستكشف الآثار المجتمعية لموضوعات مثل المستحضرات الصيدلانية الحيوية ، وتحمض المحيطات ، وتغير المناخ ، والأمراض البشرية ، وعلم التخلق ، والسرطان ، والاستنساخ.

صفات): NUpath Natural / Designed World

BIOL 1112. Lab for BIOL 1111. (ساعة واحدة)

يرافق BIOL 1111. يقدم للطلاب فرصة لجمع البيانات الكمية من خلال التجارب العملية وكذلك المحاكاة. يتم تحليل البيانات إحصائيا وتقديمها في شكل مكتوب.

المتطلبات المسبقة: BIOL 1111 (يمكن أن تؤخذ في نفس الوقت) بحد أدنى من D-

صفات): NUpath تحليل / استخدام البيانات

بيول 1113. بيولوجيا عامة 2. (4 ساعات)

يتابع BIOL 1111. يدرس تطور التنوع الهيكلي والوظيفي للكائنات والبيولوجيا التكاملية للكائنات متعددة الخلايا والعلاقات البيئية على مستوى السكان والمجتمع والنظام البيئي.

المتطلبات المسبقة: BIOL 1101 بدرجة لا تقل عن D- أو BIOL 1107 مع حد أدنى من D- أو BIOL 1111 مع حد أدنى من D- أو BIOL 1115 مع حد أدنى من D-

صفات): NUpath Natural / Designed World

BIOL 1114. Lab for BIOL 1113. (ساعة واحدة)

يرافق BIOL 1113. يغطي موضوعات من الدورة من خلال تجارب مختلفة.

المتطلبات المسبقة: BIOL 1113 (يمكن أخذها بشكل متزامن) بحد أدنى من D-

بيول 1115. علم الأحياء العام 1 للمهندسين. (4 ساعات)

يقدم مبادئ ومفاهيم البيولوجيا الجزيئية والخلوية الأساسية. يوفر للطلاب فرصة للبدء في تطبيق المبادئ الكيميائية والهندسية لزيادة فهم العمليات الفسيولوجية والأنظمة البيولوجية المختارة. تشمل الموضوعات بنية البروتين ووظيفته ، والتنظيم الخلوي ، والطاقة ، وإدارة المعلومات ، والنقل الجزيئي ، والإشارات ، والحركة.

صفات): NUpath Natural / Designed World

BIOL 1116. Lab for BIOL 1115. (ساعة واحدة)

يرافق BIOL 1115. يغطي موضوعات من الدورة من خلال تجارب مختلفة.

المتطلبات المسبقة: BIOL 1115 (يمكن أخذها بشكل متزامن) بحد أدنى من D-

BIOL 1141. الميكروبات والمجتمع. (4 ساعات)

يقدم عالم الكائنات الحية الدقيقة غير المرئي. يحلل الطلاب كيفية تأثير نمو وسلوك هذه المجموعة المتنوعة من الكائنات الحية على العديد من جوانب المجتمع البشري بما في ذلك الزراعة وإعداد الطعام وتطوير الأدوية وتصنيع إدارة النفايات السائلة والصلبة والدورات الجيوكيميائية للهندسة الجينية والصحة والأمراض.

صفات): NUpath Natural / Designed World

BIOL 1143. علم الأحياء والمجتمع. (4 ساعات)

يقدم لمحة عامة عن كيفية نسج علم الأحياء طريقه عبر مجموعة واسعة من القضايا المجتمعية المعقدة. يعرّف الطلاب بالآليات والعمليات البيولوجية المسؤولة عن الوراثة الجينية ، ونقل الطاقة ، والتطور ، وديناميات السكان ، مما يوفر إطارًا يمكن للطلاب من خلاله تفسير ومناقشة المعلومات البيولوجية المهمة المقدمة في المنتديات العامة بشكل نقدي. يسعى إلى تمكين الطلاب من اتخاذ خيارات مستنيرة على مستوى السياسة والمستوى الشخصي. يقدم للطلاب فرصة لاكتساب فهم للمبادئ الأساسية لعلم الأحياء وتطبيق العملية العلمية لتحليل القضايا المعاصرة. باستخدام نهج موضوعي ، يغطي مجموعة واسعة من القضايا بما في ذلك عودة ظهور الأوبئة والأسلحة البيولوجية والأمن والبيئة وصحة الإنسان وعافيته.

صفات): NUpath Natural / Designed World

بيول 1147. الكائن البشري. (4 ساعات)

يقدم هيكل ووظيفة جسم الإنسان. يؤكد على مبادئ العلوم البيولوجية والفيزيائية من حيث صلتها بعمليات الحياة في الصحة والمرض.

صفات): NUpath Natural / Designed World

بيول 1149. بيولوجيا التكاثر البشري. (4 ساعات)

يدرس الوظيفة الجنسية والإنجابية في الذكور والإناث ، أي التطور الجنسي والجماع والإخصاب والحمل والولادة والرضاعة. يناقش طرق السيطرة على الخصوبة والأمراض المنقولة جنسياً. يحلل العوامل التي تؤثر على التكاثر والجنس لدى البشر.

صفات): NUpath Natural / Designed World

BIOL 1153. تحرير الجينوم البشري: العلم والأخلاق. (4 ساعات)

مصمم لتعريف الطلاب بالعملية الأساسية لتحرير الجينوم البشري ، بما في ذلك نظرة عامة على التقنيات الناشئة التي تمكن هذه العملية. يستكشف كلا الجانبين من النقاش الأخلاقي المستمر ، بما في ذلك الفوائد والقيود المحتملة لتحرير الجينوم البشري ، وتداعيات هذه الممارسة السريرية على المجتمع. يقدم منهجية التحرير الجيني ، لمحة تاريخية عن العلم والممارسة السريرية لتحرير الجينات ، وملخص للوضع التنظيمي الحالي. يناقش الآثار الأخلاقية لاستخدام تحرير الجينوم في البشر. يوفر للطلاب فرصة لتقييم استخدام التحرير الجيني للقضاء على الأمراض الوراثية ، وإمكانية إنشاء أطفال مصممي ، والآثار الاجتماعية والاقتصادية لتحرير الجينات.

صفات): التفكير الأخلاقي لـ NUpath ، عالم NUpath الطبيعي / المصمم

BIOL 1990. اختياري. (1-4 ساعات)

يقدم ائتمانًا اختياريًا للدورات التي يتم تدريسها في المؤسسات الأكاديمية الأخرى. يمكن أن تتكرر بلا حدود.

بيول 2217. التشريح ووظائف الأعضاء المتكاملة 1. (4 ساعات)

يعرّف الطلاب على علم التشريح ووظائف الأعضاء البشريين المتكاملين. يركز على بنية ووظيفة الخلايا والأنسجة. يعرض تشريح ووظائف الجلد والعظام والعضلات والدم والجهاز العصبي.

المتطلبات الأساسية (ق): بيول 2218

صفات): NUpath Natural / Designed World

BIOL 2218. Lab for BIOL 2217. (ساعة واحدة)

يرافق BIOL 2217. يغطي موضوعات من الدورة من خلال تجارب مختلفة.

المتطلبات الأساسية (ق): بيول 2217

بيول 2219. علم التشريح ووظائف الأعضاء المتكامل 2. (4 ساعات)

يواصل BIOL 2217. يعرض هيكل ووظيفة الغدد الصماء البشرية ، والتناسلية ، والقلب والأوعية الدموية ، والجهاز التنفسي ، والجهاز البولي ، والجهاز الهضمي ، فضلًا عن تنظيم عملية التمثيل الغذائي ودرجة حرارة الجسم.

المتطلبات المسبقة: BIOL 1117 بدرجة لا تقل عن D- أو BIOL 2217 مع حد أدنى من D-

المتطلبات الأساسية (ق): بيول 2220

صفات): NUpath Natural / Designed World

BIOL 2220. Lab for BIOL 2219. (ساعة واحدة)

يرافق BIOL 2219. يغطي موضوعات من الدورة من خلال تجارب مختلفة.

المتطلبات الأساسية (ق): بيول 2219

صفات): NUpath تحليل / استخدام البيانات

بيول 2221. أسس علم الأحياء الدقيقة. (4 ساعات)

يركز على كيفية التعرف على البكتيريا والفيروسات والسيطرة عليها والتعايش معها. يؤكد على آليات إنتاج المرض وأنظمة الدفاع الطبيعية للمضيف والتدخلات الطبية.

المتطلبات الأساسية (ق): بيول 2222

BIOL 2222. Lab for BIOL 2221. (ساعة واحدة)

يرافق BIOL 2221. يغطي موضوعات من الدورة من خلال تجارب مختلفة.

المتطلبات الأساسية (ق): بيول 2221

BIOL 2299. استفسارات في العلوم البيولوجية. (4 ساعات)

يركز على آخر التطورات في هذا المجال. يوفر للطلاب فرصة لاستكشاف كل من الممارسة العلمية والتقدم من خلال القراءات والمناقشة والمشاريع وتوسيع وتعميق فهمهم للمبادئ البيولوجية الأساسية على المستوى الخلوي والجزيئي.

المتطلبات المسبقة: BIOL 1101 بدرجة لا تقل عن D- أو BIOL 1107 مع حد أدنى من D- أو BIOL 1111 مع حد أدنى من D-

صفات): NUpath Natural / Designed World

بيول 2301. علم الوراثة والبيولوجيا الجزيئية. (4 ساعات)

يركز على آليات الوراثة ، وبنية الجينوم ووظيفته ، وعلم الوراثة التطوري والتطور. يتم أخذ الأمثلة من مجموعة واسعة من النباتات والحيوانات والفطريات والبكتيريا والفيروسات.تشمل الموضوعات والنهج التحليلية علم الوراثة ، والبيولوجيا الجزيئية وتنظيم الجينات ، والطرق الجزيئية للحمض النووي ، والوراثة الكمية والسكانية ، والمعلوماتية الحيوية ، وعلم الجينوم ، والبروتيوميات.

المتطلبات المسبقة: (BIOL 1103 بدرجة لا تقل عن D- أو BIOL 1113 مع حد أدنى من D- أو BIOL 1115 مع حد أدنى من D- أو BIOL 2297 مع حد أدنى من D- أو BIOL 2299 مع حد أدنى من D- أو EEMB 1105 بحد أدنى من D- أو EEMB 2290 مع حد أدنى من D- أو ENVR 2400 مع حد أدنى من D- أو EEMB 2400 مع درجة D- كحد أدنى (CHEM 1211 بدرجة لا تقل عن D - أو CHEM 1217 بدرجة لا تقل عن D- أو CHEM 1151 بدرجة لا تقل عن D- أو CHEM 1161 بدرجة لا تقل عن D-)

صفات): NUpath Natural / Designed World

بيول 2302. مختبر بيول 2301. (ساعة واحدة)

يرافق BIOL 2301. يعزز ويوسع المفاهيم المقدمة والممارسه في دورة المحاضرة المصاحبة من خلال تطبيق طرق البحث العلمي وتحليل البيانات.

المتطلبات المسبقة: BIOL 2301 (يمكن تناوله بشكل متزامن) بحد أدنى من D-

صفات): NUpath تحليل / استخدام البيانات

BIOL 2309. معمل مشروع الأحياء. (4 ساعات)

يقدم تجربة معملية مكثفة قائمة على الاستفسار حيث تتاح للطلاب فرصة لتصميم وإجراء مشاريع بحثية مستقلة ، وتطبيق الأساليب والتقنيات المستخدمة في البيولوجيا الخلوية والجزيئية. يوفر للطلاب فرصة لعرض نتائجهم في تنسيقات احترافية.

المتطلبات المسبقة: BIOL 2301 بدرجة لا تقل عن D-

صفات): NUpath تحليل / استخدام البيانات ، NUpath Creative Express / Innov ، NUpath للكتابة المكثفة

بيول 2327. علم الطفيليات البشرية. (4 ساعات)

يفحص البيولوجيا العامة ، ودورات الحياة ، وأنماط الانتقال ، والتسبب في الإصابة بالطفيليات الرئيسية على صحة الإنسان العالمية. يستكشف عددًا من الأمراض المهمة ، جنبًا إلى جنب مع الكائنات الأولية المتنوعة والديدان والمفصليات المسؤولة عنها.

المتطلبات المسبقة: BIOL 1101 بدرجة لا تقل عن D- أو BIOL 1107 مع حد أدنى من D- أو BIOL 1111 مع حد أدنى من D- أو BIOL 1115 مع حد أدنى من D-

بيول 2329. أخلاقيات علم الأحياء. (4 ساعات)

يوفر للطلاب فرصة لاستكشاف القضايا الأخلاقية الناشئة عن الأبحاث البيولوجية والتقنيات الناشئة ، لتعلم كيفية تحديد الآثار الأخلاقية المحتملة للبحث البيولوجي وتحليلها بشكل نقدي ، ولتقييم الحجج القائمة على النظرية مع الانخراط باحترام مع مجموعة متنوعة من وجهات النظر. باستخدام معرفتهم بالعلوم الخلوية والجزيئية الأساسية كأساس ، تتاح للطلاب فرصة لاكتساب فهم أعمق لبيولوجيا تحرير الجينوم والتقنيات الأخرى القائمة على البيولوجيا الجزيئية والخلوية. يفحص التاريخ والحوار الأخلاقي حول تحرير الجينوم كمثال متعمق لتقنية ناشئة ذات تطبيقات واسعة النطاق. يدرس تقنيات إضافية فيما يتعلق بتقدم البحث ، ووجهات النظر الدولية ، والآثار المحتملة في مجالات الأمن وحماية البيئة والصحة الشخصية.

المتطلبات المسبقة: BIOL 1107 بدرجة لا تقل عن D- أو BIOL 1111 مع حد أدنى من D- أو BIOL 2299 مع حد أدنى من D-

صفات): NUpath التفكير الأخلاقي

BIOL 2990. اختياري. (1-4 ساعات)

يقدم ائتمانًا اختياريًا للدورات التي يتم تدريسها في المؤسسات الأكاديمية الأخرى. يمكن أن تتكرر بلا حدود.

بيول 2991. بحث في علم الأحياء. (1-4 ساعات)

يوفر فرصة لإجراء بحث تمهيدي أو جهود إبداعية تحت إشراف أعضاء هيئة التدريس.

بيول 3401. تشريح الفقاريات المقارن. (4 ساعات)

يفحص مورفولوجيا وتطور الفقاريات.

المتطلبات المسبقة: BIOL 1103 بحد أدنى D- أو BIOL 1113 مع حد أدنى من D- أو BIOL 2297 مع حد أدنى من D- أو BIOL 2299 مع حد أدنى من D- أو ENVR 2290 مع حد أدنى من D- أو EEMB 2290 بدرجة لا تقل عن D-

بيول 3403. سلوك الحيوان. (4 ساعات)

يفحص تطور سلوك الحيوان. تشمل الموضوعات كيف تطورت السلوكيات ، والوظيفة التكيفية للسلوك ، والأدوار النسبية للجينات والبيئة في تطوير السلوك. يتم النظر في السلوكيات من التغذية والاستراتيجيات الإنجابية إلى التواصل والسلوك الاجتماعي. يتم النظر في الآثار المترتبة على السلوك البشري.

المتطلبات المسبقة: BIOL 2301 بدرجة لا تقل عن D- أو PSYC 3458 مع حد أدنى من D-

بيول 3405. علم الأعصاب. (4 ساعات)

يقدم الأداء الخلوي والجزيئي للجهاز العصبي ، وتنظيم الخلايا العصبية في دوائر ، ومعالجة المعلومات ، وتوليد المخرجات الحركية.

المتطلبات المسبقة: BIOL 1103 بحد أدنى D- أو BIOL 1113 مع حد أدنى من D- أو BIOL 2297 مع حد أدنى من D- أو BIOL 2299 مع حد أدنى من D- أو ENVR 2290 مع حد أدنى من D- أو EEMB 2290 بدرجة لا تقل عن D- أو PSYC 3458 مع حد أدنى من D-

BIOL 3409. الموضوعات الحالية في علم الأحياء. (4 ساعات)

يفحص موضوعات مختارة في علم الأحياء. المواضيع تختلف في كل فصل دراسي. يمكن أن تتكرر بلا حدود.

المتطلبات المسبقة: بيول 2301 بدرجة لا تقل عن د

BIOL 3411. الموضوعات الحالية في الخلية والبيولوجيا الجزيئية. (4 ساعات)

يفحص موضوعات مختارة في الخلية والبيولوجيا الجزيئية. المواضيع تختلف في كل فصل دراسي. يمكن أن تتكرر بلا حدود.

المتطلبات المسبقة: BIOL 2301 بدرجة لا تقل عن D-

BIOL 3413. الموضوعات الحالية في بيولوجيا الكائنات الحية والسكان. (4 ساعات)

يفحص موضوعات مختارة في بيولوجيا الكائنات الحية والسكان. المواضيع تختلف في كل فصل دراسي. يمكن أن تتكرر بلا حدود.

المتطلبات المسبقة: BIOL 1113 بدرجة لا تقل عن D- أو BIOL 1115 مع حد أدنى من D- أو BIOL 2299 مع حد أدنى من D- أو EEMB 2400 وبدرجة لا تقل عن D-

BIOL 3415. الموضوعات الحالية في علم الأعصاب السلوكي. (4 ساعات)

يفحص موضوعات مختارة في علم الأعصاب السلوكي. المواضيع تختلف في كل فصل دراسي.

المتطلبات المسبقة: BIOL 2301 بدرجة لا تقل عن D-

بيول 3421. علم الأحياء الدقيقة. (4 ساعات)

يقدم اعتبارات مورفولوجية وبيئية وكيميائية حيوية لمجموعات تمثيلية من البكتيريا. يقدم علم الفيروسات والوراثة الميكروبية العلاقات بين العائل والطفيلي ، بدائيات النوى ذات الأهمية الطبية والضوابط الفيزيائية والكيميائية لنمو الميكروبات.

المتطلبات المسبقة: BIOL 2301 بدرجة لا تقل عن D- (ENGL 1111 بدرجة لا تقل عن C أو ENGL 1102 مع حد أدنى من الدرجة C أو ENGW 1111 مع حد أدنى من الدرجة C أو ENGW 1102 مع حد أدنى من الدرجة C)

المتطلبات الأساسية (ق): بيول 3422

صفات): NUpath الكتابة مكثفة

BIOL 3422. Lab for BIOL 3421. (ساعة واحدة)

يرافق BIOL 3421. يغطي موضوعات من الدورة من خلال تجارب مختلفة.

المتطلبات الأساسية (ق): بيول 3421

BIOL 3601. الأنظمة العصبية والسلوك. (4 ساعات)

يستعرض المناهج التجريبية الرئيسية والمفاهيم الأساسية المستخدمة في علم الأعصاب السلوكي. يبدأ بإلقاء نظرة على تاريخه. تشمل الموضوعات التي يتم تناولها التوجيه المكاني والتوجيه الحسي ، والتحكم العصبي في المخرجات الحركية ، والمعالجة العصبية للمعلومات الحسية ، والتكامل الحسي الحركي ، والتعديل العصبي ، والإيقاعات اليومية والساعات البيولوجية ، وعلم وظائف الأعضاء السلوكي للملاحة على نطاق واسع ، والبيولوجيا العصبية للتواصل ، والآليات الخلوية للتعلم و ذاكرة.

المتطلبات المسبقة: BIOL 3405 بدرجة لا تقل عن D- أو PSYC 3458 مع حد أدنى من D-

بيول 3603. فسيولوجيا أنظمة الثدييات. (4 ساعات)

مصممة لتعريف الطلاب بالمبادئ الأساسية في فسيولوجيا الثدييات. يؤكد على تكامل أنظمة الجهاز الرئيسية. عند الاقتضاء ، يستكشف ويستخدم علم وظائف الأعضاء البشري لتعزيز المبادئ في علم وظائف الأعضاء والبناء على هذه المبادئ من خلال تحليل كيفية ربط أنظمة الأعضاء الرئيسية بفعالية بوظيفة الكائن الحي المناسبة. يغطي في البداية المبادئ الفسيولوجية للطاقة والتمثيل الغذائي في الثدييات ، بما في ذلك التكيف البشري لمتطلبات الطاقة الأساسية ، ثم يتعمق في أساسيات نقل الأغشية. تقييم أدوار تكامل أنظمة الأعضاء في الجهاز التنفسي والقلب والأوعية الدموية والجهاز الهضمي والدم والكلوي والجهاز التناسلي.

المتطلبات المسبقة: BIOL 2301 (يمكن تناوله بشكل متزامن) بحد أدنى من D-

بيول 3605. علم الأعصاب التنموي. (4 ساعات)

يغطي العمليات الخلوية والجزيئية والوراثية التي توجه التطور العصبي. يركز على كيفية إنشاء الخلايا العصبية ونمطها وربطها مع بعضها البعض لتنظيم سلوك الحيوان. تشمل الموضوعات تمايز الخلايا ونمط الأنسجة واللدونة العصبية والتطور المعرفي.

المتطلبات المسبقة: BIOL 2301 (يمكن تناوله بشكل متزامن) بحد أدنى من D-

BIOL 3607. الاتجاهات الحالية في علوم الإنجاب. (4 ساعات)

يقدم الاتجاهات الحالية في مجال العلوم الإنجابية ، والتي تغطي التكاثر البشري الأساسي ، والعقم ، والآفاق المحتملة في الطب. مواضيع المسوحات في الأبحاث الأساسية التي تعد بأكبر قدر ممكن لإحداث تأثير في مجال صحة المرأة. تؤكد صحة الإنسان ولكنها تتضمن نماذج حيوانية في التحليل.

المتطلبات المسبقة: BIOL 2301 (يمكن تناوله بشكل متزامن) بحد أدنى من D-

بيول 3611. الكيمياء الحيوية. (4 ساعات)

يغطي هيكل ووظيفة الجزيئات الحيوية ، والمفاهيم المركزية للطاقة الحيوية والديناميكا الحرارية ، وحركية الإنزيم والتنظيم ، والمسارات الأيضية.

المتطلبات المسبقة: BIOL 2301 بدرجة لا تقل عن D- (CHEM 2313 بدرجة لا تقل عن D- أو CHEM 2317 بدرجة لا تقل عن D-) (ENGL 1111 بدرجة لا تقل عن C أو ENGL 1102 مع حد أدنى من الدرجة C أو ENGW 1111 بدرجة لا تقل عن C أو ENGW 1102 وبدرجة لا تقل عن C)

المتطلبات الأساسية (ق): بيول 3612

BIOL 3612. Lab for BIOL 3611. (ساعة واحدة)

يرافق BIOL 3611. يغطي موضوعات من الدورة من خلال تجارب مختلفة.

المتطلبات الأساسية (ق): بيول 3611

BIOL 3990. اختياري. (1-4 ساعات)

يقدم ائتمانًا اختياريًا للدورات التي يتم تدريسها في المؤسسات الأكاديمية الأخرى. يمكن أن تتكرر بلا حدود.

بيول 4701. علم الأحياء كابستون. (4 ساعات)

يدمج ويقيم المفاهيم والمهارات التي تم الحصول عليها من منهج علم الأحياء بأكمله ، بما في ذلك المكونات التجريبية والفصول الدراسية. يتطلب التفكير من قبل الطلاب في خبراتهم التعليمية المختلفة ، والبحث المكثف للأسئلة العلمية المتعلقة بهذه التجارب ، وتطوير اقتراح بحث أصلي. يوفر للطلاب فرصة لصقل مهارات الاتصال من خلال العروض التقديمية الرسمية وغير الرسمية والمناقشات والنقد في الفصل.

المتطلبات المسبقة: ENGW 3307 بدرجة لا تقل عن C أو ENGW 3315 مع حد أدنى من C

صفات): تجربة NUpath Capstone ، NUpath الكتابة المكثفة

بيول 4705. البيولوجيا العصبية للتدهور المعرفي. (4 ساعات)

يقدم العواقب التشريحية العصبية والمعرفية لشيخوخة الدماغ والأمراض العصبية التنكسية. يغطي العمليات الجزيئية والخلوية التي تتلف الخلايا العصبية والنماذج الحيوانية وتصوير الدماغ. يستكشف المظاهر عالية المستوى للضرر الذي يلحق ، على سبيل المثال ، بالذاكرة واللغة وأنظمة المكافأة.

المتطلبات المسبقة: BIOL 3405 بدرجة لا تقل عن D- أو PSYC 3458 مع حد أدنى من D-

بيول 4707. الخلية والبيولوجيا الجزيئية. (4 ساعات)

يدمج البيولوجيا الجزيئية والكيمياء الحيوية في السياق الخلوي. يركز على تنظيم ووظيفة الخلايا حقيقية النواة ، بما في ذلك تنظيم البنية النووية والتعبير الجيني ، ونقل الإشارات ، وتخليق البروتين ونموه ، والطاقة الخلوية ، والهيكل الخلوي وحركة الخلية ، وانقسام الخلايا ، وموت الخلايا. يؤكد على المنهجيات والمناهج العلمية التي تكمن وراء الاكتشاف في بيولوجيا الخلية.

المتطلبات المسبقة: BIOL 2323 بدرجة لا تقل عن D- أو BIOL 3611 مع حد أدنى من D-

BIOL 4709. البيولوجيا العصبية للتعلم والذاكرة. (4 ساعات)

يستكشف البيولوجيا العصبية للتعلم والذاكرة من مستوى المشبك إلى الأنظمة العصبية الكامنة وراء وظيفة الذاكرة الناشئة. تشمل الموضوعات الآليات التشابكية الكامنة وراء اللدونة العصبية والأساس الجزيئي لعمليات الذاكرة والدوائر العصبية التي تخدم أنظمة ذاكرة متميزة. بالإضافة إلى المواد القائمة على المحاضرات ، يستخدم الطلاب الأبحاث الأولية ومقالات المراجعة من الأدبيات العلمية الحالية لتقييم البيانات وتطوير الفرضيات من خلال العروض التقديمية الشفوية والمناقشات النشطة في الفصل الدراسي. الهدف الشامل للدورة هو تقديم منظور بيولوجي عصبي حول كيفية تشفير المعلومات وتوحيدها واسترجاعها لاحقًا وأهمية الخلل الوظيفي في هذه العمليات المرتبطة بالعجز العصبي والمرض.

المتطلبات المسبقة: PSYC 3458 بدرجة لا تقل عن D- أو BIOL 3405 مع حد أدنى من D-

BIOL 4900. تتويجا لبحوث الأحياء. (1 ساعة)

يقدم تجربة تتويجا لتخصصات علم الأحياء الذين تم تسجيلهم في نفس الوقت في BIOL 4991 ، حيث يقومون بإجراء البحوث الأصلية تحت إشراف معلم قسم علم الأحياء. يقوم الطلاب بإجراء بحث في الأدب ، وكتابة اقتراح بحث ، وإجراء البحث المقترح (في سياق دورة BIOL 4991 المتزامنة) ، وتقديم عروض تقديمية ، وإنتاج تقرير بحثي نهائي. يتطلب من الطلاب التفكير في تعلمهم السابق ودمجه ، والمشاركة في ملاحظات الزملاء ، ومراجعة عملهم استجابةً لملاحظات الزملاء والمدرس.

المتطلبات المسبقة: ENGW 3307 بدرجة لا تقل عن D- أو ENGW 3315 بتقدير لا يقل عن D-

المتطلبات الأساسية (ق): بيول 4991

صفات): تجربة NUpath Capstone ، NUpath الكتابة المكثفة

بيول 4970. المشروع الأول مع مرتبة الشرف (جونيور / كبير) (4 ساعات)

يركز على مشروع متعمق يجري فيه الطالب بحثًا أو ينتج منتجًا متعلقًا بالمجال الرئيسي للطالب. يتم دمجه مع مشروع مبتدئ / كبير 2 أو ما يعادله من قبل الكلية لمشروع 8 شرف ائتماني. يمكن أن تتكرر بلا حدود.

BIOL 4971. مشروع مرتبة الشرف (صغار / كبار) 2. (4 ساعات)

يركز على الفصل الدراسي الثاني من المشروع المتعمق الذي يجري فيه الطالب بحثًا أو ينتج منتجًا متعلقًا بالمجال الرئيسي للطالب.

المتطلبات المسبقة: ENGW 3307 بدرجة لا تقل عن D- (BIOL 4970 بدرجة لا تقل عن D- أو BIOL 4991 بدرجة لا تقل عن D- أو BIOL 4992 بدرجة لا تقل عن D-)

صفات): تجربة NUpath Capstone ، تجربة تكامل NUpath ، NUpath للكتابة المكثفة

BIOL 4990. اختياري. (1-4 ساعات)

يقدم ائتمانًا اختياريًا للدورات التي يتم تدريسها في المؤسسات الأكاديمية الأخرى. يمكن أن تتكرر بلا حدود.

بيول 4991. البحث. (4 ساعات)

يقدم عملًا بحثيًا معمليًا مستقلاً حول موضوع مختار تحت إشراف أعضاء القسم. يعتمد محتوى الدورة على المعلم. يمكن أن تتكرر بلا حدود.

صفات): تجربة تكامل NUpath

بيول 4994. تدريب. (4 ساعات)

يقدم للطلاب فرصة للعمل الداخلي.

صفات): تجربة تكامل NUpath

بيول 5100. ندوة علم الأحياء. (1 ساعة)

يقدم سلسلة من الندوات في مجال البحوث البيولوجية من قبل خبراء مدعوين حول الموضوعات الحالية. يمكن أن تتكرر بلا حدود.

بيول 5301. علم الأجنة السريري. (4 ساعات)

مصمم لتعريف الطلاب بالعمليات البيولوجية الأساسية المرتبطة بالتخصيب والتكوين الجنيني المبكر في البشر ، مع التركيز على الأهمية السريرية. يغطي الجوانب الأساسية لخصوبة الإناث وتطور الجنين ، بما في ذلك التحكم الهرموني في نمو جريب المبيض والإباضة ، والإخصاب ، والتطور الجنيني قبل الانغراس ، والغرس ، والتطور الجنيني بعد الانغراس من خلال المعدة. يفحص المعايير الحالية لتحديد جودة البويضات والجنين. بالإضافة إلى ذلك ، يناقش تطور الاستراتيجيات القائمة على الخلايا الجذعية لعلاج الفشل التناسلي للإناث.

المتطلبات المسبقة: BIOL 2301 بدرجة لا تقل عن D- أو قبول في برنامج الدراسات العليا

بيول 5303. علم الأجنة السريري II. (4 ساعات)

يتوسع في المواد والمفاهيم من BIOL 5301 من خلال تعريف الطلاب بتطور أنظمة الأعضاء ، والتي بلغت ذروتها مع نهاية فترة الجنين والولادة. يفحص الجوانب الأساسية للتطور لكل جهاز عضو رئيسي ، بما في ذلك النظم الغشائية والهيكلية والعضلية ، وتطور الأطراف ، والجهاز العصبي ، وأعضاء الرأس والعنق ، والجهاز الهضمي ، والجهاز البولي التناسلي والجهاز القلبي الوعائي. يقيم المعلمات لتحديد التقدم النمائي للجنين.

المتطلبات المسبقة: BIOL 5301 بدرجة لا تقل عن D- أو قبول في برنامج الدراسات العليا

بيول 5306. الساعات البيولوجية. (4 ساعات)

يفحص التعبير عن إيقاعات 24 ساعة (الساعة البيولوجية) المتولدة داخليًا في الحياة حقيقية النواة ، مع التركيز على الأسس النظرية وكذلك استراتيجيات البحث الحالية لفهم كيفية عمل الساعات البيولوجية. يقدم مبادئ تحليلية ضرورية لفهم الإيقاع البيولوجي في أي كائن حي على أي مستوى من التنظيم. يؤكد الاستراتيجيات المستخدمة لفهم الآليات الملموسة الكامنة وراء الإيقاع البيولوجي.

المتطلبات المسبقة: BIOL 2301 بدرجة لا تقل عن D- أو قبول في برنامج الدراسات العليا

BIOL 5307. المجهر الإلكتروني البيولوجي. (4 ساعات)

يعرض تقنيات المجهر الإلكتروني المطبقة على المواد البيولوجية. يناقش تحضير العينات ، التثبيت ، التقسيم الرقيق ، التلوين ، تشغيل المجاهر ، تقنيات التصوير الفوتوغرافي ، وتفسير الصور المجهرية الإلكترونية. يتطلب ندوات الطلاب والمشروع.

المتطلبات الأساسية (ق): بيول 5308

BIOL 5308. Lab for BIOL 5307. (ساعة واحدة)

مصمم لطلاب الدراسات العليا والمتقدمين في المرحلة الجامعية بدون تدريب رسمي في المجهر الإلكتروني. يقدم للطلاب فرصة لاكتساب معرفة عملية شاملة لنقل ومسح المجهر الإلكتروني من خلال جعل كل طالب يعالج عينات من الأنسجة الحية من خلال إنتاج صورة مجهرية إلكترونية. يتضمن ذلك بروتوكولات إعداد العينات القياسية بما في ذلك التثبيت ، والتضمين ، والفحص الدقيق للغاية ، والتلطيخ ، وتجفيف النقاط الحرجة ، والطلاء بالرش ، بالإضافة إلى التشغيل المستقل لأحدث معدات الفحص المجهري الإلكتروني.

المتطلبات الأساسية (ق): بيول 5307

بيول 5541. طب الغدد الصماء. (4 ساعات)

يستكشف تنظيم الغدد الصماء للأنظمة الفسيولوجية ، مع التركيز على الأبحاث الحالية. توفر المحاضرات الخلفية ، يليها تحليل الأدبيات الأولية ودراسات الحالة. تشمل الموضوعات النمو والتكاثر واستخدام المغذيات والإجهاد واضطراب الغدد الصماء البيئية. تؤكد على البشر ولكنها تتضمن مواد عن الحيوانات الأخرى ، بما في ذلك اللافقاريات.

المتطلبات المسبقة: BIOL 2319 بحد أدنى D- أو BIOL 2323 مع حد أدنى من D- أو BIOL 3405 مع حد أدنى من D- أو BIOL 3611 مع حد أدنى من D- أو BIOL 4707 مع حد أدنى من D- أو القبول في برنامج الدراسات العليا

BIOL 5543. الخلايا الجذعية والتجديد. (4 ساعات)

يستكشف الأساس البيولوجي للخلايا الجذعية الجنينية والبالغة والمستحثة من أجل فهم أدوارها في التطور والتوازن والتجديد ، فضلاً عن إمكاناتها العلاجية. تعد دراسة الخلايا الجذعية مجالًا سريع التقدم في علم الأحياء والطب الحيوي. على الرغم من أن الأساس البيولوجي للخلايا الجذعية هو التركيز الرئيسي ، إلا أن الدورة تهدف إلى وضع هذه المعرفة في سياق طبي حيوي.

المتطلبات المسبقة: BIOL 2301 بدرجة لا تقل عن D- أو قبول في برنامج الدراسات العليا

BIOL 5549. اختراعات في التكنولوجيا الحيوية الميكروبية. (4 ساعات)

يقدم قراءات ومناقشات على غرار الندوة من الأدبيات الحالية حول الاختراعات المهمة والتطبيقات العملية في التكنولوجيا الحيوية ، مع التركيز على اكتشاف الأدوية.

المتطلبات المسبقة: BIOL 2301 بدرجة لا تقل عن D- أو قبول في برنامج الدراسات العليا

بيول 5569. علم الأحياء الدقيقة المتقدم. (4 ساعات)

يركز على كيفية تطور الكائنات الحية الدقيقة وتبادلها وتنظيمها الجينات والبقاء على قيد الحياة في بيئات مختلفة. يؤكد التصميم التجريبي والإثبات ، لا سيما فيما يتعلق بالتبادل الجيني ، وتنظيم الجينات ، والتنمية الفردية والمتعددة الخلايا ، والتواصل بين الخلايا الخلوية.

المتطلبات المسبقة: BIOL 2321 بدرجة لا تقل عن D- أو BIOL 2323 مع حد أدنى من D- أو القبول في برنامج الدراسات العليا

بيول 5573. علم الأحياء الدقيقة الطبية. (4 ساعات)

يؤكد على تفاعلات الطفيليات المضيفة: الفوعة والسموم والنباتات الطبيعية والاستجابات المناعية للعدوى البكتيرية والريكتسية والأولية الشائعة في البشر وعلم الأوبئة وعلم الأمراض واللقاحات والعلاج الكيميائي.

المتطلبات المسبقة: BIOL 2301 بدرجة لا تقل عن D- أو قبول في برنامج الدراسات العليا

بيول 5581. التصوير البيولوجي. (4 ساعات)

يوضح مبادئ التصوير وتقنياته وتطبيقها على المشاكل البيولوجية. تتنوع الموضوعات وقد تشمل مناهج مجهرية وعيانية في مجالات مثل علم الأحياء الخلوي والعصبي ، وعلم البيئة ، والكيمياء الحيوية.

المتطلبات المسبقة: BIOL 2301 بدرجة لا تقل عن D- أو قبول في برنامج الدراسات العليا

بيول 5583. علم المناعة. (4 ساعات)

يقدم لمحة عامة عن بنية ووظيفة الجينات والبروتينات والخلايا المشاركة في تكوين الاستجابة المناعية. يتم التركيز على علم المناعة الجزيئية وعلم الوراثة المناعية.

المتطلبات المسبقة: BIOL 2323 بدرجة لا تقل عن D- أو BIOL 3611 مع حد أدنى من D- أو القبول في برنامج الدراسات العليا

بيول 5585. التطور. (4 ساعات)

يناقش تاريخ نظرية التطور وخطوط الأدلة. يتم التركيز على آليات الانتواع. يقدم ويناقش الموضوعات التطورية الحالية.

المتطلبات المسبقة: BIOL 2301 بدرجة لا تقل عن D- أو قبول في برنامج الدراسات العليا

BIOL 5587. علم الأعصاب المقارن. (4 ساعات)

يقدم نهجًا خلويًا لهيكل ووظيفة الجهاز العصبي. تشمل الموضوعات تشريح الخلايا العصبية ، ونسالة الجهاز العصبي ، والفيزيولوجيا الكهربية لتوصيل الغشاء ، والانتقال المشبكي ، والتكامل في الخلايا العصبية ، والشبكات العصبية ، والأنظمة الحسية ، والأنظمة الحركية ، والتكامل الحسي الحركي ، وتطوير وتجديد الاتصال العصبي ، وأساسيات التكنولوجيا العصبية للطب الحيوي . يركز على تطوير هذه المفاهيم من أدبيات البحث الأولية. يتضمن مشروع المصطلح تصميم جهاز عصبي بسيط لحيوان افتراضي.

صفات): NUpath Creative Express / Innov

BIOL 5591. علم الجينوم المتقدم. (4 ساعات)

مخصص لمن هم على دراية بأساسيات علم الوراثة ، والبيولوجيا الجزيئية والخلوية ، والكيمياء الحيوية ، وكلها مطلوبة لتقدير جمال وقوة وأهمية الأساليب الجينومية الحديثة. يقدم أحدث طرق التسلسل وتكنولوجيا المصفوفة وقواعد البيانات الجينومية وتحليل الجينوم الكامل والجينوميات الوظيفية والمزيد.

المتطلبات المسبقة: BIOL 2301 بدرجة لا تقل عن D- أو قبول في برنامج الدراسات العليا

بيول 5593. بيولوجيا الخلية والجزيئية للشيخوخة. (4 ساعات)

يغطي الاكتشافات العلمية الحديثة التي غيرت فهمنا لعملية الشيخوخة. يفحص بعمق الفهم الحالي للآليات الجزيئية التي تتحكم في مدى الحياة في الكائنات الحية النموذجية ، بما في ذلك الخميرة والديدان والذباب والفئران. يناقش التدخلات الغذائية والأساليب الدوائية التي تطيل العمر وتؤخر ظهور الأمراض المرتبطة بالعمر. يغطي التطبيقات المحتملة لعلم الشيخوخة الجديد لتحسين صحة الإنسان. يتطلب من الطلاب قراءة ومناقشة وتقديم وتقديم تقرير عن أوراق البحث الأولية من الأدب.

المتطلبات المسبقة: BIOL 2301 بدرجة لا تقل عن D- أو قبول في برنامج الدراسات العليا

بيول 5595. علم الأعصاب الخلوي والجزيئي. (4 ساعات)

يجمع بين علم الأحياء الجزيئي وبيولوجيا الخلية وعلم الأدوية وعلم الوراثة لمعالجة الخصائص الجزيئية الأساسية للخلايا العصبية والشبكات العصبية. في جوهرها ، يتم تحديد المبادئ التي تحكم الاتصال بين خلايا الجهاز العصبي من خلال مكوناتها الجزيئية. يحدد المشهد الجزيئي الخصائص الفردية للخلايا العصبية ووظيفة الشبكات العصبية ككل. يركز على الإشارات العصبية من خلال وظيفة القنوات والمستقبلات الأيونية ، والآليات فوق الجزيئية مثل النقل المتشابك والنقل المحوري ، والآليات الجزيئية التي تكمن وراء الشبكات البيولوجية والتشفير العصبي للمعلومات. يستخدم الفهم الأساسي للشبكات الجزيئية كإطار عمل لاستكشاف الآليات التي تكمن وراء الأمراض والاضطرابات العصبية. يناقش العلاجات والعلاجات الحالية التي تعتمد على تعديل الإشارات العصبية من خلال التفاعلات الجزيئية.

المتطلبات المسبقة: (BIOL 2301 بدرجة لا تقل عن D- (PSYC 3458 بدرجة لا تقل عن D- أو BIOL 3405 بتقدير لا يقل عن D-)) أو القبول في برنامج الدراسات العليا

BIOL 5597. العلاجات المناعية للسرطان والأمراض المعدية. (4 ساعات)

يصف المبادئ الأساسية والوعود الحالية وإحباطات العلاج المناعي للسرطان. يقدم لمحة تاريخية عن الحواجز الرئيسية بين الأورام والخلايا القاتلة المضادة للأورام. التركيز الموحد للمحاضرات هو دور المنظمات السلبية المناعية والفسيولوجية ، أي "المكابح" للاستجابة المناعية المضادة للورم. تم تخصيص جزء كبير من الدورة للتقييم بأثر رجعي للعقود الثلاثة الماضية للدراسات المناعية والكيميائية الحيوية التي بلغت ذروتها في تحديد "رئيس عمليات الدفاع عن الورم" ، أي مسار نقص الأكسجة والأدينوزين في بيئة الورم المكروية.

المتطلبات المسبقة: BIOL 2301 بدرجة لا تقل عن D- أو قبول في برنامج الدراسات العليا

BIOL 5599. مبادئ إدارة البيانات ومراجعة الأقران في علم الأحياء. (4 ساعات)

مصمم لتعريف الطلاب بأساسيات جميع جوانب إدارة البيانات في إطار أكاديمي. تشمل الموضوعات الحصول على البيانات ، والتوثيق والتخزين ، والملكية الفكرية وبراءات الاختراع ، والتنازل عن الملكية ، وتحديد تضارب المصالح ، وعملية مراجعة الأقران للمخطوطات وتقديم المنح. يعد التدريب المسؤول عن إجراء البحث (RCR) جزءًا مهمًا من هذه الدورة التدريبية. يوفر للطلاب فرصة للتعرف على التدريب الأساسي وإكماله باستخدام الشهادات القياسية المقبولة وطنياً ، بما في ذلك تدريب RCR ، المتعلق بإدارة البيانات. يقوم الطلاب بتحليل إعداد براءات الاختراع والمخطوطة ويمنحون مراجعة الأقران. بالإضافة إلى ذلك ، يشارك الطلاب في لوحة مراجعة قسم الدراسة.

المتطلبات المسبقة: BIOL 4701 بدرجة لا تقل عن D-

BIOL 5601. مناهج متعددة التخصصات في التحكم في المحركات. (4 ساعات)

يدرس مجال التحكم الحركي البشري ، أو علم الأعصاب الحركي. يوفر للطلاب فرصة للحصول على فهم أساسي للعمليات التي تقوم عليها اكتساب السلوك الحسي والتحكم فيه. يربط نهج الأنظمة مجموعة متنوعة من التخصصات التي تتراوح من الفيزيولوجيا العصبية إلى الهندسة وإعادة التأهيل العصبي. يستعرض مجموعة مختارة من الأساليب مع التركيز على التعلم الحركي. يركز على الأساليب السلوكية المبكرة ، ومقاربات الفسيولوجيا العصبية والتصوير الأكثر حداثة ، وإعادة التأهيل. يناقش الأوراق التمثيلية المختارة ، بما في ذلك الأوراق التاريخية الأساسية والمزيد من الدراسات الحديثة التي تعكس المناقشة الحالية في هذا المجال.

بيول 6299. بيولوجيا الخلية الجزيئية للتكنولوجيا الحيوية. (3 ساعات)

يدمج الكيمياء الحيوية والبيولوجيا الجزيئية في السياق الخلوي. يشمل تنظيم وتكرار الجينومات ، ومبادئ وطرق التلاعب الجيني ، وتنظيم التعبير الجيني ، وهيكل ووظيفة العضيات. يؤكد على تخليق البروتين ، بما في ذلك الترجمة والتعديلات اللاحقة للترجمة ونقل البروتينات داخل الخلايا والإفراز.

بيول 6300. الكيمياء الحيوية. (4 ساعات)

يدرس بنية ووظيفة الجزيئات الحيوية ، مع التركيز على تحفيز إنزيم البروتينات والتمثيل الغذائي الخلوي ، مع التركيز على الطاقة الحيوية والكربوهيدرات / الدهون.

بيول 6301. بيولوجيا الخلية الجزيئية. (4 ساعات)

يدمج الكيمياء الحيوية والبيولوجيا الجزيئية في السياق الخلوي. يؤكد على تنظيم وتكرار الجينومات ، وتنظيم التعبير الجيني ، وبنية ووظيفة العضيات ، وآليات نقل الإشارة.

المتطلبات المسبقة: BIOL 6300 بدرجة لا تقل عن C-

بيول 6303. البيولوجيا العصبية والسلوك. (4 ساعات)

يقدم دورة محاضرة تهدف إلى تقديم نظرة عامة شاملة عن البيولوجيا العصبية السلوكية ، مع التركيز بشكل خاص على نهج علم الأعصاب. في نهاية الدورة ، يجب أن يكون لدى الطالب الناجح فهم معاصر للتطور التاريخي للعلوم السلوكية ، والمفاهيم الأخلاقية والبيولوجية العصبية الرئيسية ، والآليات الرئيسية التي تحكم السلوك في الحيوانات والبشر. يتطلب إذنًا من المعلم لأولئك الطلاب غير المسجلين في المعلوماتية الحيوية أو علم الأحياء أو علم الأحياء البحرية.

بيول 6381. أخلاقيات البحث البيولوجي. (ساعاتين)

يناقش القضايا الأخلاقية ذات الصلة بالبحث في العلوم البيولوجية. يتطلب عروض الطالب.

بيول 6399. ديناميات الإيكولوجيا الميكروبية. (4 ساعات)

يستكشف أحدث الأبحاث حول البيولوجيا الميكروبية للبيئة وجسم الإنسان. يركز على التنوع الجزيئي للأنواع الميكروبية واكتشاف الميكروبات ، وديناميات الميكروبات عبر الزمان والمكان ، وعلم الأحياء الدقيقة للبيئات القاسية ، والبيئة الميكروبية في عصر الجينوميات ، والتفاعلات بين الميكروبات المضيفة في جسم الإنسان ، وترجمة علم الأحياء الدقيقة الأساسي إلى ممارسة. يؤكد كيف أن المفاهيم الجديدة في البيولوجيا الميكروبية ، مثل التنظيم القائم على الإشارات وفردية الخلية ، قد تغير وجهات النظر الحالية حول تنظيم ووظيفة المجتمعات الميكروبية في الطبيعة. يتطلب إذنًا من المعلم لأولئك الطلاب غير المسجلين في المعلوماتية الحيوية أو علم الأحياء أو علم الأحياء البحرية.

بيول 6401. طرق البحث والتحليل النقدي في بيولوجيا الخلية الجزيئية. (4 ساعات)

يشمل النهج البيوكيميائية والبيولوجية الخلوية لفهم بنية الخلية ووظيفتها ، بما في ذلك الأغشية والعضيات وتهريب الحويصلات والهيكل الخلوي ودورة الخلية والإشارات. تدمج الأنشطة المنظمة التحليل النقدي للأدبيات والأساليب المنشورة مؤخرًا. يوفر للطلاب فرصة للتحضير للممارسة المهنية لبيولوجيا الخلايا الجزيئية. مطلوب إذن المعلم لأولئك الطلاب غير المسجلين في علم الأحياء.

بيول 6405. الخلية بدائية النواة والبيولوجيا الجزيئية. (4 ساعات)

يوفر مناقشة متعمقة حول العمليات الخلوية المهمة بشكل أساسي في الأنظمة بدائية النواة - مثل النسخ المتماثل والنسخ والترجمة - والآليات التنظيمية المقابلة. يناقش أيضًا الآليات الجزيئية لتنظيم الجينات والتسبب في الإصابة بالبكتيريا ، باستخدام أمثلة وآليات مختارة لإشارات الخلايا بدائية النواة ، والتقنيات المتقدمة وعالية الإنتاجية المستخدمة في البيولوجيا الجزيئية والخلوية بدائية النواة.

BIOL 6407. الكيمياء الحيوية لعلماء الأحياء الجزيئية. (4 ساعات)

يركز على العلاقة بين البيولوجيا الجزيئية وعلم الوراثة الجزيئي والكيمياء الحيوية. يركز على المشكلات البيوكيميائية التي من المرجح أن يجدها علماء الأحياء الجزيئية في أبحاثهم. يتضمن أمثلة على أنظمة بدائية النواة وحقيقية النواة (متى توفرت). تتم مناقشة الأساليب التجريبية لجميع الموضوعات. يسعى لتمكين الطلاب من تطوير فهم عميق للمفاهيم في النظم البيولوجية من خلال قراءة ومناقشة الأدبيات الأولية.

BIOL 6962. اختياري. (1-4 ساعات)

يقدم ائتمانًا اختياريًا للدورات التي يتم تدريسها في المؤسسات الأكاديمية الأخرى. يمكن أن تتكرر بلا حدود.

BIOL 7399. حل مشاكل البحث والأخلاق ومهارات الاتصال. (4 ساعات)

يركز على مهارات حل المشكلات البحثية ، بما في ذلك صياغة الفرضيات والتصميم التجريبي والتنفيذ والتحليل وأخلاقيات البحث. يقدم تعليمات في الكتابة العلمية ، بما في ذلك حفظ السجلات اليومية ، والمنح والأوراق ، ومهارات الاتصال الشفوي. يناقش استخدام الإحصائيات وإساءة استخدامها ويناقش المسؤولية تجاه الجمهور. يتطلب إذنًا من المعلم لأولئك الطلاب غير المسجلين في علم الأحياء.

BIOL 7962. اختياري. (1-4 ساعات)

يقدم ائتمانًا اختياريًا للدورات التي يتم تدريسها في المؤسسات الأكاديمية الأخرى. يمكن أن تتكرر بلا حدود.

بيول 7990. أطروحة. (1-4 ساعات)

يقدم الإشراف على الأطروحة من قبل أعضاء القسم. يمكن أن تتكرر بلا حدود.

BIOL 7996. استمرار الرسالة. (0 ساعة)

يقدم الإشراف المستمر على الأطروحة من قبل أعضاء القسم.

بيول 8420. تناوب معمل بيولوجي 1. (4 ساعات)

يقدم خبرة في أبحاث الأحياء في مختبر أبحاث بالكلية. مخصص فقط للطلاب الذين لم يختاروا بعد معملًا لتنفيذ أطروحة / أطروحة.

BIOL 8421. تناوب المختبر البيولوجي 2. (4 ساعات)

يقدم فصلًا دراسيًا ثانيًا من الخبرة البحثية في مختبر مختلف عن مختبر BIOL 8420. مخصص فقط للطلاب الذين لم يختاروا بعد مختبرًا لتنفيذ أطروحة العمل.

BIOL 8960. التحضير للامتحان - دكتوراه. (0 ساعة)

يتيح للطالب فرصة التحضير لامتحان الدكتوراه التأهيلي تحت إشراف هيئة التدريس.

بيول 8982. قراءات. (1-4 ساعات)

يقدم قراءات من الأدبيات الحالية في مجال اهتمام الطلاب وأعضاء هيئة التدريس. يمكن أن تتكرر بلا حدود.

BIOL 8984. البحث. (1-4 ساعات)

يركز على طرق البحث وتطبيقها على مشكلة معينة تحت إشراف عضو هيئة تدريس متخرج. يمكن أن تتكرر بلا حدود.

بيول 8986. البحث. (0 ساعة)

يتيح للطالب الفرصة لإجراء بحث بدوام كامل. يمكن أن تتكرر بلا حدود.

بيول 9000. أنجز ترشيح الدكتوراه. (0 ساعة)

يدل على الانتهاء بنجاح من امتحان الدكتوراه الشامل.

BIOL 9984. البحث. (1-4 ساعات)

يركز على طرق البحث وتطبيقها على مشكلة معينة تحت إشراف عضو هيئة تدريس متخرج. يمكن أن تتكرر بلا حدود.

بيول 9990. فصل أطروحة 1. (0 ساعة)

يقدم البحث النظري والتجريبي لدرجة الدكتوراه.

المتطلبات المسبقة: BIOL 9000 بدرجة لا تقل عن S.

بيول 9991. فصل أطروحة 2. (0 ساعة)

يقدم الإشراف على الأطروحة من قبل أعضاء القسم.

المتطلبات المسبقة: بيول 9990 بدرجة لا تقل عن S.

BIOL 9996. استمرار الأطروحة. (0 ساعة)

يقدم الإشراف على الأطروحة من قبل أعضاء القسم.

المتطلبات المسبقة: BIOL 9991 بدرجة لا تقل عن S أو فحص أطروحة مع درجة REQ


تحفز تغذية المن على استرخاء السيطرة اللاجينية والتنظيم المرتبط بالاستجابة الدفاعية في نبات الأرابيدوبسيس

تساعد التغييرات التي تحدثها البيئة في الإبيجينوم الأفراد على التكيف بسرعة مع التقلبات في ظروف موائلهم. استكشفنا تلك التغييرات في نباتات Arabidopsis thaliana التي تعرضت لضغوط حيوية وغير حيوية متعددة ، وحددنا تنشيط العنصر القابل للنقل (TE) في النباتات المصابة بمن الخوخ الأخضر ، Myzus persicae. أجرينا تحليل mRNA على مستوى الجينوم ، وتراكم الحمض النووي الريبي الصغير ومثيلة الحمض النووي ، تظهر نتائجنا أن تغذية المن تؤدي إلى فقدان الميثيل لمئات من المواقع ، بشكل رئيسي TEs. هذا الفقد للميثيل لديه القدرة على تنظيم التعبير الجيني ووجدنا دليلًا على أنه متورط في التحكم في جينات المناعة النباتية. تبعا لذلك ، أظهرت النباتات الطافرة التي تعاني من نقص في الحمض النووي وميثيل H3K9 (kyp) مقاومة متزايدة لإصابة M. persicae. بشكل جماعي ، تظهر نتائجنا أن التغييرات في مثيلة الحمض النووي تلعب دورًا مهمًا في تنظيم استجابة النسخ النباتية وتحريض الاستجابة الدفاعية ضد تغذية المن.

الكلمات الدالة: نبات الأرابيدوبسيس الاستجابة الدفاعية للعناصر اللاجينية للتنظيم النسخي.


مراجع

Pigliucci، M. & amp Müller، G. B. التطور: التوليف الموسع (مطبعة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، 2010).

نوبل ، د. وآخرون. J. Physiol. 592, 2237–2244 (2014).

آرثر ، و. الأجنة المنحازة والتطور (مطبعة جامعة كامبريدج ، 2004).

براكفيلد ، ب. اتجاهات Ecol. Evol. 21, 362–368 (2006).

ويست إبرهارد ، إم ج. اللدونة التطورية والتطور (مطبعة جامعة أكسفورد ، 2003).

بفينيغ ، دي دبليو وآخرون. اتجاهات Ecol. Evol. 25, 459–467 (2010).

Odling-Smee ، F. J. ، Laland ، K.N & amp Feldman ، M.W. بناء المتخصصة: العملية المهملة في التطور (مطبعة جامعة برينستون ، 2003).

جابلونكا ، E. & amp Lamb ، M. التطور في أربعة أبعاد: التباين الوراثي والجيني والسلوكي والرمزي في تاريخ الحياة (مطبعة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، 2014).

Hoppitt، W. & amp Laland، K. N. التعلم الاجتماعي: مقدمة للآليات والطرق والنماذج (مطبعة جامعة برينستون ، 2013).

Erwin، D.H & amp Valentine J، W. الانفجار الكمبري: بناء التنوع البيولوجي الحيواني (روبرتس ، 2013).

داروين ، سي. تكوين العفن النباتي من خلال عمل الديدان (جون موراي ، 1881).

ألكوك ، ج. انتصار علم الاجتماع (مطبعة جامعة أكسفورد ، 2001).

بيلي ، ن. اتجاهات Ecol. Evol. 27, 561–569 (2012).

وادينجتون ، سي إتش. طبيعة سجية 150, 563–565 (1942).

كاليبو ، دبليو إن التطور: التوليف الموسع (Pigliucci، M. & amp Müller، G. B. eds) 443-482 (MIT Press، 2010).

براون ، ج. تشارلز داروين: قوة المكان المجلد. ثانيًا 479 (جوناثان كيب ، 2003).


جمع العينات وتقدير العمر

كانت الأشجار المستخدمة في هذه الدراسة موجودة في منطقة هود ريفر رينجر [منطقة هورس ثيف ميدوز] ، غابة جبل هود الوطنية ، على بعد كيلومتر واحد جنوب Nottingham Campground قبالة OR-35 في منطقة وقوف السيارات غير محددة ، 500 غرب طريق East Fork Trail # 650 عبر النهر ، كاليفورنيا. 45.355313، - 121.574284 (ملف إضافي 1: الشكل S1).

تم جمع النوى في الأصل من الجذع الرئيسي وخمسة فروع من كل من الأشجار الخمسة في أبريل 2015 عند ارتفاع الصدر (1.5 متر) لعمر الشجرة الواقفة باستخدام حفار إضافي من الفولاذ المقاوم للصدأ (قطر 5 مم وطول يصل إلى 28 سم ).تم تركيب النوى على حواف خشبية محززة ، وتجفيفها في درجة حرارة الغرفة ، وصنفرتها ، وملطخة بنسبة 1٪ من فلوروجلوسينول باتباع إرشادات الشركة المصنعة (https://www.forestry-suppliers.com/Documents/1568_msds.pdf). تم حساب حلقات النمو السنوية لتقدير العمر. بالنسبة إلى النوى التي لا يمكن إجراء تقديرات دقيقة لها من مجموعة 2015 ، تم إجراء مجموعات إضافية في ربيع 2016. ومع ذلك ، نظرًا لصعوبة التجميع عن طريق التسلق ، فإن العديد من النوى لم تصل إلى مركز الساق أو الفروع (اللب) و / أو العينات عانت من تعفن القلب. مقترنة بصعوبة ترسيم الحلقات في الأخشاب المسامية مثل الحور حور [57 ، 58] ، كانت القياسات الدقيقة لعمر الشجرة أو عمر الفرع صعبة (ملف إضافي 1: الشكل S2).

بالتزامن مع حفر الجذع ، تم جمع عينات الأوراق من أطراف كل فرع من الأشجار الخمسة المختارة. كانت الفروع 9.1 و 9.5 و 13.4 و 14.1 و 15.1 و 15.5 متضررة للغاية بحيث لا يمكن تحديد تقديرات عمرية معقولة وتمت إزالتها من التحليل. تم تقدير الفرع 14.4 والسيقان 13.1 و 13.2 ببساطة عن طريق تراجع قطر جميع الفروع والسيقان التي يمكن أن تتقدم في العمر عن طريق الحفر.

إعداد النوى لاستخراج الحمض النووي

أوراق الحور التي تم حفظها مجمدة عند - 80 درجة مئوية تم طحنها بلطف بالنيتروجين السائل وتم تحضينها باستخدام محلول NIB المؤقت (10 ملي مولار Tris-HCL ، PH8.0 ، 10 ملي مولار EDTA PH8.0 ، 100 ملي KCL ، 0.5 M سكروز ، 4 ملي سبيرميدين ، 1 ملي سبيرمين) على الجليد لمدة 15 دقيقة. بعد الترشيح من خلال المعجزة ، تمت إضافة Triton x-100 (Sigma) إلى الأنابيب بنسبة 1:20 ، ووضعها على الجليد لمدة 15 دقيقة ، وطردها لتجميع النوى. تم غسل النوى باستخدام محلول NIB (يحتوي على Triton x-100) وإعادة تعليقه بكمية صغيرة من محلول NIB المؤقت (يحتوي على Triton x-100) ثم تم رفع حجم كل أنبوب إلى 40 مل وطرده مرة أخرى. بعد الإزالة الدقيقة لجميع السوائل ، تمت إضافة 10 مل من محلول Qiagen G2 ، متبوعًا بإعادة تعليق لطيف للنواة ، ثم تمت إضافة 30 مل من محلول G2 مع RNase A (إلى التركيز النهائي البالغ 50 مجم / مل). تم تحضين الأنابيب عند 37 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة. تمت إضافة بروتيناز K (Invitrogen) ، 30 مجم ، وتم تحضين الأنابيب عند 50 درجة مئوية لمدة ساعتين متبوعًا بالطرد المركزي لمدة 15 دقيقة عند 8000 دورة في الدقيقة ، عند 4 درجات مئوية ، وصب السائل برفق في أنبوب جديد. بعد الاستخراج اللطيف بالكلوروفورم إلى كحول الأيزو أميل (24: 1) ، ثم الطرد المركزي ونقل الطور العلوي إلى أنبوب جديد ، تم ترسيب HMW DNA بإضافة حجم 2/3 من iso-propanol وإعادة الطرد المركزي لجمع الحمض النووي . بعد غسل الحمض النووي بنسبة 70٪ من الإيثانول ، يجفف بالهواء لمدة 20 دقيقة ويذوب جيدًا في 1 × TE.

تسلسل الجينوم الكامل

نحن تسلسل Populus trichocarpa فار. ستيتلر باستخدام استراتيجية تسلسل بندقية الجينوم الكامل وبروتوكولات التسلسل القياسية. تم جمع قراءات التسلسل باستخدام Illumina و PacBio. تم ترتيب كل من قراءات Illumina و PacBio في معهد الجينوم المشترك (JGI) التابع لوزارة الطاقة (DOE) في والنوت كريك ، كاليفورنيا ، ومعهد HudsonAlpha في هانتسفيل ، ألاباما. تم تسلسل قراءات Illumina باستخدام منصة Illumina HISeq ، بينما تم تسلسل قراءات PacBio باستخدام منصة RS. تم الحصول على مكتبة جزئية واحدة من 400 نقطة أساس 2 × 150 من مكتبة شظايا Illumina بإجمالي

تغطية 349 × (ملف إضافي 2: الجدول S11). قبل التجميع ، تم فحص جميع قراءات Illumina بحثًا عن تلوث الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء والتلوث. تمت إزالة القراءات المكونة من & gt 95٪ تسلسل بسيط. تقرأ Illumina أقل من 75 نقطة أساس بعد التشذيب للمحول والجودة (ف & lt 20). تتكون مجموعة قراءة Illumina النهائية من 906،280،916 قراءة ليصبح المجموع

349 × من قواعد Illumina عالية الجودة. بالنسبة لتسلسل PacBio ، تم تسلسل إجمالي 69 شريحة (كيمياء P6C4) بإجمالي عائد 59.29 جيجا بايت (118.58 ×) مع 56.2 جيجا بايت و 5 كيلو بايت (ملف إضافي 2: الجدول S12) ، وتصحيح الخطأ اللاحق بإجمالي 37.3 تم استخدام Gb (53.4 ×) في التجميع.

تجميع الجينوم وبناء كروموسومات الجزيء الكاذب

الإصدار الحالي هو الإصدار 1.0 الذي بدأ بتجميع قراءات PacBio المصححة 37.3 جيجا بايت (تغطية تسلسلية 53.4 ×) باستخدام مُجمّع MECAT CANU v.1.4 [39] وبعد ذلك مصقول باستخدام QUIVER v.2.3.3 [40]. أنتج هذا 3693 سقالة (3693 contigs) ، مع سقالة N50 تبلغ 1.9 ميجا بايت ، و 955 سقالة أكبر من 100 كيلو بايت ، وحجم الجينوم الإجمالي 693.8 ميجا بايت (ملف إضافي 2: الجدول S13). تم تحديد أنماط الفردانية البديلة في التجميع الأولي باستخدام خط أنابيب Python الداخلي ، مما أدى إلى تصنيف 2972 ​​contigs (232.3 ميجا بايت) على أنها أنماط فردية بديلة ، مما ترك 745 contigs (461.5 ميجا بايت) في مجموعة النمط الفرداني الفردي. مجموعة من 64840 تسلسلًا فريدًا غير متكرر وغير متداخل 1.0 كيلوبايت من الإصدار 4.0 P. trichocarpa فار. نيسكوالي التجميع المحاذاة لتجميع MECAT CANU v.1.4 وتستخدم لتحديد الأخطاء في ملف P. trichocarpa فار. ستيتلر الجمعية العامة. تم تحديد وكسر ما مجموعه 22 خطأ. ثم تم توجيه السقالات وترتيبها وضمها معًا في 19 كروموسومًا. في ملف FASTA للعلامة التركيبية ، يحمل كل معرف سجل معلومات تتعلق بـ نيسكوالي الكروموسوم حيث تم استخراج التسلسل ، وكذلك الموقع في الكروموسوم. هذه العلامات ، جنبًا إلى جنب مع النصوص الأولية المشروحة من نيسكوالي، تم محاذاة الحور فار. 14.5 التجميع باستخدام BLAT. تم استخدام معلومات الكروموسوم / الموقع لتحديد الأخطاء في التجميع. بمجرد تصحيح الأخطاء ، تم ترتيب السقالات وتوجيهها باستخدام المعلومات الموضعية الموجودة في العلامات / الجينات المخلقة. تم إجراء ما مجموعه 117 صلات خلال هذه العملية ، وتم تبطين وصلات الكروموسوم بـ 10000 Ns [59]. تم تحديد أنماط الفردانية البديلة الصغيرة المجاورة على مجموعة contig المنضمة. تم انهيار مناطق النمط الفرداني البديل (Althap) باستخدام أطول سلسلة فرعية مشتركة بين النوعين الفردانيين. انهار ما مجموعه 14 نمط فرداني بديل مجاور.

ثم تم فحص المجموعة الناتجة بحثًا عن التلوث. تم تصحيح تعدد أشكال النوكليوتيدات الأحادية المتجانسة (SNPs) والإدراج / الحذف (InDels) في تسلسل التحرير باستخدام

تقرأ 100 × من Illumina (2 × 150 ، إدراج 400 نقطة أساس) عن طريق محاذاة القراءات باستخدام bwa-0.7.17 mem [60] وتحديد تعدد الأشكال متماثل الزيجوت و InDels باستخدام أداة UnifiedGenotyper الخاصة بـ GATK v3.6 [61]. تم تصحيح ما مجموعه 206 من تعدد الأشكال متماثل اللواقح و 11220 متماثلة اللواقح InDels في الإصدار. تم تصحيح أخطاء التدريج المتغايرة الزيجوت SNP / indel في الإجماع باستخدام 118.58 × بيانات PacBio الأولية [59]. تم تصحيح إجمالي 66124 (1.98٪) من SNP / InDels متغاير الزيجوت. يحتوي الإصدار الأخير 1.0 المحسن على 391.2 ميجا بايت من التسلسل ، ويتألف من 25 سقالة (128 كونتيجس) مع كونتيج N50 يبلغ 7.5 ميجا بايت وما مجموعه 99.8 ٪ من القواعد المجمعة في الكروموسومات. مؤامرات نيسكوالي يتم عرض مواضع علامة للكروموسومات التسعة عشر في الملف الإضافي 1: الشكل S9.

شرح الجينوم

تم إجراء تجميعات النسخ من

1.4 مليار زوج من 2 × 150 مزدوج تقطعت بهم السبل من Illumina RNA-seq GeneAtlas P. trichocarpa فار. نيسكوالي يقرأ ،

1.2 مليار زوج من 2 × 100 ثنائية الطرف من Illumina RNA-seq P. trichocarpa فار. نيسكوالي يقرأ من الدكتور بانكاج جايسوال ، و

430 متر أزواج من Illumina var 2 × 75 تقطعت بهم السبل. ستيتلر يقرأ باستخدام PERTRAN [41] في P. trichocarpa فار. ستيتلر الجينوم. عن

3 M PacBio Iso-Seq متواليات إجماع دائرية تم تصحيحها وانهيارها بواسطة خط أنابيب تصحيح موجه بالجينوم على P. trichocarpa فار. ستيتلر للحصول على الجينوم

0.5 مليون نص مفترض كامل الطول. تم إنشاء ما مجموعه 293637 تجميعًا نصيًا باستخدام PASA [62] من تجميعات نسخ RNA-seq أعلاه. تم تحديد الروابط من خلال محاذاة تجميع النسخ و / أو محاذاة EXONERATE للبروتينات من A. thaliana، فول الصويا ، الخوخ ، أرز كيتاكي ، سيتاريا فيريديس، الطماطم ، الكسافا ، العنب ، وبروتينات البروتينات السويسرية لتكرار الأقنعة الناعمة P. trichocarpa فار. ستيتلر الجينوم باستخدام RepeatMasker [63] بامتداد يصل إلى 2 كيلو بايت على كلا الطرفين ما لم يمتد إلى موضع آخر على نفس الشريط. تم التنبؤ بنماذج الجينات من قبل المتنبئين المستندة إلى التماثل ، FGENESH + [64] FGENESH_EST (على غرار FGENESH + ، EST كموقع لصق وإدخال intron بدلاً من البروتين / ORF المترجم) ، EXONERATE [65] ، تجميع PASA ORFs (التماثل الداخلي مقيد ORF مكتشف) ، ومن AUGUSTUS عبر BRAKER1 [66]. يتم تحديد أفضل التوقعات المسجلة لكل موضع باستخدام عوامل إيجابية متعددة بما في ذلك EST ودعم البروتين ، وعامل سلبي واحد: التداخل مع التكرارات. تم تحسين تنبؤات الجينات المختارة بواسطة PASA. يتضمن التحسين إضافة UTRs وتصحيح الربط وإضافة نصوص بديلة. خضعت بروتينات نموذج الجينات المحسّنة لـ PASA لتحليل تجانس البروتين للبروتينات المذكورة أعلاه للحصول على تغطية Cscore والبروتين. Cscore عبارة عن نسبة نقاط بروتين BLASTP إلى درجة MBH (أفضل نتيجة متبادلة) ، وتغطية البروتين هي أعلى نسبة بروتين تتماشى مع أفضل المتجانسات. تم اختيار النصوص المحسّنة من PASA بناءً على Cscore ، وتغطية البروتين ، وتغطية EST ، وتداخل CDS مع التكرارات. تم اختيار النصوص إذا كانت درجاتها Cscore أكبر من أو تساوي 0.5 وتغطية البروتين أكبر من أو تساوي 0.5 ، أو لديها تغطية EST ، لكن تداخل CDS مع التكرارات أقل من 20٪. بالنسبة للنماذج الجينية التي تتداخل CDS مع التكرارات لأكثر من 20٪ ، يجب أن يكون Cscore الخاص بها 0.9 على الأقل وتغطية التماثل على الأقل 70٪ ليتم اختيارها. خضعت النماذج الجينية المختارة لتحليل Pfam وأزيلت النماذج الجينية التي يزيد البروتين فيها عن 30٪ في مجالات Pfam TE ونماذج الجينات الضعيفة. تم تصفية نماذج الجينات غير المكتملة ، والتماثل المنخفض المدعوم بدون نماذج الجينات المدعومة بالكامل بالنسخة ، وإكسون مفرد قصير (& lt 300-bp CDS) بدون مجال بروتين أو نماذج جينية جيدة التعبير ، يدويًا.

طرق الاتصال SNP

تم تعيين قراءات Illumina HiSeq2500 المزدوجة (2 × 150) إلى الجينوم المرجعي باستخدام bwa-mem [60]. تم استخدام مجموعة أدوات Picard لفرز وفهرسة ملفات bam. تم استخدام GATK [61] بشكل أكبر لمحاذاة المناطق حول InDels. تم استخدام Samtools v1.9 [67] لإنشاء mpileup متعدد العينات لكل شجرة على حدة. تم استدعاء SNPs الأولية باستخدام Varscan v2.4.0 [68] مع تغطية 21 كحد أدنى.

في هذه الأشكال المتعددة الأشكال ، لكل فرع ، قمنا بحساب الاحتمال الشرطي لكل نمط وراثي محتمل (RR ، RA ، AA) بالنظر إلى عدد قراءة كل أليل ، بعد SeqEM [69] ، باستخدام معدل خطأ تسلسلي مقدر 0.01. حددنا مكالمات النمط الجيني عالية الثقة كتلك ذات الاحتمال الشرطي بمقدار 10000 × أكبر من احتمالات الأنماط الجينية المحتملة الأخرى. حددنا تعدد الأشكال الجسدية المحتملة مثل تلك التي لها نمط وراثي متغاير الزيجوت عالي الثقة وعالي الثقة عبر الفروع.

نلاحظ أن معلمات استدعاء SNP الافتراضية تميل إلى تجاوز الأنماط الجينية للأليل المرجعي المتماثل ، وأن الاختلافات في عمق التسلسل يمكن أن تحيز العدد النسبي للنيوكلوتايد متعدد الزيجوت المكتشفة. للتغلب على هذه المشكلات ، قمنا بإعادة تسمية الأنماط الجينية باستخدام الاحتمالات الشرطية باستخدام تعداد أليل أخذ عينات من الأسفل. للقيام بذلك ، اخترنا أولاً بشكل عشوائي عددًا محددًا من قراءات التسلسل لكل مكتبة في كل SNP جسدي محتمل بحيث يكون لجميع المكتبات نفس عمق التسلسل في جميع SNPs. باستخدام القراءات المخففة للعينات ، نحسب الاحتمال الشرطي النسبي لكل نمط وراثي بقسمة الاحتمالات الشرطية على مجموع الاحتمالات الشرطية لجميع الأنماط الجينية المحتملة. يتم بعد ذلك ضرب هذه الاحتمالات النسبية بالجرعة المخصصة للنمط الجيني الخاص بها (0 لـ RR ، 1 لـ RA ، 2 لـ AA) ، والنمط الجيني للجرعة هو مجموع هذه القيم عبر جميع الأنماط الجينية الثلاثة الممكنة. تم تعيين الأنماط الجينية المنفصلة باستخدام قيم الجرعة التالية: RR = الجرعة & lt 0.1 RA = 0.9 & lt جرعة & lt 1.1 AA = الجرعة & gt 1.9. الجرعات خارج تلك النطاقات يتم تخصيص نمط وراثي منفصل NA. تمت إزالة SNPs ذات التركيب الوراثي المنفصل NA أو العمق تحت مستوى أخذ العينات السفلي في أي فرع من فروع الشجرة من التحليل الإضافي. أجرينا ثلاث مكررات من هذا الإجراء لأعماق 20 و 25 و 30 و 35 و 40 و 45 قراءة.

تم تسلسل مكتبات PacBio لكل فرع باستخدام منصة PacBio Sequel ، وملفات fastq المحاذاة لملف P. trichocarpa فار. ستيتلر 14 مرجع الجينوم باستخدام ngmlr [70] ، وملفات mpileup متعددة العينات التي تم إنشاؤها باستخدام Samtools v1.9 [67] لتحديد عدد الأليل في تعدد الأشكال الجسدية المحتملة. استخدمنا حدًا أدنى لعمق التسلسل لكل عينة يبلغ 20 قراءة واستخدمنا عتبة أليل بديلة قدرها 0.1 لاستدعاء النمط الوراثي متغاير الزيجوت في بيانات PacBio.

لتحديد SNPs الجسدية عالية الثقة للمرشح ، حددنا تعدد الأشكال الجسدية المحتملة مع نفس الأنماط الجينية عبر الفروع باستخدام كل من الأنماط الجينية المستندة إلى PacBio المستندة إلى Illumina ، بما في ذلك SNPs مع البيانات الكاملة في جميع الفروع لكلا النوعين من الأنماط الجينية. من بين هؤلاء ، احتفظنا فقط بـ SNPs التي تكون متماثلة اللواقح في فرع واحد أو لديها انتقال واحد من متماثل الزيجوت إلى متغاير الزيجوت (ولا يوجد ارتداد) ينتقل من الفروع الأدنى إلى الأعلى.

تقدير معدل طفرة النوكليوتيدات الجسدية

بناء على الإطار التحليلي الذي تم تطويره في van der Graaf et al. (2015) و Shahryary et al. 2019 (تقديم مشترك) ، قمنا بتطويره موتسوما (https://github.com/jlab-code/mutSOMA) ، طريقة إحصائية لتقدير معدلات الطفرات الجينية في النباتات المعمرة طويلة العمر مثل الأشجار. تتعامل الطريقة مع بنية تفرعات الشجرة كنسب لسلالات جسدية وتستخدم حقيقة أن سلالات الخلايا هذه تحمل معلومات حول التاريخ الطفري لكل فرع. يتم توفير وصف رياضي مفصل للطريقة في ملف إضافي 3: نص إضافي. لكن باختصار ، بدءًا من ملفات .vcf * من س عينات تمثل فروع مختلفة من الشجرة ، دعونا جيik يكون النمط الجيني المرصود في كالنوكليوتيدات المنفردة (ك = 1, …, ن) في ال أناالعينة ال ، أين ن هو حجم الجينوم الفعال (أي العدد الإجمالي للقواعد ذات التغطية الكافية). مع أربعة نيوكليوتيدات محتملة (A ، C ، T ، G) ، جيik يمكن أن يحتوي على 16 نمطًا وراثيًا محتملاً في جينوم ثنائي الصبغة ، و 4 متماثل الزيجوت (A | A ، T | T ، C | C ، G | G) و 12 متغاير الزيجوت (A | G ، A | T ، ... ، G | C). باستخدام هذا الترميز ، نحسب الاختلاف الجيني ، د، بين أي عينتين أنا و ي على النحو التالي:

أين أنا(جيik, جيكيه) هي دالة مؤشر ، مثل ، أنا(جيik, جيكيه) = 1 إذا كانت العينتان لا تشتركان في أليلات في الموضع ك، 0.5 إذا كانوا يتشاركون واحدًا ، و 0 إذا كانوا يتشاركون كلا الأليلين. نفترض ذلك داي جاي يرتبط بوقت الاختلاف التنموي للعينات أنا و ي من خلال نموذج طفرة جسدية مΘ. يمكن حساب أوقات الاختلاف من بيانات الحفر (ملف إضافي 2: الجدول S14). نحن نمذجة الاختلاف الجيني باستخدام

أين ϵاي جاين(0, σ 2) هو المتبقي الموزع بشكل طبيعي ، ج هو التقاطع و ( _^ < bullet> يسار (_ < varTheta> right) ) هو الاختلاف المتوقع كدالة لنموذج الطفرة م مع متجه المعلمة ϴ. ناقل المعلمة ϴ يحتوي على معدل طفرة غير معروف δ ونسبة غير معروفة γ مواضع الزيجوت غير المتجانسة لأحدث الخلايا "المؤسسة" الشائعة للعينات أنا و ي. الاشتقاق النظري لـ ( _^ < bullet> يسار (_ < varTheta> right) ) والتفاصيل المتعلقة بتقدير النموذج يمكن العثور عليها في الملف الإضافي 3: النص التكميلي. يسمح تقدير التباين المتبقي في النموذج بحقيقة أن جزءًا من التباعد الجيني الملحوظ بين أي عينتين مدفوع بأخطاء التنميط الجيني وكذلك عن طريق الانجراف الجيني الجسدي حيث تمر الخلايا الإنشائية من خلال الاختناقات في توليد الفروع الجانبية .

طرق تحليل المتغيرات الهيكلية

لتحليل المتغير الهيكلي (SV) ، تم إنشاء مكتبات PacBio لأربعة فروع من الشجرة 13 وأربعة فروع من الشجرة 14 مع أربع خلايا متسلسلة لكل فرع باستخدام منصة PacBio Sequel. تمت محاذاة ملفات PacBio fastq إلى ملف P. trichocarpa فار. ستيتلر الجينوم المرجعي باستخدام ngmlr v.0.2.6 [70] باستخدام قيمة 0.01 للعلامة "-R". تم اكتشاف واستدعاء SVs باستخدام pbsv (pbsv v2.2.0 ، https://github.com/PacificBiosciences/pbsv). تم تحديد تواقيع SV لكل عينة باستخدام "اكتشاف pbsv" باستخدام علامة "التكرار الترادفي" وملف BED المتكرر الترادفي الذي تم إنشاؤه باستخدام trf v4.09 [71] لـ P. trichocarpa فار. ستيتلر الجينوم. تم استدعاء SVs بشكل مشترك لجميع الفروع الثمانية باستخدام "استدعاء pbsv". يتغير الإخراج من استدعاء SV المشترك بشكل طفيف اعتمادًا على ترتيب العينات المستخدمة للإدخال في "استدعاء pbsv" ، لذلك تم إنشاء أربع مجموعات من SVs باستخدام أربعة أوامر عينة مختلفة كمدخلات. استخدمنا سكربت R مخصصًا لتصفية إخراج SV من pbsv [59]. نقوم بإزالة الإدخالات أو عمليات الحذف منخفضة التعقيد بتسلسل يحتوي على 80٪ من أحادي النوكليوتيد 8-mer ، أو 50٪ من نوع واحد من ثنائي النوكليوتيد 8-mer ، أو 60٪ من نوعين من نوعين 8-mers ثنائي النوكليوتيد. لقد طلبنا مسافة لا تقل عن 1 كيلو بايت بين SVs. أزلنا SVs بتغطية تسلسلية لأكثر من ثلاثة انحرافات معيارية فوق متوسط ​​التغطية عبر عينة. بعد استدعاء الأنماط الجينية ، تمت إزالة أي SVs مع بيانات النمط الجيني المفقودة.

تم استدعاء الأنماط الجينية بناءً على الإخراج من pbsv باستخدام برنامج نصي R مخصص [59]. لقد طلبنا تغطية بحد أدنى 10 قراءات في جميع العينات ولعينة واحدة تحتوي على 20 قراءة على الأقل. لقد طلبنا حدًا أدنى للاختراق (نسبة القراءة) يبلغ 0.25 وقراءتين على الأقل تحتويان على الأليل الصغير لنمط وراثي متغاير الزيجوت. سمحنا بحد أقصى لاختراق 0.05 للأنماط الجينية متماثلة اللواقح. لكل نمط وراثي ، قمنا بتعيين درجة جودة بناءً على الاحتمال النسبي المرتبط بالتوزيع ذي الحدين لفئات النمط الجيني الثلاثة (RR ، AR ، AA) بناءً على نسبة قراءة A: R ، باستخدام خطأ تسلسل تقديري قدره 0.032 ، والحد الأدنى التقديري اختراق الأليل 0.35. بالنسبة للنمط الجيني بدرجة أقل من 0.9 ولكن مع نفس التركيب الوراثي في ​​SV كعينة أخرى بدرجة أعلى من 0.98 ، تم تعديل النتيجة بضربها في 1.67. تم تحويل أي طرز وراثية ذات درجات معدلة أقل من 0.9 إلى NA. بالنسبة لعمليات الحذف والتكرار والإدراج ، تم اختيار 10 ممثلين في فئات أحجام مختلفة بشكل عشوائي وتم فحص أنماط تعيين القراءات بصريًا باستخدام IGV v2.5.3 [72] لتعيين الدرجات التي تشير إلى مدى جودة دعم أنماط الخرائط المرئية لتعيين SV.تم تحديد الدرجات من خلال ما يلي: "قوية" ، قراءات متعددة محاذاة نفس المواقع في الجينوم المرجعي الذي يدعم نوع SV وحجمه "معتدل" ، وتتماشى القراءات المتعددة مع نفس الموقع المرجعي لجانب واحد من SV ولكنها تتماشى مع مواقع مختلفة أو متعددة في المنطقة للجانب الآخر من SV و "ضعيف" ، محاذاة لمواقع الإسناد التي تشير إلى نوع SV مختلف أو حجم SV مختلف كثيرًا.

تم حساب النسبة المئوية للتسلسل الجيني وتسلسل التكرار الترادفي في عمليات الحذف والتكرار باستخدام P. trichocarpa فار. ستيتلر الشرح والترادف كرر BED من الأعلى ، على التوالي. تم اشتقاق التوقعات على مستوى الجينوم من خلال فصل الجينوم إلى نوافذ 10 كيلوبايت وحساب النسبة المئوية لتسلسل التكرار الجيني والترادفي في كل نافذة. تمت مقارنة توزيع تسلسل التكرار الجيني والمترادف في عمليات الحذف والازدواج مع التوقعات على مستوى الجينوم باستخدام اختبار Kolmogorov-Smirnov المكون من عينتين (من جانب واحد ، نباطل = 39,151, نديل = 10,433, نمزدوج = 630).

تُظهر SVs التباين بين الفروع وتم تحديدها في جميع التكرارات الأربعة ، وهي حالات محتملة لطفرات SV الجسدية أو تحويلات جينية متغايرة الزيجوت ، وتم فحص مواضع تعيين قراءات التسلسل بصريًا باستخدام IGV [72] لتأكيد التباين في هذه SVs.

تسلسل ميثيل سي سي والتحليل

تم إنشاء مكتبة MethylC-seq واحدة لكل فرع من أنسجة الأوراق. تم إعداد المكتبات وفقًا للبروتوكول الموضح في Urich et al. [73]. تم تسلسل المكتبات إلى 150 نقطة أساس لكل قراءة في Georgia Genomics & amp Bioinformatics Core (GGBC) على منصة NextSeq500 (Illumina). متوسط ​​عمق التسلسل كان

41.1 × بين العينات (ملف إضافي 2: الجدول S8).

تمت معالجة قراءات MethylC-seq ومحاذاة باستخدام Methylpy v1.3.2 [74]. تم استخدام المعلمات الافتراضية باستثناء ما يلي: تمت إزالة القراءات النسيليّة ، وتم استخدام DNA lambda كعنصر تحكم غير ميثيل ، وتم إجراء اختبار ذي الحدين لجميع السيتوزينات مع ثلاث قراءات معينة على الأقل. تم تحديد مستويات المثيلة باستخدام مستوى مثيلة مرجح ، مثل mC / (mC + uC) حيث mC و uC هما عدد القراءات التي تدعم السيتوزين الميثيل والسيتوزين غير الميثيل ، على التوالي (C / C + T) [44]. تم قياس معدلات تحويل ثنائي كبريتيت الصوديوم مقابل الارتفاع الحاد في الحمض النووي لامدا (الذي كان غير ميثيل). كانت جميع المعدلات أعلى بكثير من 99٪ (الملف الإضافي 2: الجدول S8).

تحديد المناطق الميثيلية التفاضلية

تم تحديد المناطق الميثيلية التفاضلية (DMRs) باستخدام Methylpy v1.3.2 [74]. تم تحليل جميع عينات الميثيلوم معًا لإجراء تحديد غير موجه لـ DMRs عبر جميع العينات في سياق CNN (N = A ، C ، G ، T). تم استخدام المعلمات الافتراضية. تم دمج المناطق التي تحتوي على ما لا يقل عن ثلاثة سيتوزينات ميثلة تفاضليًا (DMS) في DMRs خام. لم يتم دمج DMS مع اتجاهية مختلفة (فرط مقابل hypo). تم استخدام DMRs التي لا يقل طولها عن 40 نقطة أساس مع خمسة أو أكثر من السيتوزينات (ثلاثة منها ميثيل تفاضليًا) مع قراءة واحدة على الأقل للتحليل اللاحق. لكل DMR ، تم حساب مستوى المثيلة الموزون كـ mC / (mC + uC) حيث mC و uC هما عدد القراءات التي تدعم السيتوزين الميثيل والسيتوزين غير الميثيل ، على التوالي [44].

لتحديد المتغيرات اللاجينية في هذه العينات ، استخدمنا جانب واحد ض- اختبار لاختبار وجود فرق كبير في مستوى مثيلة DMRs الزوجي بين الفروع [59]. لكل زوج ، تم استخدام DMRs مع اختلاف لا يقل عن 5 ٪ في مستوى المثيلة ، بغض النظر عن السياق الأساسي. الناتج ص تم تعديل القيم باستخدام تصحيح Benjamini-Hochberg (ن = 383600) مع FDR = 0.05 [75] ، ويتم تحديد DMRs من خلال تعديلها ص القيمة ≤ 0.05.

تحديد المناطق الميثيلية

لكل عينة ، تم إنشاء ميثيلوم غير ميثيل عن طريق تعيين عدد القراءات الميثيلية إلى الصفر مع الحفاظ على العدد الإجمالي للقراءات. تم تطبيق برنامج تعريف Methylpy DMR [74] على كل عينة باستخدام methylome الأصلي و methylome غير الميثيل مع نفس المعلمات المستخدمة لتحديد DMR. تمت إزالة المناطق التي يقل طولها عن 40 نقطة أساس ، وأقل من ثلاثة DMS ، وأقل من خمسة سيتوزينات بقراءة واحدة على الأقل. تم دمج المناطق المتبقية من جميع العينات باستخدام BEDtools v2.27.1 [76].

تعيين ميزات الجينوم إلى DMRs

تم إنشاء خريطة معالم جينومية بحيث تم تعيين نوع ميزة واحد لكل زوج أساسي من الجينوم (عنصر / تكرار قابل للتبديل ، محفز ، منطقة غير مترجمة ، تسلسل ترميز ، و intron) بناءً على التعليق التوضيحي الموصوف سابقًا. تم تعريف المروجين على أنها 2 كيلو بايت في المنبع من موقع بدء النسخ لجينات ترميز البروتين. في المواضع التي يمكن أن تكون فيها أنواع ميزات متعددة قابلة للتطبيق ، مثل الينقولات في intron أو المروج المتداخل مع الجين المجاور ، تم إعطاء الأولوية للعناصر القابلة للنقل ، والمناطق غير المترجمة ، والإنترونات ، وتسلسل الترميز ، والمروجين. واعتبرت المواقف التي لم يتم تعيينها من بين الجينات. تم تعيين محتوى السمات الجينومية لكل DMR ومنطقة ميثلة بشكل متناسب بناءً على عدد القواعد في كل فئة.

تم إجراء تحليل GO Enrichment لمحفز DMRs باستخدام topGo v2.34.0 مع nodeSize = 10 ودقائق فيشر الموزونة لنماذج BP و CC و MF [77]. تم تحديد أهمية ل ص القيمة & لتر 0.001.

تحديد مثيلة الأليل الزائف

لقد هدفنا إلى تصنيف DMRs إلى ثلاث حالات أليل زائفة: متماثل اللواقح ميثليته ، متغاير الزيجوت ، ومتماثل الزيجوت غير ميثيل. أولاً ، تم ترشيح DMRs وفقًا للمعايير التالية: (1) تغيير بنسبة 25 ٪ على الأقل في مستوى مثيلة CG الموزون بين أعلى وأدنى مستوى مثيلة للعينات (2) كان لدى عينة واحدة على الأقل مستوى مثيلة CG بنسبة 75 ٪ على الأقل و (3) وظيفتان على الأقل "مغطيتان" في حوكمة الشركات. يتم تعريف CG "المغطاة" على أنها قراءة واحدة على الأقل لكل من السيتوزينات المتناظرة في جميع العينات. بعد التصفية ، تم استخدام 4488 منطقة للتحليل.

لكل منطقة في كل عينة ، نقوم بعد ذلك بتصنيف القراءات المتوافقة التي تتداخل مع المنطقة [59]. إذا تمت ميثلة 35٪ على الأقل من مواقع CG "المغطاة" ، يتم تصنيف القراءة على أنها ميثلة. خلاف ذلك ، فهي قراءة غير ميثلة. أخيرًا ، نحدد حالة الأليل الزائف بجزء من الميثيل يقرأ متماثل اللواقح غير ميثيل: ≤ 25٪ ، متغاير الزيجوت: & gt 25٪ و & lt 75٪ ، وميثيل متماثل: ≥ 75٪.

تم إنشاء التوزيع الفارغ عن طريق الخلط العشوائي لـ DMRs التي تمت تصفيتها في الجينوم بحيث تكون كل منطقة تمت محاكاتها بنفس طول المنطقة الأصلية وتحتوي على اثنين على الأقل من CGs "المغطاة". تم تطبيق الإجراء أعلاه وتم تحديد عدد تغييرات النمط اللاجيني. تكرر هذا لما مجموعه 10 مرات.

تم تحديد الفئات الخاصة التالية من DMRs: متغير للغاية ، وخسارة فردية ، وكسب فردي ، وشجرة محددة. يكون DMR متغيرًا بدرجة كبيرة إذا كانت هناك تغييرات زائفة في الأليل بين جميع الفروع المجاورة. يعتبر DMR خسارة فردية إذا كان كل الفروع باستثناء واحد متماثل اللواقح ، وكان أحدهما متماثل اللواقح غير ميثيل. وبالمثل ، فإن DMR هو مكسب فردي إذا كان جميع الفروع متجانسة غير ميثيل ما عدا فرع واحد وكان فرع واحد متماثل اللواقح ميثيلًا. أخيرًا ، يكون DMR "خاصًا بالأشجار" إذا كانت جميع فروع الأشجار الثلاثة عشر متماثلة اللواقح غير ميثيل وكانت جميع فروع الأشجار الأربعة عشر متماثلة اللواقح أو العكس.

تقدير معدل النمو الجسدي

لقد طورنا سابقًا طريقة لتقدير معدلات الإصابة بـ "السلالة الجرثومية" في A. thaliana استنادًا إلى بيانات مثيلة متعددة الأجيال من خطوط تراكم الطفرات [34]. في ورقة طريقة مصاحبة للدراسة الحالية (Shahryary et al. 2019 ، التقديم المشترك) ، قمنا بتوسيع هذا النهج لتقدير معدلات الإضمحلال الجسدي في النباتات المعمرة طويلة العمر مثل الأشجار التي تستخدم ميثيل الأوراق وبيانات الحفر كمدخلات. طريقة الاستدلال الجديدة هذه التي نسميها الحروف الأبجدية، يعامل الهيكل المتفرّع للشجرة كنسب من السلالات الجسدية باستخدام حقيقة أن هذه السلالات الخلوية تحمل معلومات حول التاريخ الوراثي لكل فرع. الحروف الأبجدية يتم تنفيذه كحزمة موصل حيوي R (http://bioconductor.org/packages/devel/bioc/html/AlphaBeta.html). النتائج توضح بالتفصيل أهمية تراكم epimulation كما هو موضح في Shahryary et al. (2019) واردة في الملف الإضافي 2: الجدول S9. باستخدام هذا النهج ، نقوم بتقدير معدلات الإحداث الجسدية لمواقع CG و CHG و CHH الفردية بشكل مستقل ، ولكن أيضًا للمناطق. بالنسبة للتحليل على مستوى المنطقة ، نستخدم أولاً المناطق الميثيلية التفاضلية (DMRs) المحددة أعلاه. أخذ العينات من توزيع أحجام DMR ، ثم قسمنا ما تبقى من الجينوم إلى مناطق ، والتي نشير إليها باسم "non-DMRs". لكل عينة ، نقوم بتجميع العدد الإجمالي للـ Cs الميثيل والـ Cs غير الميثيل في كل منطقة تقابل DMR أو غير DMR واستخدمنا هذه الأعداد كمدخلات لـ الحروف الأبجدية.

في تجربة النسخ المتماثل للشجرة 13 والشجرة 14 ، قمنا بتسلسل ميثيلوم الأوراق من سبعة فروع مأخوذة من نفس الفروع (3 عينات من شجرة 14 و 4 عينات من شجرة 13). كشفت مراقبة الجودة الأولية لبيانات الميثيلوم أن خمسة من العينات السبعة (14-3.1 ، 13-1.1 ، 13-2.1 ، 13-3.1 ، 13-5.1) متجمعة جيدًا مع مكرراتها المتطابقة مع الفروع. ومع ذلك ، كشفت اثنتان من العينات المأخوذة من الشجرة 14 (14-4.1 و14-5.1) أن التلوث يجعلها غير صالحة للاستعمال. لذلك ، تم استبعادهم من مزيد من التحليل. باستخدام التكرارات الخمسة المتبقية ، أعدنا تقدير معدلات الكسب والخسارة على مستوى الجينوم ووجدنا أنها كانت مشابهة جدًا لتلك التي تم الحصول عليها من العينات الأصلية (ملف إضافي 1: الشكل S6a-d). بالإضافة إلى تحليل شجرة "كامل" (يتضمن عينات من كل من الشجرة 13 والشجرة 14) ، قمنا أيضًا بفحص تراكم epimulation في الشجرة 13 وحدها (ملف إضافي 1: الشكل S6e). على غرار الاتجاهات التي لاحظناها مع العينات الأصلية (ملف إضافي 1: الشكل S6e-h) ، زاد اختلاف 5mC كدالة للعمر في البيانات المكررة ، على الرغم من أن أنماط التراكم هذه ليست مهمة بسبب أحجام العينات الصغيرة (ن = 4).

تسلسل mRNA-seq والتحليل

تم استخراج إجمالي الحمض النووي الريبي من أنسجة الأوراق في كل فرع باستخدام مجموعة Direct-zol RNA MiniPrep Plus (Zymo Research) مع كاشف RNA النباتي من Invitrogen. تم تقييم إجمالي جودة وكمية الحمض النووي الريبي (RNA) قبل بناء المكتبة. تم إنشاء مكتبات RNA-seq الخاصة بالجدار باستخدام مجموعة TruSeq Stranded mRNA LT (Illumina) باتباع إرشادات الشركة المصنعة. لكل عينة ، تم إنشاء ثلاث مكتبات مستقلة (مكررات تقنية). تم تسلسل المكتبات إلى قراءات 75-نقطة أساس مقترنة في GGBC على منصة NextSeq500 (Illumina). يتم تضمين الإحصائيات الموجزة في الملف الإضافي 2: الجدول S10.

للتحليل ، أولاً ، تم قطع قراءات النهاية المزدوجة باستخدام Trimmomatic v0.36 [78]. تضمن التشذيب إزالة محولات TruSeq3 ، والقواعد ذات نقاط الجودة الأقل من 10 ، وأي قراءات أقل من 50 زوجًا أساسًا. ثانيًا ، تم تعيين القراءات المتبقية إلى ملف ستيتلر الجينوم مع HiSAT2 [79] باستخدام المعلمات الافتراضية باستثناء الإبلاغ عن المحاذاة لمجمعات النسخ (--dta). تم إنشاء فهرس النسخ HiSAT2 باستخدام مواقع لصق وإكسونات مستخرجة من شرح الجين على النحو الموصى به. أخيرًا ، تم حساب الوفرة النصية للجينات في التعليق التوضيحي المرجعي لكل عينة باستخدام StringTie v1.3.4d [80]. تم استخدام المعلمات الافتراضية باستثناء الحد من التقديرات للإشارة إلى النصوص. تم إخراج قيم TPM (النصوص لكل مليون) لتمثيل وفرة النسخ.

تحديد الجينات المعبر عنها تفاضليًا

تم تحديد الجينات المعبر عنها تفاضليًا (DEGs) باستخدام DeSeq2 v1.22.2 [49]. تم استخراج مصفوفة العد من ملفات إخراج StringTie وتم إجراء التحليل باستخدام البروتوكول (ccb.jhu.edu/software/stringtie/index.shtml؟t = manual # deseq). تم ضم الوفرة لجميع العينات في مجموعة بيانات DESeq واحدة مع α = 0.01. تمت مقارنة وفرة الجينات بين جميع العينات في الزوجين. في كل زوج ، تم التعبير عن الجين بشكل تفاضلي إذا تم تعديله ص القيمة ≤ 0.01 والسجل2-تغيير أضعاف 1. تم تضمين الجينات المعبر عنها تفاضليًا في أي زوج للتحليل اللاحق.

تداخل DMRs و DEGs

حددنا DMRs التي تداخلت مع منطقة المروج (2 كيلو بايت في بداية موقع بدء النسخ) والجسم الجيني للجينات المشروحة. لكل زوج من الجينات DMR ، قمنا بحساب معامل الارتباط اللحظي للمنتج من Pearson بين مستوى المثيلة الموزون لـ DMR ومتوسط ​​وفرة الجينات بين التكرارات في TPM. بعد ذلك ، بالنظر فقط إلى الجينات التي تم تحديدها سابقًا على أنها معبر عنها بشكل مختلف ، أجرينا اختبار ارتباط بيرسون على الوجهين لكل زوج DMR-DEG لاختبار الارتباطات ذات الدلالة الإحصائية. الناتج ص تم تصحيح القيم باختبار متعدد باستخدام تصحيح Benjamini-Hochberg (ن = 382 ، FDR = 0.05) [75]. معدلة ص القيم ≤ 0.05 اعتبرت مرتبطة بشكل كبير.


التأثيرات فوق الجينية على التباين المظهرى

تستند الدراسات الجينية الكمية على فهم مكونات التباين داخل الإطار الخامسص = الخامسجي + الخامسه، أين الخامسص هو إجمالي التباين الظاهري في سمة في مجتمع ما ، الخامسجي هو التباين الظاهري المنسوب إلى التباين الجيني ، و الخامسه يشير إلى جميع مصادر التباين الظاهري الأخرى التي لا تمثل التباين الجيني (Falconer and Mackay 1996). في هذا التقسيم البسيط ثنائي التفرع ، الخامسه غالبًا ما يطلق عليه بشكل مضلل "التباين البيئي" ، على الرغم من أنه يحتوي على أكثر من مجرد تباين بيئي. لكن الخامسه يمكن تعريفها أيضًا بالمعنى الضيق حيث أن التباين المظهرى يعزى فقط إلى التباين البيئى (Scheiner and Goodnight 1984). عند تعريف الخامسه يقتصر على التباين المظهرى المنسوب إلى التباين البيئى الحقيقي ، يتم تقسيم المصطلحين الإضافيين فى معادلة التباين المظهرى: الخامسGxE، التباين الظاهري المنسوب إلى تفاعل النمط الجيني حسب البيئة ، و الخامسɛ، التباين المتبقي أو الخطأ الذي لم يتم تفسيره بواسطة أي من مصادر التباين الأخرى (أي لم يتم شرحه بواسطة الخامسجي, الخامسه، أو الخامسGxE) (شاينر وجود نايت 1984). نجادل بأن كل مكون من مكونات المعادلة الخامسص = الخامسجي + الخامسه + الخامسGxE + الخامسɛ يمكن أن يتأثر بعلم التخلق ، وقسم إضافي ، COVGE، يمكن أن تتأثر أيضًا بعلم التخلق. نوضح أيضًا كيف يمكن لكل مكون من مكونات التباين من معادلة التباين المظهرى الموسع أن يؤثر على التطور. لذلك ، لا يمكن تنحية تأثيرات علم التخلق على أي من مكونات التباين بأمان وتجاهلها عند التفكير في العمليات التطورية والنتائج التطورية.

علم التخلق ، الخامس جيوالتطور

جزء التباين الجيني من التباين الظاهري ، الخامسجي، يمكن تشريحها إلى: الخامسأ + الخامسد + الخامسأنا + الخامسجي، أين الخامسأ هو التباين الجيني الإضافي ، أي جزء التباين الجيني الكلي الموروث بطريقة مضافة. الخامسد (تباين الهيمنة) ، الخامسأنا (التفاعل الجيني - الجيني) ، و الخامسجي (التباين الجيني المتبقي) هي أجزاء أخرى من التباين الجيني الكلي (Falconer and Mackay 1996). الخامسأ هو جزء من التباين المظهرى الضروري للتغير التطوري ، وعندما يتم توحيده من خلال التباين المظهرى الكلى (الخامسص) تُعرَّف بأنها وراثة بالمعنى الضيق (ح 2). يعد التوريث الضيق أمرًا مهمًا في كل من التربية الزراعية وفي النظرية التطورية ، لأنه يصف التباين الضروري لتطور السمات (Lopez-Fanjul and Garcia-Dorado 2011). تتمثل أهمية الوراثة ذات المعنى الضيق للتطور في "معادلة المربي" ، ص = ح 2 ق ، أين ص هو الرد على الاختيار على سمة ، ح 2 هي توريث السمة ، و S هي قوة الانتقاء على السمة (Falconer and Mackay 1996). في هذه المعادلة ، التطور هو الرد على الاختيار.

إلى الحد الذي تساهم فيه الآليات اللاجينية بشكل إضافي في النمط الظاهري ، يمكن العثور على التباين اللاجيني في مكون التباين الوراثي الإضافي ، الخامسأ، من إجمالي التباين الجيني. قد يكون من الممكن فصل التباين اللاجيني من الخامسأ (انظر القسم أدناه بعنوان دمج التأثيرات اللاجينية في دراسات الجينات الكمية Spencer 2002 Santure and Spencer 2006 ، 2011 Tal et al. 2010 Macdonald 2012 Varona et al. 2015). لكن الآليات اللاجينية يمكن أن تسهم أيضًا في انحرافات الهيمنة ، لأنه لا يوجد سبب لافتراض أن إعادة تشكيل الكروموسومات اللاجينية يجب أن يكون لها تأثيرات مضافة بحتة على النمط الظاهري. لذلك ، يمكن أن يساهم علم التخلق أيضًا في التباين في انحرافات الهيمنة (V.د) جزء من التباين الجيني الكلي. لم يتم التحقيق بدقة في مساهمة علم التخلق في انحرافات الهيمنة ، على حد علمنا ، ولكن من المفيد معرفة المزيد حول مقدار مساهمة الآليات اللاجينية في الخامسد.

قد تؤثر الجينات المعاد تشكيلها جينياً على التعبير عن الجينات الأخرى وتأثيراتها على النمط الظاهري ، وبالتالي يمكن أن تؤثر الوراثة اللاجينية على التباين المعرفي ، الخامسأنا، جزء من التباين الجيني الكلي أيضًا. شيفابراساد وآخرون. (2012) درس أنماط التعبير الجيني في F1 ذرية تهجين بين الطماطم المزروعة (Solanum lycopersicum) وقريب بري (Solanum pennellii) ووجدوا أن الحمض النووي الريبي المتداخل الصغير أو الصغير كان أكثر وفرة في الهجينة منه في أي من الوالدين ، وأن تراكم مثل هذه الرناوات المتعدية يرتبط بقمع الجينات المستهدفة المقابلة. في إحدى الحالات ، ارتبط هذا التأثير بفرط الميثيل للحمض النووي الجيني المقابل. أشار Smith and Weigel (2012) إلى أن العديد من الحمض النووي الريبي يتم إنتاجه من مناطق غير مشفرة أو عناصر قابلة للنقل ، والتي تتباعد بسرعة أكبر من الجينات المشفرة للبروتين وبالتالي توفر فرصة أكبر للتفاعلات الجينية غير المتوقعة. إلى الحد الذي يتم فيه التوسط في تغييرات التعبير الجيني عن طريق التغيرات اللاجينية (كما في Shivaprasad et al. 2012) ، يمكن أن تؤثر التخلق المتوالي. الخامسأنا.

التأثيرات اللاجينية على الخامسجي يمكن أن تؤثر بشكل واضح على التطور من خلال تأثيرها على الخامسأ (المكون الإضافي للتنوع الجيني الكلي) ، نظرًا لأن الاستجابة للانتخاب (التطور) في معادلة المربي تعتمد جزئيًا على ح 2 ، وهو مقياس موحد الخامسأ. لكن التأثيرات اللاجينية على الخامسأنا (المكون المعرفي للتباين الجيني الكلي) يمكن أيضًا تحويله إلى تباين وراثي إضافي من خلال عمل الانجراف الجيني والاختناقات الجينية التي تتسبب في تثبيت بعض المواقع ، مما يلغي تأثيرات التفاعل بين المواقع (Cheverud and Routman 1995 Hill 2017). يمكن أن تكون التأثيرات اللاجينية التي قد تكون متضمنة في التفاعلات المعرفية مهمة من الناحية التطورية أثناء أحداث الانتواع ، عندما يتم عزل المؤسسين في مجموعات أصغر ويتم تقليل التنوع الجيني. تتم إعادة برمجة الاختلاف الجيني من خلال التهجين بين الأنواع في البرية وفي السياقات الزراعية (Salmon et al. 2005 Salmon et al. 2008) ، وقد يقوي الحواجز الإنجابية بين الأنواع (Smith and Weigel 2012). باختصار ، التأثيرات اللاجينية على الخامسجي يمكن أن تؤثر على التطور ، من خلال تأثيرها على الخامسأنا وكذلك عن طريق تأثيرها على الخامسأ المكون غير الإضافي لـ الخامسجي لا ينبغي تجاهلها عند حساب التأثيرات اللاجينية على التباين الظاهري والتطور.

علم التخلق ، الخامس ه بالمعنى الضيقوالتطور

اللدونة المظهرية هي قدرة النمط الجيني على إنتاج أنماط ظاهرية مميزة استجابة لظروف بيئية مختلفة (Pigliucci 2001). يمكن قياسها كميًا لفرد واحد ، أو لعدة مكررات من نفس النمط الجيني ، عبر بيئات مختلفة. يمكن أن يشير "النمط الجيني" في هذه الحالة إلى الأفراد الذين لديهم تكوينات محددة من الأليلات في موضع معين. يمكن أن يشير أيضًا إلى النسخ المستنسخة للفرد (على سبيل المثال ، فالوب النيابة. ريتشاردز وآخرون. 2008 Parepa et al. 2014) ، النسل الأبوميكاني (على سبيل المثال ، Taraxicum Verhoeven and van Gurp 2012) أو سلالة فطرية من نوع مثل Landsberg منتصب سلالة من نبات الأرابيدوبسيس thaliana (Koornneef and Meinke 2010) أو سلالة Sprague-Dawley من الجرذ الجرذ النرويجي (هسو ولاي 2007). تُقاس اللدونة عادةً بالنمط الظاهري في بيئة واحدة مطروحًا منها النمط الظاهري في البيئة الأخرى ، ويتم تصويرها على الرسم البياني على أنها "معيار التفاعل" (Pigliucci 2001 الشكل 1). كلما زاد الاختلاف في النمط الظاهري بين البيئتين ، زادت اللدونة. يمكن أيضًا وصف اللدونة المظهرية على أنها تباين النمط الظاهري في مجموعة البيانات الذي يرجع إلى الاختلافات في النمط الظاهري بين بيئتين مختلفتين أو أكثر. وبهذه الطريقة ، يتم تمثيل اللدونة بالمصطلح الخامسه بالمعنى الضيق في تقسيم التباين الظاهري (Scheiner and Goodnight 1984).

النمط الظاهري (ذ-محور) لنفس السلالة الفردية / الفطرية / التركيب الوراثي في ​​بيئتين مختلفتين (x-المحور) كقاعدة رد فعل. يشير النمط الظاهري في البيئة 2 مطروحًا منه النمط الظاهري في البيئة 1 إلى مقدار اللدونة المظهرية (الخامسه) يوجد

إلى الحد الذي تنشأ فيه التغييرات في النمط الظاهري في بيئات مختلفة من التغيرات في التعبير الجيني ، يمكن أن تساهم التعديلات اللاجينية في تلك التغييرات في التعبير الجيني (Duncan et al. 2014). توجد أمثلة على اللدونة التي تتم بوساطة التخلق في العديد من الأصناف ، بما في ذلك النباتات المزهرة (Geng et al. 2013 Zhang et al. 2013 Herman and Sultan 2016) ، والخميرة (Herrera et al. 2012) ، ونحل العسل (Kucharski et al. 2008) ، النمل (Bonasio et al. 2012 Simola et al. 2013) ، الثدييات (Oberlander et al. 2008 Godfrey et al. 2011 Lim et al. 2012 Hunter et al. 2015) ، والطيور (Lindqvist et al. 2007 Natt et al. 2009 Goerlich وآخرون 2012 Nätt وآخرون 2012). بشكل عام ، من المحتمل أن تكون التعديلات الوراثية اللاجينية آلية شائعة لدونة النمط الظاهري (Nicotra et al. 2010 Richards et al. 2010 Geng et al. 2013 Herman et al. 2014 Herman and Sultan 2016) ، ويمكن أن تفسر بعض التباين الظاهري عبر تأثيرها على الاستجابة للبيئة (الخامسه).

أحد الأمثلة ذات الصلة على اللدونة المظهرية بوساطة التعديلات اللاجينية يأتي من Thorson et al. (2017). قاموا بفحص الاختلاف المورفولوجي والتباين اللاجيني في تجمعات حلزون المياه العذبة اللاجنسي من الأنواع Antipodarum Potamopyrgus من موائل البحيرة والنهر المتناقضة. ووجدوا أن السكان يظهرون اختلافات معينة في الموائل في شكل الصدفة تكون قابلة للتكيف مع مراعاة سرعات تيار المياه في بيئاتهم. ارتبطت هذه الاختلافات مع اختلافات كبيرة في مثيلة الحمض النووي على مستوى الجينوم بين القواقع من موائل مختلفة ، وتكررت أنماط المثيلة المختلفة في الموائل المتماثلة. لأن هذه القواقع تحتوي على القليل من الاختلافات الجينية الجزيئية ، Thorson et al. (2017) افترض أن الاختلافات في شكل القشرة بين الموائل ترجع إلى اللدونة المظهرية التكيفية التي تتوسطها آليات الوراثة اللاجينية ، وتحديداً مثيلة الحمض النووي في جميع أنحاء الجينوم. من الممكن ألا تكون الاختلافات الملحوظة في المثيلة بين الموائل ناتجة عن البيئة فحسب ، بل هي أيضًا وراثية ، ولكن لم يتم اختبار هذا الاحتمال الإضافي.

في حين أن التعديلات اللاجينية قد توفر نظرة ثاقبة للتفاصيل الجزيئية لدونة النمط الظاهري (Nicotra et al. 2010) ، فإن الاثنين ليسا قابلين للتبادل تمامًا. كما هو موضح أعلاه ، تم العثور على علم التخلق أيضًا في الخامسجي جزء من تشريح التباين المظهرى ، وهو ليس استجابة بلاستيكية للبيئة. علاوة على ذلك ، يمكن أن تكون اللدونة المظهرية ناتجة عن العديد من الآليات الكيميائية الحيوية (تمت مراجعتها في Kelly et al. 2012) ، ولا تتضمن كل هذه الآليات علم التخلق. على سبيل المثال ، يمكن أن تكون اللدونة المظهرية بسبب القيود الحركية لوظائف الإنزيم استجابة لدرجة الحرارة. يمكن رؤية هذا النوع من اللدونة في النباتات ، التي لديها نطاقات درجة حرارة مثالية لعملية التمثيل الضوئي ، مدفوعة بالخصائص الحركية للإنزيمات والآليات الأخرى المعنية (Yamasaki et al.2002). لذلك ، يمكن أن تسير تفاعلات التمثيل الضوئي بشكل أبطأ أو أسرع اعتمادًا على نظام درجة الحرارة الذي يمر به النبات ، ويمكن أن يكون النمو المحسن للنبات تحت درجات حرارة أعلى بشكل معتدل بسبب زيادة معدلات التفاعلات الأنزيمية وليس بالضرورة إلى الآليات اللاجينية. تعد النطاقات البيئية المثلى للإنزيمات جانبًا أساسيًا لعلم وظائف الأعضاء الخلوي عبر مجالات الحياة (Geueke and Kohler 2010) ، لذا فإن هذا المثال قابل للتعميم على أي نوع. وبالمثل ، إلى الحد الذي ينمو فيه الكائن الحي بشكل أكبر استجابةً للمغذيات لمجرد أنه يحتوي على المزيد من المواد لبناء المزيد من الخلايا والمزيد من الهياكل ، فإن هذا لا ينتج بالضرورة عن آلية جينية تتوسط في الاستجابة البلاستيكية لحجم الكائن الحي لمستويات المغذيات. باختصار ، يمكن أن يُعزى بعض التباين الظاهري إلى تعديلات جينية غير مرنة (مثل تأثير الوراثة اللاجينية. الخامسجي) وبعض التباين المظهرى يرجع إلى اللدونة التى لا تنتج عن تعديلات الوراثة اللاجينية.

التأثيرات اللاجينية على الخامسه بالمعنى الضيق قد لا يكون له تداعيات واضحة على التطور ، بالنظر إلى أن التباين البيئي لا يحتوي على مكون قابل للتوريث فيه. لكن الحالات اللاجينية تختلف عن تباين تسلسل الحمض النووي في أن الحالات اللاجينية يمكن أن تكون مستحثة بيئيًا ثم موروثة في خط الجراثيم (Morgan et al. 1999 Waterland and Jirtle 2003 Verhoeven et al. 2010 Richards et al. 2012 Frésard et al. 2013 and تمت مراجعته في Richards et al. 2017). وبالتالي ، يمكن أن تفسر آليات الوراثة اللاجينية بعضًا من الاستجابة البلاستيكية لسمة ما تجاه البيئة (وهي الخامسه بالمعنى الضيق) ثم يتم تحويلها إلى تباين وراثي مضاف. من المستغرب كما قد يبدو للوهلة الأولى أن التأثيرات اللاجينية على الخامسه بالمعنى الضيق لها آثار تطورية لحساب الخامسأ، وبالتالي التأثيرات اللاجينية على الخامسه بالمعنى الضيق قد تؤثر على التطور.

علم التخلق ، الخامس GxEوالتطور

يمكن أن تختلف تأثيرات البيئة على النمط الظاهري حسب التركيب الوراثي (الشكل 2). بعبارة أخرى ، يمكن أن يتغير تعبير الجينات ووظيفتها اعتمادًا على الأليلات المحددة التي تشتمل على النمط الجيني (Gillespie and Turelli 1989). هذه الظاهرة المنتشرة (Baye et al. 2011 De Marais et al. 2013 Rauw and Gomez-Raya 2015) ، المسماة "تفاعل النمط الجيني حسب البيئة" ، مقسمة من إجمالي التباين الظاهري (Scheiner and Goodnight 1984). تُظهر أي طرز وراثية في الشكل 2 ذات منحدرات غير صفرية مرونة (Pigliucci 2001) ، وتشير حقيقة أن الأنماط الجينية المختلفة لها منحدرات مختلفة إلى وجود تباين جيني في اللدونة (Scheiner and Lyman 1989). وبالتالي ، هناك مكونات بيئية وجينية في الخامسGxE.

النمط الظاهري (ذ-المحور) لثلاثة أفراد مختلفين / سلالات فطرية / طرز وراثية في بيئتين مختلفتين (x-المحور) كقاعدة رد فعل. يشار إلى كل سلالة فردية / سلالة / نمط وراثي برمز + لون مختلف. حقيقة أن الأنماط الجينية الثلاثة لها قيم مختلفة للنمط الظاهري في البيئة 2 مطروحًا منها النمط الظاهري في البيئة 1 تشير إلى أن هناك تباينًا جينيًا في اللدونة (الخامسGxE)

مثلما يمكن أن تكون هناك مساهمات جينية في البيئة (الخامسه) والجينية (الخامسجي) مكونات التباين الظاهري ، يمكن أيضًا أن تكون هناك مساهمات جينية في تفاعل النمط الجيني حسب البيئة (الخامسGxE). خذ ، على سبيل المثال ، الأنماط الجينية في الشكل 2 في البيئة 1. ضمن تلك البيئة ، يوجد تباين وراثي في ​​النمط الظاهري - للأنماط الجينية الثلاثة وسائل وراثية مختلفة. كما هو موضح أعلاه ، يمكن أن يساهم علم التخلق في التباين الجيني. وبالمثل ، خذ نفس الأنماط الجينية في الشكل 2 في البيئة 2. ضمن تلك البيئة ، يوجد أيضًا تباين جيني في النمط الظاهري ، وبالتالي ، يمكن أن تساهم الآليات اللاجينية في التباين الجيني داخل تلك البيئة. الآن خذ النمط الجيني 1 وافحص كيف يتغير النمط الظاهري عبر البيئات. هذه هي اللدونة المظهرية ، ويمكن أن تساهم الآليات اللاجينية في اللدونة المظهرية ، كما هو موضح أعلاه.

توقيع التأثيرات اللاجينية على الخامسGxE تم توثيقه في دراسات قليلة. Bossdorf et al. (2010) تعامل مع مجموعة من السلالات الفطرية الطبيعية نبات الأرابيدوبسيس thaliana باستخدام عامل إزالة الميثيل 5-أزاسيتيدين وفحص عواقب هذا العلاج على مرونة صفات النبات إلى مستويات المغذيات. من خلال النظر في كيفية تأثير إزالة الميثيل على الاستجابات البلاستيكية للخطوط الفطرية مقارنة بنظيراتها الضابطة ، وجدوا أن تأثير إعادة التشكيل اللاجيني على الاستجابات البلاستيكية يختلف بين السلالات الفطرية (الشكل 3). لكن التغييرات في الاستجابات البلاستيكية لم تتطابق إلا بشكل ضعيف مع ما يمكن توقعه من خلال ارتباط الخطوط ببعضها البعض. يشير هذا إلى أن السلالات الفطرية اختلفت في أنماط المثيلة بطرق منفصلة جزئيًا على الأقل عن تشابه تسلسل الحمض النووي. وبالمثل ، Tatra et al. (2000) بحث في استجابة مثيلة الحمض النووي إلى اللدونة بوساطة الإشعاع لاستطالة الساق في نمطين بيئيين من Stellaria longipesباستخدام تصميم متعدد العوامل للضوء و 5-أزاسيتيدين. وجدوا أن استجابات البلاستيك للضوء قد تغيرت بشكل مختلف عن طريق إزالة الميثيل بين نمطين بيئيين مختلفين. في دراسة أخرى ، استخدم هيرمان وسلطان (2016) نزع الميثيل في بوليغونوم بيرسيكاريا لإثبات أن وراثة الاستجابة التكيفية في نسل النباتات المعرضة للجفاف كانت بوساطة مثيلة الحمض النووي. اختلف تأثير نزع الميثيل على وراثة الاستجابة التكيفية بين السلالات الفطرية. تثبت هذه الدراسات تجريبياً أن التعديلات اللاجينية يمكن أن تفسر بعض الاختلافات في الاستجابات البلاستيكية بين الأنماط الجينية. إلى الحد الذي تكون فيه الاختلافات الوراثية فوق الجينية موروثة ، قد تفسر الآليات اللاجينية بعض الاختلافات الموروثة في اللدونة بين الأنماط الجينية المختلفة.

التباين الوراثي في ​​تأثيرات إزالة الميثيل التجريبية على اللدونة المظهرية للنبات. توضح معايير التفاعل كيف يغير العلاج بـ 5-أزاسيتيدين الاستجابة الفينولوجية لإضافات المغذيات في 22 نمطًا وراثيًا من نبات الأرابيدوبسيس thaliana. يتم تمييز نمطين وراثيين مع استجابات متناقضة بالخط العريض. مستنسخة من Bossdorf et al. (2010) بإذن

يمكن اعتبار تفاعل النمط الجيني حسب البيئة على أنه تباين جيني من أجل اللدونة ، ويمكن تقسيمه إلى مكونات تباين مضافة ومهيمنة. هذا يسمح بحساب التوريث (بالمعنى الضيق) لللدونة ، والتي يمكن أن تتطور (Scheiner and Lyman 1989) ، وهناك العديد من الأمثلة على تطور الاستجابات البلاستيكية للبيئة (Dudley and Schmitt 1995 Gotthard and Nylin 1995 Pigliucci 2001 ). على هذا النحو ، فإن التأثيرات اللاجينية على الخامسGxE يمكن أن تؤثر على التطور ، لأن الخامسGxE يحتوي على تباين وراثي وراثي فيما يتعلق باللدونة ويمكن أن يكون بعض هذا الاختلاف الوراثي ناتجًا عن آليات الوراثة اللاجينية.

طريقة أخرى الخامسGxE يمكن أن تؤثر على التطور من خلال الاستيعاب الجيني. الاستيعاب الجيني هو العملية التي يتم فيها ترميز النمط الظاهري الذي تم إنتاجه في الأصل استجابة لحافز بيئي في وقت لاحق وراثيًا عن طريق الانتقاء ، ويتم فقدان الاستجابة البلاستيكية ، بسبب التحول الاتجاهي في البيئة (Waddington 1956 Pigliucci and Murren 2003 Crispo 2007). وبالتالي يمكن أن تكون اللدونة المظهرية بمثابة جسر للسكان للتكيف مع البيئات المتغيرة ، ويمكن للتطور عبر الاستيعاب الجيني فيما بعد أن يثبّت استجابات البلاستيك المستحثة من الناحية التطورية. في إطار سيناريو الاستيعاب الجيني ، يعمل الاختيار أولاً على التباين الجيني من أجل اللدونة (الخامسGxE) ، لصالح الأفراد القادرين على تغيير نمطهم الظاهري بطرق تتناسب بشكل أفضل مع البيئة الجديدة إذا ضاعت بيئة الأجداد لاحقًا ، فإن الاختيار سيفضل لاحقًا الحث التأسيسي للنمط الظاهري الجديد ، بسبب التكاليف المرتبطة بالحفاظ على آلية التمثيل الغذائي / التنموي من أجل استجابة بلاستيكية للبيئة (Pigliucci and Murren 2003). إلى الحد الذي يمثل فيه التباين اللاجيني بين الأفراد بعضًا من الخامسGxE استجابة لبيئة جديدة ، توفر الآليات اللاجينية بعض التباين الجيني في اللدونة التي يمكن أن يعمل عليها الانتقاء في البيئة الجديدة. يمكن أن تصبح هذه اللدونة فيما بعد مشفرة وراثيًا وعن طريق التطور عن طريق الاستيعاب الجيني.

علم التخلق ، COVGEوالتطور

عندما يعتمد حدوث ظروف بيئية معينة على التركيب الجيني للكائن الحي ، أو العكس ، فهناك تباين مشترك بين النمط الجيني والبيئة (COVGE فالكونر وماكاي 1996). يجمع التغاير بين النمط الجيني - البيئة التباين الجيني مع التباين البيئي (Falconer and Mackay 1996). غالبًا ما يتم تقديم نسخة موحدة من هذا التباين المشترك في الأدبيات على أنها ارتباط بين النمط الجيني والبيئة (صGE جافي وبرايس 2007). نظرًا لأن الآليات اللاجينية يمكن أن تلعب دورًا في التباين الجيني ، يمكن للآليات اللاجينية أيضًا أن تلعب دورًا في COVGE، والذي يعتمد جزئيًا على التباين الجيني. كما هو الحال مع كل من المكونات الأخرى لصيغة التباين الظاهري ، فإن المساهمة اللاجينية في COVGE يجب أن يُحسب ، إما عن طريق التجريب متعدد العوامل حيث يختبر كل نمط وراثي كل بيئة على قدم المساواة ، أو عن طريق تقدير COV بشكل صريحGE كجزء من تقسيم التباين المظهرى. إذا COVGE لم يتم حسابه ، فإن التباين الظاهري الذي يقدمه يمكن أن يربك التقديرات الخامسجي أو الخامسGxE (Falconer and Mackay 1996 Jaffee and Price 2007). من المرجح بشكل خاص أن ينشأ التباين بين النمط الجيني والبيئة عند النظر في الآليات اللاجينية للتباين الظاهري ، لأن التغيرات اللاجينية يمكن أن تحدث بيئيًا ثم يتم توريثها (Morgan et al. 1999 Waterland and Jirtle 2003 Verhoeven et al. 2010 Richards et al. 2012 Frésard وآخرون .2013 ومراجعتها في Richards et al. 2017). بالنظر إلى أن الكائنات الحية تميل إلى وراثة بيئاتها من والديها (Oyama et al. 2001) ، فإن الحث البيئي للأنماط اللاجينية ، جنبًا إلى جنب مع وراثة البيئات الأبوية ، يعني أن انتشار الأنماط اللاجينية المختلفة يجب أن يكون غير عشوائي بشكل خاص فيما يتعلق بالبيئات في التي تم العثور على الأنماط اللاجينية. بدون COVGE المصطلح في معادلة التباين الظاهري ، الافتراض الرياضي هو أن التباين الوراثي (epi) والتباين البيئي غير مرتبطين ، لذا فإن إضافة هذا المصطلح مهم لتقسيم التباين الظاهري بشكل صحيح عند انتهاك استقلالية البيئة (epi) .

تقدير غير صحيح لـ الخامسجي و الخامسGxE يمكن أن يؤدي إلى تقدير غير صحيح للتوريث لسمة أو مرونة سمة ، ويمكن أن يخطئ تقدير استجابة السمة للانتقاء (أي التطور). غالبًا ما يتم تجاهل التباين بين النمط الوراثي والبيئة في الدراسات الجينية الكمية ، لأنه يُفترض أنه ذو أهمية ضئيلة (Falconer and Mackay 1996). ومع ذلك ، COVGE يمكن أن يكون جزءًا كبيرًا من التباين الظاهري الكلي عند تضمين التأثيرات اللاجينية ، بسبب تحريض التغيرات اللاجينية من قبل البيئة والميراث اللاحق لتلك التغيرات اللاجينية (Bonduriansky and Day 2009 Slatkin 2009 Geoghegan and Spencer 2012، 2013 Richards et al. 2017). نقترح أن حساب التباين المشترك بين البيئة والنمط اللاجيني يمكن تحقيقه من خلال تجميع الأفراد أولاً ، بناءً على تشابه العلامات اللاجينية الجزيئية (باستخدام خوارزمية التجميع البايزية على سبيل المثال Pritchard et al.2000) ، ثم حساب التباين المشترك بين النمط اللاجيني والبيئي عن طريق الجمع المعلومات حول البيئات التي عاشها الأفراد ، والأنماط الظاهرية للأفراد ، والعناقيد اللاجينية التي تم تخصيص الأفراد لها. إن تطوير هذا النهج أو ما شابه هو خارج نطاق هذه الورقة ، ولكن هناك حاجة إلى طرق لتحليل النمط اللاجيني - التباين البيئي لتحليل التباين الظاهري بشكل صحيح في مكوناته المختلفة. يجب أن يكون من الممكن حساب المساهمة اللاجينية في COVGE، ولكن طرق القيام بذلك لم يتم تجسيدها بعد.

علم التخلق ، الخامس ɛوالتطور

التباين المتبقي أو الخطأ ، الخامسɛ، على النحو المحدد من قبل Scheiner and Goodnight (1984) ، يتضمن فقط خطأ القياس ، والتباين المكروي ، والتطور العشوائي. يشير التباين البيئي المكروي إلى التباين البيئي الذي لم يتم حسابه بشكل صريح في تصميم الدراسة. إذا كان هناك قدر كبير من التأثيرات البيئية التي لم يتم تفسيرها بشكل صريح الخامسه بالمعنى الضيق في تصميم الدراسة ، يمكن أن يكون التباين المكروفي في الواقع أكبر من الخامسه بالمعنى الضيق (مولدر وآخرون 2013). ومع ذلك ، فإن التباين المكروي هو مكون غير مرئي لـ الخامسɛ في تقسيم التباين المظهرى ، لأنه بالتعريف لم يتم قياسه.بالنظر إلى أن التغيرات اللاجينية يمكن أن تؤثر على التباين البيئي للنمط الظاهري ، كما هو موصوف أعلاه ، يمكن أن تؤثر التغيرات اللاجينية أيضًا على التباين المكروي للنمط الظاهري ، لأن التباين المكروي البيئي هو مجرد تباين مظهري يُعزى إلى المحاور البيئية التي لم يتم قياسها. هذا يعني أيضًا أن التأثيرات اللاجينية على التباين المكروي يمكن أن تؤثر على التطور في نفس الوقت الذي يمكن أن تؤثر فيه التأثيرات اللاجينية على التباين البيئي على التطور ، كما هو موضح أعلاه.


تسلسل الفصل الدراسي

خطة الشبكة الدراسية
العام الأول
فصل الخريفساعات
LSC 101 التفكير النقدي والإبداعي في علوم الحياة 1 2
بيو 181 مقدمة في علم الأحياء: علم البيئة ، والتطور ، والتنوع البيولوجي 1 4
CH 101 الكيمياء - علم جزيئي 1 3
CH 102 معمل الكيمياء العامة 1 1
131 ماجستير حساب التفاضل والتكامل لعلوم الحياة والإدارة أ 1 3
103 استكشاف الفرص في علوم الحياة 1
دراسات الصحة والتمارين الرياضية GEP 1
ساعات15
فصل الربيع
بيو 183 مقدمة في علم الأحياء: علم الأحياء الخلوي والجزيئي 1 4
CH 221 الكيمياء العضوية 1 3
CH 222 الكيمياء العضوية 1 معمل 1 1
إنج 101 الكتابة الأكاديمية والبحث 1 4
231 ماجستير حساب التفاضل والتكامل لعلوم الحياة والإدارة ب 1 3
ساعات15
السنة الثانية
فصل الخريف
متطلبات علم وظائف الأعضاء 3
CH 223 الكيمياء العضوية 2 1 3
CH 224 الكيمياء العضوية 2 معمل 1 1
مادة اختيارية أو علم البيئة 3
العلوم الاجتماعية GEP 3
العلوم الإنسانية GEP 3
ساعات16
فصل الربيع
رقم GN 311 مبادئ علم الوراثة 4
GN 312 مختبر الوراثة الابتدائية 1 1
سي إتش 201 الكيمياء - علم كمي 1 3
CH 202 معمل الكيمياء الكمية 1 1
مادة اختيارية أو علم البيئة 4
العلوم الاجتماعية GEP 3
ساعات16
السنة الثالثة
فصل الخريف
AEC 460 علم البيئة الميدانية والطرق 1 4
متطلبات الكتابة المتقدمة 3
بي 211 فيزياء الكلية 1 4
ST 311 مقدمة في الإحصاء 1 3
دراسات الصحة والتمارين الرياضية GEP 1
ساعات15
فصل الربيع
تجربة التعلم اختيارية 3
بي 212 فيزياء الكلية 2 1 4
بيو 330 علم الأحياء التطوري 1 3
اختياري EEC 3
علم الأحياء العضوي اختياري 3
ساعات16
السنة الرابعة
فصل الخريف
NR 406 الحفاظ على التنوع البيولوجي 3
اختياري EEC 3
اختياري EEC 3
العلوم الإنسانية GEP 3
مادة اختيارية حرة 3
ساعات15
فصل الربيع
اختياري EEC 3
اختياري EEC 3
اختياري EEC 3
اتساع GEP الإضافي (العلوم الإنسانية / العلوم الاجتماعية / الفنون المرئية والمسرحية) 3
ساعات12
مجموع الساعات120

مطلوب درجة C- أو أعلى.


تنقل الأسماك المتكيفة مع السموم الطفرات اللاجينية إلى نسل المياه العذبة

بولمان ، واشنطن - يمكنك إخراج سمكة من المياه السامة ، لكن الطفرات الوراثية اللاجينية ستبقى لجيلين على الأقل.

قام فريق بحثي بقيادة علماء جامعة ولاية واشنطن بتحليل علم التخلق - العوامل والعمليات الجزيئية التي تحدد ما إذا كانت الجينات قيد التشغيل أو إيقاف التشغيل - لمجموعة من أسماك Poecilia mexicana ، أو الأطلسي molly ، التي تعيش في ينابيع عالية بشكل طبيعي في كبريتيد الهيدروجين ، والتي عادة ما تكون سامة لمعظم الكائنات الحية.

قام الباحثون بإزالة عينة من الأسماك من المياه السامة وتربيتها في المياه العذبة. ووجدوا أن أحفاد الأسماك المتكيفة مع الكبريتيك كانت لديهم علامات جينية أكثر مشتركة مع أجدادهم البرية السامة الذين يعيشون في المياه أكثر من حيوانات الأطلسي الأخرى التي كانت تعيش دائمًا في المياه العذبة.

قالت جوانا كيلي ، الأستاذة المساعدة لعلم الجينوم التطوري في جامعة ولاية واشنطن ، والمؤلفة المقابلة في الدراسة المنشورة في وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم. "في سياق تطوري ، تظهر الدراسة أن هذه العلامات اللاجينية مستقرة إلى حد ما."

يوجد كبريتيد الهيدروجين في الطبيعة وكمنتج ثانوي ناتج عن العديد من الأنشطة البشرية ، مثل تصنيع الورق ومعالجة مياه الصرف الصحي واستكشاف الغاز. بالنسبة لمعظم الحيوانات ، بما في ذلك البشر ، عادة ما تكون سامة بتركيزات منخفضة نسبيًا ومميتة عند مستويات عالية. ومع ذلك ، تكيفت بعض مجموعات الأطلسي المولي للعيش في الينابيع ذات المستويات العالية من كبريتيد الهيدروجين ، بينما بقيت مجموعات أخرى من نفس النوع في المياه العذبة. بالنسبة لكيلي وزملائها ، قدمت هذه الأسماك تجربة طبيعية للمساعدة في معالجة الأسئلة المتعلقة بكيفية حدوث التكيفات التطورية.

في هذه الدراسة ، تعاون كيلي مع علم التخلق البيئي في جامعة ولاية واشنطن ، وعالم الأحياء الإنجابية مايكل سكينر ، لإجراء التحليل اللاجيني. قام الباحثون بتربية عينة من الأسماك الكبريتية وغير الكبريتية في بيئات المياه العذبة. عندما أنتجت السمكة جيلين من النسل ، قاموا بقياس أوجه التشابه اللاجيني ، وتحديدًا مناطق مثيلة الحمض النووي ، وهو نوع من التعديل الكيميائي الذي يمكن أن ينظم التعبير الجيني ، وتشغيل الجين أو إيقاف تشغيله ، دون تغيير سلسلة تسلسل الحمض النووي نفسها.

ووجدوا أن ذرية سمكة الكبريتيك تتداخل بنسبة 80٪ في مناطق مثيلة الحمض النووي مع أسماك الأجداد - على الرغم من تربيتهم في المياه العذبة. يقارن هذا بنسبة 20٪ فقط تتداخل مع الأسماك غير الكبريتية التي عاشت دائمًا في المياه العذبة.

قال سكينر ، وهو أيضًا مؤلف مماثل في الورقة: "إنه حقًا أحد الأمثلة الأولى التي أخرجنا فيها كائنًا من بيئته الطبيعية ووضعناه في بيئة مختلفة وأظهرنا أن الوراثة اللاجينية تستمر في التوارث في المستقبل".

تضيف الدراسة أيضًا إلى الأدلة من الأبحاث الحيوانية السابقة التي تظهر أن التعرض للسموم له تأثيرات فوق جينية يمكن أن تستمر لأجيال. أجرى مختبر سكينر دراسات على الأنواع البرية الأخرى ، بما في ذلك داروين فينش في جزر غالاباغوس وحلزون الطين النيوزيلندي بالإضافة إلى حيوانات المختبر ، مما يدل على أن التغيرات اللاجينية الناتجة عن المواد السامة البيئية تنتقل إلى الأسفل.

قال سكينر: "هذا ليس حدثًا فريدًا من نوعه لمرة واحدة. هذا له تأثير على كل شيء ، بما في ذلك البشر". "على الرغم من أن هذا نموذج حيواني ، إلا أنه دليل على كيفية قيام مادة سامة بيئية بتحويل التخلق المتوالي ، وتصبح مبرمجة للأجيال اللاحقة."

تنصل: AAAS و EurekAlert! ليست مسؤولة عن دقة النشرات الإخبارية المرسلة إلى EurekAlert! من خلال المؤسسات المساهمة أو لاستخدام أي معلومات من خلال نظام EurekAlert.


الوراثة غير الجينية وتطور تفضيل الإناث المكلف

في الأنواع التي لا يقدم فيها الذكور منافع مباشرة ولا رعاية أبوية ، يُفترض عادةً أن تفضيلات الإناث يتم الحفاظ عليها عن طريق الاختيار غير المباشر الذي يعكس الفوائد الجينية لنسل الذكور المفضل. ومع ذلك ، لا يزال من غير الواضح ما إذا كان لدى السكان تنوع جيني كافٍ في اللياقة لدعم تفضيلات الإناث المكلفة - وهي مشكلة تسمى "مفارقة ليك". هنا ، نسأل عما إذا كان يمكن الحفاظ على الاختيار غير المباشر لتفضيلات الإناث عن طريق الوراثة غير الجينية. نحن نبني نموذجًا عامًا يمكن استخدامه لتمثيل الميراث الجيني أو غير الجيني ، اعتمادًا على اختيار قيم المعلمات. ومن المثير للاهتمام ، وجدنا أن التفضيل المكلف من المرجح أن يتطور ويستمر عندما تعتمد اللياقة البدنية على عامل محرض بيئيًا يمكن أن ينتقل عبر جيل واحد فقط ، مثل التأثير الأبوي المعتمد على البيئة. يمكن أيضًا دعم التفضيل المكلف عندما تعتمد اللياقة البدنية على عامل قابل للتغيير بدرجة عالية يمكن أن يستمر على مدى أجيال متعددة ، مثل العلامة اللاجينية ، لكن الشروط الضرورية تكون أكثر تقييدًا. تظهر النتائج التي توصلنا إليها أن الوراثة غير الجينية توفر فرضية معقولة للحفاظ على تفضيلات الإناث المكلفة في الأنواع حيث لا يقدم الذكور فوائد مباشرة للإناث. يمكن أن يحدث الميراث غير الوراثي للياقة الأبوية في الأنواع التي تفتقر إلى الأشكال التقليدية لرعاية الأب. في الواقع ، قد يكون انتقال الحالة الأبوية عبر العوامل غير الحركية التي تنقلها الحيوانات المنوية أكثر عرضة للتطور من الأشكال التقليدية للاستثمار الأبوي لأن التأثيرات التي تنقلها الحيوانات المنوية محمية من الديوث. تقدم نتائجنا مثالًا جديدًا للتفاعل بين الوراثة الجينية وغير الجينية التي يمكن أن تؤدي إلى نتائج تطورية غير متوقعة.


شاهد الفيديو: أحياء توجيهي علمي - أنزيمات الحمض النووي (قد 2022).


تعليقات:

  1. Tecage

    حق تماما! وأعتقد أن هذه فكرة جيدة جدا. اتفق معك تماما.

  2. Elne

    السؤال مثير للاهتمام ، وأنا أيضًا سأشارك في المناقشة. أعلم أنه يمكننا معًا الوصول إلى الإجابة الصحيحة.

  3. Bhraghad

    لفترة طويلة بحثت عن مثل هذه الإجابة

  4. Jagger

    من الواضح أنك لم تكن مخطئا

  5. Ramm

    انا أنضم. أنا أتفق مع كل ما سبق. دعونا نناقش هذا السؤال. هنا أو في PM.

  6. Tedd

    بشكل رائع ، رسالة قيمة للغاية



اكتب رسالة

1