معلومة

لماذا توجد بروتينات مسار RNAi في الديدان الخيطية بينما يمكن أن تسبب لهم الضرر؟

لماذا توجد بروتينات مسار RNAi في الديدان الخيطية بينما يمكن أن تسبب لهم الضرر؟


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.

عندما يتم حقن الحمض الريبي النووي النقال (dsRNA) في النبات ، يقطعه Dicer ويمنع المرض. لماذا طفيلي النبات ، M. incognita - دودة خيطية ، تموت عندما حقنت فيها الرنا المزدوج الجديلة؟ كان يجب أن ينقذه.

مرة أخرى ، لنكون أكثر وضوحًا M. incognita يحتوي على بروتين الأرجونوت ومكونات RISC الأخرى لاستنباط RNAi. هذا يسبب موته.

ثم لماذا الدودة لديها مثل هذه العوامل التي تسبب موتها؟


هناك العديد من الدراسات التي استخدمت RNAi ضد الطفيليات النباتية M. incognita. الفكرة الأساسية هي أن RNAi موجه ضد أحد الجينات الحيوية لهذه الديدان الخيطية. نظرًا لأن RNAi يتسبب في تقليل تنظيم الجين المستهدف ، فإن الديدان الخيطية تموت (أو تصبح غير فعالة في الإصابة) بسبب فقدان وظيفة هذه الجينات المهمة. كما قد تعلم عن عملية RNAi ، يتم شق dsRNA (أو دبابيس الشعر) بواسطة Dicer ومنتجات RNA الصغيرة المفردة التي تقطعت بها السبل ، والتي تسمى siRNAs ، ترتبط ببروتينات Argonaute لتشكيل RISC (مجمع إسكات RNA المستحث). سوف يشق RISC RNAs المكملة لـ siRNA.

إذا رأيت أيًا من هذه المقالات ، فستلاحظ أن الرنا المزدوج الجذور dsRNA لا يتم حقنه في الديدان الخيطية ؛ يتم التعبير عنها في النبات. الديدان الخيطية (مثل هذا واحد و جيم الرجلين التي تمت دراستها جيدًا) يمكن أن تأخذ الحمض النووي الريبي من البيئة عبر ناقلات الحمض النووي الريبي الموجودة في أغشية الخلايا الخاصة بهم (انظر هذا المنشور).

الآن ، تعال إلى سؤالك حول "لماذا توجد بروتينات مسار RNAi في الديدان الخيطية بينما يمكن أن تسبب لهم الضرر؟"

مسارات الإسكات بوساطة endo-siRNA و miRNA لها أدوار حاسمة في تطور الديدان الخيطية والوظائف المتنوعة الأخرى (انظر هذه المراجعة). كما تعلم بالفعل ، يمكن أن يعمل RNAi أيضًا كدفاع ضد فيروسات dsRNA.

نحن البشر ، الذين استغلوا هذا المسار لتطوير أدوات للبيولوجيا الجزيئية ولاستهداف الكائنات الطفيلية. هناك بالتأكيد احتمال أن يعبر النبات المضيف عن الحمض الريبي النووي الريبي (dsRNA) ضد الديدان الخيطية أثناء تطور نظام الدفاع المضاد للطفيليات (ولكن ليس هذا هو الحال الآن). ليس فقط RNAi ، هناك العديد من الأمثلة الأخرى للمسارات الذاتية لممرض يتم استغلاله لقتل العامل الممرض.


بروتين ملزم للحمض النووي الريبي

بروتينات ربط الحمض النووي الريبي (غالبًا ما يتم اختصاره كـ RBPs) هي بروتينات ترتبط بالحمض النووي الريبي المزدوج أو الفردي المجدول [1] في الخلايا وتشارك في تكوين معقدات بروتين نوكليوبروتين. تحتوي RBPs على أشكال هيكلية مختلفة ، مثل نموذج التعرف على الحمض النووي الريبي (RRM) ، ومجال ربط الحمض النووي الريبي (dsRNA) ، وإصبع الزنك وغيرها. [2] وهي بروتينات حشوية ونووية. ومع ذلك ، نظرًا لأن معظم RNA الناضج يتم تصديره من النواة بسرعة نسبيًا ، فإن معظم RBPs في النواة توجد كمجمعات من البروتين وما قبل mRNA تسمى جزيئات البروتين النووي غير المتجانسة (hnRNPs). تلعب RBPs أدوارًا مهمة في العمليات الخلوية المختلفة مثل: الوظيفة الخلوية والنقل والتوطين. يلعبون بشكل خاص دورًا رئيسيًا في التحكم بعد النسخ من الحمض النووي الريبي ، مثل: الربط ، تعدد الأدينيل ، تثبيت الرنا المرسال ، توطين الرنا المرسال والترجمة. تقوم الخلايا حقيقية النواة بترميز RBPs المتنوعة ، ما يقرب من 500 جين ، مع نشاط ربط RNA فريد وتفاعل بين البروتين والبروتين. أثناء التطور ، زاد تنوع RBPs بشكل كبير مع زيادة عدد الإنترونات. مكّن التنوع الخلايا حقيقية النواة من الاستفادة من exons RNA في ترتيبات مختلفة ، مما أدى إلى ظهور RNP فريد (بروتين نووي ريبي) لكل RNA. على الرغم من أن RBPs لها دور حاسم في تنظيم ما بعد النسخ في التعبير الجيني ، فقد تمت دراسة عدد قليل نسبيًا من RBPs بشكل منهجي. [3] [4]


المقدمة

تاريخ غير متماثل: مسارات مختلفة لعلم الذكورة في الحيوانات والنباتات

تتشكل أشكال الحياة متعددة الخلايا من خلال التفاعلات بين تاريخها التطوري والتطوري. أحد أوضح الأمثلة على هذا التفاعل يتضمن androdioecy ، وهو نظام تزاوج يتألف من الذكور والمخنثين الذين يتمتعون بالخصوبة الذاتية. في النباتات ، يُعتقد أن حالة الأجداد لمعظم المجموعات خنثى ، ويظل هذا النظام شائعًا جدًا. على النقيض من ذلك ، فإن الأنواع الذكرية نادرة ، ومن المرجح أن تمثل مرحلة انتقالية بين الأنواع الخنثوية البحتة والأنظمة الذكرية / الأنثوية (Charlesworth and Charlesworth، 1978 Meagher، 2007). من الناحية النظرية ، يمكن أن يكون هذا الانتقال مدفوعًا بالاختيار لتقليل زواج الأقارب. نتيجة لهذا التاريخ التطوري ، فإن السمات الجنسية للنباتات الخنثى في الأنواع الذكرية تشبه إلى حد كبير تلك الخاصة بأسلافها خنثى.

ينقلب هذا الوضع في الحيوانات ، حيث يسود الذكور / الإناث وتكون الذكورة من السلالات النادرة. يحدث فقط في نوع واحد من الفقاريات ، أسماك القرم كيليفيش (Harrington ، 1967 ، 1961 Tatarenkov et al. ، 2009) ، ولكنها أكثر شيوعًا في القشريات (Sassaman and Weeks ، 1993 Weeks ، 2012) والديدان الخيطية (Kiontke and Fitch ، 2005 دنفر وآخرون ، 2011). تظهر الأنساب أن النيماتودا الذكرية تطورت من أسلاف ذكور / إناث في العديد من المناسبات المستقلة (Kiontke and Fitch ، 2005 Denver et al. ، 2011). حدث هذا الانتقال ثلاث مرات منفصلة في الجنس التهاب الكينورهاب (الشكل 1 ، Cho وآخرون ، 2004 Kiontke وآخرون ، 2004 ، 2011) وخمس مرات في Pristionchus (كانزاكي وآخرون ، 2013). على النقيض من ذلك ، تم تحديد مثال واحد فقط على الانتقال العكسي ، بما في ذلك Oscheius dolichuroides (فيليكس ، 2006 دنفر وآخرون ، 2011). قد تساهم احتمالية أن بعض سمات الديدان الخيطية تبسط الانتقال من أنظمة ذكورية / أنثوية إلى علم الذكورة في هذا النمط غير المتماثل للتطور (وي وآخرون ، 2014).

تختلف استراتيجيات التكاثر في الأنواع المسببة للسرطان عن تلك الخاصة بالحيوانات الخنثى الأخرى. على سبيل المثال ، العديد من الأنواع العلقية لها جنس خنثى واحد وتتكاثر حصريًا عن طريق الإخصاب المتبادل (على سبيل المثال ، Avise ، 2011). على النقيض من ذلك ، يمكن للمخنثين في الأنواع الذكرية أن تتزاوج مع الذكور أو تستخدم الإخصاب الذاتي لضمان الإنجاب.

النيماتودا الخنثى هي إناث ذات حيوانات منوية وظيفية

ترتبط النيماتودا الخنثى ارتباطًا وثيقًا بأنواع الذكور / الإناث ، لذا فهي تستمد كل سماتها الجنسية من أسلافها ثنائية المسكن. في الواقع ، يمكن اعتبار هؤلاء المخنثين على أنهم إناث يصنعون حيوانات منوية للإخصاب الذاتي. إنهم لا يشبهون الذكور (الشكل 2 أ) ، وبدلاً من ذلك يتشاركون معظم صفاتهم الجنسية مع إناث الديدان الخيطية من الأنواع ذات الصلة (الشكل 2 ب). على سبيل المثال ، كلاهما XX الإناث و XX يغذي الخنثى خلاياهم الجرثومية في مناسل متناظرة ثنائية الذراعين تحتوي على رحم مركزي واثنين من الحيوانات المنوية لتخزين الحيوانات المنوية (Kimble and Hirsh ، 1979). قد يكون موقع هذه الحيوانات المنوية قد سهل تطور الخنوثة ، حيث يمكنها تخزين الحيوانات المنوية الذاتية وكذلك الحيوانات المنوية الذكرية. تمتلك كل من الإناث والخنثى فرجًا يربط الرحم بالخارج ، وتتحكم فيه عضلات الجنس والخلايا العصبية التي تنظم وضع البيض (سولستون وهورفيتز ، 1977). بالإضافة إلى ذلك ، تستخدم الإناث والمخنثات الأمعاء لإنتاج صفار البيض ، والذي يتم استيراده إلى البويضات النامية (Kimble and Sharrock ، 1983).

الصفات الجنسية الأخرى المشتركة بين الإناث والمخنثات أقل وضوحًا ، مثل الإنتاج التفاضلي للفيرومونات والاستجابة لها (Chute and Srinivasan ، 2014). حتى أن هناك اختلافات طفيفة في التعلم تميزهم عن الذكور (Sammut et al. ، 2015). معظم هذه الصفات الخنثوية كانت في الأصل صفات أنثوية ، واستمرت في نظام التزاوج الجديد.

لدى الخنثى اختلافان جوهريان يسمحان بالتخصيب الذاتي. أولاً ، يصنعون الحيوانات المنوية أثناء نمو اليرقات ، وثانيًا ، يقومون بإصدار إشارة لتنشيط هذه الحيوانات المنوية ، وتهيئتها للحركة والإخصاب (Baldi et al. ، 2009). تم اختيار كلتا السمتين من البرامج التنموية للذكور (الشكل 2 أ وج). ستركز هذه المراجعة على كيفية عمل مسار تحديد الجنس في الديدان الخيطية ، وعلى التعديلات الحاسمة لهذا المسار التي تسمح بتطور خنثى خصبة ذاتيًا.


الامتحان العصبي 2

الحمض النووي الريبي المتداخل الصغير (سيرنا) ، المعروف أحيانًا باسم RNA قصير التداخل أو إسكات الحمض النووي الريبي ، هو فئة من جزيئات الحمض النووي الريبي مزدوجة الشريطة ، 20-25 زوجًا قاعديًا في الطول ، على غرار ميرنا ، وتعمل ضمن مسار تداخل الحمض النووي الريبي (RNAi). يتداخل مع التعبير عن جينات معينة مع تسلسل النيوكليوتيدات التكميلية عن طريق تحطيم mRNA بعد النسخ ، مما يمنع الترجمة.

لا تشمل الانقلابات المجاورة للمركز السنترومير ويحدث كلا الكسرين في ذراع واحدة من الكروموسوم.

يميل نمط الوراثة إلى أن يكون منحرفًا ، لأن المرضى لديهم آباء غير متأثرين ولكنهم يتأثرون بأبناء العم والأعمام.

لا يحدث انتقال المرض من ذكر إلى ذكر ، لأن الآباء ينقلون الكروموسومات X إلى البنات فقط.

الأطفال الذكور من النساء الناقلات لديهم فرصة بنسبة 50 ٪ للتأثر.

جميع الأطفال الإناث من الرجال المصابين هم من حاملي الزيجوت غير المتجانسة ولكن يمكن أن يتأثروا سريريًا بدرجة كبيرة ، اعتمادًا على نمط تعطيل X.

الرجال غير المصابين لا ينقلون المرض إلى أي طفل.
أعرب عن
الذكور (الذين هم بالضرورة مصابين بالدم بسبب طفرة الجين لأن لديهم كروموسوم X واحد وواحد Y) وفي

دراسات الارتباط على مستوى الجينوم (GWAS)
• يتم جمع البيانات للأفراد غير المرتبطين
• من الأسهل العثور على عدد كبير من الأفراد المتضررين
• فعال للأمراض الشائعة مقارنة بالطريقة المعتمدة على الأسرة

لديهم فوائد متغيرة / وسيطة من:
من السهل إيواء بأعداد كبيرة
إنتاج عدد كبير من النسل
وقت جيل قصير

10 أيام من البويضة الملقحة حتى البلوغ) •
غزير الإنتاج (& GT1000 ذرية / أنثى)

غير ضار بالبشر والبيئة

• تراكم الأدوات الجينية منذ قرن من الزمان.
بروتوكول الحيوان IACUC غير مطلوب

لاكتشافاته المتعلقة بالدور الذي يلعبه الكروموسوم في الوراثة


الديدان الخيطية C. ايليجانس هو مضيف ل Microsporidia

الديدان الخيطية C. ايليجانس هو كائن حي آخر نموذجي وراثي تم التركيز عليه مؤخرًا لدراسة عدوى ميكروسبوريديا. C. ايليجانس كان نظامًا مفيدًا للغاية لمعالجة العديد من الأسئلة البيولوجية منذ عام 1970 ، بما في ذلك دفاع المضيف والتسبب في المرض مؤخرًا [11]. ومع ذلك ، فإن معظم الدراسات في مجال C. ايليجانس وقد اشتملت الآلية المرضية على مسببات الأمراض البشرية ذات الصلة سريريًا والتي لم يكن معروفًا أنها مسببات الأمراض الطبيعية لهذا الحيوان. في البحث عن مسببات الأمراض الطبيعية C. ايليجانس، تم العثور على جنس وأنواع جديدة من ميكروسبوريديا في سلالة تم اصطيادها في البرية C. ايليجانس معزولة من حفرة سماد بالقرب من باريس [12]. تم تسمية هذا النوع الجديد نيماتوسيدا باريس، أو قاتل النيماتودا من باريس. بالإضافة إلى هذه الأنواع ، يتم صيد العديد من الحيوانات البرية الأخرى التهاب الكينورهاب تم عزل الديدان الخيطية التي تؤوي ميكروسبوريديا ([12] M-A. Félix ، اتصالات شخصية). الإصابة ب ن. باريس يؤدي في النهاية إلى الموت المبكر للمضيف ، ولكن يمكن أن تحمل الديدان الخيطية عبئًا طفيليًا كبيرًا ولا تزال تتغذى وتتحرك بشكل طبيعي نسبيًا لبعض الوقت. أحد الجوانب المثيرة للاهتمام للعدوى هو ذلك ن. باريس يبدو أنه يعيد هيكلة الهيكل الخلوي لـ C. ايليجانس الخلايا المضيفة ، ربما كجزء من استراتيجية خروج غير ضارة (الشكل 1). قد تكون إعادة الهيكلة هذه مرة أخرى مثالًا على الميكروسبوريديا التي تزيد من إنتاج البوغ وانتقالها ، ولكنها تقلل التأثير على المضيف.


الديدان القديمة ، جينات الشيخوخة الجديدة: يبحث علماء الأحياء في الحمض النووي عن أسرار الحياة الطويلة.

لأكثر من عقد من الزمان ، شاهدت سينثيا كينيون ديدانًا مجهرية من النوع Caenorhabditis elegans تعيش لفترة أطول بكثير مما ينبغي. لقد رأت سلالات متحولة من هذه الدودة ، والتي عادة ما تكون ميتة وتختفي بعد أسبوعين أو ثلاثة أسابيع فقط ، وتستمر حتى شهرها الثاني. يبدو الأمر كما لو أن شخصًا عاش 200 عام. ديدان كينيون طويلة العمر هي نتيجة طفرات في الجينات الفردية. هذه فكرة جذرية للعديد من العلماء الذين لطالما فكروا في الشيخوخة على أنها عملية تدهور لا يمكن السيطرة عليها ولا تنظمها جينات مفردة.

يقول كينيون من جامعة كاليفورنيا في سان فرانسيسكو: "يجب أن تكون هناك جينات تؤثر على مدى الحياة". مع ملاحظة الاختلافات الهائلة في العمر الافتراضي بين الحيوانات المختلفة - قد يستمر الفأر لمدة عامين بينما يمكن أن يعيش الخفافيش لمدة نصف قرن - أصبح كينيون مقتنعًا بأن طول العمر قد تطور في الحيوانات عدة مرات. تجادل بأن النيماتودا طويلة العمر يمكن أن تكشف عن بعض البيولوجيا الجزيئية الأساسية التي تتحكم في طول العمر في الكائنات الحية الأكثر تعقيدًا ، حتى البشر.

في عام 1993 ، بدأت كينيون وزملاؤها في مجال علم الوراثة الشيخوخة عندما أبلغوا عن سلالة متحولة من C. elegans تعيش ضعف المدة الطبيعية. أظهر أكبر امتداد عمر نسبي لأي حيوان معروف في ذلك الوقت. توصل الباحثون في النهاية إلى أن سلالة الديدان الخيطية طويلة العمر نشأت من خلل في سلسلة من الإشارات الجزيئية التي يطلقها الهرمون والتي تشبه تلك الموجودة في الأشخاص التي يحفزها هرمون الأنسولين. يمكن للطفرات التي تؤثر على سلسلة مماثلة يحركها الهرمون في ذباب الفاكهة أن تطيل عمر هذه الحشرات أيضًا.

على مدى الأشهر القليلة الماضية ، قام فريق كينيون والعديد من المجموعات الأخرى من الباحثين في مجال الديدان بتوثيق عدد كبير بشكل غير متوقع من الجينات التي يتحكم فيها هذا النظام الهرموني ، بما في ذلك الجينات المشاركة في استجابات الإجهاد والإجراءات المضادة للميكروبات. يبدو أن مسار الشيخوخة هذا يعمل في الثدييات أيضًا. أظهر فريقان بحثيان أن تغيير كيفية استجابة الفئران للأنسولين أو هرمون ذي صلة يمكن أن يطيل من عمر الحيوانات ، مما يزيد من احتمالية أن يؤدي التلاعب بهذه الهرمونات لدى البشر إلى إبطاء الشيخوخة أو تمكينهم من التقدم في السن بصحة أفضل.

تقول كاثرين وولكو من المعهد الوطني للشيخوخة في بيثيسدا بولاية ماريلاند: "هناك احتمال لدى البشر بأن هناك مسارًا مشابهًا للشيخوخة".

يتحدى بعض العلماء عمل كينيون من خلال الادعاء بأن الديدان الخيطية طويلة العمر لا تتقدم في العمر ببطء. ويقول هؤلاء النقاد إن الديدان المعدلة وراثيًا ربما تصبح قديمة وهشة بالوتيرة الطبيعية ، ولكن ببساطة تم القضاء على سبب رئيسي للوفاة. يتطلب تسوية هذا الجدل طريقة روتينية لقياس عملية الشيخوخة.

في عملها الأولي مع C. elegans ، قامت كينيون بقياس العمر المتزايد لدودة من خلال تناقص حركتها. في الآونة الأخيرة ، قامت هي وزملاؤها بتدريب مجاهر عالية الطاقة على الديدان الخيطية الشيخوخة ووثقت العديد من التغييرات في الأنسجة المختلفة. من بين علامات التدهور الأخرى ، تصبح حدود الخلايا أقل تمايزًا ، وتتحول الأجزاء الداخلية للخلايا من ناعمة إلى متخثرة وتمتلئ بالتجاويف. في عمل تكميلي ، وجدت مونيكا دريسكول من جامعة روتجرز في بيسكاتواي ، نيوجيرسي وزملاؤها في العمل أن ألياف عضلات الديدان تفقد مظهرها المنظم مع تقدم الديدان (SN: 10/26/02 ، ص 260).

يقول كينيون ، مثل كبار السن ، الذين لديهم تجاعيد وعلامات أخرى للتقدم في العمر ، "للديدان المسنة نظرة خاصة إليهم".

الآن بعد أن أصبح لدى علماء الأحياء فكرة عما يحدث للدودة مع تقدمها في العمر ، فقد يكونون قادرين على فهم أفضل لجميع الجينات التي حددوها على مدار العقد الماضي والتي تؤثر على الشيخوخة. في الواقع ، يستمر عدد جينات طول العمر في النمو. في اجتماع دولي سنوي أخير لباحثي C. elegans ، أبلغت مجموعة كينيون عن اكتشاف أكثر من 30 جينًا غير معترف به سابقًا والتي ، عند تحورها ، تطيل عمر النيماتودا.

في الوقت الحالي ، يعد المسار الجيني الأكثر تميزًا لشيخوخة الدودة هو الذي وصفته مجموعة كينيون في عام 1993. في تقريرهم الأصلي ، أظهر العلماء أن الطفرات في جينين ، يطلق عليهما اسم داف -2 و داف -16 ، كان لهما تأثيرات كبيرة على النيماتودا. طول العمر. الديدان ذات الطفرة المعينة في داف -2 كان لها عمر مضاعف ، لكن الديدان ذات الطفرات في كلا الجينين كان لها عمر طبيعي.

تمكنت مجموعة كينيون من الاستنتاج من هذه الملاحظات أن جين داف -16 العامل يميل إلى تحفيز جينات دودة أخرى من شأنها تعزيز طول العمر ، بينما يقوم جين داف -2 الفعال عادة بقمع نشاط داف -16 أو بروتينه.

لماذا تحتوي الدودة أو أي حيوان على جين مثل داف -2 الذي يتمثل هدفه الواضح في الحد من عمر الكائن الحي؟

يبدو أن الجين جزء من نظام وراثي يسمح للديدان بتنظيم تطورها - وبالتالي ، عمرها الافتراضي - اعتمادًا على ما إذا كانت الظروف البيئية مناسبة للتكاثر. عندما تكون العناصر الغذائية نادرة ، لا تنمو الديدان النامية بشكل كامل ، ولكنها تأخذ شكلًا أرق وغير ناضج جنسيًا يُعرف باسم Dauer. في هذه الحالة ، يمكن للكائن الحي أن يستمر لأشهر ويزيد من فرصه في مواجهة ظروف معيشية أكثر ثراءً. يعتبر علماء الأحياء الدودية أن هذه الدودة طويلة العمر تشبه الأبواغ التي تشكلها البكتيريا للتغلب على الظروف الصعبة.

قبل وقت طويل من عمل كينيون ، ربط باحثون آخرون daf-2 و daf-16 بهذا الشكل الموقوف من التطور. تشتق أسماء الجينات من "تكوين داور". يؤدي إخراج نشاط داف -2 تمامًا إلى إرسال دودة نامية إلى حالة الداور ، سواء كانت العناصر الغذائية نادرة أم لا. وجد كينيون شيئًا أكثر إثارة للاهتمام: فقد مكنت بعض الطفرات الدقيقة في الجين الدودة النامية من تجاوز حالة الداور ولكن لا يزال لها عمر طويل بشكل غير طبيعي.

في عام 1997 ، حددت مجموعة بحثية بقيادة جاري روفكون من مستشفى ماساتشوستس العام في بوسطن أخيرًا تسلسل الحمض النووي لـ daf-2. ولدهشة الجميع ، وجد العلماء أن بروتينه ، DAF-2 ، يشبه بروتينات سطح الخلية البشرية ، أو المستقبلات ، التي تستجيب للأنسولين وهرمون آخر يعرف باسم عامل النمو الشبيه بالأنسولين -1 (IGF-1). يقول رونالد كان ، مدير مركز جوسلين للسكري في بوسطن ، إن مستقبل الدودة هو نسخة بدائية من هذه المستقبلات البشرية.

أما بالنسبة لـ daf-16 ، فقد تبين أنه يشفر بروتينًا مرتبطًا بالحمض النووي يعمل على تشغيل الجينات الأخرى. يُعرف باسم عامل النسخ ، هذا البروتين ، DAF-16 ، يتم قمعه على ما يبدو عندما يقوم هرمون بتشغيل DAF-2. وبالتالي ، فإن طفرات داف -2 تطيل عمر الدودة لأنها تطلق العنان لـ DAF-16 ، مما يمكنها من تحفيز الجينات التي تميل إلى تعزيز طول العمر.

التخلص من جميع التوقفات في تقريرهم لعام 1993 ، تكهنت كينيون وزملاؤها بأن تحديد الجينات تحت تأثير daf-16 "يمكن أن يؤدي إلى فهم عام لكيفية إطالة العمر الافتراضي." في موجة من المنشورات الحديثة ، ظهر أخيرًا بعض هذه الجينات.

في مجلة Aging Cell في أبريل ، وهي مجلة تم إطلاقها مؤخرًا ومخصصة للبيولوجيا الجزيئية للشيخوخة ، حدد جيمس هـ. للقيام بذلك ، سعى العلماء للحصول على جينات نشطة في الديدان ذات الطفرات في daf-2 وقارنوها بالجينات النشطة في الديدان ذات الطفرات في كل من daf-2 و daf-16.

حدد الباحثون أيضًا الجينات التي تحتوي على تسلسل DNA معين يرتبط به DAF-16 ، مما يعني أن البروتين يتحكم في نشاط تلك الجينات. من المعروف أن العديد من الجينات التي يحكمها هذا البروتين لها دور في التمثيل الغذائي واستجابات الإجهاد للديدان.

في ورقة بحثية نُشرت في 25 أبريل Science ، كشفت مجموعة Ruvkun النقاب عن قائمتها الخاصة للجينات التي ينظمها البروتين DAF-16. بحث هو وزملاؤه في تسلسل الحمض النووي الكامل لـ C. elegans وذبابة الفاكهة Drosophila melanogaster بحثًا عن المواقع التي قد يرتبط فيها DAF-16. لقد حددوا 17 حالة يكون فيها للحيوانين جينًا مشابهًا لذلك التسلسل المميز. ووجدوا أيضًا أن نشاط ستة من تلك الجينات في الديدان يتأثر بطفرات daf-2 و daf-16. تشير البيانات إلى أن DAF-16 يقوم بتشغيل بعض الجينات الستة وقمع البعض الآخر.

استخدم فريق Ruvkun تقنية تسمى تدخل RNA لإيقاف هذه الجينات الستة ، واحدًا تلو الآخر ، في الديدان العادية. أدت العديد من حالات التعطيل إلى إطالة عمر C. elegans ، ولكن ليس بقدر المضاعفة التي تنتجها طفرات daf-2.

من خلال مقارنتها الخاصة للنشاط الجيني في الديدان مع طفرات daf-2 و daf-16 ، ركزت كينيون أيضًا على مسألة أهداف DAF-16. وجدت هي وزملاؤها أن مادة DAF-16 تقوم بتشغيل مجموعة متنوعة من الجينات التي تصنع البروتينات المضادة للميكروبات. قد تفسر الاستجابة المناعية المعززة DAF-16 لماذا تميل السلالات المتحولة طويلة العمر من C. elegans إلى أن تكون أكثر مقاومة للموت من الإصابة البكتيرية من الديدان العادية ، كما وجد كينيون أن الديدان المسنة تموت عادةً عندما تجتاح البكتيريا التي تأكلها أجسامها .

وجد فريق كينيون أيضًا أن DAF-16 يتحكم في إنتاج العديد من البروتينات التي تستخدمها الخلايا لإحباط تلف الحمض النووي والجزيئات الأخرى استجابةً لعوامل مثل الحرارة أو الجزيئات شديدة التفاعل المعروفة باسم الجذور الحرة. تقول نظرية شائعة أن الشيخوخة هي نتيجة تراكم بطيء لأضرار الجذور الحرة.

أظهرت التجارب التي أجراها كينيون وآخرون أن الديدان طويلة العمر مع داف -2 الطافرة تصنع كميات إضافية من الإنزيمات التي تنزع فتيل الجذور الحرة. تصنع الديدان أيضًا المزيد مما يسمى ببروتينات الصدمة الحرارية ، والتي تمنع البروتينات الأخرى من الانطواء بشكل غير طبيعي أو التجمع في كتل. في خلية الشيخوخة في أبريل ، أظهر جوردون ج. ليثجو من معهد باك لأبحاث الشيخوخة في نوفاتو بكاليفورنيا وزملاؤه أهمية هذه البروتينات الواقية. قدم الباحثون نسخًا إضافية من الجين لبروتين صدمة حرارية يسمى hsp-16 إلى ديدان ، وهذا وحده زاد متوسط ​​عمر الحيوان بأكثر من 10٪.

في العام الماضي ، أضافت كينيون وزملاؤها شخصية أخرى إلى عربة التخزين التي تتكشف. في يوليو 2002 علم الوراثة ، كشفوا عن شريك رئيسي لـ DAF-16 في تنسيق استجابة الإجهاد المضاد للشيخوخة للدودة: عامل نسخ يسمى عامل الصدمة الحرارية (HSF). عندما استخدم الباحثون تداخل الحمض النووي الريبي لإلغاء تنشيط الجين الخاص بـ HSF ، ماتت الديدان في وقت أبكر من المعتاد. من خلال مراقبة أنسجة الديدان تحت المجهر ، أظهرت مجموعة كينيون أن هذه الوفاة المبكرة ناتجة عن الشيخوخة المتسارعة.

في 16 مايو ساينس ، قام الباحثون بتجسيد المخزن أكثر من خلال إظهار أن طفرات داف -2 ليس لها عمر مضاعف إذا تم تحور جين HSF أيضًا. هذا يرفع HSF إلى مستوى أهمية DAF-16. في الواقع ، عثر فريق كينيون على مجموعة من جينات الديدان ، بما في ذلك بعض الجينات التي تشفر بروتينات الصدمة الحرارية ، والتي تتأثر أنشطتها بكلا البروتينين اللذين يعملان معًا.

يلاحظ وولكو أن بعض الباحثين كانوا يأملون في أن يتحكم DAF-16 في عدد قليل من الجينات. إذا كان هذا هو الحال ، فإنه من الناحية النظرية يجعل من السهل إطالة عمر الناس من خلال التلاعب بهذه الجينات. يقول وولكو: "يبدو الأمر أكثر تعقيدًا". "لا أعتقد أننا عرفنا ذلك في البداية".

ويضيف كينيون: "يبدو أن الدودة تسحب كل نقاط التوقف. إنها تفعل كل أنواع الأشياء لزيادة العمر الافتراضي". "إنه الكثير من المساهمات الصغيرة من الكثير من الجينات."

السؤال الكبير يتزايد الدليل على أن التحقيقات في شيخوخة الدودة يمكن أن يكون لها مردود في الثدييات. في حين أن الديدان لديها مستقبل واحد مطابق للإشارات الشبيهة بالأنسولين ، طورت الثدييات مسارات هرمونية مميزة للأنسولين و IGF-1 ، كل منها يتميز بمستقبله الخاص.

في سلسلة واحدة من التجارب ، قام مارتن هولزنبرجر من مستشفى سانت أنطوان في باريس وزملاؤه بتكوين سلالات من الفئران بها طفرات في نسخة واحدة أو كلتيهما من جين القوارض لمستقبل IGF-1. ماتت الفئران التي تفتقر إلى أي نسخ طبيعية كأجنة. ومع ذلك ، فإن الفئران التي لديها نسخة عاملة واحدة تطورت بشكل طبيعي وعاشت ، في المتوسط ​​، أطول بنسبة 26 في المائة من الحيوانات التي لديها نسختان عاديتان من جين مستقبلات IGF-1. أبلغت مجموعة هولزنبرجر عن هذه النتائج في 9 يناير الطبيعة.

ظهرت نتائج مماثلة من دراسة الفئران التي تفتقر إلى بعض مستقبلات الأنسولين. ابتكر فريق بحثي بقيادة كان سلالات الفئران التي تفتقر إلى مستقبلات الأنسولين في أنسجة معينة مثل الكبد والدماغ والدهون. في 24 كانون الثاني (يناير) من مجلة Science ، أفاد كان وزملاؤه أن الفئران التي تفتقر إلى المستقبلات في أنسجتها الدهنية تعيش 18 في المائة أطول في المتوسط ​​من الفئران العادية.

وجدت مجموعة كان أن الفئران طويلة العمر كانت أيضًا أصغر حجمًا ، على الرغم من تناول كميات طبيعية من الطعام. هذا ليس مفاجئًا ، لأن أحد أدوار الأنسولين هو إرسال إشارات للخلايا لتخزين الدهون ، لكن نتائج الباحثين يمكن أن تساعد في الكشف عن سبب إطالة الحميات المقيدة بشدة من السعرات الحرارية لفترات حياة العديد من الحيوانات (SN: 3/15/97 ، ص 162). ). قد لا يكون خفض السعرات الحرارية أمرًا حاسمًا لزيادة طول العمر ، ولكن بالأحرى هزال الحيوانات ، كما يقول كان. تقوم مجموعته الآن بوضع الفئران المتحولة في نظام غذائي لمعرفة ما إذا كان هناك أي تمديد إضافي لمدى الحياة.

يخطط كان أيضًا لدراسة طول عمر سلالات الفئران الطافرة الأخرى لردع كيفية إسهام إشارات الأنسولين في كل نسيج في الشيخوخة. إنه مهتم بشكل خاص بالفئران التي لا تحتوي على مستقبلات الأنسولين في أدمغتها ، حيث أشارت الدراسات التي أجريت على الذباب والديدان إلى أن الجهاز العصبي له دور رئيسي في التوسط في تأثير الأنسولين على الشيخوخة.

عندما تنظر كينيون إلى التقدم الذي أحرزه الباحثون فيما يتعلق بالشيخوخة خلال العقد الماضي ، تعترف بأنها صُدمت. تقول: "لم يكن هناك مجال عندما بدأنا". "الآن ، هناك الكثير من الأشخاص الذين يعملون على الشيخوخة. لقد تعلمنا الكثير."

على الرغم من كل النجاحات التي حققوها مؤخرًا ، فإن الباحثين الدوديين لديهم الكثير من الأسئلة حول بيولوجيا الشيخوخة التي يجب أن تستمر لأجيال. يقول ليثجو إنه لا يزال غير قادر على الإجابة على سؤال جوهري: "لماذا تعيش الديدان 20 يومًا وليس 20 عامًا؟"


دودة قوية

ساعد C. elegans ، وهو مغناطيس نوبل مكون من 959 خلية ، في تفسير انتحار الخلايا وإطلاق الجينوميات ، ويمكنه الآن إحداث ثورة في تطوير الأدوية.

كانت المحاضرة عن الجيليفيش ، لكن مارتن تشالفي كان يحلم بالديدان. بعد أن وصف المتحدث بروتينًا - البروتين الفلوري الأخضر ، أو GFP - الذي يجعل قنديل البحر يتوهج في الظلام ، "لقد شعرت بالحماس الشديد ولم أستمع إلى كلمة أخرى ،" تتذكر تشالفي. كان ذلك في عام 1988 ، ووجد تشالفي ، أستاذ العلوم البيولوجية بجامعة كولومبيا ، نفسه يفكر في البروتين المكتشف مؤخرًا: "يا له من مركب رائع يمكن وضعه فيه C. ايليجانس.”

في ذلك الوقت ، الديدان الخيطية أنواع معينة انيقة، أو C. ايليجانس، دائرة صغيرة متحمسة من الباحثين الذين توصلوا إلى التعرف على الدودة كنموذج بسيط لبعض العمليات الأكثر تعقيدًا في العمل في الخلايا البشرية. كان يعتقد أن الدودة الشفافة التي يبلغ طولها 1 مليمتر فقط ، تشترك في العديد من الخصائص الجينية الأساسية مع البشر ، على الرغم من أن العلماء قدروا أن المسارات التطورية للأنواع قد تباعدت قبل 800 مليون سنة. لكن تقنيات استكشاف أوجه التشابه هذه قد ولدت بصعوبة.

يتجول ذهنه في المحاضرة ، تخيل تشالفي البروتين المتوهج ، الذي يتم إدخاله بطريقة ما في الدودة وربطه ببروتينات أخرى ، ويعمل كنوع من أداة التمييز الخضراء التي تحدد أصغر العمليات الخلوية. إذا تمكن من اكتشاف طريقة لإدخال GFP دون الحاجة إلى أي مركب آخر من قنديل البحر ، فسيكون ذلك بمثابة اختراق للدراسة C. ايليجانس وما يقرب من 1000 خلية ، وستضيف إلى شهرة الدودة باعتبارها نموذجًا مثاليًا لكائن حي لكشف ألغاز علم الوراثة البشرية.

أثبت حدس Chalfie أنه كان بصدد النظر ، على الرغم من أن الأمر استغرق عدة سنوات من الجهد المضني لجعل GFP يعمل في الدودة. وإنجازه مع C. ايليجانس كانت مجرد واحدة من بين العديد. خلال نصف القرن الماضي ، تمت ملاحظة الدودة شبه المجهرية الشفافة عن كثب لدرجة أن العلماء لديهم معرفة شاملة تقريبًا بالدماغ والجهاز العصبي والجهاز الهضمي والعضلات والجهاز التناسلي. هذه المعرفة ، بدورها ، وسعت بشكل كبير من فهم النظم والعمليات البشرية.

كل هذا العمل الرائد في مجال الدودة قد أكسب أبطاله ثلاث جوائز نوبل خلال السنوات الست الماضية (بما في ذلك واحدة ، في عام 2008 ، لـ Chalfie ، التي شاركت في جائزة الكيمياء لريادتها في استخدام GFP) ، ومن المرجح أن تأتي. "C. ايليجانس لقد أدى إلى تغييرات جوهرية في فهمنا للحياة ، "يقول تشالفي ، الذي يواصل استخدام الدودة لدراسة تطور الخلايا العصبية ووظيفتها. في هذه الأثناء ، توسع مجتمع باحثي الدودة ، الذي كان في يوم من الأيام في ضآلة موضوعه ، بشكل كبير ، حيث يستخدم العلماء الآن C. ايليجانس لاكتساب نظرة ثاقبة على آليات الشيخوخة ومرض الزهايمر والسكتة الدماغية والسرطان والتهاب الشبكية والسكري وأمراض الكلى والاضطرابات الأخرى.

يقول روبرت ووترستون ، أستاذ علم الجينوم في كلية الطب بجامعة واشنطن في سياتل: "إن الدودة تطرح أسئلة لم يكن من الممكن أن نفكر فيها أبدًا بدونها". والإجابات تأتي باستمرار ، مثل C. ايليجانس يوجه الباحثين إلى عالم لم يكن متخيلًا من قبل من الجزيئات التنظيمية التي يمكن أن تحدث ثورة في الطب وتطوير الأدوية.

لمدينة الألفية ، جيم ELEGANS عاش في الغالب غير مدرك في موائلها الطبيعية من التربة والمياه أو كطفيلي في القواقع والحيوانات والنباتات الأخرى الموجودة في جميع أنحاء أوروبا وأمريكا الشمالية وأستراليا. ثم في عام 1954 ، في مدينة بريستول بإنجلترا ، قام عالم أحياء يُدعى وارويك نيكولاس بانتزاعها من الغموض. نيكولاس ، أحد علماء الأحياء العديدين الذين كانوا يعتبرون الديدان الخيطية ككائن نموذجي محتمل ، حصل على مستعمرة من C. ايليجانس (تم تصنيفها لأول مرة في عام 1900 من قبل عالم الأحياء الفرنسي إميل موباس) التي كانت تزدهر في صينية من سماد الفطر. نجح في تنمية ثقافات C. ايليجانس، التي أخذها معه في أنابيب اختبار مختومة إلى كاليفورنيا عندما انتقل إلى هناك. إحدى سلالات الديدان الخيطية التي كان نيكولاس يفحصها ، C. ايليجانسثبت أنه مفيد بشكل خاص. وعلى الرغم من أن عمل نيكولاس مع الدودة ، والذي ركز على تطورها وتكاثرها ، كان مجرد مقدمة ، إلا أن المستعمرة التي أنشأها أصبحت سلفًا لكل تريليونات من تريليونات C. ايليجانس التي كانت تجعل نفسها في المنزل في المختبرات حول العالم منذ ذلك الحين.

في عام 1964 ، انتهى المطاف بأحفاد جيل بريستول في إنجلترا ، في مختبر سيدني برينر ، الباحث في مجلس البحوث الطبية في كامبريدج ، الذي قدم بالفعل مساهمات رائدة في مجال البيولوجيا الجزيئية الناشئ. اكتشف برينر الهياكل الجينية الأساسية في الكائنات الحية الأبسط (معظمها من البكتيريا والفيروسات) وأراد الآن معرفة كيفية استخدام كائن أعلى للتعليمات المشفرة في الحمض النووي لبناء نفسه ثلاثي الأبعاد. قرر أنه بحاجة إلى نموذج حيواني لمعالجة هذه المشاكل البيولوجية المعقدة ، وبعد تجربة أكثر من 60 نوعًا من الديدان الخيطية ، استقر على سلالة C. ايليجانس حصل عليها من جامعة كاليفورنيا في بيركلي.

لأن C. ايليجانس شفافة ، يمكن ملاحظتها من خلال المجهر أثناء نموها من البويضة ، مع انقسام خلاياها بشكل متكرر لتشكيل أعضاء الدودة وأعصابها وعضلاتها. ونظرًا لأن عمر الدودة يتراوح من أسبوعين إلى ثلاثة أسابيع فقط ويمكن أن تنتج 100000 ذرية في 10 أيام ، فيمكن إجراء التجارب بسرعة ، وبنفس الأهمية ، في مساحة صغيرة مثل مختبر كامبريدج الضيق برينر. للقيام بعمل مماثل مع الفئران ، كان سيحتاج إلى مبنى من عدة طوابق.

كان الهدف الأول لبرينر هو اكتشاف كيفية ارتباط سلوك الدودة بجهازها العصبي. وهذا يعني تفكيك الكائن الحي جسديًا ورسم خرائط لجميع الروابط والخصائص التي تجعل الدودة دودة ، وهو مشروع بدا خياليًا للعديد من زملاء برينر.

“They thought it was a blind alley,” says David Hall, a professor of neuroscience at Albert Einstein College of Medicine in New York City and the editor of WormAtlas, an Internet database devoted to C. ايليجانس ابحاث. But Brenner persisted, and though the quest took 10 years, he and his research group succeeded in producing the first map of the worm’s anatomy. They detailed the development of every cell, starting with the egg and progressing to the 959 body cells of the adult worm. They also created a “wiring” diagram of every neuron in C. elegans’s 302-cell nervous system.

It was a hugely laborious process that involved slicing the worm into sections thin enough to fit under the lenses of an electron microscope. Researchers took more than 30,000 photographs to identify and trace the visible structures. Then they pieced together the images to form somewhat ill-fitting cross sections of C. ايليجانس’s skin, nervous system and other organs. Notes had to be taken by hand and were bound into books. “It’s hard to believe how primitive things were,” says Hall, who keeps many of the early photographs and notebooks in his laboratory.

This map of C. ايليجانس’s cells and nervous system gave researchers a tool for testing theories about how the organism grows and behaves and for identifying the genes involved by comparing the makeup of normal worms with that of genetically manipulated strains. Experiment by experiment, Brenner learned more and more about the worm and its genetic makeup—for example, that there are about 100 mutations that can cause problems with wriggling. Some of those mutations lead to mistakes in the way the nervous system grows, whereas others keep the system from functioning properly after it is formed.

Getting to know this single species so intimately led to insights into key biological processes. For one thing, scientists noticed that during the course of worm development, 131 cells self-destruct. Robert Horvitz, who came to Brenner’s laboratory as a postdoctoral fellow in 1974, returned to the Massachusetts Institute of Technology four years later and continued to study this phenomenon. Horvitz went on to prove that cell death, or apoptosis, is actually programmed into some of the worm’s genes as a fundamental part of its development. And most of those genes turn out to have counterparts in humans.

Programmed cell death explains why people end up with fingers and toes but without the webs that exist in fetuses. And it provides clues about the biological processes that lead to cancer, which may result from abnormalities in cells that stave off apoptosis, making themselves immortal. (Horvitz, Brenner and John Sulston, a British biologist who now chairs the Institute for Science, Ethics and Innovation at the University of Manchester, shared a 2002 Nobel for this work.)

Sydney Brenner and his team produced more than 30,000 photographs like this one during the 1960s and ’70s to map every one of <i>C. elegans’s</i> 959 cells. This cross section shows the brain region—the “nerve ring”—of a normal adult.

Mapping the more or less visible parts of C. ايليجانس was an enormous achievement. But to exploit the full potential of the worm’s unlikely likeness to humans, preserved through eons of evolution, scientists needed to understand the species at an even more fundamental level. Brenner’s vision was to go deeper and catalogue the genetic structures inside every cell, to find out not only how single genes work but also how they function in combination. The way the chemical building blocks of DNA—adenine, thymine, guanine and cytosine, or A, T, G and C—are paired and sequenced determines the proteins a cell makes, so unraveling the entire genome for C. ايليجانس would essentially spell out the instructions for its life.

Beginning in the early 1980s, Waterston, then at Washington University’s School of Medicine in St. Louis, and Sulston worked with a team of researchers to break C. ايليجانس’s DNA into 17,000 overlapping fragments to create a map. To do so, they had to put the fragments back in order, “a little like knowing chapters in a book,” Waterston says, with a process called gel electrophoresis. After the fragments were treated with enzymes and radioactive compounds, they were then separated and the results were captured on X-ray film. The resulting images showed dark bands of DNA as if on a bar code. The researchers used computers to match the images and put the fragments in order. Waterston and Sulston then determined the entire genome sequence.

“Before the map, it could take someone years to find just one gene,” says Waterston afterward, the task could be done in a matter of weeks. Like the anatomical blueprint of the worm, this was a first, providing a panoramic genetic view of an animal, with a detailed reconstruction of its nearly 20,000 genes, 6 chromosomes and some 100 million base pairs of DNA. The completed worm sequence triggered a revolution in science and medicine.

Waterston and Sulston also led the way in compiling the human genome, which was finished five years later, and today researchers are detailing the genomes of chimpanzees, mice and a host of other organisms. What’s more, the kind of gene sequencing Waterston and his colleagues pioneered is now being done by biotechnology companies and academic research centers with equipment that can rapidly interpret thousands of genetic sequences. As a result, the field of comparative genomics, which compares the genetic structures of different species and strains, has opened untold areas of research, ranging from studying evolutionary changes among organisms to developing strategies for combating human disease.

حOMO SAPIENS و CAENORHABDITIS ELEGANS ARE NOT particularly close genetic cousins. Fewer than half of the worm’s genes have human counterparts, far less than, say, chimpanzees, which have about 95% of the same genetic material as humans. Still, exploiting those similarities continues to prove extraordinarily fruitful. In the latest, potentially game-changing worm research, scientists such as Gary Ruvkun, a molecular biologist at the Massachusetts General Hospital and a professor of genetics at Harvard Medical School, are focusing on genetic material known as RNA, which has many flexible forms that take on wide-ranging regulatory roles inside cells. Understanding and manipulating those functions could lead to new ways to treat disease.

Very small pieces of this material, called microRNA, have proven particularly interesting the first hints of their importance came in the early 1990s, when Ruvkun and Victor Ambros, now a professor of molecular medicine at the University of Massachusetts Medical School, were studying how C. ايليجانس develops into its adult form from newly hatched larvae. Research on flies had shown that particular genes instruct embryos where to grow wings, legs and other body parts. Suspecting that comparable genes in the worm specified the timing of similar developmental events, Ambros focused on lin-4, a worm gene Brenner had discovered that allows immature worms to advance past a particular developmental stage. Researchers already knew that animals with a defective version oflin-4 can’t become adults. Ambros found that worms with inactive lin-4 get stuck repeating early larval stages, and those lacking a different gene, lin-14, skip ahead, with cells dividing in patterns more characteristic of later stages of development. In a series of experiments, he and Ruvkun showed how the genes collaborate—that at an appropriate time lin-4 كتل lin-14 activity, allowing worms to continue normal development, and that very small strands of RNA play a role in that process.

In 1998, Andrew Fire, a biologist and professor of pathology and genetics at the Stanford University School of Medicine who had also worked with Brenner, and Craig Mello, a professor of molecular medicine at the University of Massachusetts Medical School, made the next leap forward, unveiling work they’d done in C. ايليجانس that explained the role of RNA interference, or RNAi. RNA ordinarily transfers genetic instructions from DNA in a cell’s nucleus to the surrounding cytoplasm, where those codes guide the construction of proteins. Fire and Mello injected the worm with gene-carrying fragments of RNA that disrupted this normal process, preventing the synthesis of the protein associated with the gene on the fragment (work for which they won a Nobel in 2006). This RNA interference, which occurs naturally in C. ايليجانس and other organisms, including humans, can be manipulated for research purposes, allowing scientists to silence one gene at a time with great precision.

Ruvkun’s laboratory has used RNAi to work systematically through the C. ايليجانس genome, inactivating individual genes and observing the impact on the worm. Some of this work has focused on worm metabolism, and among the almost 17,000 worm genes his team has tested, 305 inactivations caused a decrease in the worm’s body fat, while 112 resulted in increased fat storage. About half of those 400-plus fat genes have human counterparts, and if those too could be manipulated, it might provide an avenue for developing medications to treat obesity and related diseases such as diabetes. “If worm obesity were a health problem, we‘d have a cure,” quips Ruvkun, who says this work has helped narrow the pool of genes that might be involved in regulating human fat storage to a virtual droplet: just a few dozen genes (out of some 20,000 in the human genome).

Fire and Mello’s discovery also shed light on the part played by microRNA. في C. ايليجانس, microRNA adjusts the production of proteins that are needed at one stage of a cell’s life but must be absent during others. “Perhaps RNAi and microRNA are more similar than we currently appreciate,” says Ruvkun, who in 2008 shared the Albert Lasker Basic Medical Research Award (sometimes called the American Nobel) with Ambros and the University of Cambridge’s David Baulcombe for their work in C. ايليجانس. “What we know now is the tip of the iceberg.”

These RNA mechanisms could lead to a completely new, finely tuned form of disease therapy, Ruvkun says. Whereas current drugs act on proteins, RNA therapy could come in a step earlier, acting on the expression of DNA itself before a problem protein is produced, potentially preventing or reversing diseases. According to Ruvkun, recent studies suggest the human genome contains more than 500 and perhaps as many as 1,000 microRNAs that, collectively, might control a third of all protein-producing genes. (Not all genes produce proteins a significant fraction play roles in determining embryonic development, blood-cell specialization and a wide range of other physiological functions.)

Researchers are now trying to develop drugs that work by selectively blocking microRNAs. A number of labs have been working to compare microRNAs produced in cancerous tumors with those in normal tissue. Ideas developed in C. ايليجانس can then be tested in higher organisms such as mice, whose response to a drug or other treatment may be more directly relevant to people—perhaps leading, Ruvkun speculates, to future generations of drugs, particularly for cancer treatment, that involve microRNAs. “This is the hottest hunch right now, not just among worm researchers but in the larger scientific community, and there are probably 1,000 people working on it,” Ruvkun says. “Once again, the worm has put us on the right track.”

1. In the Beginning Was the Worm, by Andrew Brown (Columbia University Press, 2003). Brown, a science journalist, tells the compelling story of Sydney Brenner’s worm project and of the vision, personalities and work of the first generation of worm researchers.

2. “The Perfect Storm of Tiny RNAs,” by Gary Ruvkun, طب الطبيعة, October 2008. The 2008 Lasker Award winner details how C. ايليجانس research led to the breakthrough discovery of a universe of tiny regulatory RNAs that were initially considered “worm curiosities” until they were also discovered in plants, and why this worm is important to the future of medicine.

3. wormatlas.org and wormbase.org. WormAtlas describes every cell and tissue of C. ايليجانس and includes information developed for teaching purposes. WormBase houses information about all C. ايليجانس genes and details research in such categories as cell biology, neurobiology, evolution and disease models.

In Depth

Dozens of pandemic-era innovations, and the experience of teaching during a crisis, have all left an indelible mark.


231 Fertilization and Early Embryonic Development

بنهاية هذا القسم ، ستكون قادرًا على القيام بما يلي:

  • Discuss how fertilization occurs
  • Explain how the embryo forms from the zygote
  • Discuss the role of cleavage and gastrulation in animal development

The process in which an organism develops from a single-celled zygote to a multi-cellular organism is complex and well-regulated. The early stages of embryonic development are also crucial for ensuring the fitness of the organism.

التخصيب

Fertilization, pictured in (Figure)أ is the process in which gametes (an egg and sperm) fuse to form a zygote. The egg and sperm each contain one set of chromosomes. To ensure that the offspring has only one complete diploid set of chromosomes, only one sperm must fuse with one egg. In mammals, the egg is protected by a layer of extracellular matrix consisting mainly of glycoproteins called the zona pellucida . When a sperm binds to the zona pellucida, a series of biochemical events, called the acrosomal reactions , take place. In placental mammals, the acrosome contains digestive enzymes that initiate the degradation of the glycoprotein matrix protecting the egg and allowing the sperm plasma membrane to fuse with the egg plasma membrane, as illustrated in (Figure)ب. The fusion of these two membranes creates an opening through which the sperm nucleus is transferred into the ovum. The nuclear membranes of the egg and sperm break down and the two haploid genomes condense to form a diploid genome.


To ensure that no more than one sperm fertilizes the egg, once the acrosomal reactions take place at one location of the egg membrane, the egg releases proteins in other locations to prevent other sperm from fusing with the egg. If this mechanism fails, multiple sperm can fuse with the egg, resulting in polyspermy . The resulting embryo is not genetically viable and dies within a few days.

Cleavage and Blastula Stage

يبدأ تطور الكائنات متعددة الخلايا من الزيجوت أحادي الخلية ، والذي يخضع لانقسام خلوي سريع لتشكيل الأريمة. تسمى الجولات السريعة والمتعددة لانقسام الخلايا بالانقسام. Cleavage is illustrated in ((Figure)أ). بعد أن ينتج الانقسام أكثر من 100 خلية ، يُطلق على الجنين اسم بلاستولا. عادةً ما تكون الأريمة عبارة عن طبقة كروية من الخلايا (الأديم الأرومي) تحيط بتجويف مملوء بالسائل أو مملوء بالصفار (الجوف الأريمي). Mammals at this stage form a structure called the blastocyst, characterized by an inner cell mass that is distinct from the surrounding blastula, shown in (Figure)ب. أثناء الانقسام ، تنقسم الخلايا دون زيادة في الكتلة ، أي أن زيجوت كبير ووحيد الخلية ينقسم إلى عدة خلايا أصغر. كل خلية داخل الأريمة تسمى قسيم أرومي.


Cleavage can take place in two ways: holoblastic (total) cleavage or meroblastic (partial) cleavage. يعتمد نوع الانقسام على كمية الصفار في البيض. في الثدييات المشيمية (بما في ذلك البشر) حيث يتم توفير الغذاء من قبل جسم الأم ، يحتوي البيض على كمية صغيرة جدًا من صفار البيض ويخضع لانقسام هولوبلاستيك. تخضع الأنواع الأخرى ، مثل الطيور ، التي تحتوي على الكثير من صفار البيض لتغذية الجنين أثناء النمو ، للانقسام الخبيث.

In mammals, the blastula forms the blastocyst in the next stage of development. Here the cells in the blastula arrange themselves in two layers: the inner cell mass , and an outer layer called the trophoblast . تُعرف كتلة الخلايا الداخلية أيضًا باسم الأرومة الجنينية وستستمر هذه الكتلة من الخلايا في تكوين الجنين. At this stage of development, illustrated in (Figure) the inner cell mass consists of embryonic stem cells that will differentiate into the different cell types needed by the organism. ستساهم الأرومة الغاذية في المشيمة وتغذي الجنين.


Visit the Virtual Human Embryo project at the Endowment for Human Development site to step through an interactive that shows the stages of embryo development, including micrographs and rotating 3-D images.

الجضم

The typical blastula is a ball of cells. The next stage in embryonic development is the formation of the body plan. The cells in the blastula rearrange themselves spatially to form three layers of cells. This process is called gastrulation . During gastrulation, the blastula folds upon itself to form the three layers of cells. Each of these layers is called a germ layer and each germ layer differentiates into different organ systems.

The three germ layers, shown in (Figure), are the endoderm, the ectoderm, and the mesoderm. The ectoderm gives rise to the nervous system and the epidermis. The mesoderm gives rise to the muscle cells and connective tissue in the body. The endoderm gives rise to columnar cells found in the digestive system and many internal organs.


Are Designer Babies in Our Future?


If you could prevent your child from getting a devastating genetic disease, would you do it? Would you select the sex of your child or select for their attractiveness, strength, or intelligence? How far would you go to maximize the possibility of resistance to disease? The genetic engineering of a human child, the production of “designer babies” with desirable phenotypic characteristics, was once a topic restricted to science fiction. This is the case no longer: science fiction is now overlapping into science fact. Many phenotypic choices for offspring are already available, with many more likely to be possible in the not too distant future. Which traits should be selected and how they should be selected are topics of much debate within the worldwide medical community. The ethical and moral line is not always clear or agreed upon, and some fear that modern reproductive technologies could lead to a new form of eugenics.

Eugenics is the use of information and technology from a variety of sources to improve the genetic makeup of the human race. The goal of creating genetically superior humans was quite prevalent (although controversial) in several countries during the early 20 th century, but fell into disrepute when Nazi Germany developed an extensive eugenics program in the 1930s and 40s. As part of their program, the Nazis forcibly sterilized hundreds of thousands of the so-called “unfit” and killed tens of thousands of institutionally disabled people as part of a systematic program to develop a genetically superior race of Germans known as Aryans. Ever since, eugenic ideas have not been as publicly expressed, but there are still those who promote them.

Efforts have been made in the past to control traits in human children using donated sperm from men with desired traits. In fact, eugenicist Robert Klark Graham established a sperm bank in 1980 that included samples exclusively from donors with high IQs. The “genius” sperm bank failed to capture the public’s imagination and the operation closed in 1999.

In more recent times, the procedure known as prenatal genetic diagnosis (PGD) has been developed. PGD involves the screening of human embryos as part of the process of في المختبر fertilization, during which embryos are conceived and grown outside the mother’s body for some period of time before they are implanted. The term PGD usually refers to both the diagnosis, selection, and the implantation of the selected embryos.

In the least controversial use of PGD, embryos are tested for the presence of alleles which cause genetic diseases such as sickle cell disease, muscular dystrophy, and hemophilia, in which a single disease-causing allele or pair of alleles has been identified. By excluding embryos containing these alleles from implantation into the mother, the disease is prevented, and the unused embryos are either donated to science or discarded. There are relatively few in the worldwide medical community that question the ethics of this type of procedure, which allows individuals scared to have children because of the alleles they carry to do so successfully. The major limitation to this procedure is its expense. Not usually covered by medical insurance and thus out of reach financially for most couples, only a very small percentage of all live births use such complicated methodologies. Yet, even in cases like these where the ethical issues may seem to be clear-cut, not everyone agrees with the morality of these types of procedures. For example, to those who take the position that human life begins at conception, the discarding of unused embryos, a necessary result of PGD, is unacceptable under any circumstances.

A murkier ethical situation is found in the selection of a child’s sex, which is easily performed by PGD. Currently, countries such as Great Britain have banned the selection of a child’s sex for reasons other than preventing sex-linked diseases. Other countries allow the procedure for “family balancing”, based on the desire of some parents to have at least one child of each sex. Still others, including the United States, have taken a scattershot approach to regulating these practices, essentially leaving it to the individual practicing physician to decide which practices are acceptable and which are not.

Even murkier are rare instances of disabled parents, such as those with deafness or dwarfism, who select embryos via PGD to ensure that they share their disability. These parents usually cite many positive aspects of their disabilities and associated culture as reasons for their choice, which they see as their moral right. To others, to purposely cause a disability in a child violates the basic medical principle of Primum non nocere, “first, do no harm.” This procedure, although not illegal in most countries, demonstrates the complexity of ethical issues associated with choosing genetic traits in offspring.

Where could this process lead? Will this technology become more affordable and how should it be used? With the ability of technology to progress rapidly and unpredictably, a lack of definitive guidelines for the use of reproductive technologies before they arise might make it difficult for legislators to keep pace once they are in fact realized, assuming the process needs any government regulation at all. Other bioethicists argue that we should only deal with technologies that exist now, and not in some uncertain future. They argue that these types of procedures will always be expensive and rare, so the fears of eugenics and “master” races are unfounded and overstated. The debate continues.

ملخص القسم

The early stages of embryonic development begin with fertilization. The process of fertilization is tightly controlled to ensure that only one sperm fuses with one egg. After fertilization, the zygote undergoes cleavage to form the blastula. The blastula, which in some species is a hollow ball of cells, undergoes a process called gastrulation, in which the three germ layers form. The ectoderm gives rise to the nervous system and the epidermal skin cells, the mesoderm gives rise to the muscle cells and connective tissue in the body, and the endoderm gives rise to columnar cells and internal organs.


خلفية

Organisms are faced with a variety of environmental conditions, some of which can adversely affect the status of proteins. Cells have multiple systems that monitor and maintain the proteome. Protein quality control systems help to refold proteins, to sequester proteins, or to degrade damaged or misfolded proteins. The ubiquitin proteasome system (UPS) is the major intracellular protein degradation pathway. This system is essential for removing damaged or misfolded proteins [1, 2]. In the current study, we investigate how the UPS is involved in the response to environmental stressors in the germline of the nematode, أنواع معينة انيقة. Ubiquitin is an 8.5 kDa polypeptide. Three distinct enzymatic activities link ubiquitin to the substrate protein via an isopeptide bond between the C-terminal glycine of ubiquitin and the amino group on a lysine residue of the substrate. This process is used to either add a single ubiquitin or a polyubiquitin chain. Different types of polyubiquitin chains form depending on the lysine linkage used. K48 polyubiquitin chains are recognized by the proteasome [3] and K63 chains are associated with protein trafficking, NFκB activation, and receptor endocytosis [4, 5].

Protein quality control systems exist for proteins in the cytosol, the mitochondria, and the endoplasmic reticulum [6]. However, the control of protein quality in the nucleus is not well understood. Ubiquitin and proteasome are both found in the nucleus along with various chaperones [7]. Proteasome activity has been detected in the nuclei of mammalian cells [8]. Therefore, the machinery needed for protein quality control exists in the nucleus, but details on the pathway for triggering nuclear protein degradation is not known. The best described examples of nuclear protein degradation come from yeast where the San1p ubiquitin ligase is known to target unstable proteins for nuclear degradation [9]. Also in yeast, misfolded cytoplasmic proteins can be imported into the nucleus for degradation [10]. It is not presently clear if this same type of pathway exists in other organisms.

There are several documented nuclear changes in response to stress. The nuclei of cells in various model organisms are known to develop distinct nuclear bodies [11, 12]. These nuclear bodies often vary in size, lack a defining membrane, and are spherical in shape. Nuclear bodies that form in response to stress include promyelocytic leukemia bodies (PML), heat-shock bodies, paraspeckles, clastosomes, nucleoplasmic speckles, and insulator bodies [13–16]. Heat-shock bodies form as a result of elevated temperatures, which leads to the activation of HSF1 [14, 17]. PML bodies form in response to elevated levels of oxidative stress and increase in numbers and size as stress exposure is extended [18–20]. Osmotic stress also induces formation of clastosomes and insulator bodies [15, 16]. Some nuclear bodies are known to contain ubiquitin and proteasome components [21]. Clastosomes contain both ubiquitin conjugates and 19S and 20S proteasome complexes, and disappear when proteasome inhibitors are added. These nuclear bodies are proposed to be active sites of proteolysis [15]. Proteasome components have also been observed in nucleoplasmic speckles and PML nuclear bodies [22–24]. Currently, there is a poor understanding of nuclear bodies’ physiological role and how they are connected to the cellular stress response.

دراسات سابقة في C. ايليجانس have shown that exposure to hypertonic stress increases the level of ubiquitin conjugates [25]. That study also showed that expression of the proteasome was required for worms to survive threshold levels of hypertonic stress indicating that protein quality control is a critical aspect of surviving environmental stress. The current study further elaborates on the role of the UPS in response to environmental stress in the germline of C. ايليجانس. We show that ubiquitin and the proteasome respond to salt stress, oxidative stress, and starvation by forming Stress Induced Nuclear Granules (SINGs). These SINGs form quickly after stress is initiated and do not require intertissue signaling. The SINGs are enriched in K48 polyubiquitin chains suggesting that they may be sites of protein degradation. The expression of chaperones reduces the frequency of SINGs suggesting a model where the accumulation of misfolded proteins leads to SING formation.


الاستنتاجات

Virus-derived transgenic resistance holds great promise in sparing growers and consumers the costs of losses due to virus infection. Furthermore, this technology has saved at least one crop, papaya grown in Hawaii, and holds the potential to grant those in developing nations food security by preventing losses in staple crops. Some of the other benefits of this approach to controlling plant viruses is that it reduces sprays that were used to control the arthropod vectors, while not altering how the crops are grown. One of the main challenges is that resistance to one strain of virus may not give strong resistance to other strains, so the evolution of new virus strains must be closely monitored.


شاهد الفيديو: اسرع طريقة لقتل الديدان التي تعيش داخل الأمعاء (قد 2022).