Informacije

Imaju li organizmi mehanizam da kontroliraju koliko brzo se mutacije javljaju?

Imaju li organizmi mehanizam da kontroliraju koliko brzo se mutacije javljaju?


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.

Ponekad se okoliš i druge vrste mogu brzo mijenjati (klimatske promjene, promjene terena zbog erozije, nove riječne staze, itd.), i čini se da bi redovna spora stopa mutacija bila loša, a vrste koje brže mutiraju bi napredovale. S druge strane, ova brza stopa mutacije izgleda rasipna i neefikasna kada se okruženje sporo mijenja, tako da sporije mutirajuće vrste napreduju s manje otpada u ovoj situaciji.

Čini se da bi organizmi sposobni da odgovore na tempo promjene okoliša dobro prošli oboje situacije. Postoji li takva sposobnost modulacije brzine mutacije/evolucije u prirodi?


Sposobnost populacije da odgovori na promjene životne sredine kroz evoluciju javlja se tokom generacija, tako da vrijeme generiranja organizma mora biti manje od vremenske skale promjene životne sredine da bi takvo povećanje stope mutacije bilo korisno.

Barem za bakterije, odgovor na vaše pitanje je da. Bakterijski stresni odgovori uključuju pojačanu regulaciju polimeraza sklonih greškama i na taj način dovode do povećane stope mutacija. Pogledajte ovaj rad (linkovi i naglasci dodani):

Foster PL. 2005. Reakcije na stres i genetske varijacije kod bakterija. Mutat Res 569(1-2):3-11.

U stresnim uslovima mehanizmi koji povećavaju genetsku varijabilnost mogu dati selektivnu prednost. Bakterije imaju nekoliko odgovora na stres koji pružaju načine na koje se mogu povećati stope mutacija. To uključuje SOS odgovor, opći odgovor na stres, odgovor na toplotni šok i strogi odgovor, a sve to utiče na regulaciju polimeraza sklonih greškama. Čini se da je adaptivna mutacija [a] proces kojim ćelije mogu odgovoriti na selektivni pritisak, posebno stvaranjem mutacija. U soju Escherichia coli FC40 adaptivna mutacija uključuje sljedeće inducibilne komponente: (i) put rekombinacije koji generiše mutacije; (ii) DNK polimeraza koja sintetiše DNK koja sadrži greške; i (iii) reakcije na stres koji regulišu ćelijske procese. Osim toga, subpopulacija stanica ulazi u stanje hipermutacije, što dovodi do oko 10% pojedinačnih mutanata i gotovo svih mutanata s višestrukim mutacijama. Ove bakterijske reakcije imaju implikacije na razvoj raka i drugih genetskih poremećaja u višim organizmima.

Ovaj mehanizam može biti uključen u evoluciju rezistencije na antibiotike, na primjer (naglasak dodat):

Cirz RT, Chin JK, Andes DR, de Crecy-Lagard V, Craig WA, Romesberg FE. 2005. Inhibicija mutacije i borba protiv evolucije rezistencije na antibiotike. PLoS Biol 3(6):e176.

Pojava bakterija otpornih na lijekove predstavlja ozbiljnu prijetnju ljudskom zdravlju. U slučaju nekoliko antibiotika, uključujući one iz klasa kinolona i rifamicina, bakterije brzo stiču otpornost mutacijom hromozomskih gena tokom terapije. U ovom radu, pokazujemo da sprečavanje indukcije SOS odgovora ometanjem aktivnosti proteaze LexA čini patogenu Escherichia coli nesposobnom da razvije otpor in vivo na ciprofloksacin ili rifampicin, važne kinolonske i rifamicin antibiotike. To pokazujemo in vitro Cepanje LexA je indukovano tokom RecBC-posredovanog popravka oštećenja DNK posredovana ciprofloksacinom i da to rezultira derepresijom SOS regulisanih polimeraza Pol II, Pol IV i Pol V, koje sarađuju da bi izazvale mutacije koje daju rezistenciju. Naši nalazi pokazuju da bi inhibicija mutacije mogla poslužiti kao nova terapijska strategija za borbu protiv evolucije rezistencije na antibiotike.


Imaju li organizmi mehanizam da kontroliraju koliko brzo se mutacije javljaju? - Biologija

Superbug, super-brza evolucija
april 2008

MSRA
Fascinacija sićušnim mikrobima koji nose dugačka imena koja se teško izgovaraju često je rezervirana za učionice biologije — osim ako, naravno, buba u pitanju ne prijeti ljudskom zdravlju. MRSA (otporna na meticilin Staphylococcus aureus) sada doprinosi većem broju smrtnih slučajeva u SAD nego što je to slučaj sa HIV-om, a kako je porastao nivo prijetnje, tako je porasla i pažnja koju su na njega poveli mediji. U ovom trenutku, skoro svaki potez koji greška napravi vjerovatno će se pojaviti u vašim lokalnim novinama. Prošlog mjeseca pojavili su se izvještaji o studijama bolničkog skrininga na MRSA (koje su dale kontradiktorne rezultate), priče o izbijanju MRSA (koje uključuju i stvarne i lažne uzbune) i medijske bure oko otkrića da ljudi i njihovi kućni ljubimci mogu podijeliti infekciju s jednim drugi. Zašto je ova greška tako zastrašujuća? Odgovor je evolucijski.

Gdje je evolucija?
MRSA je otporna ne samo na antibiotik meticilin, već i na čitav niz drugih naših lijekova, što ga čini vrlo teškim za liječenje i, povremeno, smrtonosnim. Međutim, moderni sojevi MRSA nisu se pojavili iz vedra neba. Ranih 1940-ih, kada je penicilin prvi put korišten za liječenje bakterijskih infekcija, sojevi otporni na penicilin S. aureus bili su nepoznati — ali su do 1950-ih bili uobičajeni u bolnicama. Meticilin je uveden 1961. za liječenje ovih rezistentnih sojeva, a u roku od godinu dana, liječnici su naišli na otpornost na meticilin. S. aureus. Danas imamo sojeve MRSA koji su istovremeno otporni na listu različitih antibiotika, uključujući vankomicin — koji se često smatra našom posljednjom linijom antibakterijske odbrane.

Kako je S. aureus preobraziti iz manje infekcije kože u teror? Kada mediji izvještavaju o MRSA-i i drugim patogenima otpornim na lijekove, često kažu da su se takvi patogeni nedavno "pojavili" — da su "razvili" otpornost ili "naučili" izbjegavati naše lijekove. U stvari, tačnije je reći da ove greške imaju evoluirao otpor. Posebno je ironično da novine mogu bježati od opisa bakterijske evolucije kao takve, jer, kada je u pitanju evolucija, većina nas ostalih je pobijedila bakterije.

Bakterije se odlično razvijaju iz mnogo razloga. Na primjer, njihovo kratko vrijeme generacije i velika veličina populacije povećavaju brzinu kojom mogu evoluirati. Osim toga, jedna osobina bakterijske genetike posebno je istaknuta u evoluciji otpornosti na antibiotike: horizontalni prijenos. Evo kratkog objašnjenja:

    Evolucija sa vertikalnim prenosom. U većini poznatih organizama, nove varijante gena nastaju u populaciji nasumičnom mutacijom —, to jest, jedna jedinka doživljava genetsku mutaciju i ako ta mutacija povećava sposobnost pojedinca da preživi i razmnožava, favorizira prirodna selekcija. Mutantne varijante gena se prenose sa roditelja na potomstvo, a korisne mutacije se na taj način šire kroz buduće generacije. S vremenom se mogu pojaviti dodatne korisne mutacije koje se zasnivaju na prvoj i počnu se širiti u populaciji, omogućavajući razvoj složenijih osobina kako se mutacije gomilaju. Ova standardna slika evolucije je na djelu u svim organizmima — bilo da se radi o ljudima koji na kraju razviju sposobnost varenja mlijeka ili biljnoj vrsti koja se prilagođava prisutnosti teških metala u svom okruženju. Isti mehanizam djeluje i na bakterije. U stvari, biolozi su primijetili da soj MRSA inficira jednog pacijenta kako se razvija nasumičnim mutacijama i selekcijom. Pacijent je bio liječen vankomicinom i polako, tokom nekoliko mjeseci i 35 odvojenih mutacija, bakterija je evoluirala u MRSA soj otporan na vankomicin.


Horizontalni prijenos ima važne implikacije za evoluciju otpornosti bakterija na antibiotike.

    Horizontalni prijenos može ubrzati evoluciju rezistencije na antibiotike. Bakterije ne moraju nužno čekati da se pojave prave nasumične mutacije da bi se, recimo, prilagodile penicilinu. Ako je neka druga vrsta ili soj već prošla kroz proces akumulacije mutacija da bi se oduprla penicilinu, odgovarajući geni otpornosti vjerovatno već plutaju u bakterijskim populacijama. To znači da populacija koja se prvi put susreće s penicilinom može već uključuju nekoliko individua koje nose visoko razvijene gene otpornosti, omogućavajući soju da brzo evoluira kako bi izbjegao antibiotik.

Suočeni sa superevolucijskim sposobnostima bakterija, situacija bi mogla izgledati beznadežno — i zaista je strašna. Međutim, postoje neke jednostavne mjere predostrožnosti koje svako može provesti u djelo. Uzimanje antibiotika samo za ozbiljne bakterijske infekcije i dovršetak cijelog kursa antibiotika prema uputama vašeg liječnika pomoći će u sprječavanju širenja bakterija otpornih na antibiotike. Smanjenje ili eliminacija preventivne upotrebe antibiotika na stoci i usjevima također može pomoći u suzbijanju daljnje evolucije rezistentnih sojeva. I, naravno, izdvajanje više sredstava za istraživanje razvoju novih antibiotika može pomoći da buduća okršaja u ovoj tekućoj bitci budu u našu korist. Ali šta danas možemo učiniti u vezi sa sojevima bakterija otpornim na više lijekova kao što je MRSA? Trebamo li brinuti o šetnji na otvorenom ili rukovanju sa strancem? Ne. Izvan bolnice, većina nas je malo vjerovatno da će se susresti sa neliječivim sojevima MRSA-e, a nešto tako jednostavno kao što je pranje ruku može uvelike pomoći da ostanete zdravi — i isključite antibiotike koji bi doprinijeli evoluciji još otpornijih sojeva bakterija.

    Chambers, H. F. (2001). Promjenjiva epidemiologija Staphylococcus aureus? Emerging Infectious Diseases 7(2):178-182.

    from Scientific American

Razumijevanje resursa Evolucije:

Pitanja za diskusiju i proširenje

    Koja je ključna razlika između vertikalnog prijenosa i horizontalnog prijenosa?

. Objasnite zašto su genetske varijacije tako važne za ovaj proces.

Povezane lekcije i nastavni resursi

    : U ovom videu za studente AP biologije, profesor Marc Lipsitch objašnjava kako bakterije razvijaju otpornost i zašto to predstavlja takvu prijetnju.

: U ovoj aktivnosti za 9-12 razred, učenici uče zašto je evolucija u središtu prijetnje svjetskom zdravlju istražujući sve veći problem rezistencije na antibiotike kod opasnih bolesti kao što je tuberkuloza.

    Chambers, H. F. (2001). Promjenjiva epidemiologija Staphylococcus aureus? Emerging Infectious Diseases 7(2):178-182.


9.5 Kako se regulišu geni

Da bi stanica pravilno funkcionirala, potrebni proteini moraju biti sintetizirani u odgovarajuće vrijeme. Svi organizmi i ćelije kontrolišu ili regulišu transkripciju i prevođenje svoje DNK u protein. Proces uključivanja gena za proizvodnju RNK i proteina naziva se ekspresija gena. Bilo u jednostavnom jednoćelijskom organizmu ili u složenom višećelijskom organizmu, svaka stanica kontrolira kada i kako se eksprimiraju njeni geni. Da bi se to dogodilo, mora postojati mehanizam za kontrolu kada se gen ekspresira za stvaranje RNK i proteina, koliko se proteina proizvodi i kada je vrijeme da se prestane proizvoditi taj protein jer više nije potreban.

Ćelije u višećelijskim organizmima su specijalizovane ćelije u različitim tkivima koje izgledaju veoma različito i obavljaju različite funkcije. Na primjer, mišićna ćelija se veoma razlikuje od ćelije jetre, koja se veoma razlikuje od ćelije kože. Ove razlike su posledica ekspresije različitih skupova gena u svakoj od ovih ćelija. Sve ćelije imaju određene osnovne funkcije koje moraju obavljati za sebe, kao što je pretvaranje energije u molekulima šećera u energiju u ATP-u. Svaka ćelija također ima mnogo gena koji nisu eksprimirani, i eksprimiraju mnoge koji nisu eksprimirani od strane drugih stanica, tako da može obavljati svoje specijalizirane funkcije. Osim toga, ćelije će uključiti ili isključiti određene gene u različito vrijeme kao odgovor na promjene u okruženju ili u različito vrijeme tokom razvoja organizma. Jednoćelijski organizmi, i eukariotski i prokariotski, također uključuju i isključuju gene kao odgovor na zahtjeve svog okruženja kako bi mogli odgovoriti na posebne uvjete.

Kontrola ekspresije gena je izuzetno složena. Poremećaji u ovom procesu su štetni za ćeliju i mogu dovesti do razvoja mnogih bolesti, uključujući rak.

Prokariotska nasuprot eukariotskoj ekspresiji gena

Da bismo razumjeli kako je ekspresija gena regulirana, prvo moramo razumjeti kako gen postaje funkcionalni protein u ćeliji. Proces se dešava iu prokariotskim i eukariotskim ćelijama, samo na malo drugačiji način.

Budući da prokariotski organizmi nemaju jezgro ćelije, procesi transkripcije i translacije odvijaju se gotovo istovremeno. Kada protein više nije potreban, transkripcija se zaustavlja. Kao rezultat toga, primarni metod kontrole koji tip i koliko proteina se eksprimira u prokariotskoj ćeliji je regulacija transkripcije DNK u RNK. Svi naredni koraci se dešavaju automatski. Kada je potrebno više proteina, dolazi do veće transkripcije. Stoga je u prokariotskim ćelijama kontrola ekspresije gena gotovo u potpunosti na nivou transkripcije.

Prvi primjer takve kontrole otkriven je korištenjem E. coli 1950-ih i 1960-ih od strane francuskih istraživača i naziva se lac operon. The lac operon je dio DNK s tri susjedna gena koji kodiraju proteine ​​koji učestvuju u apsorpciji i metabolizmu laktoze, izvora hrane za E. coli. Kada laktoza nije prisutna u okruženju bakterije, lac geni se transkribiraju u malim količinama. Kada je laktoza prisutna, geni se transkribiraju i bakterija može koristiti laktozu kao izvor hrane. Operaon takođe sadrži promotorsku sekvencu za koju se RNA polimeraza vezuje da bi započela transkripciju između promotora i tri gena je region koji se zove operator. Kada nema laktoze, protein poznat kao represor se vezuje za operatera i sprečava da se RNA polimeraza veže za promotor, osim u retkim slučajevima. Tako se proizvodi vrlo malo proteinskih proizvoda ova tri gena. Kada je laktoza prisutna, krajnji proizvod metabolizma laktoze vezuje se za protein represora i sprečava ga da se veže za operatera. Ovo omogućava RNA polimerazi da se veže za promotor i slobodno transkribuje tri gena, omogućavajući organizmu da metabolizira laktozu.

Eukariotske ćelije, nasuprot tome, imaju unutarćelijske organele i mnogo su složenije. Podsjetimo da se u eukariotskim stanicama DNK nalazi unutar jezgra ćelije i tamo se transkribuje u mRNA. Novosintetizovana mRNA se zatim transportuje iz jezgra u citoplazmu, gde ribozomi prevode mRNA u protein. Procesi transkripcije i translacije fizički su odvojeni nuklearnom membranom. Transkripcija se događa samo unutar jezgre, a translacija se događa samo izvan jezgre u citoplazmi. Regulacija ekspresije gena može se desiti u svim fazama procesa (slika 9.22). Regulacija se može dogoditi kada se DNK razmota i olabavi od nukleozoma da bi se vezala za faktore transkripcije (epigenetski nivo), kada se RNA transkribira (transkripcijski nivo), kada se RNA obrađuje i izvozi u citoplazmu nakon što je transkribirana (post-transkripcijski nivo) , kada je RNK prevedena u protein (translacioni nivo), ili nakon što je protein napravljen (post-translacioni nivo).

Razlike u regulaciji ekspresije gena između prokariota i eukariota sumirane su u tabeli 9.2.

  • RNK transkripcija se događa prije translacije proteina i odvija se u jezgru. Translacija RNK u protein se dešava u citoplazmi.
  • Post-procesiranje RNK uključuje dodavanje 5' kape, poli-A repa i eksciziju introna i spajanje egzona.

Evolution Connection

Alternativno spajanje RNA

U 1970-im, prvi put su uočeni geni koji pokazuju alternativno spajanje RNK. Alternativno spajanje RNK je mehanizam koji omogućava da se različiti proteinski proizvodi proizvode iz jednog gena kada se različite kombinacije introna (a ponekad i egzona) uklone iz transkripta (slika 9.23). Ovo alternativno spajanje može biti nasumično, ali češće je kontrolirano i djeluje kao mehanizam regulacije gena, s učestalošću različitih alternativa spajanja koje kontrolira stanica kao način kontrole proizvodnje različitih proteinskih proizvoda u različitim stanicama, ili na različite faze razvoja. Alternativno spajanje sada se smatra uobičajenim mehanizmom regulacije gena kod eukariota prema jednoj procjeni, 70% gena kod ljudi se izražava kao više proteina kroz alternativno spajanje.

Kako bi se moglo razviti alternativno spajanje? Introni imaju početnu i krajnju sekvencu prepoznavanja i lako je zamisliti neuspjeh mehanizma spajanja da identifikuje kraj introna i pronađe kraj sljedećeg introna, uklanjajući na taj način dva introna i egzon koji je među njima. U stvari, postoje mehanizmi za sprečavanje takvog preskakanja egzona, ali mutacije će vjerovatno dovesti do njihovog neuspjeha. Takve "greške" bi više nego vjerojatno proizvele nefunkcionalni protein. Zaista, uzrok mnogih genetskih bolesti je alternativno spajanje, a ne mutacije u nizu. Međutim, alternativno spajanje stvorilo bi proteinsku varijantu bez gubitka originalnog proteina, otvarajući mogućnosti za prilagođavanje nove varijante novim funkcijama. Duplikacija gena je igrala važnu ulogu u evoluciji novih funkcija na sličan način – obezbjeđujući gene koji mogu evoluirati bez eliminacije izvornog funkcionalnog proteina.


Pukotine na koži mogu omogućiti bakterijama da uđu

Bakterije najčešće ulaze u tijelo kroz pukotine na koži, uključujući:

  • Posekotine i ogrebotine
  • Burns
  • Ujedi insekata
  • Ubodne rane (uključujući one zbog intravenske ili IV upotrebe droga)
  • Hirurške rane

Međutim, ljudi mogu dobiti i nekrotizirajući fasciitis nakon ozljede koja ne razbije kožu (tupa trauma).

Nekrotiziranje znači izazivanje smrti tkiva. Fasciitis znači upalu fascije (tkiva ispod kože koje okružuje mišiće, živce, masnoću i krvne žile).

Infekcija se često vrlo brzo širi. Rani simptomi nekrotizirajućeg fasciitisa mogu uključivati:

  • Crveno, toplo ili natečeno područje kože koje se brzo širi
  • Teški bol, uključujući bol izvan područja kože koja je crvena, topla ili natečena
  • Vrućica

Odmah se obratite ljekaru ako imate ove simptome nakon ozljede ili operacije. Iako manje bolesti mogu uzrokovati simptome poput ovih, ljudi ne bi trebali odlagati dobivanje medicinske pomoći.

Kasniji simptomi nekrotizirajućeg fasciitisa mogu uključivati:

  • Čirevi, plikovi ili crne mrlje na koži
  • Promjene u boji kože
  • Gnoj ili curenje iz zaraženog područja
  • Vrtoglavica
  • umor (umor)
  • Dijareja ili mučnina

Doktori liječe nekrotizirajući fasciitis IV antibioticima.

Nekrotizirajući fasciitis je vrlo ozbiljna bolest koja zahtijeva liječenje u bolnici. Antibiotici i operacija su obično prve linije odbrane ako doktor posumnja da pacijent ima nekrotizirajući fasciitis.

Budući da se nekrotizirajući fasciitis može tako brzo širiti, pacijenti često moraju vrlo brzo obaviti operaciju. Doktori također daju antibiotike kroz iglu u venu (IV antibiotike) kako bi pokušali zaustaviti infekciju.

Ponekad, međutim, antibiotici ne mogu doći do svih zaraženih područja jer su bakterije ubile previše tkiva i smanjile protok krvi. Kada se to dogodi, doktori moraju hirurški ukloniti mrtvo tkivo. Nije neuobičajeno da neko sa nekrotizirajućim fasciitisom na kraju zatreba više operacija. U teškim slučajevima, pacijentu može biti potrebna transfuzija krvi.


G1 Checkpoint

G1 kontrolna tačka određuje da li su svi uslovi povoljni za nastavak deobe ćelije. G1 Kontrolna tačka, takođe nazvana tačka restrikcije (kod kvasca), je tačka u kojoj se ćelija nepovratno obavezuje na proces deobe ćelije. Spoljni uticaji, kao što su faktori rasta, igraju veliku ulogu u prenošenju ćelije dalje od G1 kontrolni punkt. Osim adekvatnih rezervi i veličine ćelije, postoji i provjera oštećenja genomske DNK na G1 kontrolni punkt. Ćeliji koja ne ispunjava sve zahtjeve neće biti dozvoljeno da napreduje u S fazu. Ćelija može zaustaviti ciklus i pokušati da popravi problematično stanje, ili ćelija može napredovati u G0 i čekati dalje signale kada se uslovi poboljšaju.


Mutacija

Naši urednici će pregledati ono što ste poslali i odlučiti da li da revidiraju članak.

Mutacija, promjena u genetskom materijalu (genomu) stanice živog organizma ili virusa koja je više ili manje trajna i koja se može prenijeti na ćeliju ili potomke virusa. (Svi genomi organizama se sastoje od DNK, dok virusni genomi mogu biti od DNK ili RNK, vidi naslijeđe: fizička osnova naslijeđa.) Mutacija u DNK tjelesne ćelije višećelijskog organizma (somatska mutacija) može se prenijeti na ćelije potomaka replikacijom DNK i stoga rezultiraju sektorom ili djelićem stanica koje imaju abnormalnu funkciju, na primjer rak. Mutacije u jajnim ćelijama ili spermatozoidima (germinativne mutacije) mogu rezultirati pojedinačnim potomstvom čije sve stanice nose mutaciju, što često uzrokuje ozbiljne kvarove, kao u slučaju ljudske genetske bolesti kao što je cistična fibroza. Mutacije su rezultat nesreća tokom normalnih hemijskih transakcija DNK, često tokom replikacije, ili zbog izlaganja visokoenergetskom elektromagnetnom zračenju (npr. ultraljubičastom ili rendgenskom zračenju) ili zračenju čestica ili visoko reaktivnim hemikalijama u okolini. Budući da su mutacije nasumične promjene, očekuje se da će biti uglavnom štetne, ali neke mogu biti korisne u određenim okruženjima. Općenito, mutacija je glavni izvor genetske varijacije, koja je sirovina za evoluciju prirodnom selekcijom.

Kako se mutacije prenose na potomstvo?

Pojedinačno potomstvo nasljeđuje mutacije samo kada su mutacije prisutne u roditeljskom jajetu ili spermatozoidima (germinativne mutacije). Sve ćelije potomstva će nositi mutirani DNK, što često uzrokuje ozbiljne kvarove, kao u slučaju ljudske genetske bolesti kao što je cistična fibroza.

Zašto dolazi do mutacije?

Mutacije u DNK nastaju iz različitih razloga. Na primjer, faktori okoline, kao što je izlaganje ultraljubičastom zračenju ili određenim hemikalijama, mogu izazvati promjene u sekvenci DNK. Mutacije mogu nastati i zbog nasljednih faktora.

Šta su žarišta mutacija?

Vruće tačke mutacija (ili žarišta mutacija) su segmenti DNK koji su posebno skloni genetskim promjenama. Povećana osjetljivost ovih područja DNK na mutacije pripisuje se interakcijama između faktora koji izazivaju mutaciju, strukture i funkcije sekvence DNK i enzima uključenih u popravku, replikaciju i modifikaciju DNK.

Genom se sastoji od jednog do nekoliko dugih molekula DNK, a mutacija se potencijalno može dogoditi bilo gdje na tim molekulima u bilo koje vrijeme. Najozbiljnije promjene se dešavaju u funkcionalnim jedinicama DNK, genima. Mutirani oblik gena naziva se mutantalel. Gen se obično sastoji od regulatornog regiona, koji je odgovoran za uključivanje i isključivanje transkripcije gena u odgovarajuće vreme tokom razvoja, i kodirajućeg regiona, koji nosi genetski kod za strukturu funkcionalnog molekula, generalno proteina. Protein je lanac obično od nekoliko stotina aminokiselina. Ćelije stvaraju 20 uobičajenih aminokiselina, a jedinstveni broj i redoslijed istih daju proteinu njegovu specifičnu funkciju. Svaka aminokiselina je kodirana jedinstvenom sekvencom, ili kodonom, od tri od četiri moguća para baza u DNK (A–T, T–A, G–C i C–G, pojedinačna slova koja se odnose na četiri azotna para). baze adenin, timin, gvanin i citozin). Dakle, mutacija koja mijenja sekvencu DNK može promijeniti sekvencu aminokiselina i na taj način potencijalno smanjiti ili inaktivirati funkciju proteina. Promjena u DNK sekvenci regulatorne regije gena može negativno utjecati na vrijeme i dostupnost proteina gena i također dovesti do ozbiljnog kvara ćelije. S druge strane, mnoge mutacije su tihe, ne pokazujući očigledan učinak na funkcionalnom nivou. Neke tihe mutacije su u DNK između gena, ili su one vrste koja ne rezultira značajnim promjenama aminokiselina.

Mutacije su nekoliko vrsta. Promjene unutar gena nazivaju se tačkastim mutacijama. Najjednostavnije vrste su promjene pojedinačnih parova baza, koje se nazivaju zamjene parova baza. Mnogi od njih zamjenjuju pogrešnu aminokiselinu na odgovarajućoj poziciji u kodiranom proteinu, a od njih veliki dio rezultira promijenjenom funkcijom proteina. Neke supstitucije baznih parova proizvode stop kodon. Normalno, kada se stop kodon pojavi na kraju gena, on zaustavlja sintezu proteina, ali kada se pojavi u abnormalnom položaju, može rezultirati skraćenim i nefunkcionalnim proteinom. Druga vrsta jednostavne promjene, brisanje ili umetanje pojedinačnih parova baza, općenito ima dubok učinak na protein jer se sinteza proteina, koja se izvodi očitavanjem triplet kodona na linearni način od jednog kraja gena do kraja gena. drugi, je odbačen. Ova promjena dovodi do pomaka okvira u čitanju gena tako da su sve aminokiseline netačne od mutacije nadalje. Složenije kombinacije supstitucija baza, umetanja i delecija također se mogu uočiti u nekim mutantnim genima.

Mutacije koje obuhvataju više od jednog gena nazivaju se hromozomske mutacije jer utiču na strukturu, funkciju i nasljeđivanje cijelih molekula DNK (mikroskopski vidljive u umotanom stanju kao hromozomi). Često su ove mutacije hromozoma rezultat jednog ili više podudarnih prekida u molekulima DNK genoma (moguće zbog izlaganja energetskom zračenju), praćenih u nekim slučajevima pogrešnim ponovnim spajanjem. Neki ishodi su velika brisanja, dupliciranja, inverzije i translokacije. Kod diploidnih vrsta (vrsta, kao što su ljudska bića, koja ima dvostruki skup hromozoma u jezgri svake ćelije), delecije i duplikacije mijenjaju ravnotežu gena i često rezultiraju abnormalnostima. Inverzije i translokacije ne uključuju gubitak ili dobit i funkcionalno su normalne osim ako dođe do prekida unutar gena. Međutim, u mejozi (specijalizirane nuklearne podjele koje se odvijaju tijekom proizvodnje gameta, tj. jaja i spermatozoida), pogrešno uparivanje invertiranog ili translociranog kromosomskog skupa s normalnim skupom može rezultirati gametama, a time i potomstvu s dupliciranjem i brisanjem.

Gubitak ili dobivanje cijelih hromozoma dovodi do stanja koje se naziva aneuploidija. Jedan poznati rezultat aneuploidije je Downov sindrom, hromozomski poremećaj u kojem se ljudi rađaju sa dodatnim hromozomom 21 (i stoga nose tri kopije tog hromozoma umjesto uobičajene dvije). Druga vrsta hromozomske mutacije je dobitak ili gubitak cijelih hromozomskih skupova. Povećanje skupova rezultira poliploidijom – to jest, prisustvom tri, četiri ili više hromozomskih skupova umjesto uobičajena dva. Poliploidija je bila značajna sila u evoluciji novih vrsta biljaka i životinja. (Vidi također evolucija: poliploidija.)

Većina genoma sadrži pokretne DNK elemente koji se kreću s jedne lokacije na drugu. Kretanje ovih elemenata može uzrokovati mutaciju, bilo zato što element stiže na neku ključnu lokaciju, kao što je unutar gena, ili zato što potiče velike kromosomske mutacije putem rekombinacije između parova mobilnih elemenata na različitim lokacijama.

Na nivou čitavih populacija organizama, mutacija se može posmatrati kao slavina koja neprestano kaplje u populaciju, što je koncept opisan kao mutacijski pritisak. Brzina mutacije se razlikuje za različite gene i organizme. U RNA virusima, kao što je virus ljudske imunodeficijencije (HIV vidi AIDS), replikacija genoma se odvija unutar ćelije domaćina koristeći mehanizam koji je sklon greškama. Stoga su stope mutacija u takvim virusima visoke. Općenito, međutim, sudbina pojedinačnih mutantnih alela nikada nije sigurna. Većina je eliminisana slučajno. U nekim slučajevima mutantni alel može slučajno porasti u učestalosti, i tada pojedinci koji izražavaju alel mogu biti podvrgnuti selekciji, bilo pozitivnoj ili negativnoj. Dakle, za bilo koji gen frekvencija mutiranog alela u populaciji određena je kombinacijom mutacionog pritiska, selekcije i slučajnosti.


Ekspresija gena prokariota naspram eukariota

Da bismo razumjeli kako je ekspresija gena regulirana, prvo moramo razumjeti kako gen postaje funkcionalni protein u ćeliji. Proces se dešava iu prokariotskim i eukariotskim ćelijama, samo na malo drugačiji način.

Budući da prokariotski organizmi nemaju jezgro ćelije, procesi transkripcije i translacije odvijaju se gotovo istovremeno. Kada protein više nije potreban, transkripcija se zaustavlja. Kao rezultat toga, primarna metoda za kontrolu vrste i količine proteina je izražena u prokariotskoj ćeliji kroz regulaciju transkripcije DNK u RNK. Svi naredni koraci se dešavaju automatski. Kada je potrebno više proteina, dolazi do veće transkripcije. Stoga je u prokariotskim ćelijama kontrola ekspresije gena gotovo u potpunosti na transkripcijskom nivou.

Prvi primjer takve kontrole otkriven je korištenjem E. coli 1950-ih i 1960-ih od strane francuskih istraživača i naziva se lac operon. The lac operon je dio DNK s tri susjedna gena koji kodiraju proteine ​​koji učestvuju u apsorpciji i metabolizmu laktoze, izvora hrane za E. coli. Kada laktoza nije prisutna u okruženju bakterije, lac geni se transkribiraju u malim količinama. Kada je laktoza prisutna, geni se transkribiraju i bakterija može koristiti laktozu kao izvor hrane. Operaon takođe sadrži promotorsku sekvencu za koju se vezuje RNA polimeraza da bi započela transkripcija između promotora i tri gena je region koji se zove operator. Kada nema laktoze, protein poznat kao represor se vezuje za operatera i sprečava da se RNA polimeraza veže za promotor, osim u retkim slučajevima. Tako se proizvodi vrlo malo proteinskih proizvoda ova tri gena. Kada je laktoza prisutna, krajnji proizvod metabolizma laktoze vezuje se za protein represora i sprečava ga da se veže za operatera. Ovo omogućava RNA polimerazi da se veže za promotor i slobodno transkribuje tri gena, omogućavajući organizmu da metabolizira laktozu.

Eukariotske ćelije, nasuprot tome, imaju unutarćelijske organele i mnogo su složenije. Podsjetimo da se u eukariotskim stanicama DNK nalazi unutar jezgra ćelije i tamo se transkribuje u mRNA. Novosintetizovana mRNA se zatim transportuje iz jezgra u citoplazmu, gde ribozomi prevode mRNA u protein. Procesi transkripcije i translacije fizički su odvojeni nuklearnom membranom. Transkripcija se događa samo unutar jezgre, a translacija se događa samo izvan jezgre u citoplazmi. Regulacija ekspresije gena može se desiti u svim fazama procesa (slika 9.22). Regulacija se može desiti kada se DNK odmota i olabavi od nukleozoma da bi se vezala za faktore transkripcije (epigenetski nivo), kada se RNA transkribuje (transkripcioni nivo), kada se RNA obrađuje i izvozi u citoplazmu nakon što je transkribovana (post-transkripcioni nivo) , kada je RNK prevedena u protein (translacioni nivo), ili nakon što je protein napravljen (post-translacioni nivo).

Slika 9.22 Ekspresija eukariotskog gena se reguliše tokom transkripcije i obrade RNK, koji se odvijaju u jezgru, kao i tokom translacije proteina, koja se odvija u citoplazmi. Do daljnje regulacije može doći putem post-translacijskih modifikacija proteina.

Razlike u regulaciji ekspresije gena između prokariota i eukariota sumirane su u tabeli ispod.

  • Transkripcija RNK događa se prije translacije proteina i odvija se u jezgru. Translacija RNK u protein se dešava u citoplazmi.
  • RNA post-processing includes addition of a 5′ cap, poly-A tail, and excision of introns and splicing of exons.

Bacteria 'sleep', then rapidly evolve, to survive antibiotic treatments

Antibiotic resistance is a major and growing problem worldwide. According to the World Health Organization, antibiotic resistance is rising to dangerously high levels in all parts of the world, and new resistance mechanisms are emerging and spreading globally, threatening our ability to treat common infectious diseases. But how these bacterial resistance mechanisms occur, and whether we can predict their evolution, is far from understood.

Researchers have previously shown that one way bacteria can survive antibiotics is to evolve a "timer" that keeps them dormant for the duration of antibiotic treatment. But the antibiotic kills them when they wake up, so the easy solution is to continue the antibiotic treatment for a longer duration.

Now, in new research published in the journal Nauka, researchers at the Hebrew University of Jerusalem report a startling alternative path to the evolution of resistance in bacteria. After evolving a dormancy mechanism, the bacterial population can then evolve resistance 20 times faster than normal. At this point, continuing to administer antibiotics won't kill the bacteria.

To investigate this evolutionary process, a group of biophysicists, led by Prof. Nathalie Balaban and PhD student Irit Levin-Reisman at the Hebrew University's Racah Institute of Physics, exposed bacterial populations to a daily dose of antibiotics in controlled laboratory conditions, until resistance was established. By tracking the bacteria along the evolutionary process, they found that the lethal antibiotic dosage gave rise to bacteria that were transiently dormant, and were therefore protected from several types of antibiotics that target actively growing bacteria. Once bacteria acquired the ability to go dormant, which is termed "tolerance," they rapidly acquired mutations to resistance and were able to overcome the antibiotic treatment.

Thus, first the bacteria evolved to "sleep" for most of the antibiotic treatment, and then this "sleeping mode" not only transiently protected them from the lethal action of the drug, but also actually worked as a stepping stone for the later acquisition of resistance factors.

The results indicate that tolerance may play a crucial role in the evolution of resistance in bacterial populations under cyclic exposures to high antibiotic concentrations. The key factors are that tolerance arises rapidly, as a result of the large number of possible mutations that lead to it, and that the combined effect of resistance and tolerance promotes the establishment of a partial resistance mutation on a tolerant background.

These findings may have important implications for the development of new antibiotics, as they suggest that the way to delay the evolution of resistance is by using drugs that can also target the tolerant bacteria.

Unveiling the evolutionary dynamics of antibiotic resistance was made possible by the biophysical approach of the research team. The experiments were performed by a team of physicists, who developed a theoretical model and computer simulations that enabled a deep understanding of the reason behind the fast evolution of resistance that were observed.


Why Do Genetic Mutations Occur And How Can We Stop Them?

How do genetic mutations occur, and what can be done to prevent them? originally appeared on Quora: the place to gain and share knowledge, empowering people to learn from others and better understand the world.

Mutations happen in our cells all the time. It's actually how all humans grow and change. The vast majority of mutations are harmless. Some are even beneficial. If you think about evolution, mutations helped humanity transform — increased our brain size and even got us out of the oceans.

Sometimes mutations are influenced by environmental factors — like smoking and lung cancer — and other times it is a misprint that happens when a cell divides.

We have seen the weakening of some genes that can lead to mutations in cases of inbreeding . Some groups including island nations like Iceland and Scotland, historically experienced genetic problems thanks to small populations and tiny gene pools. The Ashkenazi Jewish population also has an increased risk of genetic disease thanks to historic socio-political isolation and a shared cultural attitude among numerous cultures, that intermarriage between cousins and other members of the family was socially advantageous. Although, today attitudes have changed and groups are far less isolated than they ever have been, the takeaway remains: We are stronger when we mix up our gene pools.

When it comes to genetic conditions, mutations or variants sometimes happen spontaneously. A form of dwarfism called achondroplasia is an example of a variant that spontaneously occurs in an individual, then passes down the family tree of that person. There are multiple achondroplasia-gene “founders” - or people who experienced the same spontaneous mutation at different times that led to the achondroplasia variant in multiple family trees.

My gene variant, in a similar style to the gene variants for cystic fibrosis (CF) and cycle cell anemia, is believed to have started with a spontaneous mutation in one individual, then passed down the family tree of that person until it spread out among multiple families. I think it's amazing to think that cystic fibrosis, one of the oldest existing genetic conditions, is believed to have started with a person in Europe 52,000 years ago, 3600 generations ago. Today, hundreds of thousands of people carry or experience symptoms from the CF gene. My family gene is only 137 years and 6 generations old. Only 14 of us have ever had our gene. But if left to its own devices, over time our gene could spread to hundreds of thousands of people. It could become another genetic scourge.

When you think about what genes you can and can’t pass to offspring, it’s pretty fascinating. My family gene likely began with a spontaneous mutation in my great-great grandmother. If it did, either the egg or the sperm that made her already contained the variant gene, and it existed in all of her cells when she was born, or when she was one cell old, the misprint happened during cell division - so that gene variant existed in 50% or 10% or 1% of her cells’ DNA, and as bad luck would have it, when she passed genetic information on to her daughter Mae, she gave her that bad information which then occurred in every one of Mae’s cells.

Our family gene is on the X-chromosome. A man who is XY always passes daughters an X and sons a Y. Both children inherit X’s from their mothers who - like all females (basically) — are XX. So if my father had daughters, which he did, he passed us his X, marked by this variant. My father’s brother also inherited this bad X from his mother. But he had two sons (he adopted a daughter). So neither boy inherited his bad gene.

My family is trying to stop our gene in the fifth generation. Because we know where our gene is — on the X-chromosome, we are able to breed it out. My sister used a process called in vitro fertilization with a preimplantation genetic diagnosis to weed out the family in her twins.

But in all cases put a mutation happens is basically the same: A misprint occurs during cell division.

This question originally appeared on Quora - the place to gain and share knowledge, empowering people to learn from others and better understand the world. You can follow Quora on Twitter, Facebook, and Google+. More questions:


3.8.4 Gene technologies allow the study and alteration of gene function allowing a better understanding of organism function and the design of new industrial and medical processes (A-level only)

3.8.4.1 Recombinant DNA technology (A-level only)

Mogućnosti za razvoj vještina

Recombinant DNA technology involves the transfer of fragments of DNA from one organism, or species, to another. Since the genetic code is universal, as are transcription and translation mechanisms, the transferred DNA can be translated within cells of the recipient (transgenic) organism.

Fragments of DNA can be produced by several methods, including:

  • conversion of mRNA to complementary DNA (cDNA), using reverse transcriptase
  • using restriction enzymes to cut a fragment containing the desired gene from DNA
  • creating the gene in a &lsquogene machine&rsquo.

Fragments of DNA can be amplified by in vitro i in vivo tehnikama.

The principles of the polymerase chain reaction (PCR) as an in vitro method to amplify DNA fragments.

The culture of transformed host cells as an in vivo method to amplify DNA fragments.

  • The addition of promoter and terminator regions to the fragments of DNA.
  • The use of restriction endonucleases and ligases to insert fragments of DNA into vectors. Transformation of host cells using these vectors.
  • The use of marker genes to detect genetically modified (GM) cells or organisms. (Students will ne be required to recall specific marker genes in a written paper.)

Studenti bi trebali biti u stanju da:

  • interpret information relating to the use of recombinant DNA technology
  • evaluate the ethical, financial and social issues associated with the use and ownership of recombinant DNA technology in agriculture, in industry and in medicine
  • balance the humanitarian aspects of recombinant DNA technology with the opposition from environmentalists and anti-globalisation activists
  • relate recombinant DNA technology to gene therapy.

Students could investigate the specificity of restriction enzymes using extracted DNA and electrophoresis.

3.8.4.2 Differences in DNA between individuals of the same species can be exploited for identification and diagnosis of heritable conditions (A-level only)

Mogućnosti za razvoj vještina

The use of labelled DNA probes and DNA hybridisation to locate specific alleles of genes.

The use of labelled DNA probes that can be used to screen patients for heritable conditions, drug responses or health risks.

The use of this information in genetic counselling and personalised medicine.

Students should be able to evaluate information relating to screening individuals for genetically determined conditions and drug responses.

3.8.4.3 Genetic fingerprinting (A-level only)

Mogućnosti za razvoj vještina

An organism&rsquos genome contains many variable number tandem repeats (VNTRs). The probability of two individuals having the same VNTRs is very low.

The technique of genetic fingerprinting in analysing DNA fragments that have been cloned by PCR, and its use in determining genetic relationships and in determining the genetic variability within a population.

The use of genetic fingerprinting in the fields of forensic science, medical diagnosis, animal and plant breeding.

Studenti bi trebali biti u stanju da:

  • explain the biological principles that underpin genetic fingerprinting techniques
  • interpret data showing the results of gel electrophoresis to separate DNA fragments
  • explain why scientists might use genetic fingerprinting in the fields of forensic science, medical diagnosis, animal and plant breeding.

Students could use gel electrophoresis to produce &lsquofingerprints&rsquo of food dyes.


Pogledajte video: Genetik xestelik - Super Kisi XYY (Decembar 2022).