معلومة

13.15: تنظيم الجينات بدائية النواة في العمل - علم الأحياء

13.15: تنظيم الجينات بدائية النواة في العمل - 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.

كما تعلمنا للتو ، هناك ثلاثة أنواع من الجزيئات التنظيمية التي يمكن أن تؤثر على التعبير عن العوامل: الكابتات ، والمنشطات ، والمحفزات.

  • القامعات هي بروتينات تمنع نسخ الجين استجابةً لمحفز خارجي. بعبارة أخرى ، يقوم القامع بإبقاء الجين "معطلاً".
  • المنشطات هي بروتينات تزيد من نسخ الجين استجابةً لمنبه خارجي. بعبارة أخرى ، يقوم المنشط بتشغيل الجين.
  • المحرضات هي جزيئات صغيرة إما تنشط أو تمنع النسخ حسب احتياجات الخلية وتوافر الركيزة. تساعد المحرضات بشكل أساسي على تسريع أو إبطاء "التشغيل" أو "الإيقاف" من خلال الارتباط بالمُثبط أو المنشط. بعبارة أخرى: إنهم لا يعملون بمفردهم.

في الجزء التفاعلي أدناه ، سنركز على الاختلافات بين المنشطات والمثبطات:

يمكن العثور على رابط لعناصر تفاعلية في أسفل هذه الصفحة.

انقر هنا للحصول على نسخة نصية فقط من النشاط.


كيف يتم تنظيم التعبير الجيني في بدائيات النوى وحقيقيات النوى

التعبير الجيني هو عملية نسخ الحمض النووي إلى الحمض النووي الريبي ، متبوعًا بالترجمة إلى بروتينات. إنها عملية منظمة بإحكام في كل من بدائيات النوى وحقيقيات النوى. يشارك تنظيم التعبير الجيني في إنتاج كمية متزايدة أو منخفضة من المنتجات الجينية. تشارك مجموعة واسعة من الآليات في تنظيم التعبير الجيني.

  1. مستوى النسخ المتماثل - قد تسبب الطفرات تغيرات في التعبير الجيني.
  2. مستوى النسخ - تنظم المنشطات والمثبطات عملية النسخ.
  3. مستوى ما بعد النسخ - تشارك RNA splicing في تنظيم التعبير الجيني على مستوى ما بعد النسخ.
  4. المستوى متعدية - يتم التحكم في ترجمة جزيء mRNA إلى تسلسل الحمض الأميني للبروتين من خلال عمليات مختلفة مثل مسار تداخل الحمض النووي الريبي.
  5. مستوى ما بعد الترجمة - يمكن تنظيم تخليق البروتين من خلال التحكم في التعديلات اللاحقة للترجمة.

يتم عرض مستويات مختلفة من تنظيم التعبير الجيني في شكل 1.

الشكل 1: تنظيم التعبير الجيني


80 تنظيم الجينات بدائية النواة

بنهاية هذا القسم ، ستكون قادرًا على القيام بما يلي:

  • وصف الخطوات المتضمنة في تنظيم الجينات بدائية النواة
  • اشرح أدوار المنشطات والمحفزات والمثبطات في تنظيم الجينات

يتم تنظيم DNA بدائيات النوى في كروموسوم دائري ، ملفوف بشكل كبير داخل المنطقة النووية من سيتوبلازم الخلية. يتم ترميز البروتينات اللازمة لوظيفة معينة ، أو التي تشارك في نفس المسار الكيميائي الحيوي ، معًا في كتل تسمى أوبيرونات. على سبيل المثال ، يتم ترميز جميع الجينات اللازمة لاستخدام اللاكتوز كمصدر للطاقة بجانب بعضها البعض في اللاكتوز (أو لاك) أوبرون ، ونسخها إلى مرنا واحد.

في الخلايا بدائية النواة ، هناك ثلاثة أنواع من الجزيئات المنظمة التي يمكن أن تؤثر على التعبير عن العوامل: الكابتات ، والمنشطات ، والمحفزات. الكابتات والمنشطات هي بروتينات يتم إنتاجها في الخلية. ينظم كل من المثبطات والمنشطات التعبير الجيني عن طريق الارتباط بمواقع DNA معينة المجاور للجينات التي يسيطرون عليها. بشكل عام ، ترتبط المنشطات بموقع المروج ، بينما ترتبط المكثفات بمناطق المشغل. تمنع المثبطات نسخ الجين استجابةً لمحفز خارجي ، بينما تزيد المنشطات من نسخ الجين استجابةً لمحفز خارجي. المحرضات هي جزيئات صغيرة قد تنتجها الخلية أو موجودة في بيئة الخلية. تقوم المحرضات إما بتنشيط النسخ أو كبته اعتمادًا على احتياجات الخلية وتوافر الركيزة.

ال trp Operon: مشغل قابل للقمع

البكتيريا مثل الإشريكية القولونية بحاجة إلى أحماض أمينية للبقاء على قيد الحياة ، وقادرة على تصنيع العديد منها. التربتوفان هو أحد هذه الأحماض الأمينية بكتريا قولونية يمكن تناولها من البيئة أو توليفها باستخدام إنزيمات مشفرة بخمس جينات. هذه الجينات الخمسة متجاورة فيما يسمى التربتوفان (trp) مشغل ((الشكل)). يتم نسخ الجينات إلى mRNA واحد ، والذي يتم ترجمته بعد ذلك لإنتاج جميع الإنزيمات الخمسة. إذا كان التربتوفان موجودًا في البيئة ، إذن بكتريا قولونية لا يحتاج إلى توليف ذلك و trp تم إيقاف تشغيل operon. ومع ذلك ، عندما يكون توافر التربتوفان منخفضًا ، يتم تشغيل المفتاح الذي يتحكم في الأوبون ، ويتم نسخ الرنا المرسال ، ويتم ترجمة بروتينات الإنزيم ، ويتم تصنيع التربتوفان.


ال trp يشمل operon ثلاث مناطق مهمة: منطقة التشفير ، و trp المشغل و trp المروجين. تشمل منطقة الترميز الجينات الخاصة بأنزيمات التخليق الحيوي للتربتوفان الخمسة. مباشرة قبل منطقة الترميز هي موقع بدء النسخ. يكون تسلسل المحفز ، الذي يرتبط به بوليميراز الحمض النووي الريبي لبدء النسخ ، قبل أو "المنبع" لموقع بدء النسخ. بين المروج وموقع بدء النسخ توجد منطقة المشغل.

ال trp المشغل يحتوي على كود DNA الذي trp يمكن أن يرتبط البروتين المثبط. ومع ذلك ، فإن القامع وحده لا يمكنه الارتباط بالمشغل. عندما يكون التربتوفان موجودًا في الخلية ، يرتبط جزيئين من التربتوفان بـ trp repressor ، الذي يغير شكل البروتين المكبِر إلى شكل يمكن أن يرتبط بـ trp المشغل أو العامل. إن ارتباط معقد التربتوفان - المكبّر عند المشغل يمنع فيزيائيًا بوليميريز الحمض النووي الريبي من الارتباط بالمحفز ونسخ جينات المصب.

عندما لا يكون التربتوفان موجودًا في الخلية ، فإن المثبط بحد ذاته لا يرتبط بالمشغل ، يمكن للبوليميراز نسخ جينات الإنزيم ، ويتم تصنيع التربتوفان. نظرًا لأن البروتين المثبط يرتبط بشكل فعال بالمشغل للحفاظ على إيقاف الجينات ، فإن trp يقال أن أوبرون يكون سلبي التنظيم والبروتينات التي ترتبط بالمشغل لإسكات الصوت trp التعبير منظمون سلبيون.

شاهد هذا الفيديو لمعرفة المزيد عن trp أوبرون.

بروتين منشط الكاتابوليت (CAP): منشط نسخي

تمامًا مثل ملف trp يتم تنظيم الأوبون سلبًا بواسطة جزيئات التربتوفان ، وهناك بروتينات ترتبط بتسلسلات المحفز التي تعمل كمنظمين إيجابيين لتشغيل الجينات وتنشيطها. على سبيل المثال ، عندما يكون الجلوكوز نادرًا ، بكتريا قولونية يمكن للبكتيريا أن تتحول إلى مصادر السكر الأخرى للحصول على الوقود. للقيام بذلك ، يجب نسخ جينات جديدة لمعالجة هذه السكريات البديلة. عندما تنخفض مستويات الجلوكوز ، يبدأ AMP الدوري (cAMP) في التراكم في الخلية. جزيء cAMP هو جزيء إشارة يشارك في استقلاب الجلوكوز والطاقة في بكتريا قولونية. يرتبط تراكم cAMP بالبروتين المنشط الموجب للمنظم الهدمي (CAP) ، وهو بروتين يرتبط بمحفزات الأوبراونات التي تتحكم في معالجة السكريات البديلة. عندما يرتبط cAMP بـ CAP ، يرتبط المركب بعد ذلك بمنطقة المروج للجينات اللازمة لاستخدام مصادر السكر البديلة ((الشكل)). في هذه العوامل ، يقع موقع ربط CAP في بداية موقع ربط RNA-polymerase في المروج. يعمل ربط CAP على استقرار ارتباط بوليميراز RNA بمنطقة المروج ويزيد من نسخ جينات ترميز البروتين المرتبطة.


ال لاك Operon: مشغل محرض

النوع الثالث من تنظيم الجينات في الخلايا بدائية النواة يحدث من خلاله الأوبرا المحرضة، والتي تحتوي على بروتينات ترتبط لتنشيط أو قمع النسخ اعتمادًا على البيئة المحلية واحتياجات الخلية. ال لاك أوبرون هو أوبرون محفز نموذجي. كما تم ذكره سابقا، بكتريا قولونية قادر على استخدام السكريات الأخرى كمصادر للطاقة عندما تكون تركيزات الجلوكوز منخفضة. أحد مصادر السكر هو اللاكتوز. ال لاك يقوم operon بتشفير الجينات اللازمة لاكتساب اللاكتوز ومعالجته من البيئة المحلية. الجين Z الخاص بـ لاك يقوم أوبرون بتشفير بيتا جالاكتوزيداز ، الذي يكسر اللاكتوز إلى الجلوكوز والجالاكتوز.

ومع ذلك ، بالنسبة لـ لاك تفعيل الاوبون ، يجب أن تتحقق شرطين. أولاً ، يجب أن يكون مستوى الجلوكوز منخفضًا جدًا أو غير موجود. ثانيًا ، يجب أن يكون اللاكتوز موجودًا. فقط عندما يغيب الجلوكوز ويوجد اللاكتوز لاك أوبرون يتم نسخه ((الشكل)). في حالة عدم وجود الجلوكوز ، يؤدي ارتباط بروتين CAP إلى نسخ لاك أوبرون أكثر فعالية. عندما يكون اللاكتوز موجودًا ، فإنه يرتبط بـ لاك repressor ويغير شكله بحيث لا يمكنه الارتباط بـ لاك عامل لمنع النسخ. يعتبر هذا المزيج من الظروف منطقيًا بالنسبة للخلية ، لأنه سيكون من الهدر بقوة تصنيع الإنزيمات لمعالجة اللاكتوز إذا كان الجلوكوز وفيرًا أو لم يكن اللاكتوز متاحًا.


في بكتريا قولونية، ال trp يتم تشغيل operon افتراضيًا ، بينما يكون ملف لاك أوبرون متوقف. لماذا تظن أن هذه هي القضية؟

في حالة وجود الجلوكوز ، يفشل CAP في الارتباط بتسلسل المروج لتنشيط النسخ. إذا كان اللاكتوز غائبًا ، فإن المكثف يرتبط بالمشغل لمنع النسخ. إذا تم استيفاء أي من هذه الشروط ، فسيظل النسخ متوقفًا. فقط عند غياب الجلوكوز ووجود اللاكتوز هو لاك أوبرون مكتوب ((الشكل)).

الإشارات التي تحفز أو تقمع نسخ ملف لاك مشغل
الجلوكوز يربط CAP اللاكتوز القامع يربط النسخ
+ + لا
+ + بعض
+ + لا
+ + نعم

شاهد برنامج تعليمي متحرك حول طريقة عمل لاك الاوبرون هنا.

ملخص القسم

يحدث تنظيم التعبير الجيني في الخلايا بدائية النواة على مستوى النسخ. هناك نوعان رئيسيان من البروتينات يتحكمان في النسخ بدائية النواة: الكابتات والمنشطات. ترتبط المكثفات بمنطقة المشغل لمنع عمل بوليميراز الحمض النووي الريبي. ترتبط المنشطات بالمحفز لتعزيز ارتباط بوليميريز الحمض النووي الريبي. يمكن لجزيئات المحرض أن تزيد النسخ إما عن طريق تعطيل المكثفات أو عن طريق تنشيط البروتينات المنشطة. في ال trp أوبرون trp يتم تنشيط القامع نفسه عن طريق الارتباط بالتريبتوفان. لذلك ، إذا لم تكن هناك حاجة إلى التربتوفان ، فإن القامع يكون مرتبطًا بالمشغل ويظل النسخ متوقفًا. ال لاك يتم تنشيط الأوبرا بواسطة CAP (بروتين منشط catabolite) ، والذي يرتبط بالمحفز لتثبيت ارتباط RNA polymerase. يتم تنشيط CAP نفسه بواسطة cAMP ، الذي يرتفع تركيزه مع انخفاض تركيز الجلوكوز. ومع ذلك ، فإن لاك يتطلب أوبرون أيضًا وجود اللاكتوز لحدوث النسخ. اللاكتوز يثبط نشاط لاك repressor ، ويمنع بروتين القامع من الارتباط بـ لاك المشغل أو العامل. مع تعطيل القامع ، قد يستمر النسخ. لذلك يجب أن يكون الجلوكوز غائبًا ويجب أن يكون اللاكتوز موجودًا من أجل النسخ الفعال لـ لاك أوبرون.

أسئلة الاتصال المرئي

(الشكل) في بكتريا قولونية، ال trp يتم تشغيل operon افتراضيًا ، بينما يكون ملف لاك أوبرون متوقف. لماذا تعتقد أن هذا هو الحال؟

(الشكل) التربتوفان هو حمض أميني ضروري لصنع البروتينات ، لذلك تحتاج الخلية دائمًا إلى وجود بعض منها في متناول اليد. ومع ذلك ، إذا كان هناك الكثير من التربتوفان ، فإنه من الإسراف في صنع المزيد ، والتعبير عن trp المستقبلات مكبوتة. لا يتوفر اللاكتوز ، وهو سكر موجود في الحليب ، دائمًا. ليس من المنطقي صنع الإنزيمات اللازمة لهضم مصدر طاقة غير متوفر ، لذا فإن لاك يتم تشغيل الأوبيرون فقط عند وجود اللاكتوز.

راجع الأسئلة

إذا كان الجلوكوز غائباً ، وكذلك اللاكتوز ، فإن لاك سيكون المشغل ________.

تفتقر الخلايا بدائية النواة إلى نواة. لذلك ، فإن الجينات في الخلايا بدائية النواة هي:

  1. كل ما تم التعبير عنه ، في كل الأوقات
  2. نسخها وترجمتها في وقت واحد تقريبًا
  3. يتم التحكم فيها بنص لأن الترجمة تبدأ قبل انتهاء النسخ
  4. ب و ج كلاهما صحيح

ال آرا أوبرون هو عامل محفز يتحكم في إنتاج سكر أرابينوز. عندما يكون الأرابينوز موجودًا في بكتيريا فإنه يرتبط بالبروتين AraC ، ويرتبط المركب بموقع البادئ لتعزيز النسخ. في هذا السيناريو ، AraC هو (n) ________.

أسئلة التفكير النقدي

صف كيف يمكن تغيير النسخ في الخلايا بدائية النواة عن طريق التحفيز الخارجي مثل اللاكتوز الزائد في البيئة.

يمكن أن تزيد المنبهات البيئية أو تحفز النسخ في الخلايا بدائية النواة. في هذا المثال ، سيحث اللاكتوز الموجود في البيئة على نسخ لاك أوبرون ، ولكن فقط إذا كان الجلوكوز غير متوفر في البيئة.

ما هو الفرق بين الأوبرا القابل للقمع والمحفز؟

يستخدم المشغل القابل للقمع بروتينًا مرتبطًا بمنطقة المحفز للجين لإبقاء الجين مكبوتًا أو صامتًا. يجب إزالة هذا القامع بنشاط من أجل نسخ الجين. يتم تنشيط أو قمع الأوبرا المحرض اعتمادًا على احتياجات الخلية وما هو متاح في البيئة المحلية.

قائمة المصطلحات


الوراثة: تنظيم التعبير الجيني في بدائيات النوى وحقيقيات النوى

ميراث

تعمل الآليات الذكية على إيقاف تشغيل الجينات وتشغيلها بحيث تعمل فقط عندما تكون هناك حاجة إلى خدماتها.

بدائيات النوى ونموذج الأوبرا

بدائيات النوى حساسة لبيئتها ، ويتم التحكم في نشاطها الجيني بواسطة بروتينات معينة تتفاعل مباشرة مع حمضها النووي للتكيف بسرعة مع التغيرات البيئية. التعبير الجيني هي العملية التي يتم فيها عرض الأنماط الجينية المشفرة في الجينات بواسطة الأنماط الظاهرية للأفراد. يتم نسخ الحمض النووي بواسطة الحمض النووي الريبي ومن ثم تصنيعه في البروتين. عملية النسخ ، وهي توليف الحمض النووي الريبي من قالب الحمض النووي ، هي المكان الذي من المرجح أن يحدث فيه تنظيم التعبير الجيني. يبدو أن الإعداد الافتراضي لبدائيات النوى يسمح بحدوث تخليق مستمر للبروتين ، بينما في حقيقيات النوى ، يتم إيقاف تشغيل النظام عادةً حتى يتم تنشيطه.

الأوبرون عبارة عن سلسلة ذاتية التنظيم من الجينات التي تعمل في تناسق. يتضمن المشغل شريحة خاصة من الجينات التي تنظم تخليق البروتين ، ولكنها لا ترمز للبروتين ، تسمى المحفز والمشغل. تتداخل هذه المقاطع ، ويحدد تفاعلها ما إذا كانت العملية ستبدأ ومتى ستتوقف. يجب أن ينتج RNA polymerase RNA عن طريق التحرك على طول الكروموسوم و "القراءة". الجينات في عملية النسخ.

يرتبط RNA polymerase أولاً بجزء المروج ، والذي يشير إلى بداية تسلسل DNA معين. إذا لم يتم حظره ، فإنه يمر فوق العامل ويصل إلى الجينات المنتجة للبروتين حيث يقوم بإنشاء mRNA الذي يوجه الريبوسومات لإنشاء البروتين المطلوب. تستمر هذه العملية حتى يتم حظر النظام بواسطة البروتينات الكابحة. ترتبط المثبطات بالمشغل وتمنع بوليميراز الحمض النووي الريبي من المضي قدمًا في تكوين الرنا المرسال عن طريق منع الوصول إلى باقي الجينات المنتجة للبروتين. طالما أن المكبِط مرتبط بالمشغل ، فلن يتم تصنيع أي بروتينات. ومع ذلك ، عندما يكون محفز موجود ، فإنه يرتبط بالضاغط ، مما يتسبب في تغيير شكل المكبِط وإطلاقه من المشغل. عندما يحدث هذا ، يمكن لـ RNA polymerase المضي قدمًا في النسخ ، ويبدأ تخليق البروتين ويستمر حتى يرتبط مثبط آخر بالمشغل. الرجوع إلى الرسم التوضيحي تنظيم النسخ.

ال لاك من المحتمل أن يكون نموذج الأوبرا هو الأكثر دراسة ومعروفة. في البكتيريا ، مثل الإشريكية القولونية ، تكون ثلاثة جينات جزءًا من أوبرا يرمز إلى ثلاثة إنزيمات منفصلة مطلوبة لتفكيك اللاكتوز ، وهو سكر بسيط. أ الجين التنظيمي، الموجود قبل الأوبرون ، يصنع باستمرار بروتينات مثبطة ترتبط بالمشغل وتحظر وظيفة بوليميراز الحمض النووي الريبي. لذلك يظل النظام متوقفًا حتى يتحد تدفق جزيئات اللاكتوز مع جميع المكثفات المتاحة ويمنع ارتباطها بالمشغل. عندما يكون المشغل مجانيًا ، يستمر إنتاج الإنزيم لتحطيم اللاكتوز حتى يتم تكسير ما يكفي من جزيئات اللاكتوز لإطلاق مثبطات لتتحد مع المشغل لوقف إنتاج الإنزيمات.

يوجد نوعان إضافيان من العوامل التي تعمل بنفس الطريقة باستثناء وظيفة المشغل. ال trp يختلف الأوبرون لأن المكبِط لا يكون نشطًا إلا عندما يرتبط بجزيء معين. بالنسبة لبقية الوقت ، يظل غير مرتبط وغير نشط في غياب هذا الجزيء. أخيرًا ، في تطور إيجابي ، المنشطات يتم استخدامها بواسطة نوع ثالث من الأوبرا لربطها مباشرة بالحمض النووي ، مما يسمح لبوليميراز الحمض النووي الريبي بالعمل بكفاءة أكبر. في غياب المنشطات ، يستمر بوليميراز الحمض النووي الريبي بوتيرة بطيئة.

حقيقيات النوى: نماذج متعددة لتنظيم الجينات

على عكس بدائيات النوى ، تعمل آليات متعددة لتنظيم الجينات في النواة قبل نسخ الحمض النووي الريبي وبعده ، وفي السيتوبلازم قبل الترجمة وبعدها.

الهستونات هي بروتينات صغيرة معبأة داخل التركيب الجزيئي للحلزون المزدوج للحمض النووي. يمنع تغليف الهيستون الضيق بوليميريز الحمض النووي الريبي من الاتصال ونسخ الحمض النووي. يتم تنظيم هذا النوع من التحكم الشامل في تخليق البروتين بواسطة الجينات التي تتحكم في كثافة تعبئة الهيستونات. تعطيل كروموسوم إكس يحدث عندما تمنع التعبئة الكثيفة للكروموسوم X في الإناث وظيفتها تمامًا حتى في الطور البيني. هذا النوع من التعطيل موروث ويبدأ أثناء التطور الجنيني ، حيث يتم تعبئة أحد الكروموسومات X بشكل عشوائي ، مما يجعله غير نشط مدى الحياة.

مركب محسن المنشط هي فريدة من نوعها في حقيقيات النوى لأنه يجب تنشيطها عادة لبدء تخليق البروتين ، الأمر الذي يتطلب استخدام عوامل النسخ و RNA polymerase. بشكل عام ، تتضمن عملية تخليق البروتينات حقيقية النواة أربع خطوات:

  1. المنشطات ، نوع خاص من عامل النسخ ، تلتزم معززات، وهي وحدات DNA منفصلة تقع في نقاط مختلفة على طول الكروموسوم.
  2. يقوم معقد المنشط-المحسن بثني جزيء الحمض النووي بحيث يكون لعوامل النسخ الإضافية وصول أفضل إلى مواقع الترابط على المشغل.
  3. يتيح ربط عوامل النسخ الإضافية بالمشغل وصولاً أكبر بواسطة بوليميراز الحمض النووي الريبي ، والذي يبدأ بعد ذلك عملية النسخ.
  4. كاتمات الصوت هي نوع من البروتينات المثبطة التي تمنع النسخ في هذه المرحلة عن طريق الارتباط بتسلسلات معينة من نوكليوتيدات الحمض النووي.

توفر معالجة وتعبئة الحمض النووي الريبي في كل من النواة والسيتوبلازم فرصتين إضافيتين لتنظيم الجينات ليحدث بعد النسخ ولكن قبل الترجمة.

إن إضافة المزيد من النيوكليوتيدات كغطاء واقٍ وذيل إلى الحمض النووي الريبي (RNA) يحدد الحمض النووي الريبي (RNA) باعتباره mRNA بواسطة الريبوسومات ، ويمنع التحلل بواسطة إنزيمات الخلية أثناء انتقالها من النواة إلى السيتوبلازم.

الربط RNA يحدث عندما؟ فجوات؟ من النيوكليوتيدات الحاملة للشفرة غير البروتينية تسمى الانترونات يتم إزالتها من النيوكليوتيدات الحاملة للشفرة ، والتي تسمى exons، والتي يتم توصيلها بعد ذلك لتقصير جزيء RNA للتحويل إلى tRNA و rRNA. ينظم عدد interons السرعة التي يمكن بها معالجة الحمض النووي الريبي.

بعد إضافة النيوكليوتيدات الإضافية كغطاء وذيل وتقسيم الحمض النووي الريبي ، ينتقل إلى السيتوبلازم حيث توجد آليات إضافية لتنظيم الجينات.

إن طول عمر جزيء الرنا المرسال الفردي يحدد عدد المرات التي يمكن استخدامه فيها وإعادة استخدامها لتكوين البروتينات. في حقيقيات النوى ، يميل mRNA إلى أن يكون مستقرًا ، مما يعني أنه يمكن استخدامه عدة مرات وهو فعال ، لكنه يمنع حقيقيات النوى من إجراء تغييرات سريعة في الاستجابة للاضطرابات البيئية. إن mRNA بدائيات النوى غير مستقر ، مما يسمح بإنشاء mRNA جديد ، والذي لديه المزيد من الفرص للتكيف مع الظروف البيئية المتغيرة.

البروتينات المثبطة منع ترجمة mRNA. تصبح غير نشطة عندما يتم ربطها بالمادة التي يحاولون منع إنتاجها.

بعد الترجمة يتضمن التحكم القطع الانتقائي وانهيار البروتينات التي تمنع تكوين المنتج النهائي. في كلتا الحالتين ، قد يصبح الهرمون أو الإنزيم المطلوب لإنهاء أو تنشيط المنتج النهائي غير نشط.

على الرغم من أنه تم تعلم الكثير عن الميراث منذ زمن مندل ، إلا أن الأساسيات ظلت كما هي. في التكاثر الجنسي ، يرث الأبناء نصف جيناتهم من الأب والنصف الآخر من الأم. يمكن تقدير فرصة وراثة جين معين عن طريق النسب ومربعات Punnet. يتم التحكم في كل سمة أو سمة أو خاصية عن طريق الجينات أو مجموعة من الجينات. تعمل العديد من آليات تنظيم الجينات على تنشيط وظائف الكائن الحي وتعطيلها.


كيف يتم تنظيم لاك أوبيرون؟

كيف يعمل lac operon؟ يتم تنظيم الجينات البكتيرية الهيكلية في الغالب على شكل مجموعات ، تتكون من جينات ترميز البروتينات التي ترتبط وظائفها. يتم ترميز جميع إنزيمات المسار الأيضي في مجموعة من الجينات التي يتم تنظيمها بشكل منسق. إنها ببساطة آلة جينية خاصة.

هناك ثلاثة جينات هيكلية مجمعة معًا في لاك أوبيرون. (الأوبرا هو وحدة للتعبير عن الجينات البكتيرية أو بدائية النواة وتنظيمها ، وتتألف من الجينات الهيكلية وعناصر التحكم (الجينات المنظمة) ، في الحمض النووي المعترف به بواسطة البروتينات التنظيمية).

الجينات هي Lac Z و LacY و Lac A. المنتجات الجينية ، الإنزيم ، تمكن الخلايا البكتيرية من امتصاص واستقلاب β-galactosidase ، مثل اللاكتوز.

بحيرة ض:

وظيفة جين lacz هي التي ترمز للإنزيم β- جالاكتوزيداز يكسر الإنزيم β-galactoside إلى مكوناته. السكر على سبيل المثال: ينقسم اللاكتوز إلى الجلوكوز والجالاكتوز لمزيد من التمثيل الغذائي.

رموز Lac Y لـ β-galactoside Permease هذا ينقل β-galactosides إلى الخلية.

لاك أ:

أكواد Lac A لـ β-galactoside تران أسيتيلاز، وهو إنزيم ينقل مجموعة الأسيتيل من الأسيتيل

الجينات المنظمة لهذه المجموعة من الجينات الثلاثة هي أنا لاك الجين لاك يا المشغل و LACP المروجين. يشكل النظام بأكمله ، الذي يشتمل على الجينات الهيكلية والعناصر التنظيمية (= التحكم) ، وحدة مشتركة تسمى Lac Operon.


هيستون ميثلييشن

يمكن أن يحتوي جزء من بروتين هيستون المعروف باسم ذيل الهيستون على مجموعات ميثيل (CH3) مضاف إليها. هذا هو نفس التعديل الذي تم إجراؤه على نيوكليوتيدات السيتوزين في الحمض النووي. يعد الحمض الأميني المحدد في ذيل الهيستون الذي يتم ميثيله مهمًا جدًا لتحديد ما إذا كان سيشدد أو يفك بنية الكروماتين. يرتبط التعديل على العديد من الأحماض الأمينية في الذيل بالكروماتين الحقيقي والنسخ النشط ، بينما يرتبط التعديل على الأحماض الأمينية الأخرى بالكروماتين المغاير وإسكات الجينات. يجب أن تعلم أن الهستونات يمكن ميثليتها ، لكن يمكننا استخدام & # 8217t هيستون مثيلة كمؤشر على euchromatin أو heterochromatin.


تكرار الحمض النووي في بدائيات النوى

الكروموسوم بدائية النواة هو جزيء دائري له بنية ملفوفة أقل اتساعًا من الكروموسومات حقيقية النواة. كروموسوم حقيقيات النواة خطي وملفوف بدرجة عالية حول البروتينات. في حين أن هناك العديد من أوجه التشابه في عملية تكرار الحمض النووي ، فإن هذه الاختلافات الهيكلية تتطلب بعض الاختلافات في عملية تكرار الحمض النووي في هذين الشكلين من أشكال الحياة. تمت دراسة تكرار الحمض النووي في بدائيات النوى على نطاق واسع ، لذلك سوف نتعلم العملية الأساسية لتكرار الحمض النووي بدائيات النوى ، ثم نركز على الاختلافات بين بدائيات النوى وحقيقيات النوى.

كيف تعرف آلية النسخ من أين تبدأ؟ اتضح أن هناك تسلسلات محددة من النوكليوتيدات تسمى أصول النسخ المتماثل حيث يبدأ النسخ المتماثل. بكتريا قولونية له أصل واحد من النسخ المتماثل على كروموسومه الواحد ، كما تفعل معظم بدائيات النوى (شكل 1). يبلغ أصل النسخ المتماثل حوالي 245 زوجًا أساسيًا وهو غني بتسلسلات AT. يتم التعرف على هذا التسلسل من أزواج القواعد بواسطة بروتينات معينة ترتبط بهذا الموقع. انزيم يسمى هيليكس يفك الحمض النووي عن طريق كسر الروابط الهيدروجينية بين أزواج القاعدة النيتروجينية. التحلل المائي ATP مطلوب لهذه العملية لأنه يتطلب طاقة. عندما ينفتح الحمض النووي ، تسمى الهياكل على شكل Y شوكات النسخ المتماثل تتشكل (شكل 1). يتم تشكيل اثنين من شوكات النسخ المتماثل في أصل النسخ المتماثل ويتم تمديدهما ثنائي الاتجاه مع استمرار النسخ المتماثل. بروتينات ربط أحادية الخيط (الشكل 2) غلف خيوط الحمض النووي المفردة بالقرب من شوكة النسخ المتماثل لمنع الحمض النووي المفرد الذي تقطعت به السبل من الالتفاف مرة أخرى إلى حلزون مزدوج.

شكل 1: تكاثر الحمض النووي في بدائيات النوى ، والتي لها كروموسوم دائري واحد.

الانزيم المهم التالي هو بوليميريز الحمض النووي الثالث، المعروف أيضًا باسم DNA pol III ، والذي يضيف النيوكليوتيدات واحدة تلو الأخرى إلى سلسلة الحمض النووي المتنامية (الشكل 2). تتطلب إضافة النيوكليوتيدات طاقة يتم الحصول عليها من النيوكليوتيدات التي تحتوي على ثلاثة فوسفات مرتبطة بها. من الناحية الهيكلية ، فإن ATP عبارة عن نيوكليوتيد أدينين يحتوي على ثلاث مجموعات فوسفات متصلة بقطع الفوسفات الثالث تطلق الطاقة. بالإضافة إلى ATP ، هناك أيضًا TTP و CTP و GTP. يتكون كل منها من النيوكليوتيدات المقابلة مع ثلاثة فوسفات مرفقة. عندما تنكسر الرابطة بين الفوسفات ، تُستخدم الطاقة المنبعثة لتشكيل رابطة الفوسفوديستر بين النوكليوتيدات الواردة والسلسلة الحالية.

في بدائيات النوى ، تُعرف ثلاثة أنواع رئيسية من البوليميرات: DNA pol I و DNA pol II و DNA pol III. DNA pol III هو الإنزيم المطلوب لتخليق الحمض النووي DNA pol I يستخدم لاحقًا في العملية ويستخدم DNA pol II بشكل أساسي للإصلاح (هذا مثال مزعج آخر للتسمية التي تم إجراؤها بناءً على ترتيب الاكتشاف بدلاً من الترتيب منطقي).

إن بوليميراز الدنا قادر على إضافة النيوكليوتيدات فقط في الاتجاه 5 & # 8242 إلى 3 & # 8242 (يمكن تمديد حبلا DNA جديد فقط في هذا الاتجاه). يتطلب مجموعة 3 & # 8242-OH مجانية (موجودة على السكر) والتي يمكن أن تضيف إليها النيوكليوتيد التالي عن طريق تكوين رابطة فسفودايستر بين نهاية 3 & # 8242-OH و 5 & # 8242 فوسفات من النيوكليوتيد التالي. هذا يعني بشكل أساسي أنه لا يمكن إضافة النيوكليوتيدات إذا لم تتوفر مجموعة 3 & # 8242-OH المجانية. ثم كيف تضيف النوكليوتيدات الأولى؟ تم حل المشكلة بمساعدة أ التمهيدي التي توفر نهاية 3 & # 8242-OH المجانية. إنزيم آخر بريماز الحمض النووي الريبي، يقوم بتوليف RNA التمهيدي الذي يبلغ طوله حوالي خمسة إلى عشرة نيوكليوتيدات ومكمل للحمض النووي. لا يتطلب RNA primase مجموعة مجانية 3 & # 8242-OH. لأن هذا التسلسل يهيئ تركيب الحمض النووي ، فإنه يسمى بشكل مناسب التمهيدي. يمكن لبوليميراز الحمض النووي الآن تمديد هذا الحمض النووي الريبي التمهيدي ، مضيفًا النيوكليوتيدات واحدة تلو الأخرى التي تكون مكملة لخيط القالب (الشكل 2).

الشكل 2 تتشكل شوكة النسخ عندما يفصل الهليكاز خيوط الحمض النووي عند أصل النسخ المتماثل. يميل الحمض النووي إلى الالتفاف بدرجة أكبر قبل شوكة النسخ المتماثل. يكسر Topoisomerase العمود الفقري للفوسفات في الحمض النووي ويصلح قبل شوكة النسخ ، وبالتالي يخفف الضغط الناتج عن هذا الالتفاف الفائق. ترتبط بروتينات الربط أحادية الخيط بالحمض النووي أحادي السلسلة لمنع إعادة تشكيل الحلزون. يصنع Primase مادة أولية من الحمض النووي الريبي (RNA). يستخدم DNA polymerase III هذا التمهيدي لتجميع خيط DNA الابنة. على الخيط الرئيسي ، يتم تصنيع الحمض النووي بشكل مستمر ، بينما على الشريط المتأخر ، يتم تصنيع الحمض النووي في امتدادات قصيرة تسمى شظايا أوكازاكي. بوليميريز الحمض النووي 1 يستبدل الحمض النووي الريبي التمهيدي بالحمض النووي. يقوم DNA ligase بسد الفجوات بين شظايا Okazaki ، وربط الأجزاء في جزيء DNA واحد. (الائتمان: تعديل العمل لماريانا رويز فيلاريال)

تتحرك شوكة النسخ بمعدل 1000 نيوكليوتيد في الثانية. يمكن أن يمتد بوليميراز الحمض النووي فقط في الاتجاه 5 & # 8242 إلى 3 & # 8242 ، مما يشكل مشكلة بسيطة في شوكة النسخ المتماثل. كما نعلم ، فإن الحلزون المزدوج للحمض النووي مضاد للتوازي أي أن أحد الخيطين في الاتجاه 5 & # 8242 إلى 3 & # 8242 والآخر موجه في الاتجاه 3 & # 8242 إلى 5 & # 8242. يتم تصنيع خيط واحد ، وهو مكمل لجدول الحمض النووي الأبوي 3 & # 8242 إلى 5 & # 8242 ، بشكل مستمر نحو شوكة النسخ لأن البوليميراز يمكن أن يضيف نيوكليوتيدات في هذا الاتجاه. يُعرف هذا الخيط المركب باستمرار باسم الساحل الرئيسي. الشريط الآخر ، المكمل للحمض النووي الأبوي 5 & # 8242 إلى 3 & # 8242 ، يمتد بعيدًا عن شوكة النسخ ، في أجزاء صغيرة تعرف باسم شظايا أوكازاكي، كل منها يتطلب برايمر لبدء التوليف. تمت تسمية شظايا أوكازاكي على اسم العالم الياباني الذي اكتشفها لأول مرة. تُعرف الخصلة التي تحتوي على شظايا أوكازاكي باسم حبلا متخلفة.

يمكن تمديد الخيط الرئيسي بواسطة برايمر واحد فقط ، بينما يحتاج الخيط المتأخر إلى مادة أولية جديدة لكل جزء من أجزاء أوكازاكي القصيرة. سيكون الاتجاه العام للحبلة المتأخرة 3 & # 8242 إلى 5 & # 8242 ، والاتجاه العام للخيط الرئيسي 5 & # 8242 إلى 3 & # 8242. بروتين يسمى انزلاق المشبك يحمل بوليميراز الحمض النووي في مكانه حيث يستمر في إضافة النيوكليوتيدات. المشبك المنزلق عبارة عن بروتين على شكل حلقة يرتبط بالحمض النووي ويثبت البوليميراز في مكانه. توبويزوميراز يمنع الالتفاف المفرط للحلزون المزدوج للحمض النووي قبل شوكة النسخ حيث أن الحمض النووي ينفتح ، فإنه يفعل ذلك عن طريق التسبب في شقوق مؤقتة في حلزون الحمض النووي ثم إعادة ختمه. مع استمرار عملية التوليف ، يتم استبدال بادئات الحمض النووي الريبي بـ DNA pol I ، الذي يكسر الحمض النووي الريبي ويسد الفجوات بنيوكليوتيدات الحمض النووي. يتم ختم النكات المتبقية بين الحمض النووي المركب حديثًا (الذي حل محل RNA التمهيدي) والحمض النووي المركب مسبقًا بواسطة الإنزيم ligase DNA يحفز تكوين رابط الفوسفوديستر بين الطرف 3 & # 8242-OH لنيوكليوتيد واحد ونهاية الفوسفات 5 & # 8242 للجزء الآخر.

(ملاحظة Lisa & # 8217s: أعتقد أن هذه العملية يكاد يكون من المستحيل تصورها من قراءة النص. أوصي بشدة بمشاهدة اثنين من الرسوم المتحركة / مقاطع الفيديو مثل تلك المتوفرة هنا. هناك روابط إضافية في Blackboard)

بمجرد أن يتم تكرار الكروموسوم بالكامل ، تنتقل نسختا الحمض النووي إلى خليتين مختلفتين أثناء انقسام الخلية. يمكن تلخيص عملية تكرار الحمض النووي على النحو التالي:

  1. يستريح الحمض النووي عند أصل التكرار.
  2. يفتح Helicase شوكات النسخ المتماثل المكونة للحمض النووي والتي يتم تمديدها في كلا الاتجاهين.
  3. تقوم بروتينات الربط أحادية الخيط بتغطية الحمض النووي حول شوكة النسخ المتماثل لمنع إعادة لف الحمض النووي.
  4. يرتبط Topoisomerase بالمنطقة قبل شوكة النسخ المتماثل لمنع الالتفاف الفائق (الالتفاف الزائد).
  5. يصنع Primase مواد أولية من RNA مكملة لخيط DNA.
  6. يبدأ DNA polymerase III في إضافة النيوكليوتيدات إلى 3 & # 8242-OH (السكر) نهاية التمهيدي.
  7. يستمر استطالة كل من الخيط المتأخر والرائد.
  8. تتم إزالة بادئات الحمض النووي الريبي (RNA) وتملأ الثغرات بالحمض النووي بواسطة DNA pol I.
  9. يتم سد الفجوات بين شظايا الحمض النووي بواسطة DNA ligase.

الجدول 1: الإنزيمات المشاركة في تكرار الحمض النووي بدائية النواة ووظائف كل منها.

استنساخ الحمض النووي بدائية النواة: الإنزيمات ووظائفها
إنزيم / بروتين وظيفة محددة
بول أنا يزيل نشاط نوكلياز خارجي الحمض النووي الريبي التمهيدي ويستبدل بالحمض النووي المركب حديثًا
DNA pol II وظيفة الإصلاح
DNA pol III الإنزيم الرئيسي الذي يضيف النيوكليوتيدات في الاتجاه 5 & # 8242-3 & # 8242
هيليكاس يفتح حلزون الحمض النووي عن طريق كسر الروابط الهيدروجينية بين القواعد النيتروجينية
ليجاس يسد الفجوات بين شظايا أوكازاكي لإنشاء خيط DNA مستمر
بريماز يركب الاشعال RNA اللازمة لبدء النسخ المتماثل
انزلاق المشبك يساعد على تثبيت بوليميراز الحمض النووي في مكانه عند إضافة النيوكليوتيدات
توبويزوميراز يساعد في تخفيف الضغط الواقع على الحمض النووي عند الفك عن طريق التسبب في حدوث فواصل ثم إعادة ختم الحمض النووي
بروتينات الربط أحادية الخيط (SSB) يرتبط بالحمض النووي أحادي الجديلة لتجنب إرجاع الحمض النووي إلى الوراء.

تمت دراسة تكرار الحمض النووي بشكل جيد للغاية في بدائيات النوى ، ويرجع ذلك أساسًا إلى صغر حجم الجينوم والعدد الكبير من المتغيرات المتاحة. الإشريكية القولونية يحتوي على 4.6 مليون زوج أساسي في كروموسوم دائري واحد ، ويتم تكرار كل ذلك في حوالي 42 دقيقة ، بدءًا من أصل واحد للنسخ المتماثل والتقدم حول الكروموسوم في كلا الاتجاهين. هذا يعني أنه يتم إضافة ما يقرب من 1000 نيوكليوتيد في الثانية. هذه العملية أسرع بكثير من حقيقيات النوى.


أوجه التشابه بين التعبير الجيني بدائية النواة وحقيقية النواة

  • التعبير الجيني بدائية النواة وحقيقية النواة هي العمليات المسؤولة عن إنتاج بروتين وظيفي بناءً على المعلومات المشفرة بواسطة الجينات.
  • أيضًا ، تحدث كلتا العمليتين من خلال النسخ والترجمة.
  • علاوة على ذلك ، تحدث الترجمة في كل من بدائيات النوى وحقيقيات النوى في السيتوبلازم.
  • إلى جانب ذلك ، كل من التعبير الجيني بدائية النواة وحقيقية النواة لهما تعديلات ما بعد الترجمة بما في ذلك الفسفرة ، والأسيتيل ، إلخ.

أساليب

خوارزمية بانارو

تقوم خوارزمية Panaroo ببناء تمثيل رسومي للبانجينوم حيث تكون العقد عبارة عن جينات وتربط الحواف العقد إذا ظهر جينان متجاوران مع بعضهما البعض على اتصال واحد على الأقل. ثم تستخدم الخوارزمية هيكل الرسم البياني الأولي هذا لتنفيذ عدد من خطوات التنظيف التي تعمل على تصحيح العديد من المشكلات التي تمت مواجهتها في شرح الجينوم. يقبل Panaroo التجميعات المشروحة بتنسيق GFF3 كإخراج بواسطة خط أنابيب التعليقات التوضيحية الشهير Prokka [28]. على عكس برامج pangenome المماثلة ، يحاول Panaroo الحفاظ على السياق العالمي الكامل لكل جين في الرسم البياني. هذا على عكس البرامج الأخرى مثل Roary [4 ، 7 ، 10] التي تستخدم فقط السياق المحلي المحيط بالجينات لبناء الرسم البياني.

إنشاء الرسم البياني الأولي

لإنشاء الرسم البياني أولاً ، يقوم Panaroo بتشغيل CD-HIT (الإصدار 4.8.1) عند حد تعريف تسلسل عالي (98٪) [13]. ثم يتم تصنيف المجموعات الناتجة إما على أنها مجموعات جينية غير متكافئة ، إذا كانت تحتوي على مثيل واحد على الأكثر من كل جينوم ، أو مجموعات مماثلة إذا كانت تحتوي على أكثر من جين واحد من أي جينوم واحد. في البداية ، يتم تمثيل مجموعات الجينات غير المتكافئة بواسطة عقدة واحدة في الرسم البياني بينما يتم تقسيم المجموعات المماثلة إلى عقدة واحدة لكل تواجد لتلك المجموعة في مجموعة البيانات. على سبيل المثال ، إذا ظهر الجين المتماثل مرتين في جينومين ومرة ​​في جينوم آخر ، فإن الرسم البياني الأولي سيحتوي على خمس عقد تمثل ذلك Paralog. ثم يتم إنشاء الرسم البياني عن طريق ربط العقد العنقودية مع وجود حواف بينها إذا ظهرت المجموعتان متجاورتان مع بعضهما البعض في أي كونتيج. يتم تحطيم العقد Paralogous مرة أخرى إلى الحد الأقصى لعدد العقد التي تظهر فيها تلك الجينات في جينوم واحد باستخدام السياق العام للرسم البياني. في المثال أعلاه ، قد ينتج عن هذا الرسم البياني النهائي وجود مثيلين من عقدة paralog.

كونتيج ينتهي

يمكن أن تتسبب التجميعات المجزأة في حدوث مشكلات لبرنامج التعليقات التوضيحية الجينية ، حيث غالبًا ما يتم شرح الجينات بشكل خاطئ بالقرب من فواصل contig [19]. تظهر هذه التعليقات التوضيحية الزائفة كمسارات قصيرة ذات حواف دعم منخفضة وعقد تنتهي في عقدة من الدرجة 1 تنفصل عن الرسم البياني الرئيسي. للتعامل مع هذا الأمر ، يزيل Panaroo بشكل متكرر العقد من الدرجة 1 التي تقل عن عتبة دعم معينة كما هو موضح في الشكل 1.

تلوث اشعاعى

عادة ما تكون contigs الناتجة عن تلوث العينة متباينة بشكل كبير عن pangenome الأنواع المستهدفة. وبالتالي ، تميل الملوثات الملوثة إلى الظهور كمكونات منفصلة عن الرسم البياني الرئيسي مع دعم منخفض. لإزالة هذه ، يستخدم Panaroo نفس الأسلوب الموصوف لنهايات كونتيج لحذف العقد منخفضة الدعم بشكل متكرر مع أقل من أو يساوي درجة واحدة (انظر الشكل 1). يتمتع هذا النهج بميزة الاحتفاظ بالجينات النادرة الموجودة في الرسم البياني الرئيسي أثناء إزالة الملوثات المحتملة. على الرغم من نجاح هذا الإجراء بشكل عام ، إلا أنه يمكن أن يؤدي في بعض الأحيان إلى إزالة البلازميدات النادرة. لقد وجدنا أن فوائد إزالة الضوضاء غير المرغوب فيها تتجاوز بكثير الخسارة الصغيرة في الحساسية التي يوفرها هذا النهج. ومع ذلك ، فإننا نوفر أيضًا ثلاثة إعدادات للخوارزمية مع الاحتفاظ بالمكالمات النادرة الأكثر حساسية والتي يمكن أن تكون مفيدة عندما يهتم المرء بالبلازميدات النادرة.

تصحيح أخطاء الترجمة

تعتمد العديد من خوارزميات التعليقات التوضيحية على مرحلة تدريب أولية حيث يتم تكييف معلماتها مع مجموعة البيانات الموجودة [45-47]. في كثير من الأحيان ، يتم إجراء هذا التدريب بشكل منفصل على كل جينوم. هذا هو الحال في خط أنابيب Prokka ، والذي يستخدم Prodigal لإجراء شرح الجين الأولي [28 ، 45]. يمكن أن يؤدي هذا إلى تسلسل متطابق يتم شرحه بشكل مختلف في جينومات مختلفة. لتصحيح ذلك ، يتحقق Panaroo من الجينات الموجودة على مقربة من الرسم البياني pangenome لتحديد ما إذا كان من المحتمل أن يكون أي منها عبارة عن ترجمة خاطئة أو طفرات تحول الإطار أو نسخ جينية كاذبة من خلال مقارنة تسلسلها على مستوى النيوكليوتيدات. إذا تطابق تسلسلان جينيان بتغطية وهوية عالية ، عادةً 95٪ و 99٪ على التوالي ، يتم استدعاء خطأ في الترجمة وتنهار العقدة الجينية ذات الدعم السفلي في العقدة بدعم أعلى.

عائلات الجينات المنهارة

تتنوع العائلات الجينية بمعدلات مختلفة بسبب تأثير الاختيار الإيجابي والتنقية. هذا يجعل اختيار عتبة هوية تسلسل صارم لتحديد المجموعات المتعامدة أمرًا صعبًا. تعتمد معظم برامج تحليل pangenome على هوية التسلسل الزوجي أو عتبة القيمة الإلكترونية BLAST. يمكن أن يؤدي هذا الاعتماد إلى كل من التجميع المفرط ، حيث يتم دمج عائلات الجينات المنفصلة بشكل غير صحيح ، والإفراط في التقسيم حيث يتم تقسيم عائلة الجينات الواحدة بشكل غير صحيح إلى عدة مجموعات أصغر. تحاول العديد من الأساليب التعامل مع المشكلات السابقة من خلال استخدام المعلومات السياقية لتقسيم المجموعات التي لها جينات جينية مختلفة [4 ، 6]. في الآونة الأخيرة ، تم اقتراح البدائل التي تستخدم التجميع عند عتبات أدنى متبوعة بتقنيات تقسيم أكثر انخراطًا [7 ، 8]. كبديل لهذه الأساليب ، نوسع فكرة استخدام سياق الجينات لتشمل مشكلة التقسيم الزائد. يستخدم Panaroo المعلومات السياقية الجينية لهدم عائلات الجينات المتنوعة التي تم تقسيمها بشكل غير صحيح إلى مجموعات متعددة أثناء إنشاء الرسم البياني pangenome الأولي. تتم مقارنة مجموعات الجينات الأولية التي تشترك في جار مشترك في الرسم البياني عند عتبة تسلسل زوجي أقل (افتراضي 70٪). إذا كانت تقع ضمن هذه العتبة ، يتم طي العقدتين ويتم وضع تعليقات توضيحية للعقدة الناتجة للإشارة إلى أنها تتكون من عائلة أكثر تنوعًا. لقد وجدنا أن استخدام هذه المعلومات السياقية الإضافية يؤدي إلى مجموعات أكثر قوة.

التعرف على الجينات المفقودة

أدوات برامج مجموعات pangenome السابقة غير قادرة على تحديد التعليقات التوضيحية المفقودة. يمكن فقد التعليقات التوضيحية الجينية بسبب التباين في تدريب النموذج والتجمعات المجزأة والتجميعات الخاطئة. يعالج Panaroo هذه المشكلة عن طريق تحديد أزواج من العقد في الرسم البياني pangenome حيث توجد عقدة واحدة في الجينوم ولا توجد عقدة مجاورة لها. ثم يتم البحث عن العقدة التي يحتمل أن تكون مفقودة في التسلسل المحيط بالعقدة المجاورة. إذا تم العثور على تطابق كافٍ للتغطية والهوية ، فسيتم تصحيح الرسم البياني ليشمل تعليقًا توضيحيًا لهذا الجين المفقود في ذلك الجينوم. تُستخدم أداة المحاذاة edlib (الإصدار 1.3.4) لإجراء عمليات البحث هذه والتي تتيح ملايين الشيكات في إطار زمني معقول [24].

انتاج |

للسماح بالتكامل البسيط مع خطوط أنابيب المعلوماتية الحيوية الحالية ، ينتج Panaroo العديد من تنسيقات الملفات نفسها مثل Roary. يتضمن ذلك نفس تنسيق ملف وجود / غياب الجين بالإضافة إلى محاذاة الجينوم الأساسي والإضافي التي تم إنشاؤها باستخدام إما MAFFT أو Prank أو Clustal Omega [48-50]. بالإضافة إلى ذلك ، يقوم Panaroo بإخراج رسم بياني pangenome مشروح بالكامل بتنسيق GML لعرضه بسهولة في Cytoscape [25]. يتم شرح كل عقدة وحافة جينية بالجينومات التي تنتمي إليها بالإضافة إلى التعليقات التوضيحية للجينات التي قدمها Prokka ، وتسلسل الجينات وما إذا كانت العقدة قد تم تصنيفها على أنها Paralog أم لا. يوفر تنسيق الرسم البياني هذا أداة قيمة لفحص نتائج Panaroo بصريًا. نظرًا لأن Panaroo يحاول إنشاء مخطط pangenome الكامل بدلاً من استخدام السياق المحلي فقط ، فإن هذا الرسم البياني قادر على تقديم رؤى مخفية في العديد من مخرجات الأدوات المماثلة مثل Roary [4].

الاختلاف الهيكلي

نظرًا لأن Panaroo يبني الرسم البياني الكامل لشكل pangenome ، فمن الممكن تجاوز وجود / غياب الجين وإلقاء نظرة على الهيكل الأساسي للرسم البياني. لتسهيل تحليل هذه البنية ، يولد Panaroo مصفوفة وجود / غياب ثلاثية الجينات ، تشير إلى وجود ثلاثة جينات في مسار على طول الجينوم. هذا موضح في الشكل 5 أ ، ويمكن استخدام مصفوفة الوجود / الغياب الناتجة في دراسات الارتباط لاستقصاء الاختلافات في إعادة الترتيب بين الجينومات في الأنواع. يمكن بعد ذلك تحليل سياق كل ثلاثية من خلال النظر إلى الرسم البياني الكامل في Cytoscape.

قبل وبعد المعالجة

يأتي خط أنابيب Panaroo معبأ بعدد من البرامج النصية قبل المعالجة وبعدها لتحليل pangenomes. لقد قمنا بتضمين غلاف لخوارزميات شاشة Mash and Mash الشهيرة التي تنشئ مخططات تشخيصية لمراقبة الجودة قبل تشغيل خط أنابيب Panaroo [51 ، 52]. تشتمل هذه المخططات على إسقاط متعدد الأبعاد (MDS) لمسافات Mash الزوجية ، ومخططات شريطية تفاعلية للتحقيق في التلوث ، بالإضافة إلى تعداد الجينات والتواصل.

بالإضافة إلى ذلك ، قمنا بتضمين نصوص ما بعد المعالجة لتقدير معدلات اكتساب الجينات وفقدها باستخدام كل من نموذج الجينات العديدة اللانهائية (IMG) [41 ، 53] ونموذج الجينات العديدة المحدودة (FMG) لـ [8 ، 53]. هذه هي أفضل من الممارسة الشائعة لتخطيط منحنيات التراكم للإشارة إلى حجم pangenome لأنها تفسر التنوع والجدول الزمني للعزلات التي تم أخذ عينات منها. هذا يسمح بمقارنة أوضح بين pangenomes من الأنواع المختلفة أو clades. يتضمن Panaroo أيضًا تطبيقًا لخوارزمية Spydrpick التي تسمح بتحديد أنماط وجود / غياب الجين التي تكون إما شديدة الارتباط أو غير مرتبطة أثناء حساب بنية السكان [54]. يمكن أن تشير مثل هذه الارتباطات إلى أن الجينات المعنية لها تأثيرات معرفية على اللياقة أو أن وجودها أو غيابها هو نتيجة لضغوط انتقائية مماثلة. أخيرًا ، يتفاعل إخراج Panaroo بسلاسة مع pyseer (الإصدار 1.3.0) ، حزمة GWAS البكتيرية [26 ، 55]. تشتمل pyseer على مجموعة واسعة من الطرق لإجراء دراسات الارتباط التي تسمح بإيجاد ارتباطات نمطية مع الجينات أو أنماط الوجود / الغياب البنيوي.

المحاكاة والمقارنة بالطرق السابقة

باستخدام بكتريا قولونية الجينوم المرجعي ASM584v2 كنقطة انطلاق ، قمنا بمحاكاة التباين في جينوم الملحق من خلال تغيير معدلات اكتساب الجينات وفقدانها باستخدام نسالة تمت محاكاتها مع Kingman coalescent in dendropy (v4.4.0) [56]. بالإضافة إلى ذلك ، قمنا بمحاكاة درجات مختلفة من اختلاف التسلسل من خلال تغيير معدل استبدال الكود الجيني. Three replicate datasets of 100 sampled genomes were created for each set of model parameters outlined in Supplementary Table 1. Realistic sequence assemblies were generated by first simulating NGS sequencing reads using either Mason (v2.0.9) or ART (v2.5.8) [33, 35]. These were assembled using SPAdes (v3.13.0) [34]. The resulting assemblies were annotated using Prokka (v1.13.3) with a custom BLAST database containing the correctly assigned proteins from the simulation prior to assembly. This extensive simulation pipeline provided more realistic data and included many of the sources of error encountered in pangenome analyses. To simulate the problems that fragmentation can bring to the analysis of pangenomes, we also simulated a fragmented assembly by breaking the simulated whole genomes into fragments prior to simulating the NGS reads. This resulted in highly fragmented final assemblies. Contamination was also simulated by randomly adding 10-kb segments of the S. البشرة reference genome ASM764v1 a common lab contaminant to the simulated genomes prior to NGS simulation. These segments were added by sampling from a Poisson distribution with mean 1. The gene presence/absence matrix was then generated for PanX (v1.5.1), Roary (v1.007002), PIRATE (v1.0), COGsoft (v201204) and Panaroo (v1.0.0). These were compared with the simulated matrix and the number of inferred orthologous clusters that contained an error was counted and is shown in Fig. 3.


Gene regulation in prokaryotes

Most bacteria are free-living organisms that grow by increasing
in mass and then divide by binary fission.
Growth and division are controlled by genes, the expression
of which must be regulated appropriately. الجينات
whose activity is controlled in response to the needs of a
cell or organism are called regulated genes. All organisms
also have a large number of genes whose products
are essential to the normal functioning of a growing and
dividing cell, no matter what the conditions are. هؤلاء
genes are always active in growing cells and are known as
constitutive genes or housekeeping genes examples include
genes that code for the enzymes needed for protein
synthesis and glucose metabolism. Note that all genes are
regulated on some level. If normal cell function is impaired
for some reason, the expression of all genes, including
constitutive genes, is reduced by regulatory
الآليات. Thus, the distinction between regulated
and constitutive genes is somewhat arbitrary.


شاهد الفيديو: ضبط التعبير الجيني في حقيقيات النواة: شرح بالعربي (شهر نوفمبر 2022).