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Gibt es einen bestimmten Begriff, um Varianten vorhandener Gene in Bakterien zu beschreiben?

Gibt es einen bestimmten Begriff, um Varianten vorhandener Gene in Bakterien zu beschreiben?


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Ich habe eine Frage zu einem bestimmten Begriff, der die Variante vorhandener Gene beschreibt. Ich analysiere die Sequenzierung des gesamten Genoms eines Bakterienisolats. Ich habe festgestellt, dass es eine große Anzahl von Genen gibt, die eine teilweise Sequenzidentität oder eine Subjekt-/Abfrageabdeckung zu den bekannten Referenzgenen aufweisen.

Jetzt weiß ich, dass das Betrachten der Sequenzidentität und -abdeckung möglicherweise nicht ausreicht, um die Gene zu analysieren. Ich weiß, dass einige Gene eine Sequenzidentität von 30% haben können und immer noch genauso gefaltet sind wie die ursprünglichen Gene. Nehmen wir jedoch an, dass diese Gene eine echte Variante der existierenden Gene sind, die auf einer Off-Sequenz-Identität basieren. Wie nennt man sie?

Mein PI sagte mir, dass sie sich schnell entwickelnde Gene sind. Ich durchsuchte einige Artikel und fand heraus, dass sich schnell entwickelnde Gene Gene sind, die einer positiven Selektion unterzogen werden. Ich stimme zwar zu, dass einige dieser Gene sich schnell entwickeln, da sie wahrscheinlich einer positiven Selektion unterliegen, aber ich kann nicht sehen, dass alle Gene tatsächlich gleichzeitig selektiert werden. Ich frage mich, ob es einen anderen Begriff gibt, um diese Genvarianten zu nennen. Wenn es irgendein Papier gibt, um sie zu definieren, ist das großartig.

Vielen Dank


Allel

Aus Wikipedia > Allel

Ein Allel ist eine Variante eines bestimmten Gens

Ich bin mit dieser Definition insofern nicht einverstanden, als sie nicht allgemein genug ist. Ein Allel ist eine Variante an einem beliebigen Locus (Locus = Position im Genom). Sie können über Allel bei nicht-kodierenden Sequenzen sprechen. Wenn Sie von einer kodierenden Sequenz sprechen, können Sie auch verschiedene Sequenzen als zu verschiedenen Allelen gehörend definieren, unabhängig davon, ob sich ihre Proteinprodukte in der Funktion unterscheiden oder nicht. Die Proteine ​​können für zwei verschiedene Allele sogar genau gleich sein, wenn der einzige Unterschied zwischen diesen Allelen eine synonyme Mutation (oder eine Mutation in einem Intron) betrifft.

Sie können diese verschiedenen Sequenzen nach Belieben als unterschiedliche Allele durch ein beliebiges Schwellenwertmaß definieren. Sie müssen es nur definieren. Zum Beispiel können Sie definieren, dass verschiedene Sequenzen nur dann unterschiedliche Allele sind, wenn sie mindestens 5 % paarweise Unterschiede aufweisen oder wenn Sie durch eine biophysikalische Berechnung herausgefunden haben, dass sie sich anders oder nach einem beliebigen anderen Maß falten sollten.

Der Begriff Allel wird in der Evolutionsbiologie sehr häufig verwendet und wird in jedem Einführungskurs in die Evolutionsbiologie verwendet.

Sich schnell entwickelnde Gene

Soweit ich weiß, gibt es keine allgemein anerkannte Definition dafür, was ein sich schnell entwickelndes Gen ist. Für mich ist ein sich schnell entwickelndes Gen einfach eine kodierende Sequenz, die sich schneller entwickelt hat als andere Referenzsequenzen. Per se, obwohl es sehr wahrscheinlich eine positive Selektion beinhalten würde, glaube ich nicht, dass dies eine Voraussetzung für die Definition von sich schnell entwickelnden Genen ist. Es könnte zum Beispiel durch eine sehr hohe Mutationsrate in dieser bestimmten Sequenz oder durch eine ausgewogene Selektion verursacht werden, wodurch neue seltene Allele von Vorteil sind.


Horizontaler Gentransfer

Unsere Redakteure prüfen, was Sie eingereicht haben, und entscheiden, ob der Artikel überarbeitet werden soll.

Horizontaler Gentransfer, auch genannt lateraler Gentransfer, die Übertragung von DNA (Desoxyribonukleinsäure) zwischen verschiedenen Genomen. Es ist bekannt, dass horizontaler Gentransfer zwischen verschiedenen Arten stattfindet, wie z. das Mitochondrium und der Chloroplast. Der Erwerb von DNA durch horizontalen Gentransfer unterscheidet sich von der Übertragung von genetischem Material von den Eltern auf die Nachkommen während der Reproduktion, die als vertikaler Gentransfer bekannt ist.

Der horizontale Gentransfer wird zum großen Teil durch die Existenz mobiler genetischer Elemente wie Plasmide (extrachromosomales Erbgut), Transposons („springende Gene“) und bakterieninfizierende Viren (Bakteriophagen) ermöglicht. Diese Elemente werden zwischen Organismen durch verschiedene Mechanismen übertragen, die in Prokaryonten Transformation, Konjugation und Transduktion umfassen. Bei der Transformation nehmen Prokaryonten freie DNA-Fragmente auf, oft in Form von Plasmiden, die sich in ihrer Umgebung befinden. Bei der Konjugation wird genetisches Material während einer vorübergehenden Vereinigung zwischen zwei Zellen ausgetauscht, was den Transfer eines Plasmids oder Transposons nach sich ziehen kann. Bei der Transduktion wird DNA über einen Bakteriophagen von einer Zelle zur anderen übertragen.

Beim horizontalen Gentransfer wird neu erworbene DNA entweder durch Rekombination oder Insertion in das Genom des Empfängers eingebaut. Rekombination ist im Wesentlichen die Neugruppierung von Genen, so dass native und fremde (neue) DNA-Segmente, die homolog sind, editiert und kombiniert werden. Die Insertion tritt auf, wenn die in eine Zelle eingeführte Fremd-DNA keine Homologie mit vorhandener DNA aufweist. In diesem Fall wird das neue genetische Material zwischen bestehenden Genen im Genom des Empfängers eingebettet.

Im Vergleich zu Prokaryoten ist der Prozess des horizontalen Gentransfers bei Eukaryoten viel komplexer, hauptsächlich weil die erworbene DNA sowohl die äußere Zellmembran als auch die Kernmembran passieren muss, um das Genom des Eukaryoten zu erreichen. Subzelluläre Sortier- und Signalwege spielen eine zentrale Rolle beim Transport von DNA zum Genom.

Prokaryoten können DNA mit Eukaryoten austauschen, obwohl die Mechanismen hinter diesem Prozess nicht gut verstanden sind. Zu den vermuteten Mechanismen gehören Konjugation und Endozytose, beispielsweise wenn eine eukaryontische Zelle eine prokaryontische Zelle verschlingt und sie zum Abbau in einem speziellen membrangebundenen Vesikel sammelt. Es wird angenommen, dass in seltenen Fällen bei der Endozytose Gene beim Abbau aus Prokaryonten entweichen und anschließend in das Genom des Eukaryonten eingebaut werden.

Der horizontale Gentransfer spielt sowohl bei Prokaryoten als auch bei Eukaryoten eine wichtige Rolle bei der Anpassung und Evolution. Zum Beispiel der Transfer eines Gens, das für ein einzigartiges Stoffwechselenzym kodiert, von einer Spezies von Pasteurella Bakterien zum Protozoen-Parasiten Trichomonas vaginalis steht im Verdacht, die Anpassung des letzteren Organismus an seine tierischen Wirte erleichtert zu haben. Ebenso der Austausch eines Gens von einer menschlichen Zelle zum Bakterium Neisseria gonorrhoeae– eine Übertragung, die in der Evolution des Bakteriums anscheinend erst vor relativ kurzer Zeit stattgefunden hat – könnte es dem Organismus ermöglicht haben, sich anzupassen und beim Menschen zu überleben. Wissenschaftler haben auch vorgeschlagen, dass die jüngste Entwicklung des Methylaspartat-Stoffwechselwegs in den halophilen (salzliebenden) Archaeen Haloarcula marismortui entstand durch den Erwerb eines spezialisierten Gensatzes durch den Organismus durch horizontalen Transfer.


Hintergrund

Die Anhäufung von biomedizinischem Wissen wächst exponentiell. Es wurden enorme Anstrengungen unternommen, Forschungsergebnisse als Annotationen zu biologischen Einheiten (z. B. Gene, genetische Varianten und Signalwege) zu strukturieren. Diese Annotationen sind jedoch auf viele Ressourcen aufgeteilt, die in Bezug auf Größe, Finanzierung und Sichtbarkeit stark variieren (siehe z. B. Ensembl [1], UniProt [2], PROSITE [3] und Reactome [4]). Tools zur Wissensintegration ermöglichen eine effizientere Analyse von Datensätzen auf Genomskala und die Entdeckung von Beziehungen zwischen biologischen Einheiten.

Bioinformatiker, die mit Datenintegrationsproblemen konfrontiert sind, verfolgen im Allgemeinen eine von zwei Strategien: Data Warehousing oder Data Federation. Data Warehousing umfasst das Herunterladen von Flatfiles aus verschiedenen Quellen, das Schreiben von Parsern zum Verarbeiten der Dateien und das anschließende Laden der geparsten Daten in eine lokale Datenbank. Diese Strategie hat den Vorteil einer sehr hohen Leistung, erfordert jedoch auch einen erheblichen anfänglichen Aufwand zum Schreiben der Parser und einen fortlaufenden Aufwand, um die Ressource auf dem neuesten Stand zu halten. Andererseits funktioniert die Datenföderation durch den Zugriff auf entfernte Datenressourcen über Webdienste. Föderierte Datenlösungen sind immer auf dem neuesten Stand, aber die Pflege der Verbindungen erfordert besondere Sorgfalt, und aufgrund von Server- und Netzwerkbeschränkungen kann es lange dauern, bis große Abfragen zurückgegeben werden. Darüber hinaus hängt die Zuverlässigkeit föderierter Lösungen vollständig von der Stabilität der Remote-Ressourcen ab.


Resultate und Diskussionen

Um herauszufinden, wie viele Mitglieder der SDR-Familie in E coli K-12 MG1655, fortan E coli, stellten wir Enzyme zusammen, die mit einer EC-Nummer 1.1.1.x identifiziert wurden. Darunter befinden sich Enzyme mit den Struktur- und Sequenzmerkmalen der SDR-Superfamilie. Anfänglich verwendeten wir das AllAllDb-Programm des Darwin-Systems [14] (nachdem wir zunächst unabhängige, fusionierte Proteine ​​in ihre Komponenten getrennt hatten), um alle sequenzbezogenen E coli Enzyme aus dieser Gruppe. Die Parameter der anfänglichen paarweisen Ähnlichkeitssuche wurden so festgelegt, dass sie einen Pam-Wert von mindestens 200, ein Alignment von 83 Resten und eine Beteiligung von mindestens 50% der Länge des kleineren Proteins jedes sequenzähnlichen Paares erfordern. Verwandte Enzyme wurden durch transitive Beziehung aufgebaut. Um die Mitgliedschaft in den Gruppen auf Proteine ​​auszudehnen, deren Sequenz möglicherweise weiter divergiert ist, haben wir alle Mitglieder einer PSI-BLAST-Analyse unterzogen [15].

E coli hat 15 Mitglieder der SDR-Familie, deren Substrate und Reaktionen bekannt sind (Tabelle 1). Wir fanden heraus, dass die gesamte Superfamilie aufgrund ihrer Sequenzähnlichkeit in zwei separate Gruppen unterteilt werden kann. Eine dieser Gruppen enthielt alle Dehydrogenase/Reduktasen, die andere alle Epimerase/Dehydratasen. Obwohl die Reaktionen der zweiten Gruppe nicht oxidativ sind, wird die offensichtliche Anomalie durch ihre Reaktionsmechanismen erklärt. Bei SDR-Enzymen werden Epimerisierungs-, Dehydratisierungs- oder Isomerisierungsreaktionen durch eine Oxidations-Reduktions-Chemie gefördert, die sowohl den Verlust als auch die Zunahme eines Protons fördert, um die Anordnung der Einheiten des Substrats zu ändern oder die Dehydratisierung zu fördern. Beide Reaktionstypen werden durch eine katalytische Ser-Tyr-Lys-Triade erleichtert, deren räumliche Konfiguration und Ladungsverteilung durch die Bindung der einzelnen Substrate beeinflusst wird [16].

Untersuchung der Sequenz-Alignments der E coli SDR-Enzyme zeigten vier Regionen, die für alle Mitglieder der erweiterten Familie ausgerichtet waren, die Substratbindungsstelle, die NAD(P)/H-bindende Rossman-Falte und zwei Stellen unbekannter Funktion, die wahrscheinlich für die Faltung wichtig sind (Abb. 2). Jede der konservierten Sequenzen kommt in ungefähr derselben Region innerhalb jedes Proteins vor. Kleine Veränderungen der Reste in konservierten Regionen haben große Auswirkungen auf die Affinität zu bestimmten Substraten und auf die spezifische katalysierte Reaktion.

Ausrichtung von E coli SDR-Familienmitglieder. Die Enzyme der Familienmitglieder sind in Tabelle 1 aufgeführt. Vier konservierte Regionen der Proteine ​​sind gezeigt. Die Proteinsequenzen wurden mit ClustalW 2.0.11 ausgerichtet. Identische Reste sind dunkelgrau hervorgehoben, während konservierte und halbkonservierte Reste hellgrau hervorgehoben sind.

Tabelle 1 zeigt die Trennung in zwei Arten von Crotonasen und die Vielfalt der Wege und resultierenden Phänotypen, die von der SDR-Superfamilie bedient werden. Einige Wege werden von vielen Organismen genutzt, wie die Fettsäuresynthese, aber viele Produkte und Prozesse sind nur für die enterischen Organismen charakteristisch, wie die Gallensäureemulgierung, die Biosynthese von Colansäure, Lipid A, Enterobactin und enterobakterielles gemeinsames Antigen. Es scheint, dass der Prozess der Duplikation und Divergenz zu den metabolischen Eigenschaften einer einzigartigen phylogenetischen Bakteriengruppe beigetragen hat.

Man kann sich fragen, wie breit das Phänomen der Familien ist E coli Enzyme. Noch vor der Abfolge der E coli Genom vervollständigt wurde, wurde die Existenz von Familien mit verwandter Sequenz innerhalb seines Genoms beobachtet [17, 18]. Solche sequenzbezogenen Familien werden als paraloge Familien angesehen, die durch Duplikation von Genen innerhalb des Genoms des Organismus selbst oder in dem eines Vorfahren entstanden sind, obwohl, wie bereits erwähnt, einige Mitglieder dieser Familien durch lateralen Gentransfer hätten eingeführt werden können. Nach Abschluss der vollständigen genomischen Sequenz von E coli [19] konnte der komplette Satz paraloger Familien in Bezug auf das gesamte Genom bestimmt werden. Paarweise verwandte Sequenzen aus dem gesamten Genom wurden zusammengestellt, wobei die Ähnlichkeitskriterien mit Pam-Werten unter 200 und Alignments von mindestens 83 Resten verwendet wurden. Indem wir ein Alignment von 83 Aminosäuren oder mehr erfordern, versuchen wir, die Gruppierung von Sequenzen nach kleinen gemeinsamen Domänen oder Motiven, wie DNA-Bindungsdomänen, zu vermeiden, stattdessen erkennen wir Duplikationen auf Proteinebene. Im RbsR/RbsD-Fall ist beispielsweise die 45 Aminosäuren lange DNA-bindende Domäne (PF00356) in 14 weiteren . vorhanden E coli Transkriptionsregulatoren. Da die Hauptkomponenten dieser Proteine, die Ligandenbindungsdomänen, nicht mit RbsR verwandt sind, betrachten wir sie nicht als Paraloge. Unsere Gruppen reichten von 92 Mitgliedern in der größten Gruppe bis hin zu den kleinsten, einfachen Paaren. Über die Hälfte der E coli Proteine ​​befanden sich in diesen sequenzbezogenen Gruppen [20–22].

Die Existenz von Familien von sequenzähnlichen Proteinen, die einen großen Teil des Genominhalts ausmachen, unterstützt die Annahme, dass Duplikation gefolgt von Divergenz ein wichtiger Mechanismus der molekularen Evolution ist. Die größten Gruppen in der E coli Genom waren die von verwandten Transportproteinen, regulatorischen Proteinen und Redox-(d. h. Eisen-Schwefel)-Untereinheiten von Enzymkomplexen. Gruppen von sequenzähnlichen Enzymen waren kleiner, hatten weniger Mitglieder als die Gruppen von Transportern und Regulatoren. Wir haben uns jedoch auf die Klasse der Enzyme konzentriert, da die Untersuchung von Enzymfamilien den Vorteil hat, auf das detaillierte Wissen der umfangreichen biochemischen Literatur über ihre Eigenschaften, prothetischen Gruppen, die Mechanismen der von ihnen katalysierten Reaktionen und die Reaktionswege, zu denen sie gehören, zurückgreifen zu können . Man ist in der Lage, genetische Informationen mit biochemischen Informationen und damit mit Phänotypen des Organismus zu verknüpfen. Untersuchung der Mitglieder der Enzymfamilien von E coli erlaubte auf molekularer Ebene einen Blick darauf, welche Art von Funktionsentstehung als Folge vermuteter Duplikation und Divergenz erfolgte.

Eine weitere Superfamilie, die strukturell und mechanistisch verwandt ist, aber verschiedene Reaktionen katalysiert, ist die Familie der Crotonasen. Die Familie war ursprünglich durch Ähnlichkeiten in der dreidimensionalen Struktur von vier Enzymen aus verschiedenen Quellen gekennzeichnet. Obwohl strukturell, sequenzbezogen und mechanistisch verwandt, zeigte ihre Biochemie, dass sie vier verschiedene Reaktionen katalysierten [23]. Nachfolgende Untersuchungen haben gezeigt, dass die Crotonase-Enzyme in ihrer Sequenz, wenn auch oft entfernt, verwandt sind und ein breites Spektrum von Reaktionen katalysieren, d.

Um Crotonasen in einem evolutionären Kontext zu betrachten, kann man fragen, ob sie durch Duplikation und Divergenz entstanden sein könnten. Um sich dieser Frage zu nähern, könnte man alle Crotonasen in einem Organismus aufzählen. Beginnend mit einer Crotonase in E coli, kodiert im N-terminalen Teil von FadB (hier als FadB_1 bezeichnet) mit nachweislicher struktureller Ähnlichkeit am aktiven Zentrum mit der Crotonase aus Rattenleber, stellten wir die Gruppe der sequenzähnlichen Enzyme in E coli wie zuvor durch das Darwin AllAllDb-Programm. Abbildung 3 zeigt die Anordnung der Reste am aktiven Zentrum für die E coli Crotonase-Familie. Die größte Aminosäurekonservierung wird für die Reste beobachtet, die an der Acyl-CoA-Bindung und dem katalytischen Zentrum beteiligt sind. Es gibt eine CoA-Bindungsstelle und eine erweiterbare Acylbindungstasche sowie ein Oxyanion-Loch zur Bindung der Thioester-C = O-Bindung, die für die von Mitgliedern dieser Superfamilie katalysierte Reaktion entscheidend sind [23, 25]. Variationen der Reste an kritischen Positionen in den aktiven Zentren bestimmen, welche der verwandten Reaktionen abläuft. Auch bei der SDR-Familie kann man sich vorstellen, dass die breite Familie der Crotonasen, die mehrere Arten von Reaktionen umfasst, zu Beginn der Evolution durch Genduplikation und Divergenz entstanden sein könnte.

Ausrichtung von E coli Mitglieder der Crotonase-Familie. Die Proteinfamilienmitgliedschaft wurde als Proteine ​​mit einer Sequenzähnlichkeit von 200 Pam-Einheiten oder weniger über mindestens 50 % ihrer Länge bestimmt. Mitglieder der E. coli-Crotonase-Familie sind in Tabelle 3 aufgelistet. Die Proteinsequenzen wurden mit ClustalW 2.0.11 abgeglichen. Identische Reste sind dunkelgrau hervorgehoben, während konservierte und halbkonservierte Reste hellgrau hervorgehoben sind. Reste, die das FadB-Oxanion-Loch bilden, das zur Stabilisierung von Reaktionszwischenprodukten verwendet wird, sind fett gedruckt. Das FadB-Reaktionszentrum wird skizziert.

Durch den Zusammenbau der Crotonase-Familienmitglieder in einigen wenigen Organismen erwartet man, dass einige einzelne Enzyme in allen Organismen vorhanden sind, da sie praktisch universell sind. Es wird jedoch erwartet, dass sich andere Mitglieder der Crotonase-Familie von einem Organismus zum anderen unterscheiden. Wir erwarten, dass Bakterien in getrennten Abstammungslinien einige Enzyme besitzen, die verschiedene Reaktionen katalysieren. Es wird erwartet, dass die Differenzierung von Bakterien, die sich entlang verschiedener Abstammungslinien entwickelt haben, teilweise auf die Erzeugung verschiedener Mitglieder der Enzymfamilie im Verlauf des Divergenzprozesses zurückzuführen ist. Andere molekulare Evolutionsereignisse treten gleichzeitig mit der Duplikation und Divergenz auf, wie z. B. lateraler Transfer und Genverlust. Um uns auf die Genduplikation zu konzentrieren, haben wir uns entschieden, Enzymfamilien in einer Reihe ähnlicher und entfernter Bakterien zu untersuchen.

Wir fragten, ob Mitglieder von drei Enzymfamilien in den untersuchten Bakterien gleich sind oder ob es Unterschiede gibt, die durch unterschiedliche Evolutionsgeschichten und unterschiedlichen Selektionsdruck diktiert werden. Drei Enzymfamilien wurden in vier Bakterien verglichen. Die zum Vergleich ausgewählten Familien waren die Crotonasen, Pyridoxalphosphat-benötigende Aminotransferasen Klasse III und Thiamindiphosphat-benötigende Decarboxylasen. Die vier Bakterien sind E coli, Salmonella enterica Untersp. enterica Serovar Typhimurium LT2 (fortan S. enterica), das entfernte γ-Proteobakterium Pseudomonas aeruginosa PAO1 und das grampositive Bakterium Bacillus subtilis Untersp. subtilis Stamm 168 (von nun an "B. subtilis).

Die Enzymfamilien wurden für die drei Organismen mit den gleichen Methoden wie für zusammengestellt E coli. Tabelle 2, 3 und 4 listen Mitglieder der Aminotransferase-, Decarboxylase- bzw. Crotonase-Superfamilien auf. Bekannte Enzyme und stark vorhergesagte Enzyme, die in jedem der vier Bakterien vorhanden sind, werden ebenso gezeigt wie die Anzahl der Proteine, deren Funktion derzeit unbekannt ist.

Wir stellen fest, dass einige der Enzyme in allen vier Bakterien vorhanden sind, was darauf hindeutet, dass sie integrale Bestandteile der Kernfunktionen des Stoffwechsels sind. Dies wird durch die Wege unterstützt, die sie an der Biotinsynthese und Porphyrinsynthese (BioA und HemL), der Aminobutyratnutzung (GabT), der Pyruvatoxidation (PoxB/YdaP) und der Fettsäureoxidation (FadB) beteiligen.Man nimmt an, dass solche allgemein gehaltenen wichtigen Funktionen in vielen Bakterien in vielen Taxa konserviert sind.

Andere Enzyme unterscheiden sich in ihrer Verteilung (Anwesenheit oder Abwesenheit) zwischen den vier Organismen. Dies ist vermutlich ein Ergebnis unterschiedlicher Evolutionsgeschichten in verschiedenen Abstammungslinien während der Divergenzprozesse, was zur Etablierung bakterieller Taxa mit biochemischen und metabolischen Unterschieden führte. Zum Beispiel fehlen die MenD-Decarboxylase und MenB-Crotonase, die für die Menachinon-Biosynthese verwendet werden, in P. aeruginosa und in den anderen drei Organismen vorhanden. Diese Verteilung spiegelt die Pseudomonaden wider, die nur Ubichinon und nicht sowohl Ubichinon als auch Menachinon als Elektronenträger für die Atmung verwenden. Gcl, Tartronat-Semialdehyd-Synthase der Glyoxalat-Verwertung, kommt in drei Bakterien vor und nicht in B. subtilis. Abbau von Glyxolat in B. subtilis Es wurde gezeigt, dass es auf einem anderen Weg als die anderen drei Organismen auftritt. In den beiden Darmorganismen spiegelt sich ihre besondere Metabolisierung von Putrescin und Carnitin in der Anwesenheit von Putrescin-Aminotransferase (PatA) und Carnityl-CoA-Dehydratase (CaiD) in beiden wider E coli und S. enterica.

Mehrere der Aminotransferasen sind am Argininstoffwechsel beteiligt, und auch das Vorkommen dieser Enzyme variiert zwischen den Organismen. E coli und sein naher Verwandter S. enterica beide haben ArgD und AstC für die Biosynthese bzw. den Abbau von Arginin. AruC wird verwendet von P. aeruginosa sowohl für die Synthese als auch für den Abbau von Arginin. Während in B. subtilis, ArgD wird für die Argininsynthese verwendet und RocD, ein weiteres Mitglied der Aminotransferase-Familie, wird verwendet, um Arginin auf einem anderen Weg abzubauen. Wir beobachten, dass die beiden näher verwandten enterischen Organismen eine höhere Ähnlichkeit in ihrem Aminotransferase-Gehalt aufweisen.

Einige Mitglieder der Proteinfamilie repräsentieren Isozyme, sequenzähnliche Enzyme, die dieselbe Reaktion katalysieren, jedoch mit definierbaren Unterschieden wie Substratbreite, Rückkopplungshemmung, Bindungskonstanten, Reaktionsgeschwindigkeiten und dergleichen. Aufgrund der gemeinsamen Natur der Isozyme nehmen wir an, dass sie durch Genduplikation und leichte Divergenz entstanden sind. Beispiele für Isozyme sind das Trio der Acetolactatsynthasen IlvB, IlvI und IlvG, gefunden in E coli und S. enterica. Diese Isozyme funktionieren im Isoleucin- und Valin-Biosyntheseweg, wobei jedes auf unterschiedliche Rückkopplungen reagiert. Eine Kopie, IlvG, ist mutiert und inaktiv in E coli, Wiedergabe E coli Valin empfindlich. Dieser Phänotyp wird in Identifizierungsprotokollen verwendet, um zu unterscheiden E coli und S. enterica. Eine zweite Art von Acetolactatsynthase (AlsS) ist auch in B. subtilis, aber dieses Enzym wird ausschließlich für den Katabolismus und nicht für die Synthese von Isoleucin und Valin verwendet.

E coli und S. enterica haben einen anderen Satz von Isozymen, FadB und FadJ. Beide Enzyme werden für die Fettsäureoxidation verwendet, aber FadB wird unter aeroben Bedingungen verwendet und FadJ wird unter anaeroben Bedingungen verwendet. Andere Isozyme sind GabT und PuuE in E coli, GsaB und HemL in B. subtilis. Isozyme sind oft spezifisch für Stoffwechselwege, wie PuuE, das spezifisch für die Putrescin-Verwertung ist. Man nimmt an, dass sich der Stoffwechselinhalt und die biochemischen Fähigkeiten eines Organismus allein durch kleine Veränderungen in doppelten Genen erweitern können.

Darüber hinaus gibt es Mitglieder der Proteinfamilie, die nur bei einem der vier Organismen vorkommen und bei den anderen drei fehlen. Diese Enzyme verleihen ihrem Wirt oft einzigartige metabolische Eigenschaften. Ein Beispiel ist die vorhandene Oxalyl-CoA-Decarboxylase (Oxc). E coli wo angenommen wird, dass es Oxalat-abbauende Fähigkeiten verleiht. Wie bei jedem der in einem Organismus vorhandenen Enzyme und nicht bei den anderen könnte das Gen durch laterale Übertragung erworben worden sein [26]. Wenn jedoch ein Enzym wie Oxalyl-CoA-Decarboxylase in vielen Bakterien gefunden wird, ist es mindestens so gut möglich, dass es durch Genduplikation und Divergenz entstanden ist. Andere Organismus-spezifische Enzyme, in diesem Fall B. subtilis, umfassen die IolD für den Abbau von Myo-Inositol und die Crotonasen PksH und PksI, die für die Polyketidsynthese verwendet werden. Polyketide sind eine Gruppe von Sekundärprodukten, die den Bacilli eigen sind. Andere einzigartige B. subtilis Enzyme AlsS, GsaB und RocD wurden oben erwähnt. Es scheint offensichtlich, dass die Bildung verschiedener Enzyme durch einzigartige Divergenzereignisse zur Bildung von Taxa mit unterschiedlichen metabolischen Eigenschaften führt.

P. aeruginosa hat die größte Anzahl einzigartiger oder organismenspezifischer Enzyme in unserem Datensatz. Dies ist für alle drei Enzymfamilien gezeigt (Tabellen 2, 3, 4). Diese Pseudomonas spezifische Enzyme umfassen die Synthese des Siderophors Pyoverdin (PvdH) und die Verwendung von Mandelat (MdlC), Leucin und Isovalerat (LiuC) und azyklischen Terpenen (AtuE). Andere vorhergesagte Familienmitglieder umfassen zwei Aminotransferasen: PA5313, offensichtlich ein Isozym für 4-Aminobutyrat, und OapT, wahrscheinlich ein Beta-Alanin:Pyruvat-Enzym. Jedes dieser Enzyme trägt zum ausgeprägten metabolischen Charakter von bei P. aeruginosa als Pseudomonade. Dazu kommen 5 Aminotransferasen, 5 Decraboxylasen und 14 Crotonasen, deren Funktionen noch unbekannt sind P. aeruginosa. Unsere phylogenetische Analyse [9] legt nahe, dass es sich um einzigartige Enzyme handelt, die zusätzliche Funktionen darstellen, die noch entdeckt werden müssen. Durch die Kombination von Genen bekannter und unbekannter Funktion für die drei Familien wird die Anzahl der einzigartigen P. aeruginosa Gene (33) übertrifft bei weitem die von B. subtilis (12), E coli (2 und S. enterica (1). Die große Anzahl von Pseudomonas spezifische Enzyme nachgewiesen werden, stimmt mit der gut dokumentierten metabolischen Vielseitigkeit dieser Gruppe überein [27, 28].

Diese Beispiele für Unterschiede zwischen Enzymfamilien in vier Organismen legen nahe, dass die unterschiedlichen Ereignisse der Divergenz in Genen von Proteinfamilien im Laufe der Zeit Taxa von Bakterien erzeugt haben, die sich teilweise durch ihre metabolischen Unterschiede unterscheiden. Bakterien, die eng miteinander verwandt sind, weisen in diesen Familien weniger Unterschiede auf. Für alle drei Enzymfamilien haben wir festgestellt, dass die beiden am engsten verwandten Organismen, E coli und S. enterica, enthalten das ähnlichste Komplement von Enzymen. Größere Unterschiede sowohl in der Anzahl unterschiedlicher Enzyme als auch in den Enzymfunktionen wurden beim Vergleich von beiden festgestellt B. subtilis oder P. aeruginosa zu einem der anderen drei.

Insgesamt umfasst unsere Proteinfamilienanalyse mehrere Beispiele dafür, wie sich die funktionelle und metabolische Vielfalt heutiger Organismen in einer Geschichte duplizierter und divergierter Genkopien in ihren Genomsequenzen widerspiegelt. In einigen Fällen sind die Genkopien bei allen Bakterien gleich. Dies sind Enzyme für universelle Funktionen. Einige der Genkopien zeigten keine große Divergenz und führten zu Isozymen, die dieselben Reaktionen katalysierten, jedoch mit unterschiedlichen Eigenschaften. Solche Enzyme tragen normalerweise zu phänotypischen Unterschieden bei, beispielsweise durch Veränderungen der Substratspezifität oder -regulation. Noch andere Genkopien wurden in anderen Bakterien nicht gefunden. Dies waren Funktionen, die für den Phänotyp des jeweiligen Organismus charakteristisch sind. Wir behaupten nicht, dass die Verdoppelung von Genen die einzige Quelle der Diversität in diesen Organismen war. Außerdem könnte der laterale Transfer eine neue Funktion eingeführt haben und auch Genverluste hätten die Zusammensetzung von Proteinfamilien verändert. Einige Analysen legen nahe, dass der laterale Gentransfer eine große Rolle beim Zusammenbau von Genfamilien gespielt hat [29]. Zu berücksichtigen ist jedoch die fehlende Kongruenz zwischen Organismusbäumen und Genbäumen, wobei letztere durch einen unterschiedlichen Selektionsdruck auf einzelne Enzyme (wie Zusammensetzung der Genfamilie, Kofaktor-/Substratverfügbarkeit) im Vergleich zu denjenigen beeinflusst werden, die den gesamten Organismus betreffen . Lawrence und Hendrickson [30] haben die Schwierigkeiten bei der Unterscheidung zwischen horizontaler Übertragung und Duplikation vorhandener Gene nachdenklich diskutiert. Wir haben daher nicht versucht, lateral übertragene Gene in unseren Enzymfamilien zu identifizieren. Obwohl es möglicherweise dort ist, erwarten wir nicht, dass sie überwiegen. Zusammenfassend ist es eine Kombination all dieser genetischen Veränderungen (Duplikationen, Divergenz, Verlust und Erwerb) bei Vorfahren heutiger Organismen, die die charakteristischen Phänotypen der heutigen Organismen hervorgebracht haben.


Die Flohart und einzigartige Anatomie

Weltweit sind 1.830 verschiedene Floharten bekannt. Sie treten häufig bei Katzen, Hunden und anderen Haustieren auf. Heute kennen wir sie als Ektoparasiten und Überträger von Krankheiten, Pest und anderen Pest.

Flöhe sind kleine (1,5 bis 3,3 mm lange), seitlich abgeflachte flügellose Insekten, die die Ordnung Siphonaptera bilden (Abb. 3 und 4). Flöhe haben gut gestaltete Hinterbeine und Mundwerkzeuge mit einem markanten Rüssel, der zum Durchstechen von Geweben (wahrscheinlich Pflanzen in der Vorfallzeit) wie der Haut und zum Saugen von Blut (wahrscheinlich Pflanzensäfte in der Vorherbstzeit) geeignet ist. Sie fressen Pflanzen, Detritus und organisches Material als Larven und Stadien, bevor sie erwachsen werden. Die Erwachsenen brauchen vor allem Blut, um Eier zu produzieren.

Figur 3. Grundlegende Floh-Anatomie. Bild von Wikimedia Commons reproduziert.

Figur 4. Fortgeschrittene Floh-Anatomie. Bild von Wikimedia Commons reproduziert.

Flöhe haben ein einzigartiges Organ namens Pygidium (Plural Pygidien), das Endsegment des Flohs, das dazu dient, Luftströmungen zu erkennen. Pygidia kann beim „Trampen“ auf einem Wirt helfen (Roberts, Janovy und Nadler, 2013). Betrachtet man jedoch einen Floh unter dem Mikroskop, so sind seine außergewöhnlich langen Hinterbeine das beeindruckendste Merkmal. Die meisten Flöhe sind in der Lage, ungefähr einen Fuß (einige Flöhe bis zu 34 Zoll hoch!) oder etwa das 150-fache ihrer eigenen Länge vertikal zu springen. Dies ist sicherlich eine olympische Medaille wert und entspricht einem Menschen, der über 300 Meter hoch springt. Es kann ungefähr 13 Zoll oder das 100-fache seiner Körperlänge horizontal springen (Marquardt, Demaree und Grieve, 2000). Lyon (2007) berichtet, dass einige bis zum 200-fachen ihrer Körperlänge horizontal „weit springen“ können. Die Hinterbeine von Flöhen sind mit einer Zone verbunden, in der kinetische Energie zum Springen freigesetzt wird. Die „Frühling“ des Flohs kommt von einem erstaunlichen „gummiartigen“ vernetzten Protein namens Resilin. Diese Substanz verleiht Flöhen die Fähigkeit, leicht auf einen Säugetier- oder Vogelwirt zu springen und mit ihm zu trampen.

Die meisten Evolutionsbiologen glauben, dass Flöhe einst Flügel hatten, die im Laufe der Zeit verloren gingen, während sich größere Hinterbeine entwickelten, und dass sie Nachkommen von Mecoptera (Skorpionfliegen) sind. Aber wir glauben, dass sie speziell als eine besondere „Art“ geschaffen wurden – vollständig geformt, um zu springen (nicht zu fliegen) und über einen tierischen Wirt zu reisen. Fossile Flöhe bestehen hauptsächlich aus modern aussehenden Arten, die angeblich 65 Millionen Jahre alt sind. Eine mögliche große, nicht springende Variante wurde bereits im Jura gefunden.1 Fossilien dokumentieren, dass Flöhe immer Flöhe waren (Rothschild et al., 1973).


Mechanismen genetischer Variation | Entwicklung | Arten | Biologie

In diesem Artikel werden wir über die Mechanismen diskutieren, die die genetische Variation verringern und erhöhen.

Mechanismen, die Genetische Variation verringern:

Einige Arten von Organismen innerhalb einer Population hinterlassen mehr Nachkommen als andere. Im Laufe der Zeit wird die Häufigkeit des produktiveren Typs zunehmen. Der Unterschied in der Fortpflanzungsfähigkeit wird als natürliche Selektion bezeichnet. Die natürliche Selektion ist der einzige Mechanismus der adaptiven Evolution. Sie wird als differentieller Fortpflanzungserfolg vorbestehender Klassen genetischer Varianten im Genpool definiert.

Die häufigste Aktion der natürlichen Selektion besteht darin, ungeeignete Varianten zu entfernen, wenn sie durch Mutation entstehen. Mit anderen Worten, die natürliche Selektion verhindert normalerweise, dass neue Allele ihre Häufigkeit erhöhen. Dies führte dazu, dass ein berühmter Evolutionist, George Williams, sagte: „Evolution schreitet trotz natürlicher Selektion voran.“

Die natürliche Selektion kann genetische Variation erhalten oder abbauen, je nachdem, wie sie wirkt. Wenn die Selektion schädliche Allele aussondert oder ein Allel zur Fixierung veranlasst, verringert sie die genetische Variation. Wenn jedoch Heterozygote fit sind als einer der Homozygoten, führt die Selektion dazu, dass die genetische Variation aufrechterhalten wird.

Dies wird als Ausgleichsauswahl bezeichnet. Ein Beispiel hierfür ist die Aufrechterhaltung von Sichelzell-Allelen in malariagefährdeten menschlichen Populationen. Die Variation an einem einzelnen Locus bestimmt, ob rote Blutkörperchen normal oder sichelförmig geformt sind. Wenn ein Mensch zwei Allele für Sichelzellen hat, entwickelt er/sie eine Anämie – die Form der Sichelzellen verhindert, dass sie einen normalen Sauerstoffgehalt transportieren.

Heterozygote, die eine Kopie des Sichelzellen-Allels haben, gepaart mit einem normalen Allel, sind jedoch einigermaßen resistent gegen Malaria – die Form der Sichelzellen erschwert es den Plasmodien (Malaria-Erreger) in die Zelle einzudringen. Somit leiden Individuen, die für das normale Allel homozygot sind, mehr Malaria als Heterozygote.

Personen, die für die Sichelzelle homozygot sind, sind anämisch. Heterozygote haben die höchste Fitness dieser drei Typen. Heterozygote geben sowohl Sichelzell- als auch normale Allele an die nächste Generation weiter. Somit kann keines der Allel aus dem Genpool eliminiert werden. Das Sichelzellen-Allel ist in den Regionen Afrikas, in denen Malaria am weitesten verbreitet ist, am höchsten.

Eine ausgleichende Selektion ist in natürlichen Populationen selten. Es wurden nur eine Handvoll anderer Fälle neben dem Sichelzellenbeispiel gefunden. Früher dachten Populationsgenetiker, dass das Ausbalancieren der Selektion eine allgemeine Erklärung für das Ausmaß der genetischen Variation in natürlichen Populationen sein könnte.

Das ist nicht mehr der Fall. Eine ausgleichende Selektion findet sich nur selten in natürlichen Populationen. Und es gibt theoretische Gründe, warum die natürliche Selektion Polymorphismen an mehreren Loci nicht durch ausgleichende Selektion aufrechterhalten kann.

Einzelpersonen werden ausgewählt. Dunkel gefärbte Falter hatten einen höheren Fortpflanzungserfolg, da helle Falter eine höhere Prädationsrate erlitten. Der Rückgang heller Allele wurde dadurch verursacht, dass helle Individuen aus dem Genpool entfernt wurden (gegen Auswahl). Einzelne Organismen vermehren sich entweder oder vermehren sich nicht und sind somit die Einheit der Selektion.

Eine Möglichkeit, wie sich die Häufigkeit von Allelen ändern kann, besteht darin, in Organismen mit unterschiedlichen Reproduktionsraten untergebracht zu werden. Gene sind nicht die Selektionseinheit (weil ihr Erfolg auch von den anderen Genen des Organismus abhängt) noch sind Organismengruppen eine Selektionseinheit. Es gibt einige Ausnahmen von dieser „Regel“, aber es ist eine gute Verallgemeinerung.

Organismen führen keine Verhaltensweisen aus, die zum Wohle ihrer Art dienen. Ein einzelner Organismus konkurriert in erster Linie mit anderen seiner Art um seinen Fortpflanzungserfolg. Natürliche Selektion begünstigt selbstsüchtiges Verhalten, weil jede wirklich altruistische Handlung den Fortpflanzungserfolg des Empfängers erhöht und gleichzeitig die Spender verringert.

Altruisten würden aus einer Bevölkerung verschwinden, da die Nicht-Altruisten die Vorteile altruistischer Handlungen ernten, aber nicht die Kosten tragen würden. Viele Verhaltensweisen erscheinen altruistisch. Biologen können jedoch zeigen, dass diese Verhaltensweisen nur scheinbar altruistisch sind. Mit anderen Organismen zu kooperieren oder ihnen zu helfen, ist oft die egoistischste Strategie für ein Tier. Dies wird als gegenseitiger Altruismus bezeichnet.

Ein gutes Beispiel dafür ist die Blutverteilung bei Vampirfledermäusen. Bei diesen Fledermäusen teilen diejenigen, die das Glück haben, eine Mahlzeit zu finden, oft einen Teil davon mit einer erfolglosen Fledermaus, indem sie der anderen etwas Blut in den Mund erbrechen.

Biologen haben herausgefunden, dass diese Fledermäuse Bindungen zu Partnern eingehen und sich gegenseitig helfen, wenn der andere in Not ist. Wenn sich herausstellt, dass eine Fledermaus ein „Betrüger“ ist, wird ihr Partner sie verlassen. Die Fledermäuse helfen sich also nicht altruistisch, sie gehen Pakte ein, die für beide Seiten von Vorteil sind.

Eng verwandten Organismen zu helfen, kann altruistisch erscheinen, aber dies ist auch ein egoistisches Verhalten. Der Fortpflanzungserfolg (Fitness) besteht aus zwei Komponenten: direkte Fitness und indirekte Fitness. Die direkte Fitness ist ein Maß dafür, wie viele Allele durchschnittlich ein Genotyp durch Reproduktion zum Genpool der nachfolgenden Generation beiträgt.

Die indirekte Fitness ist ein Maß dafür, wie viele Allele, die mit dem eigenen identisch sind, in den Genpool gelangen. Direkte Fitness plus indirekte Fitness ist inklusive Fitness. J. B. S. Haldane sagte einmal, er würde gerne ertrinken, wenn er damit zwei Geschwister oder acht Cousins ​​rettete. Jedes seiner Geschwister teilte sich eine Hälfte seiner Allele mit seinen Cousins, ein Achtel. Sie könnten dem Genpool möglicherweise so viele seiner Allele hinzufügen, wie er konnte.

Die natürliche Selektion begünstigt Merkmale oder Verhaltensweisen, die die inklusive Fitness eines Genotyps erhöhen. Eng verwandte Organismen teilen viele der gleichen Allele. Bei diploiden Arten teilen sich Geschwister im Durchschnitt mindestens 50 % ihrer Allele. Der Prozentsatz ist höher, wenn die Eltern verwandt sind. Wenn man also nahen Verwandten bei der Fortpflanzung hilft, werden die eigenen Allele eines Organismus besser im Genpool repräsentiert.

Der Nutzen, Verwandten zu helfen, steigt bei stark inzuchtierten Arten dramatisch an. In einigen Fällen verzichten Organismen vollständig auf die Fortpflanzung und helfen nur ihren Verwandten, sich zu vermehren. Ameisen und andere eusoziale Insekten haben sterile Kasten, die nur der Königin dienen und ihre Fortpflanzungsbemühungen unterstützen. Die sterilen Arbeiter reproduzieren sich per Stellvertreter.

Die Worte egoistisch und altruistisch haben im alltäglichen Gebrauch Konnotationen, die Biologen nicht beabsichtigen. Egoistisch bedeutet einfach, sich so zu verhalten, dass die eigene inklusive Fitness maximiert wird altruistisch bedeutet, sich so zu verhalten, dass die Fitness eines anderen auf Kosten der eigenen gesteigert wird. Die Verwendung der Worte egoistisch und altruistisch soll nicht bedeuten, dass Organismen ihre Motive bewusst verstehen.

Die Möglichkeit, dass die natürliche Selektion funktioniert, führt nicht zum Auftreten genetischer Variationen – Selektion unterscheidet nur zwischen bestehenden Varianten. Variationen sind nicht entlang jeder erdenklichen Achse möglich, daher stehen nicht alle möglichen adaptiven Lösungen der Bevölkerung offen. Um ein etwas lächerliches Beispiel zu nennen: Eine Schildkröte mit Stahlpanzer könnte eine Verbesserung gegenüber normalen Schildkröten sein.

Schildkröten werden heutzutage ziemlich oft von Autos getötet, weil sie sich bei Gefahr in ihre Panzer zurückziehen – das ist keine gute Strategie gegen ein Zwei-Tonnen-Auto. Der Metallgehalt von Panzern variiert jedoch nicht, sodass es nicht möglich wäre, eine Schildkröte mit Stahlpanzer auszuwählen.

Hier ist ein zweites Beispiel für natürliche Auslese. Geospiza fortis lebt zusammen mit vierzehn anderen Finkenarten auf den Galapagos-Inseln. Es ernährt sich von den Samen der Pflanze Tribulus cistoides und ist auf die kleineren Samen spezialisiert. Eine andere Art, G. Magnirostris, hat einen größeren Schnabel und ist auf die größeren Samen spezialisiert.

Die Gesundheit dieser Vogelpopulationen hängt von der Samenproduktion ab. Die Samenproduktion wiederum hängt von der Ankunft der Regenzeit ab. 1977 gab es eine Dürre. Der Niederschlag lag weit unter dem Normalwert und es wurden weniger Samen produziert. Im Laufe der Saison verarmte die G. fortis-Population an kleinen Samen. Letztendlich blieben nur größere Samen übrig.

Die meisten Finken verhungerten, die Population sank von etwa zwölfhundert Vögeln auf weniger als zweihundert. Peter Grant, der diese Finken untersucht hatte, stellte fest, dass Vögel mit größerem Schnabel besser abschneiden als Vögel mit kleinerem Schnabel.Diese größeren Vögel hatten Nachkommen mit entsprechend großen Schnäbeln.

Damit stieg der Anteil der Großschnabelvögel an der Population der nächsten Generation. Um zu beweisen, dass die Änderung der Schnabelgröße bei Geospiza fortis eine evolutionäre Veränderung war, musste Grant zeigen, dass die Unterschiede in der Schnabelgröße zumindest teilweise genetisch bedingt waren.

Er tat dies, indem er Finken mit verschiedenen Schnabelgrößen kreuzte und zeigte, dass die Schnabelgröße eines Finken von den Genen seiner Eltern beeinflusst wurde. Vögel mit großem Schnabel hatten Nachkommen mit großem Schnabel Die Schnabelgröße war nicht auf Umweltunterschiede zurückzuführen (z. B. in der elterlichen Fürsorge).

Natürliche Selektion führt möglicherweise nicht dazu, dass eine Population die optimalen Merkmale aufweist. In jeder Population würde es eine bestimmte Kombination möglicher Allele geben, die den optimalen Satz von Merkmalen (das globale Optimum) erzeugen würde, aber es gibt andere Sätze von Allelen, die eine fast ebenso angepasste Population (lokales Optimum) ergeben würden.

Der Übergang von einem lokalen Optimum zum globalen Optimum kann behindert oder verboten werden, weil die Bevölkerung weniger adaptive Zustände durchlaufen müsste, um den Übergang zu vollziehen. Natürliche Selektion funktioniert nur, um Populationen zum nächsten optimalen Punkt zu bringen. Diese Idee ist die adaptive Landschaft von Sewall Wright. Dies ist eines der einflussreichsten Modelle, das die Sichtweise von Evolutionsbiologen auf die Evolution prägt.

Natürliche Selektion hat keine Voraussicht. Es ermöglicht Organismen nur, sich an ihre aktuelle Umgebung anzupassen. Strukturen oder Verhaltensweisen entwickeln sich nicht für den zukünftigen Nutzen. Ein Organismus passt sich in jedem Stadium seiner Evolution an seine Umgebung an. Wenn sich die Umgebung ändert, können neue Eigenschaften ausgewählt werden.

Große Populationsänderungen sind das Ergebnis kumulativer natürlicher Selektion. Veränderungen werden durch Mutation in die Population eingeführt. Die kleine Minderheit dieser Veränderungen, die zu einer größeren Reproduktionsleistung ihrer Träger führen, wird durch Selektion in der Häufigkeit verstärkt.

Komplexe Merkmale müssen sich durch lebensfähige Zwischenprodukte entwickeln. Bei vielen Merkmalen erscheint es zunächst unwahrscheinlich, dass Zwischenprodukte realisierbar wären. Was nützt ein halber Flügel? Ein halber Flügel ist vielleicht nicht gut zum Fliegen, aber er kann auf andere Weise nützlich sein. Es wird angenommen, dass Federn sich als Isolierung (jemals eine Daunenjacke getragen?) und / oder als Möglichkeit zum Fangen von Insekten entwickelt haben.

Später haben Protovögel vielleicht gelernt zu gleiten, wenn sie von Baum zu Baum springen. Schließlich wurden die Federn, die ursprünglich als Isolierung dienten, nun für den Einsatz im Flug kooptiert. Der aktuelle Nutzen eines Merkmals ist nicht immer ein Hinweis auf seinen früheren Nutzen. Es kann sich für einen Zweck entwickeln und später für einen anderen verwendet werden.

Ein Merkmal, das für seinen aktuellen Nutzen entwickelt wurde, ist eine Anpassung, ein Merkmal, das sich für einen anderen Nutzen entwickelt hat, ist eine Exaptation. Ein Beispiel für eine Exaptation ist der Flügel eines Pinguins. Pinguine haben sich aus fliegenden Vorfahren entwickelt, jetzt sind sie flugunfähig und benutzen ihre Flügel zum Schwimmen.

Bei vielen Arten entwickeln Männchen markante sekundäre Geschlechtsmerkmale. Ein paar oft zitierte Beispiele sind die Schwanzfärbung und Muster des Pfaus bei männlichen Vögeln im Allgemeinen, Stimmrufe bei Fröschen und Blitzen bei Glühwürmchen. Viele dieser Eigenschaften sind vom Standpunkt des Überlebens aus eine Belastung. Jedes auffällige Merkmal oder lautes, aufmerksamkeitserregendes Verhalten wird sowohl Raubtiere als auch potenzielle Partner alarmieren. Wie könnte die natürliche Selektion diese Eigenschaften begünstigen?

Die natürliche Auslese kann in viele Komponenten zerlegt werden, von denen das Überleben nur eine ist. Sexuelle Attraktivität ist eine sehr wichtige Komponente der Selektion, so sehr, dass Biologen den Begriff sexuelle Selektion verwenden, wenn sie über diese Untergruppe der natürlichen Selektion sprechen.

Sexuelle Selektion ist eine natürliche Selektion, die auf Faktoren beruht, die zum Paarungserfolg eines Organismus beitragen. Überlebensgefährdende Merkmale können sich entwickeln, wenn die sexuelle Attraktivität eines Merkmals die Überlebensgefahr überwiegt. Ein Männchen, das nur eine kurze Zeit lebt, aber viele Nachkommen hervorbringt, ist viel erfolgreicher als ein langlebiges Männchen, das nur wenige produziert.

Die Gene des ersteren werden schließlich den Genpool seiner Spezies dominieren. Bei vielen Arten, insbesondere polygynen Arten, bei denen nur wenige Männchen alle Weibchen monopolisieren, hat die sexuelle Selektion einen ausgeprägten Sexualdimorphismus verursacht.

Bei diesen Arten konkurrieren Männchen mit anderen Männchen um Partner. Der Wettbewerb kann entweder direkt oder durch weibliche Wahl vermittelt werden. Bei Arten, bei denen sich die Weibchen entscheiden, konkurrieren die Männchen, indem sie auffällige phänotypische Merkmale aufweisen und/oder ausgeklügelte Balzverhalten zeigen.

Die Weibchen paaren sich dann mit den Männchen, die sie am meisten interessieren, normalerweise mit den ausgefallensten. Es gibt viele konkurrierende Theorien darüber, warum Frauen von diesen Displays angezogen werden.

Das gute Gene-Modell besagt, dass das Display eine Komponente der männlichen Fitness anzeigt. Ein guter Befürworter der Gene würde sagen, dass eine helle Färbung bei männlichen Vögeln auf einen Mangel an Parasiten hindeutet. Die Weibchen sind auf ein Signal angewiesen, das mit einer anderen Komponente der Lebensfähigkeit korreliert.

Die Selektion auf gute Gene kann bei Stichlingen beobachtet werden. Bei diesen Fischen sind die Männchen an den Seiten rot gefärbt. Milinski und Bakker zeigten, dass die Farbintensität sowohl mit der Parasitenbelastung als auch mit der sexuellen Attraktivität korreliert. Weibchen bevorzugten rötere Männchen. Die Rötung deutete darauf hin, dass er weniger Parasiten trug.

Evolution kann in einer positiven Rückkopplungsschleife stecken bleiben. Ein weiteres Modell zur Erklärung sekundärer Geschlechtsmerkmale ist das Modell der außer Kontrolle geratenen sexuellen Selektion. R. A. Fisher schlug vor, dass Weibchen eine angeborene Vorliebe für ein männliches Merkmal haben könnten, bevor es in einer Population auftaucht.

Weibchen würden sich dann mit männlichen Trägern paaren, wenn das Merkmal auftaucht. Die Nachkommen dieser Paarungen haben die Gene sowohl für das Merkmal als auch für die Präferenz für das Merkmal. Als Ergebnis schneidet der Prozess so lange ab, bis die natürliche Selektion ihn in Schach hält. Angenommen, weibliche Vögel bevorzugen Männchen mit überdurchschnittlich langen Schwanzfedern.

Mutierte Männchen mit überdurchschnittlich langen Federn werden mehr Nachkommen produzieren als die kurzgefiederten Männchen. In der nächsten Generation wird die durchschnittliche Schwanzlänge zunehmen. Im Laufe der Generationen wird die Federlänge zunehmen, da Weibchen keinen Schwanz mit einer bestimmten Länge bevorzugen, sondern einen überdurchschnittlich langen Schwanz.

Schließlich wird die Schwanzlänge bis zu dem Punkt zunehmen, an dem die Überlebenswahrscheinlichkeit der sexuellen Attraktivität des Merkmals entspricht und ein Gleichgewicht hergestellt wird. Beachten Sie, dass bei vielen exotischen Vögeln das männliche Gefieder oft sehr auffällig ist und viele Arten tatsächlich Männchen mit stark verlängerten Federn haben. In einigen Fällen werden diese Federn nach der Brutzeit abgeworfen.

Keines der oben genannten Modelle schließt sich gegenseitig aus. Es gibt Millionen von sexuell dimorphen Arten auf diesem Planeten und die Formen der sexuellen Selektion variieren wahrscheinlich zwischen ihnen.

Mechanismen, die die genetische Variation erhöhen:

Die zelluläre Maschinerie, die DNA kopiert, macht manchmal Fehler. Diese Fehler verändern die Sequenz eines Gens. Dies wird als Mutation bezeichnet. Es gibt viele Arten von Mutationen. Eine Punktmutation ist eine Mutation, bei der ein „Buchstabe“ des genetischen Codes in einen anderen umgewandelt wird. DNA-Längen können auch deletiert oder in ein Gen eingefügt werden, dies sind ebenfalls Mutationen. Schließlich können Gene oder Teile von Genen invertiert oder dupliziert werden.

Typische Mutationsraten liegen zwischen 10 –10 und 10 –12 Mutationen pro DNA-Basenpaar pro Generation.

Die meisten Mutationen gelten als neutral in Bezug auf die Fitness. Nur ein kleiner Teil des Genoms von Eukaryoten enthält kodierende Abschnitte. Und obwohl einige nicht-kodierende DNA an der Genregulation oder anderen zellulären Funktionen beteiligt ist, ist es wahrscheinlich, dass die meisten Basenänderungen keine Auswirkungen auf die Fitness haben.

Die meisten Mutationen, die eine phänotypische Wirkung haben, sind schädlich. Mutationen, die zu Aminosäuresubstitutionen führen, können die Form eines Proteins verändern und möglicherweise seine Funktion verändern oder eliminieren. Dies kann zu Unzulänglichkeiten in biochemischen Stoffwechselwegen führen oder den Entwicklungsprozess stören.

Die Organismen sind ausreichend integriert, so dass die meisten zufälligen Veränderungen keinen Fitnessvorteil erzeugen. Nur ein sehr kleiner Prozentsatz der Mutationen ist von Vorteil. Das Verhältnis von neutralen zu schädlichen zu nützlichen Mutationen ist unbekannt und variiert wahrscheinlich in Bezug auf Details des fraglichen Ortes und der Umgebung.

Mutation begrenzt die Evolutionsgeschwindigkeit. Die Evolutionsrate kann in Form von Nukleotid-Substitutionen in einer Abstammungslinie pro Generation ausgedrückt werden. Substitution ist das Ersetzen eines Allels durch ein anderes in einer Population.

Dies ist ein zweistufiger Prozess. Zuerst tritt eine Mutation in einem Individuum auf, wodurch ein neues Allel entsteht. Dieses Allel nimmt anschließend in der Häufigkeit bis zur Fixierung in der Population zu. Die Evolutionsrate ist k = 2Nvu (in Diploiden), wobei k die Nukleotidsubstitutionen sind, N die effektive Populationsgröße ist, v die Mutationsrate und u der Anteil der Mutanten ist, die sich schließlich in der Population fixieren.

Mutation muss nicht über kurze Zeitspannen limitierend sein. Die oben ausgedrückte Evolutionsgeschwindigkeit wird als stationäre Gleichung angegeben, die davon ausgeht, dass sich das System im Gleichgewicht befindet. Angesichts der Zeitrahmen für die Fixierung einer einzelnen Mutante ist unklar, ob Populationen jemals im Gleichgewicht sind. Eine Veränderung der Umgebung kann dazu führen, dass zuvor neutrale Allele kurzfristig selektive Werte haben. Evolution kann auf „gespeicherter“ Variation ablaufen und ist somit unabhängig von der Mutationsrate.

Andere Mechanismen können ebenfalls zu einer wählbaren Variation beitragen. Die Rekombination erzeugt neue Kombinationen von Allelen (oder neuen Allelen), indem Sequenzen mit separaten Mikroevolutionsgeschichten innerhalb einer Population verbunden werden. Der Genfluss kann den Genpool auch mit Varianten versorgen. Die ultimative Quelle dieser Varianten ist natürlich die Mutation.

Mutation erzeugt neue Allele. Jedes neue Allel tritt als einzelne Kopie unter vielen in den Genpool ein. Die meisten gehen aus dem Genpool verloren, der Organismus, der sie trägt, reproduziert sich nicht oder reproduziert sich, gibt aber dieses bestimmte Allel nicht weiter. Das Schicksal einer Mutante wird mit dem genetischen Hintergrund geteilt, in dem sie auftritt.

Ein neues Allel wird zunächst mit anderen Loci in seinem genetischen Hintergrund verknüpft, sogar mit Loci auf anderen Chromosomen. Wenn das Allel in der Population an Häufigkeit zunimmt, wird es zunächst mit anderen Allelen an diesem Locus gepaart – das neue Allel wird hauptsächlich in Individuen getragen, die für diesen Locus heterozygot sind.

Die Wahrscheinlichkeit, dass es mit sich selbst gepaart wird, ist gering, bis es die Zwischenfrequenz erreicht. Wenn das Allel rezessiv ist, wird seine Wirkung bei keinem Individuum beobachtet, bis eine Homozygote gebildet wird. Das letztendliche Schicksal des Allels hängt davon ab, ob es neutral, schädlich oder nützlich ist.

Die meisten neutralen Allele gehen kurz nach ihrem Auftreten verloren. Die durchschnittliche Zeit (in Generationen) bis zum Verlust eines neutralen Allels beträgt 2(Ne/N) 1n (2N), wobei N die effektive Populationsgröße (die Anzahl der Individuen, die zum Genpool der nächsten Generation beitragen) und N die Gesamtpopulation ist Größe.

Nur ein kleiner Prozentsatz der Allele fixiert. Fixierung ist der Prozess, bei dem ein Allel auf eine Frequenz von oder nahe eins ansteigt. Die Wahrscheinlichkeit einer neutralen Allelfixierung in einer Population ist gleich ihrer Häufigkeit. Für eine neue Mutante in einer diploiden Population beträgt diese Häufigkeit 1/2 N.

Wenn Mutationen bezüglich Fitness neutral sind, ist die Substitutionsrate (k) gleich der Mutationsrate (v). Dies bedeutet nicht, dass jede neue Mutante schließlich die Fixierung erreicht. Allele werden dem Genpool durch Mutation mit der gleichen Geschwindigkeit hinzugefügt, mit der sie durch Drift verloren gehen. Für neutrale Allele, die fixieren, dauert es durchschnittlich 4N Generationen, um dies zu tun.

Im Gleichgewicht gibt es jedoch mehrere Allele, die sich in der Population segregieren. In kleinen Populationen treten in jeder Generation nur wenige Mutationen auf. Diejenigen, die sich reparieren, tun dies relativ zu großen Populationen schnell. In großen Populationen treten im Laufe der Generationen mehr Mutanten auf. Diejenigen, die das Problem beheben, brauchen jedoch viel länger. Somit ist die Rate der neutralen Evolution (in Substitutionen pro Generation) unabhängig von der Populationsgröße.

Die Mutationsrate bestimmt gemäß der neutralen Theorie den Grad der Heterozygotie an einem Locus. Heterozygotie ist einfach der Anteil der Bevölkerung, der heterozygot ist. Die Gleichgewichts-Heterozygotie wird als H = 4Nv/[4Nv+1] (für diploide Populationen) angegeben. H kann von einer sehr kleinen Zahl bis fast eins variieren.

In kleinen Populationen ist H klein (weil die Gleichung ungefähr eine sehr kleine Zahl dividiert durch eins ist). In (biologisch unrealistisch) großen Populationen nähert sich die Heterozygotie eins (weil die Gleichung ungefähr eine große Zahl durch sich selbst ist).

Dieses Modell direkt zu testen ist schwierig, da N und v nur für die meisten natürlichen Populationen geschätzt werden können. Es wird jedoch angenommen, dass Heterozygoten zu niedrig sind, um durch ein streng neutrales Modell beschrieben zu werden. Zu den von Neutralisten angebotenen Lösungen für diese Diskrepanz gehört die Hypothese, dass die natürlichen Populationen möglicherweise nicht im Gleichgewicht sind.

Im Gleichgewicht sollten einige Allele mit mittlerer Frequenz und viele mit sehr niedriger Frequenz vorhanden sein. Dies ist die Ewens-Watterson-Verteilung. In jeder Generation treten neue Allele in eine Population ein, die meisten bleiben in geringer Häufigkeit, bis sie verloren gehen. Ein paar Driften zu Zwischenfrequenzen, ganz wenige Driften bis zur Fixation.

Bei Drosophila pseudoobscura gibt es viele Varianten des Proteins Xanthin-Dehydrogenase (Xdh). In einer einzigen Population haben Keith et. al., fanden heraus, dass 59 von 96 Proteinen von einem Typ waren, zwei andere zehn- und neunmal vertreten waren und neun weitere Typen einzeln oder in geringer Zahl vorhanden waren.

NS. Schädliche Allele:

Schädliche Mutanten werden gegen selektiert, verbleiben jedoch in geringer Häufigkeit im Genpool. Bei Diploiden kann die Häufigkeit einer schädlichen rezessiven Mutante aufgrund von Drift zunehmen. Selektion kann es nicht sehen, wenn es durch ein dominantes Allel maskiert ist. Viele krankheitsverursachende Allele bleiben aus diesem Grund in niedriger Frequenz.

Menschen, die Träger sind, leiden nicht unter der negativen Wirkung des Allels. Sofern sie sich nicht mit einem anderen Träger paaren, kann das Allel einfach weitervererbt werden. Aufgrund eines Gleichgewichts zwischen wiederkehrender Mutation und Selektion verbleiben auch schädliche Allele in Populationen mit geringer Häufigkeit. Dies wird als Mutationslast bezeichnet.

Die meisten neuen Mutanten gehen verloren, sogar nützliche. Wright berechnete, dass die Wahrscheinlichkeit der Fixierung eines nützlichen Allels 2 s beträgt. (Dies setzt eine große Populationsgröße, einen geringen Fitnessvorteil und eine mittlere Fitness der Heterozygoten voraus. Ein Vorteil von 2s ergibt eine Gesamtevolutionsrate – k=4Nvs, wobei v die Mutationsrate zu nützlichen Allelen ist).

Ein Allel, das die Fitness um ein Prozent steigert, hat nur eine Chance von zwei Prozent, sich zu reparieren. Die Wahrscheinlichkeit der Fixierung des nützlichen Mutantentyps wird durch rezidivierende Mutationen erhöht. Die nützliche Mutante kann mehrmals verloren gehen, aber schließlich wird sie auftauchen und in einer Population stecken bleiben. (Denken Sie daran, dass sogar schädliche Mutanten in einer Population wiederkehren.)

Die gerichtete Selektion verringert die genetische Variation am ausgewählten Locus, wenn das Fitter-Allel zur Fixierung übergeht. Sequenzen, die mit dem ausgewählten Allel verknüpft sind, nehmen aufgrund des Trampens ebenfalls an Häufigkeit zu. Je niedriger die Rekombinationsrate ist, desto größer ist das Sequenzfenster, das per Anhalter fährt. Begun und Aquadro verglichen das Niveau des Nukleotidpolymorphismus innerhalb und zwischen den Spezies mit der Rekombinationsrate an einem Locus.

Geringe Mengen an Nukleotidpolymorphismus innerhalb der Spezies fielen mit niedrigen Rekombinationsraten zusammen. Dies könnte durch molekulare Mechanismen erklärt werden, wenn die Rekombination selbst mutagen wäre. In diesem Fall korreliert die Rekombination auch mit der Nukleotiddivergenz zwischen den Spezies.

Das Ausmaß der Sequenzdivergenz korrelierte jedoch nicht mit der Rekombinationsrate. Daraus schlossen sie, dass die Selektion die Ursache war. Die Korrelation zwischen Rekombination und Nukleotidpolymorphismus lässt den Schluss zu, dass selektive Sweeps oft genug auftreten, um einen Abdruck auf der Ebene der genetischen Variation in natürlichen Populationen zu hinterlassen.

Ein Beispiel für eine nützliche Mutation ist die Mücke Culex pipiens. In diesem Organismus wurde ein Gen, das am Abbau von Organophosphaten – den üblichen Insektizid-Inhaltsstoffen – beteiligt war, dupliziert. Nachkommen des Organismus mit dieser Mutation fegten schnell über die weltweite Mückenpopulation.

Es gibt zahlreiche Beispiele für Insekten, die Resistenzen gegen Chemikalien entwickeln, insbesondere gegen DDT, das hierzulande einst stark verwendet wurde. Und vor allem, obwohl „gute“ Mutationen viel seltener vorkommen als „schlechte“ Mutationen, gedeihen Organismen mit „guten“ Mutationen, während Organismen mit „schlechten“ aussterben.

Wenn nützliche Mutanten selten auftreten, sind die einzigen Fitnessunterschiede in einer Population auf neue schädliche Mutanten und die schädlichen rezessiven Mutanten zurückzuführen. Selektion wird einfach ungeeignete Varianten aussortieren. Nur gelegentlich wird ein nützliches Allel durch eine Population fegen.

Das allgemeine Fehlen großer Fitnessunterschiede in natürlichen Populationen spricht dafür, dass nützliche Mutanten tatsächlich selten auftreten. Der Einfluss einer nützlichen Mutante auf den Variationsgrad an einem Locus kann jedoch groß und dauerhaft sein. Es dauert viele Generationen, bis ein Locus nach einem selektiven Sweep ein nennenswertes Maß an Heterozygotie wiedererlangt.


Hast du gehört? Eine Revolution hat die wissenschaftliche Gemeinschaft erfasst. Innerhalb weniger Jahre haben Forschungslabore weltweit eine neue Technologie eingeführt, die es ermöglicht, die DNA von Menschen, anderen Tieren und Pflanzen gezielt zu verändern. Im Vergleich zu früheren Techniken zur Modifikation der DNA ist dieser neue Ansatz viel schneller und einfacher. Diese Technologie wird als „CRISPR“ bezeichnet und hat nicht nur die Art und Weise der Grundlagenforschung verändert, sondern auch die Art und Weise, wie wir heute über die Behandlung von Krankheiten denken können [1,2].

Was ist CRISPR

CRISPR ist ein Akronym für Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeat. Dieser Name bezieht sich auf die einzigartige Organisation kurzer, teilweise palindromischer wiederholter DNA-Sequenzen, die in den Genomen von Bakterien und anderen Mikroorganismen vorkommen. Obwohl scheinbar harmlos, sind CRISPR-Sequenzen ein entscheidender Bestandteil des Immunsystems [3] dieser einfachen Lebensformen. Das Immunsystem ist dafür verantwortlich, die Gesundheit und das Wohlbefinden eines Organismus zu schützen. Genau wie wir können Bakterienzellen von Viren befallen werden, bei denen es sich um kleine Infektionserreger handelt. Wenn eine Virusinfektion eine Bakterienzelle bedroht, kann das CRISPR-Immunsystem den Angriff abwehren, indem es das Genom des eindringenden Virus zerstört [4]. Das Genom des Virus enthält genetisches Material, das für die weitere Replikation des Virus erforderlich ist. Durch die Zerstörung des viralen Genoms schützt das CRISPR-Immunsystem Bakterien daher vor einer anhaltenden Virusinfektion.

Wie funktioniert es?

Die Schritte der CRISPR-vermittelten Immunität. CRISPRs sind Regionen im Bakteriengenom, die zur Abwehr von eindringenden Viren beitragen. Diese Regionen bestehen aus kurzen DNA-Wiederholungen (schwarze Rauten) und Spacern (farbige Kästchen). Wenn ein zuvor nicht gesehenes Virus ein Bakterium infiziert, wird ein neuer Spacer, der von dem Virus abgeleitet ist, zwischen die bestehenden Spacer eingebaut. Die CRISPR-Sequenz wird transkribiert und verarbeitet, um kurze CRISPR-RNA-Moleküle zu erzeugen. Die CRISPR-RNA verbindet sich mit der bakteriellen molekularen Maschinerie und führt sie zu einer passenden Zielsequenz im eindringenden Virus.Die molekulare Maschinerie zerschneidet und zerstört das eindringende virale Genom. Abbildung angepasst aus Molecular Cell 54, 24. April 2014 [5].

Zwischen den kurzen DNA-Wiederholungen bakterieller CRISPRs sind ähnlich kurze variable Sequenzen, Spacer genannt, eingestreut (ABBILDUNG 1). Diese Spacer stammen von der DNA von Viren, die zuvor das Wirtsbakterium angegriffen haben [3]. Daher dienen Spacer als „genetisches Gedächtnis“ früherer Infektionen. Sollte es zu einer erneuten Infektion mit dem gleichen Virus kommen, zerschneidet das CRISPR-Abwehrsystem jede zur Spacer-Sequenz passende virale DNA-Sequenz und schützt so das Bakterium vor viralen Angriffen. Wenn ein zuvor unsichtbarer Virus angreift, wird ein neuer Abstandshalter hergestellt und der Kette von Abstandshaltern und Wiederholungen hinzugefügt.

Das CRISPR-Immunsystem schützt Bakterien über drei grundlegende Schritte vor wiederholten Virusangriffen [5]:

Schritt 1) ​​Anpassung – DNA eines eindringenden Virus wird in kurze Segmente verarbeitet, die als neue Spacer in die CRISPR-Sequenz eingefügt werden.

Schritt 2) Produktion von CRISPR-RNA – CRISPR-Wiederholungen und Spacer in der bakteriellen DNA durchlaufen eine Transkription, den Vorgang des Kopierens von DNA in RNA (Ribonukleinsäure). Im Gegensatz zur Doppelketten-Helix-Struktur der DNA ist die resultierende RNA ein Einzelketten-Molekül. Diese RNA-Kette wird in kurze Stücke geschnitten, die als CRISPR-RNAs bezeichnet werden.

Schritt 3) Targeting – CRISPR-RNAs steuern die bakterielle molekulare Maschinerie, um das virale Material zu zerstören. Da CRISPR-RNA-Sequenzen von den während der Adaptation erworbenen viralen DNA-Sequenzen kopiert werden, stimmen sie exakt mit dem viralen Genom überein und dienen somit als hervorragende Orientierungshilfe.

Die Spezifität der CRISPR-basierten Immunität beim Erkennen und Vernichten von eindringenden Viren ist nicht nur für Bakterien nützlich. Kreative Anwendungen dieses primitiven und doch eleganten Verteidigungssystems sind in so unterschiedlichen Disziplinen wie Industrie, Grundlagenforschung und Medizin entstanden.

Was sind einige Anwendungen des CRISPR-Systems?

Die inhärenten Funktionen des CRISPR-Systems sind vorteilhaft für industrielle Prozesse, die Bakterienkulturen verwenden. CRISPR-basierte Immunität kann verwendet werden, um diese Kulturen widerstandsfähiger gegen Virusangriffe zu machen, die ansonsten die Produktivität beeinträchtigen würden. Tatsächlich kam die ursprüngliche Entdeckung der CRISPR-Immunität von Forschern von Danisco, einem Unternehmen in der Lebensmittelindustrie [2,3]. Danisco-Wissenschaftler untersuchten ein Bakterium namens Streptococcus thermophilus, aus dem Joghurt und Käse hergestellt werden. Bestimmte Viren können dieses Bakterium infizieren und die Qualität oder Quantität der Lebensmittel beeinträchtigen. Es wurde entdeckt, dass CRISPR-Sequenzen ausgestattet S. thermophilus mit Immunität gegen einen solchen Virusangriff. Expansion darüber hinaus S. thermophilus auf andere nützliche Bakterien können Hersteller dieselben Prinzipien anwenden, um die Nachhaltigkeit und Lebensdauer der Kultur zu verbessern.

Neben Anwendungen, die die bakterielle Immunabwehr umfassen, haben Wissenschaftler im Labor gelernt, wie sie die CRISPR-Technologie nutzen können [6], um präzise Veränderungen in den Genen von so unterschiedlichen Organismen wie Fruchtfliegen, Fischen, Mäusen, Pflanzen und sogar menschlichen Zellen vorzunehmen. Gene werden durch ihre spezifischen Sequenzen definiert, die Anweisungen zum Aufbau und zur Erhaltung der Zellen eines Organismus geben. Eine Veränderung der Sequenz auch nur eines Gens kann die Biologie der Zelle erheblich beeinträchtigen und wiederum die Gesundheit eines Organismus beeinträchtigen. CRISPR-Techniken ermöglichen es Wissenschaftlern, bestimmte Gene zu modifizieren, während sie alle anderen verschonen, wodurch der Zusammenhang zwischen einem bestimmten Gen und seinen Folgen für den Organismus geklärt wird.

Anstatt sich auf Bakterien zu verlassen, um CRISPR-RNAs zu erzeugen, entwerfen und synthetisieren Wissenschaftler zunächst kurze RNA-Moleküle, die einer bestimmten DNA-Sequenz entsprechen – zum Beispiel in einer menschlichen Zelle. Dann, wie beim Targeting-Schritt des bakteriellen Systems, transportiert diese „Führungs-RNA“ die molekulare Maschinerie zum beabsichtigten DNA-Ziel. Einmal in der interessierenden DNA-Region lokalisiert, kann die molekulare Maschinerie ein Gen zum Schweigen bringen oder sogar die Sequenz eines Gens ändern (Abbildung 2)! Diese Art der Genbearbeitung kann mit der Bearbeitung eines Satzes mit einem Textverarbeitungsprogramm verglichen werden, um Wörter zu löschen oder Rechtschreibfehler zu korrigieren. Eine wichtige Anwendung einer solchen Technologie besteht darin, die Herstellung von Tiermodellen mit präzisen genetischen Veränderungen zu erleichtern, um den Fortschritt und die Behandlung menschlicher Krankheiten zu untersuchen.

Gen-Silencing und -Editierung mit CRISPR. Guide-RNA, die so konzipiert ist, dass sie der interessierenden DNA-Region entspricht, steuert die molekulare Maschinerie, um beide Stränge der Ziel-DNA zu schneiden. Während des Gen-Silencing versucht die Zelle, die defekte DNA zu reparieren, tut dies jedoch oft mit Fehlern, die das Gen stören – und es effektiv zum Schweigen bringen. Zur Gen-Editierung wird der Zelle eine Reparaturvorlage mit einer bestimmten Sequenzänderung hinzugefügt und während des Reparaturprozesses in die DNA eingebaut. Die Ziel-DNA wird nun so verändert, dass sie diese neue Sequenz trägt.

Aufgrund der ersten Erfolge im Labor suchen viele nach medizinischen Anwendungen der CRISPR-Technologie. Eine Anwendung ist die Behandlung genetischer Erkrankungen. Der erste Beweis dafür, dass CRISPR verwendet werden kann, um ein mutiertes Gen zu korrigieren und Krankheitssymptome bei einem lebenden Tier umzukehren, wurde Anfang dieses Jahres veröffentlicht [7]. Indem die mutierte Form eines Gens bei erwachsenen Mäusen durch die richtige Sequenz ersetzt wurde, demonstrierten die Forscher eine Heilung einer seltenen Lebererkrankung, die mit einer einzigen Behandlung erreicht werden könnte. Neben der Behandlung von Erbkrankheiten kann CRISPR auch im Bereich der Infektionskrankheiten eingesetzt werden und bietet möglicherweise eine Möglichkeit, spezifischere Antibiotika herzustellen, die nur gegen krankheitserregende Bakterienstämme abzielen und gleichzeitig nützliche Bakterien verschonen [8]. In einem kürzlich erschienenen Artikel von SITN Waves wird diskutiert, wie diese Technik auch verwendet wurde, um weiße Blutkörperchen resistent gegen eine HIV-Infektion zu machen [9].

Die Zukunft von CRISPR

Natürlich braucht jede neue Technologie einige Zeit, um sie zu verstehen und zu perfektionieren. Es ist wichtig zu überprüfen, ob eine bestimmte Leit-RNA spezifisch für ihr Zielgen ist, damit das CRISPR-System nicht irrtümlich andere Gene angreift. Es wird auch wichtig sein, einen Weg zu finden, CRISPR-Therapien in den Körper zu bringen, bevor sie in der Medizin weit verbreitet sind. Obwohl noch viel zu entdecken ist, besteht kein Zweifel daran, dass CRISPR zu einem wertvollen Instrument in der Forschung geworden ist. Tatsächlich herrscht auf diesem Gebiet genug Aufregung, um die Gründung mehrerer Biotech-Start-ups zu rechtfertigen, die hoffen, CRISPR-inspirierte Technologie zur Behandlung von menschlichen Krankheiten einsetzen zu können [8].

Ekaterina Pak ist ein Ph.D. Student im Studiengang Biologische und Biomedizinische Wissenschaften an der Harvard Medical School.

Verweise:

2. Pennisi, E. Der CRISPR-Wahn. (2013) Wissenschaft, 341 (6148): 833-836.

3. Barrangou, R., Fremaux, C., Deveau, H., Richards, M., Boyaval, P., Moineau, S., Romero, D.A. und Horvath, P. (2007). CRISPR bietet erworbene Resistenz gegen Viren in Prokaryonten. Wissenschaft 315, 1709–1712.

4. Brouns, S. J., Jore, M. M., Lundgren, M., Westra, E. R., Slijkhuis, R. J., Snijders, A. P., Dickman, M. J., Makarova, K. S., Koonin, E. V. und van der Oost, J. (2008). Kleine CRISPR-RNAs steuern die antivirale Abwehr von Prokaryoten. Wissenschaft 321, 960–964.

5. Barrangou, R. und Marraffini, L. CRISPR-Cas-Systeme: Prokaryoten-Upgrade auf adaptive Immunität (2014). Molecular Cell 54, 234-244.

6. Jinkek, M. et al. Eine programmierbare dual-RNA-gesteuerte DNA-Endonuklease in der adaptiven bakteriellen Immunität. (2012) 337(6096):816-21.


Was ist die neueste Forschung zum Thema Autismus?

Ärzte haben die Autismus-Spektrum-Störung (ASS) als neurobiologische Entwicklungsstörung definiert, die die Kommunikation, sensorische Verarbeitung und soziale Interaktionen beeinträchtigen kann. Obwohl die neuere Forschung das Verständnis von Autismus verbessert hat, gibt es noch viel mehr über die Faktoren zu lernen, die diesen Neurotyp beeinflussen.

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März 2021 berichten die Zentren für die Kontrolle und Prävention von Krankheiten (CDC), dass unter 8-jährigen Kindern eines von 54 autistisch ist. Diese Zahl hat sich gegenüber der in früheren Schätzungen gemeldeten Prävalenz von 59 erhöht.

Angesichts der steigenden Autismusraten ist die wissenschaftliche Gemeinschaft umso mehr daran interessiert, die mit Autismus verbundenen Faktoren aufzudecken.

Einige Wissenschaftler spekulieren, dass Genvarianten Autismus verursachen, während andere glauben, dass Umweltfaktoren wie die Exposition gegenüber Toxinen zu diesem Neurotyp beitragen. Wieder andere vermuten, dass Ungleichgewichte im Darmmikrobiom im Spiel sein könnten.

Die neueste Autismusforschung umfasst Untersuchungen zu Faktoren, die mit diesem Neurotyp verbunden sind, sowie zu genetischen Varianten, Ungleichgewichten im Darmbiom und neurologischen Faktoren, die dazu beitragen können.

In dieser Sonderfunktion Medizinische Nachrichten heute untersucht die neuesten wissenschaftlichen Erkenntnisse und was Forscher über Autismus gelernt haben.

Eine von der CDC finanzierte mehrjährige Studie ist im Gange, um mehr über Faktoren zu erfahren, die möglicherweise mit Autismus in Verbindung stehen.

Die Studie zur Erforschung der frühen Entwicklung ist eine Zusammenarbeit zwischen sechs Studienzentren in den Vereinigten Staaten. Diese Seiten sind Teil des Forschungs- und Epidemiologienetzwerks für Autismus und Entwicklungsbehinderungen und richten sich an Kinder im Alter von 2 bis 5 Jahren.

Eines der Ziele der Studie ist es herauszufinden, welche Gesundheitszustände bei autistischen und neurotypischen Kindern auftreten und welche Faktoren mit der Wahrscheinlichkeit der Entwicklung von ASS verbunden sind.

Ein weiteres Ziel der Studie ist es, die körperlichen und Verhaltensmerkmale von autistischen Kindern, Kindern mit anderen Entwicklungsstörungen und solchen ohne diese Bedingungen zu unterscheiden.

Diese laufende Forschung hat bereits mehrere veröffentlichte Studien hervorgebracht. Die jüngste fand einen Zusammenhang zwischen ASD und der Ozonbelastung einer Mutter während des dritten Schwangerschaftstrimesters.

Die Forscher fanden auch heraus, dass die Exposition gegenüber einer anderen Art von Luftverschmutzung namens Feinstaub während des ersten Lebensjahres eines Säuglings auch die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass der Säugling später eine ASS-Diagnose erhält.

Diese Forschung erscheint in der Zeitschrift Epidemiologie .

Andere Wege der Autismusforschung umfassen Untersuchungen zu Genvarianten, die eine Rolle bei der Entwicklung von ASS spielen könnten.

Eine aktuelle Studie analysierte die DNA von mehr als 35.584 Menschen weltweit, darunter 11.986 Autisten. Die Wissenschaftler identifizierten Varianten in 102 Genen, die mit einer erhöhten Wahrscheinlichkeit für die Entwicklung von ASS verbunden sind.

Die Forscher fanden auch heraus, dass 53 der identifizierten Gene hauptsächlich mit Autismus und nicht mit anderen Entwicklungszuständen in Verbindung stehen.

Bei der weiteren Ausweitung der Forschung stellte das Team fest, dass autistische Menschen, die die ASD-spezifischen Genvarianten trugen, im Vergleich zu autistischen Personen, die die Varianten nicht hatten, eine erhöhte intellektuelle Funktion aufwiesen.

Die von den Wissenschaftlern identifizierten Genvarianten befinden sich hauptsächlich in der Großhirnrinde, die für komplexe Verhaltensweisen verantwortlich ist.

Diese Varianten können eine Rolle bei der Verbindung der Gehirnneuronen spielen und auch dazu beitragen, andere Gene ein- oder auszuschalten – ein möglicher Faktor, der zu Autismus beitragen kann.

Die biologische Forschung hat einige interessante Erkenntnisse zutage gefördert, die bestimmte Arten von Zellfehlfunktionen mit ASS in Verbindung bringen.

Wissenschaftler des Lieber Institute for Brain Development in Baltimore, MD, entdeckten bei Mäusen mit einer syndromalen Form von ASD eine Abnahme der Integrität von Myelin, einer schützenden Hülle, die Nervenzellen im Gehirn umgibt.

Die Studie, veröffentlicht in Natur Neurowissenschaften , zeigte eine auf Genvarianten basierende Fehlfunktion in Oligodendrozyten, das sind Zellen, die Myelin produzieren.

Diese Fehlfunktion kann zu einer unzureichenden Myelinproduktion in den Nervenzellen führen und die Nervenkommunikation im Gehirn stören, wodurch die Gehirnentwicklung beeinträchtigt wird.

Unter Verwendung von Mausmodellen untersuchen Forscher jetzt Behandlungen, die die Myelinisierung im Gehirn erhöhen könnten, um zu sehen, ob dies ASS-assoziierte Verhaltensweisen verbessert, die Einzelpersonen möglicherweise als Herausforderung empfinden.

Das Magen-Darm- oder Darmmikrobiom ist ein weiterer interessanter Bereich für Forscher, die nach Faktoren suchen, die zu Autismus beitragen.

Mehrere Studien haben einen Zusammenhang zwischen Ungleichgewichten im Darmbiom und ASS festgestellt. Es gibt auch immer mehr Beweise dafür, dass ein Ausgleich der Populationen von Darmmikroben dazu beitragen kann, diese Unterschiede zu korrigieren und einige der unerwünschten Symptome und Verhaltensweisen im Zusammenhang mit Autismus zu verbessern.

Eine Studie aus dem Jahr 2017, veröffentlicht in der Zeitschrift Mikrobiom, untersuchte, ob die Mikrobiota-Transfer-Therapie (MTT) bei autistischen Kindern die Vielfalt der Darmmikrobiota und die mit Autismus verbundenen Symptome verbesserte.

Die Ermittler fanden heraus, dass die Teilnehmer nach der MTT-Behandlung eine größere Vielfalt an Darmbakterien erlebten.

Bei den mit MTT behandelten Teilnehmern wurde auch eine Abnahme der gastrointestinalen (GI) Symptome sowie eine Verbesserung der Sprache, der sozialen Interaktion und der Verhaltenssymptome beobachtet.

In einer 2-Jahres-Follow-up-Untersuchung fanden die Forscher heraus, dass die Teilnehmer, die eine MTT-Behandlung erhielten, immer noch weniger gastrointestinale Probleme und eine kontinuierliche Verbesserung der mit Autismus verbundenen Symptome hatten.

Wissenschaftler haben kürzlich auch einen möglichen Zusammenhang zwischen Genen und dem Darmmikrobiom entdeckt.

Eine Anfang dieses Monats veröffentlichte Studie ergab, dass Mäuse, denen CNTNAP2 fehlt, ein Gen, das mit Autismus in Verbindung steht, eine ungewöhnliche Population von Mikroben in ihrem Darm haben. Sie zeigten auch einige soziale Verhaltensweisen, die denen einiger autistischer Menschen ähnelten.

Als die Mäuse mit . behandelt wurden Lactobacillus reuteri, ein häufiges Bakterium, das in ihrem Mikrobiom fehlt, und ein Stamm von Darmbakterien, der häufig bei Wildtyp-Mäusen vorkommt, verbesserte sich ihr Sozialverhalten.

Autismus kann schwierig zu erkennen sein, insbesondere bei sehr kleinen Kindern. Die Forschung hat gezeigt, dass eine frühzeitige Diagnose und Behandlungsinterventionen zu besseren Langzeitergebnissen für autistische Menschen führen können.

Aus diesem Grund arbeitet die wissenschaftliche Gemeinschaft daran, innovative Diagnosemethoden zu finden, die helfen können, diesen Neurotyp viel früher zu erkennen.

Hörtests können ein solches Diagnosewerkzeug sein. Forscher aus Harvard Medical School in Boston, MA, und die University of Miami analysierten Daten der auditiven Hirnstammreaktion (ABR) Hörtests, die im Bundesstaat Florida routinemäßig kurz nach der Geburt bei Säuglingen durchgeführt werden.

Das Team gleichte die Daten dann mit den Aufzeichnungen des Florida Department of Education der Kinder ab, bei denen später eine Entwicklungsstörung diagnostiziert wurde.

Die Ergebnisse zeigten, dass Säuglinge, die später eine ASD-Diagnose erhielten, während ihrer ABR-Tests bei der Geburt langsamer auf Geräusche reagierten.

Diese Studie erscheint in der Zeitschrift Autismusforschung .

Die Ermittler hoffen, weitere Studien durchführen zu können, um festzustellen, ob der ABR-Test helfen könnte, Autismus in einem frühen Alter zu erkennen.

Weitere Fortschritte bei der Erkennung von Autismus umfassen neue Forschungen zu Biomarkern.

Bei der Analyse von Daten des Children’s Autism Metabolome Project (CAMP) fand ein Forscherteam bei 357 Kindern im Alter von 18 bis 48 Monaten Metabotypen, die mit Autismus in Verbindung stehen.

Nach der Optimierung dieser und zuvor entdeckten Metabotypen in Screening-Tests entdeckte das Forschungsteam bei 53 % der Teilnehmer der CAMP-Studie Autismus.

Studienautorin Elizabeth L. R. Donley von Stemina Biomarker Discovery in Madison, WI, sagte MNT:

„Unser Ansatz zum Verständnis der Biologie von Autismus wird die Art und Weise, wie wir Autismus diagnostizieren und behandeln, revolutionieren. Autismus wird durch Verhaltensbewertung diagnostiziert, aber es gibt zugrunde liegende biologische Gründe für die Störungen in der neuronalen Entwicklung, die zu den Verhaltensweisen von Autismus führen.“

Donley sagte, dass die Unterschiede, die ihr Team im Stoffwechsel autistischer Kinder festgestellt hat, bei Bedarf Einblick in spezifischere Behandlungsmöglichkeiten geben können.

„Die ersten metabolischen Subtypen, die wir aus unserer klinischen Studie, dem [CAMP], veröffentlicht haben, könnten mit einer Ergänzung behandelt werden. Die Biologie anderer Subtypen kann Angriffspunkte für Medikamente oder neue Indikationen für bestehende Medikamente sein“, erklärte Donley.

Sie fügte hinzu: „Unser Ansatz identifiziert, wo Fehlregulationen in der Biologie des Kindes auftritt, sodass Therapien, die sich mit dieser Biologie befassen, Priorität eingeräumt werden können, anstatt einfach alles und jedes ohne Präzision auszuprobieren.“

Das Forschungsteam hat bereits die ersten drei von fünf geplanten Panels validiert, die Subtypen des Stoffwechsels identifizieren können, die mit Autismus in Verbindung stehen. Sie erwarten, die verbleibenden Panels noch in diesem Jahr zu validieren und mit der ersten klinischen Studie einer gepaarten Therapie zu beginnen.

Angesichts der zunehmenden Prävalenz von Autismus beharren Wissenschaftler darauf, herauszufinden, welche Faktoren mit diesem Neurotyp in Verbindung stehen.

Sie hoffen, dass die Forscher, sobald sie die ursächlichen Faktoren identifiziert haben, Screening-Tests zur Früherkennung und gezielteren Behandlung von Symptomen und Gesundheitszuständen im Zusammenhang mit Autismus entwickeln könnten.

Gleichzeitig warnen gemeinnützige Organisationen, die von Autisten betrieben werden, wie das Autistic Self Advocacy Network (ASAN), davor, Autismus selbst als etwas zu betrachten, das „behandelt“ oder „geheilt“ werden muss.

Die ASAN stellt fest, dass „[die meisten] Selbstvertreter darin übereinstimmen, dass Autismus nicht geheilt werden muss. Anstatt Zeit und Geld für etwas zu verschwenden, das nicht möglich ist und was Autisten nicht wollen, sollten wir uns darauf konzentrieren, Autisten dabei zu unterstützen, ein gutes Leben zu führen.“

„Das Wichtigste“, fügt die ASAN hinzu, „ist, dass jede Therapie autistischen Menschen helfen sollte, das zu bekommen, was wir wollen und brauchen, und nicht das, was andere Leute für nötig halten. Gute Therapien konzentrieren sich darauf, uns dabei zu helfen, unsere Ziele zu erkennen und mit uns daran zu arbeiten, sie zu erreichen.“


Der CRISPR-Krieg, der in Bakterien tobt

(Inside Science) -- Das CRISPR-Cas-System ist ein hochpräzises Gen-Editing-Tool, das Gentechniker von Bakterien übernommen haben. Die Ingenieure verwenden es, um gentechnisch veränderte Organismen zu erschaffen und sogar genetische Krankheiten zu behandeln. Aber Menschen sind nicht die ersten, die dieses System für ihre eigenen Zwecke adaptieren – innerhalb von Bakterien wurde CRISPR in den anhaltenden Kampf zwischen frei schwebenden DNA-Ringen innerhalb einer Bakterienzelle, den sogenannten Plasmiden, einbezogen.

Das CRISPR-Cas-System hat sich in Bakterien und einer anderen Art von einzelligen Organismen, den Archaeen, als adaptives Immunsystem entwickelt, um Eindringlinge wie Viren zu bekämpfen. Es ist ähnlich wie unsere Antikörper uns schützen. Es zeichnet die genetische Signatur früherer Eindringlinge auf und verwendet sie, um neue zu erkennen, und hackt dann das Genom des Eindringlings in Stücke. Das von Gentechnikern in Labors häufig verwendete System heißt CRISPR-Cas9, es gibt jedoch Dutzende anderer Varianten.

Eine dieser Varianten, bekannt als Typ IV, wurde von Wissenschaftlern weitgehend ignoriert, sagt Rafael Pinilla-Redondo, Mikrobiologe an der Universität Kopenhagen, weil sie selten ist und einige der Schlüsselkomponenten fehlen, die sie interessant und nützlich machen würden an Gentechniker. Aber Pinilla-Redondo und einige andere sind davon fasziniert, weil es nicht im Hauptgenom von Bakterien gefunden wird, sondern auf Plasmiden, die unabhängige DNA-Abfälle sind, die ein wenig wie Parasiten wirken, im Inneren der Bakterien existieren und die Bakterienzelle verwenden Maschinen zu replizieren und zu verbreiten.

"Das war ein Zeichen für mich, tiefer zu graben", sagte er.

Pinilla-Redondo und seine Kollegen durchsuchten Datenbanken nach allem, was sie über die genetischen Sequenzen von Typ IV CRISPR finden konnten. Sie identifizierten mehrere neue Subtypen und rekonstruierten die Evolutionsgeschichte des Systems. Und sie fanden etwas Interessantes.

„Wir fanden heraus, dass Typ IV im Gegensatz zu fast allen anderen CRISPR-Systemen, die auf Viren abzielen, auf andere Plasmide abzielt“, sagte Pinilla-Redondo. "Wir schlagen vor, dass es in der Plasmid-gegen-Plasmid-Kriegsführung innerhalb der Bakterien verwendet wird."

Während Plasmide ihren Wirtsbakterien manchmal Vorteile bringen – sie sind eine der Möglichkeiten, wie Bakterien beispielsweise Resistenzen gegen Antibiotika entwickeln können –, nutzen sie immer noch die Ressourcen der Bakterien. Zu viele Plasmide in einem Bakterium könnten seine Zellmaschinerie überfordern und schließlich töten.

"Alles in der Natur konkurriert um begrenzte Ressourcen und Platz", sagte Pinilla-Redondo. "Der größte Konkurrent für Plasmide sind andere Plasmide, daher mussten Wege gefunden werden, die Konkurrenz zu eliminieren."

Andere Forscher sind weiter gegangen als Pinilla-Redondos Datenbank-Trawling-Arbeit. Ryan Jackson, Biochemiker an der Utah State University in Logan, war der erste, der in Bakterienexperimenten direkt zeigte, dass das Typ-IV-System andere Plasmide abwehren und aus dem Wirt entfernen kann. Doch es gebe noch viele offene Fragen, sagt er.

Zum einen ist das Typ-IV-System seltsam. Es hat keine Nuklease – das Protein, das die DNA tatsächlich zerschneidet. Es ist also nicht klar, wie es gegnerische Plasmide tatsächlich angreift. Es hat eine Helikase – ein Protein, das die DNA abwickelt – was wichtig zu sein scheint. Also spekulieren Jackson und Pinilla-Redondo beide, dass das Abwickeln der DNA die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass sie auf natürliche Weise bricht, oder dass das Helicase-Protein der DNA-Replikationsmaschinerie einfach im Weg steht und sie tot stoppt. Aber es gibt noch keine guten Beweise.

Zweitens fehlt den CRISPRs vom Typ IV die Maschinerie, mit der Teile des eindringenden Genoms aufgenommen und gespeichert werden können, die wie Fahndungsfotos fungieren, um zukünftige Eindringlinge zu identifizieren. Stattdessen scheint es sich dafür einen Teil der CRISPR-Maschinerie des Wirtsbakteriums zu leihen, aber der genaue Mechanismus ist unklar.

"Wir wissen nicht wirklich, was los ist", sagte Jackson. "Es ist ein riesiges Geheimnis."

Es wurde auch gezeigt, dass Viren CRISPR verwenden, um die zelluläre Abwehr zu zerstören, und Megaviren haben auch ihre eigenen CRISPR-Systeme, um Zellen und andere Viren anzugreifen. Es scheint, dass CRISPR eine beliebte und wirksame Waffe in der mikrobiellen Welt ist. "Bei diesem Wettrüsten gibt es viel Selektionsdruck", sagte Jackson. "Plasmide, Viren und Bakterien wollen alle etwas finden, das ihnen einen Vorteil verschafft."

Das Typ-IV-System könnte sich auch für den Menschen als nützlich erweisen. Da Plasmide eine der Hauptmethoden sind, mit denen Bakterien Antibiotika-Resistenzgene aufnehmen und teilen, ist es möglich, dass Forscher einen Weg finden könnten, um die Ausbreitung von Resistenzen zu bekämpfen, indem sie die Plasmide angreifen, die sie tragen.

"Wir wissen, dass diese Systeme entwickelt wurden, um andere Plasmide zu bekämpfen, daher sind sie wahrscheinlich ziemlich gut darin", sagte Pinilla-Redondo. "Ob sie besser sind als andere Methoden, um Widerstand zu bekämpfen, müssen wir herausfinden."


Vollständige Genomsequenz des fakultativ anaeroben magnetotaktischen Bakteriums Magnetospirillum sp. Stamm AMB-1

Magnetospirillum sp. Stamm AMB-1 ist ein Gram-negatives Alpha-Proteobakterium, das Nano-Magnetite synthetisiert, die als Magnetosomen bezeichnet werden und intrazellulär in einer Kette angeordnet sind. Das Potenzial dieses nanoskaligen Materials wächst und wird auf breite Forschungsbereiche übertragen. Es wurde erwartet, dass die Genomanalyse den Mechanismus der Magnetosomenbildung durch magnetische Bakterien aufklären würde. Hier beschreiben wir das Genom von Magnetospirillum sp. AMB-1-Wildtyp, der aus einem einzelnen ringförmigen Chromosom von 4967148 bp besteht. Zur Identifizierung von Genen, die für die Magnetosomenbildung erforderlich sind, wurden Transposon-Mutagenese und Bestimmung von Magnetosom-Membranproteinen durchgeführt. Die Analyse einer nichtmagnetischen Transposon-Mutantenbibliothek konzentrierte sich auf drei unbekannte Gene aus 2752 unbekannten Genen und drei Gene aus 205 Signaltransduktionsgenen. Eine partielle Proteomanalyse der Magnetosommembran ergab, dass die Membran zahlreiche Oxidations-/Reduktionsproteine ​​und einen Signalantwortregulator enthält, der bei der Magnetotaxis wirken könnte. So wurden Oxidations-/Reduktionsproteine ​​und ausgeklügelte Multidomänen-Signalproteine ​​analysiert. Diese umfassende Genomanalyse wird die Aufklärung der Mechanismen der Magnetosomenbildung ermöglichen und eine Vorlage liefern, um zu bestimmen, wie magnetische Bakterien eine speziesspezifische, magnetische Einzeldomäne in Nanogröße und paramagnetische Morphologie aufrechterhalten.



Bemerkungen:

  1. Samusho

    Was?

  2. Daedalus

    Ja, ich lache, lache

  3. Drystan

    Was wären wir ohne Ihre bewundernswerte Idee

  4. Yozshule

    Ich entschuldige mich, aber ich glaube, Sie liegen falsch. Treten Sie ein, wir diskutieren. Schreib mir per PN, wir reden.

  5. Bashshar

    Brillant

  6. Barend

    Sie begehen einen Fehler. Ich kann es beweisen. Schreiben Sie mir in PM, wir werden diskutieren.

  7. Vogal

    Ja, sie waren überhaupt nicht beeindruckt.

  8. Mikanris

    Ich denke, dass du nicht Recht hast. Schreiben Sie mir in PM, wir werden reden.



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