معلومة

هل كل بروتين مشفر بجين واحد فقط؟


اقترح Beadle و Tatum فرضية "جين واحد ، إنزيم واحد" في الأربعينيات من القرن الماضي ، وتم تعديلها لاحقًا إلى "جين واحد ، بروتين واحد" ، أي أن الجين يرمز لبروتين واحد.

هل ظهرت أي استثناءات لذلك لاحقًا؟ هل توجد بروتينات مفردة ، أجزاء منها مشفرة بجينات منفصلة؟


هناك نكون بروتينات مشفرة بأكثر من جين واحد.

سيكون مغاير بروتين رباعي بنية. أحد الأمثلة الشهيرة هو الهيماغلوبين ، والذي يتم تجميعه من وحدات ألفا وبيتا الفرعية.

أيضا ، جين واحد قادر على ترميز بروتينات متعددة!

https://en.wikipedia.org/wiki/Protein_dimer

https://en.wikipedia.org/wiki/Protein_quaternary_structure

https://en.wikipedia.org/wiki/Hemoglobin


بشكل عام ، قد تبدو الإجابة كما يلي:

"لا ، سلسلة واحدة من عديد الببتيد يتم ترميزها بواسطة mRNA واحد من نسخة واحدة من جين واحد."

من الواضح أنه إذا استخدم المرء الصفة ، البروتين ، لمغير متعدد المرات مثل الهيموغلوبين ، يمكن للمرء أن يقولنعمفي حين أن.

حتى الآن ، لا شيء جديد منذ طرح السؤال قبل عامين. ولكن ، لخطر إطلاق النار عليك ، اسمحوا لي أن أقترح احتمالين.

1. الغلوبولين المناعي

لا ينشأ التنوع الهائل للأجسام المضادة من حقيقة أن هناك عددًا كبيرًا من جينات الغلوبولين المناعي في الجينوم ، ولكن هناك ذخيرة مطابقة لأقسام مختلفة من كل سلسلة من الأجسام المضادة ، والتي يؤدي إعادة تركيبها في الخلايا البائية الفردية إلى ظهور جينات مختلفة. انظر ، على سبيل المثال ، هذا القسم من Alberts وآخرون. بقدر ما يتعلق الأمر بالخلية الأولية ، فإن سلاسل الغلوبولين المناعي الناضجة هي نتاج جينات مختلفة. بقدر ما يتعلق الأمر بالخلايا البائية الفردية الناضجة ، فإن كل سلسلة من منتجاتها الجينية تنشأ من جين واحد معاد تجميعه.

أنت تدفع أموالك وأنت تأخذ اختيارك.

2. البروتينات المعدنية

دعونا نفكر في البروتين المعدني مثل اليورياز. يتطلب هذا الإنزيم ، الذي يكسر اليوريا إلى أمونيا وثاني أكسيد الكربون ، عمل النيكل. يمكن للمرء أن يتبنى وجهة النظر القائلة بأن البروتين لا يكتمل بدون العامل المساعد المعدني. تمت دراسة جينات اليورياز جيدًا في بعض البكتيريا المسببة للأمراض مثل هيليكوباكتر بيلوري، حيث يكون جزءًا من مجموعة جينية. تقوم المكونات الأخرى لهذا التجمع الجيني بتشفير البروتينات المطلوبة لتوصيل أيونات النيكل إلى الإنزيم غير النشط.

يمكن للمرء أن يجادل بأنه بدون النيكل يكون البروتين غير مكتمل ، لذلك يتم ترميز اليورياز الوظيفي بواسطة جينات متعددة من تلك المجموعة.

يعتمد على القواعد التي نلعبها.


هناك مجمعات بروتينية تتكون من وحدات فرعية متعددة. سواء كنت تسمي ذلك بروتينًا واحدًا أو مركبًا متعدد البروتينات ، فقد يعتمد على ما إذا كان لديك وجهة نظر تتمحور حول الجينات أو تتمحور حول البروتين.


تعمل أداة CRISPR الجديدة على قلب الجينات وإيقاف تشغيلها مثل مفتاح الضوء

يقوم الإصدار الكلاسيكي من عجائب تحرير الجينات حرفياً بتقطيع الجين إلى أجزاء صغيرة فقط لإيقاف تشغيله. إنه فعال ، نعم. لكن الأمر يشبه وضع سلك كهربائي في آلة تمزيق الورق لإطفاء المصباح الكهربائي الذي يسيء التصرف. بمجرد قطع الأسلاك ، لن يكون هناك رجوع.

لماذا لا تضيف مفتاح الضوء بدلاً من ذلك؟

هذا الشهر ، أعاد فريق من جامعة كاليفورنيا ، سان فرانسيسكو (UCSF) تصور تقنية كريسبر للقيام بذلك بالضبط. فبدلاً من العمل مباشرة على الجينات - تقطيع أو تبديل الحروف الجينية بشكل لا رجعة فيه - فإن متغير كريسبر الجديد يستهدف الآلية البيولوجية التي تعمل بشكل طبيعي على تشغيل الجينات أو إيقاف تشغيلها.

ترجمة؟ يمكن لـ CRISPR الآن "قلب مفتاح الضوء" للتحكم في الجينات - دون لمسها مباشرة. انه يتحسن. يمكن للأداة الجديدة ، CRISPRoff ، أن تجعل الجين يظل صامتًا لمئات الأجيال ، حتى عندما تتحول الخلايا المضيفة من الخلايا الجذعية إلى خلايا أكثر نضجًا ، مثل الخلايا العصبية. بمجرد أن تصبح جينات "الجمال النائم" جاهزة للاستيقاظ ، تقوم أداة تكميلية ، CRISPRon ، بإعادة تشغيل الضوء مرة أخرى.

قال المؤلف الدكتور لوك جيلبرت ، إن هذه التكنولوجيا الجديدة "تغير اللعبة ، لذا فأنت الآن تكتب تغييرًا [في الجينات] يتم تناقله". "يمكننا في بعض النواحي تعلم إنشاء إصدار 2.0 من CRISPR-Cas9 يكون أكثر أمانًا وفعالية."

أنت تمزح. كيف؟

جوهر هو شيء يسمى التخلق. إنه نظام كامل من المواد الكيميائية والبروتينات الذي يتحكم في تشغيل الجين أو إيقاف تشغيله.

إذا كان هذا يبدو محيرًا ، فلنبدأ بما تبدو عليه الجينات فعليًا داخل الخلية وكيف تعمل. من خلال "التشغيل" ، أعني أن الجينات تتحول إلى بروتينات - وهي المادة التي تبني شكلنا المادي ، وتتحكم في عملية التمثيل الغذائي لدينا ، وتجعلنا نتحرك كبشر أحياء ومتنفسين.

يتم تضمين الجينات داخل سلاسل الحمض النووي التي تلتف بإحكام شديد حول بروتين أساسي - يشبه نوعًا من الهليون الملفوف باللحم المقدد. لكي تعمل الجينات ، فإن الخطوة الأولى هي أنها تحتاج إلى مجموعة من البروتينات لنزع سلسلة الحمض النووي برفق من "الهليون" ، بحيث تطفو الجينات الآن بحرية داخل كبسولة الفضاء الخلوية الخاصة بها ، والتي تسمى النواة.

بمجرد أن يصبح هذا الجزء من DNA لحم الخنزير المقدد مجانيًا ، يندفع المزيد من البروتينات للاستيلاء على الجين. سيقومون بعد ذلك بتدوير نيوكليوتيدات الجين (A و T و C و G) مثل جزازة العشب. وبدلاً من النشارة ، فإن هذه "الآلة" البيولوجية تطلق مرسالًا يخبر الخلية بالبدء في صنع البروتينات - mRNAs. (نعم ، نفس الأشياء التي تصنع بعض لقاحات Covid-19 الخاصة بنا.) يوجه mRNA مصنع البروتين في خلايانا لبدء الإنتاج ، وفويلا ، يتم تشغيل هذا الجين الآن!

أي شيء يعطل هذه العملية يقوض قدرة الجين على التحول إلى بروتينات ، مما يؤدي إلى إيقافها بشكل أساسي. إنها قوية للغاية - لأن آلة واحدة للتخلق المتوالي يمكنها التحكم في مئات أو آلاف الجينات. إنه مفتاح إضاءة رئيسي للجينوم.

كاتب الذاكرة الجينية

بدأ الفريق بنظام CRISPR الذي يحتوي على Cas9 محايد. هذا يعني أن البروتين المتورط عادةً في قطع الجين ، Cas9 ، لم يعد قادرًا على قص الحمض النووي ، حتى عندما يتم ربطه إلى النقطة الصحيحة بواسطة المكون الآخر ، وهو RNA التوجيهي “Bloodhound”. ثم تناولوا بروتينًا يشارك في إيقاف تشغيل الجينات لهذا الإصدار من كريسبر.

إليكم الجزء الذكي: تم تصميم البروتين لاختطاف عملية وراثية طبيعية لإيقاف الجينات. غالبًا ما يتم إغلاق الجينات من خلال عملية طبيعية تسمى "المثيلة". عادة ، تكون العملية عابرة وقابلة للانعكاس على الجين. يقود كريسبروف هذه العملية ، ويوقف بدوره أي جين مستهدف ولكن لفترة أطول بكثير من الوقت - دون تمزيق الجين جسديًا.

بفضل القوة "المعززة" للوراثة اللاجينية ، تتيح تقنية CRISPRoff للباحثين تحقيق تقدم كبير. في إحدى التجارب التي استهدفت أكثر من 20 ألف جين داخل خلايا الكلى البشرية الخالدة باستخدام تقنية CRISPRoff ، تمكن الفريق من إيقاف هذه الجينات بشكل موثوق.

غير راضٍ عن طريق باتجاه واحد ، قام الفريق بعد ذلك بتصميم متغير CRISPR مشابه ، ببروتين مختلف متعلق بالتخلق المتوالي ، يُدعى CRISPRon. في الخلايا الموجودة داخل أطباق بتري ، تمكنت كريسبرون من تجاوز تقنية كريسبروف ، وبالتالي إعادة تشغيل الجينات مرة أخرى.

قال مؤلف الدراسة الدكتور جوناثان ويسمان: "لدينا الآن أداة بسيطة يمكنها إسكات الغالبية العظمى من الجينات". & # 8220 يمكننا القيام بذلك لجينات متعددة في نفس الوقت دون أي ضرر للحمض النووي ... وبطريقة يمكن عكسها ".

اذهب المسافة

حتى أكثر جنونًا ، استمر مفتاح الإيقاف عبر الأجيال. عندما أوقف الفريق الجين المتعلق بالجهاز المناعي ، استمر لمدة 15 شهرًا - بعد حوالي 450 جيلًا خلويًا.

استمرت عمليات التحرير أيضًا من خلال تحول أساسي ، أي رحلة الخلية من خلية جذعية مستحثة متعددة القدرات (iPSC) إلى خلية عصبية. غالبًا ما تبدأ خلايا iPSCs كخلايا جلدية ، ويتم تجديدها إلى خلايا جذعية من خلال حمام كيميائي ، ثم تقوم برحلة ثانية لتصبح خلايا عصبية. غالبًا ما تقضي هذه العملية على التغييرات الوراثية اللاجينية. ولكن لدهشة المؤلفين ، استمر تأثير كريسبروف خلال التحولات. في إحدى التجارب ، وجد الفريق أن إيقاف تشغيل الجين المرتبط بمرض ألزهايمر في خلايا iPSCs يقلل أيضًا من كمية البروتينات السامة المشفرة لاحقًا في الخلايا العصبية الناتجة.

"ما أظهرناه هو أن هذه استراتيجية قابلة للتطبيق لإسكات تاو ومنع التعبير عن هذا البروتين ، & # 8221 قال وايزمان ، الذي يسلط الضوء على طريقة واحدة فقط لـ CRISPRoff - والتحكم في الإبيجينوم بشكل عام - يمكن أن يغير الطب.

كريسبر 2.0

ليست هذه هي المرة الأولى التي يحاول فيها شخص ما استهداف الإبيجينوم باستخدام كريسبر. سبق للفريق نفسه تجربة مجموعة أخرى من متغيرات كريسبر التي جربت الشيء نفسه. الفرق بين الاثنين هو الوقت والاستقرار. مع الإعداد السابق ، كافح العلماء لإبقاء "مفتاح الضوء" مطفأ لجيل واحد. الجديد ليس لديه مشكلة في الحفاظ على أي تغييرات من خلال الانقسامات المتعددة - والتحولات - في الجينوم.

تعتبر أداة CRISPR الموثوقة لعلم التخلق قوية للغاية. على الرغم من أن لدينا عقاقير تعمل بطرق متشابهة ، إلا أنها أقل دقة وتأتي مع جرعة من الآثار الجانبية. لكن في الوقت الحالي ، تعمل كريسبروف وكريسبرون فقط في الخلايا في أطباق بتري ، والخطوة التالية نحو التفوق الجيني ستكون التأكد من أنها تعمل في الكائنات الحية.

إذا كان هذا هو الحال ، فقد يغير التعديل الجيني إلى الأبد. من إعادة برمجة الدوائر البيولوجية في البيولوجيا التركيبية إلى اختطاف الدوائر أو عكسها للوقاية من الأمراض ، توفر إعادة البرمجة اللاجينية طريقة للقيام بكل ذلك دون لمس الجين على الإطلاق ، مما يلغي خطر الطفرات - بينما يؤدي إلى تأثيرات دائمة عبر الأجيال.

قال مؤلف الدراسة الدكتور جيمس نونيز: "أعتقد أن أداتنا تسمح لنا حقًا بالبدء في دراسة آلية التوريث ، وخاصة التوريث اللاجيني ، وهو سؤال ضخم في العلوم الطبية الحيوية".


جين واحد = بروتين واحد؟ ليست قريبة حتى!

في وظيفة سابقة ، ناقشت الربط البديل، وهو جانب مدهش من حمضنا النووي يسمح له بتخزين المعلومات بطريقة مدمجة وأنيقة. باختصار ، أ الجين هي في الواقع وصفة تستخدمها الخلية لصنع بروتين معين. نظرًا لأن معظم خلايا DNA & # 8217s موجودة في النواة ، يجب أن تترك & # 8220recipe & # 8221 المخزنة في هذا الجين الخلية & # 8217s نواة حتى يتم تحويلها إلى بروتين. للقيام بذلك ، يتم نسخ & # 8220recipe & # 8221 بواسطة جزيء يسمى رسول RNA (مرنا). ثم يأخذ mRNA & # 8220recipe & # 8221 المنسوخة من النواة إلى الريبوسوم ، حيث تصنع البروتينات.

ومع ذلك ، في الخلايا حقيقية النواة (أنواع الخلايا الموجودة في النباتات والحيوانات) ، يحدث شيء مثير للاهتمام قبل أن يغادر mRNA النواة. يتم قطع بعض أجزاء mRNA ، ثم يتم خياطة الأجزاء المتبقية معًا مرة أخرى. أجزاء mRNA التي تم قطعها لا تترك النواة أبدًا ، لذلك يطلق عليها الإنترونات (يبقون في النواة). يتم استدعاء الأجزاء المتبقية التي يتم تخييطها معًا exons (يخرجون من النواة). لفترة من الوقت ، لم يعرف علماء الوراثة الغرض من الإنترونات ، لذلك في النمط التطوري النموذجي ، قرر الكثيرون أنه ليس لديهم أي غرض ، وتم دمج الإنترونات في فئة & # 8220 DNA غير المرغوب فيه. & # 8221 بالطبع ، كما لدينا تعلمنا المزيد عن علم الوراثة ، فقد تعلمنا أن الفكرة المستوحاة من التطور لـ & # 8220 junk DNA & # 8221 هي ، في حد ذاتها ، خردة ، على الرغم من أن بعض أنصار التطور ما زالوا متمسكين بها.

في الوقت الحاضر ، بالطبع ، نحن نعرف سبب وجود الإنترونات. إنه جزء من تصميم Creator ، مما يسمح للحمض النووي بتخزين المعلومات بطريقة فعالة بشكل لا يصدق. يمثل كل exon & # 8220module & # 8221 من المعلومات المفيدة. إذا قامت الخلية بتجميع الإكسونات معًا بطريقة واحدة ، فإنها تصنع بروتينًا واحدًا. إذا قام بتجميع الإكسونات معًا بطريقة أخرى ، فإنه يصنع بروتينًا مختلفًا. نتيجة لذلك ، يمكن لجين واحد في الواقع إنتاج العديد من البروتينات المختلفة. لا تعمل الإنترونات فقط كوسيلة يمكن للخلية من خلالها التعرف على الإكسونات ، بل تنظم أيضًا كمية البروتينات المختلفة التي يتم تصنيعها.

يتم توضيح عملية الربط البديل هذه في الشكل أدناه:

بسبب التضفير البديل ، يمكن لجين واحد أن يخبر الخلية بإنتاج بروتينات مختلفة. (صورة المجال العام)

في المنشور السابق حول التضفير البديل ، ناقشت كيف تشير الأدلة الحديثة إلى أن ما يصل إلى 95٪ من الجينات في الجينوم البشري تشارك في هذه العملية. ومع ذلك ، لم أتطرق إلى عدد البروتينات المختلفة التي يمكن لجين واحد إنتاجها باستخدام التضفير البديل. في بعض الحالات ، تكون الإجابة مذهلة حقًا.

على مدار العامين الماضيين ، كنت أساعد رئيس قسم الأحياء في إحدى الجامعات المسيحية حيث يعمل مع ثلاثة علماء خلق آخرين في كتاب علم الأحياء العام على مستوى الجامعة. في المرة الأخيرة التي التقينا فيها ، جعلني على دراية بورقتين كتبتا منذ بعض الوقت حول موضوع التضفير البديل. إنها تتناول على وجه التحديد مسألة عدد البروتينات المختلفة التي يمكن صنعها من جين واحد. الكتاب الأول كتبه دوجلاس إل بلاك ونُشر في المجلة عصبون. استعرض بعض النتائج الحديثة حول التضفير البديل في جين معين من الدجاج.

الجين الذي يسمى سيسلو، يشارك في الاستماع. القوقعة (العضو الذي يقوم بالسمع الفعلي) في الأذن الداخلية للدجاجة مبطنة بخلايا شعر ، كل منها يستجيب بشدة لتردد الصوت المحدد. يحتوي أحد طرفي القوقعة على خلايا شعر تستجيب بشكل أفضل للأصوات منخفضة التردد ، بينما يحتوي الطرف الآخر على خلايا الشعر التي تستجيب بشكل أفضل للأصوات عالية التردد. في ما بينهما ، تختلف خلايا الشعر بسلاسة بحيث تستجيب بشكل أفضل لترددات الصوت بينهما. جزء من سبب امتلاك كل خلية شعر & # 8220 أفضل تردد & # 8221 للكشف عنها هو نتيجة لكيفية نقل الجزيئات المشحونة كهربائيًا داخل وخارج الخلية. البروتينات التي ينتجها سيسلو الجينات المساعدة في تلك العملية.

حسنًا ، تظهر الدراسات الحديثة أن سيسلو يستخدم الجين التضفير البديل لخلق 576 بروتين مختلف، لكل منها استجابة كهربائية مختلفة قليلاً. نتيجة لذلك ، عندما درس الباحثون خلايا الشعر على أحد طرفي القوقعة ، وجدوا أحد البروتينات. عندما نظروا إلى خلايا الشعر على الطرف الآخر ، وجدوا بروتينًا آخر. فيما بينهما ، وجدوا 574 بروتينًا آخر ، كان كل منها مثاليًا لإنتاج استجابة قوية لتردد صوتي معين! 1

وبعبارة أخرى ، فإن exons و introns لل سيسلو تم إعداد الجين بحيث يمكن لكل خلية شعر استخدام التضفير البديل لإنتاج بروتين مثالي للترددات التي من المفترض أن تستجيب لها بشدة! التصميم مفصل للغاية بحيث يمكن لكل خلية شعر الاختيار من بينها 576 بروتين مختلف من أجل الحصول على استجابة جيدة. كل هذا هو نتيجة جين واحد!

إذا كنت تعتقد أن & # 8217s مثير للإعجاب ، تمسك بقبعتك! تشير ورقة مختلفة إلى دراسة تتضمن جينًا في ذبابة الفاكهة ذبابة الفاكهة سوداء البطن. هذا الجين يسمى dscam، ينتج بروتينًا يتواجد على سطح خلايا معينة في الجهاز العصبي الذبابة. يوضح المؤلفون أن الإنترونات والإكسونات في الجين تسمح بإنتاج 38.016 بروتين مختلف! هل الجين في الواقع تنتج هذا العدد من البروتينات؟ يمكن للمؤلفين & # 8217t تأكيد ذلك ، لكنهم استنتجوا أن كل خلية تنتج 14-50 mRNAs مختلفة من هذا الجين ، مما يسمح لها بامتلاك 14-50 بروتينًا مختلفًا على سطحها. نظرًا لوجود العديد من المتغيرات المحتملة ، ولأن كل خلية تستخدم العديد منها ، فهناك تريليونات على تريليونات من التركيبات المحتملة المختلفة. نتيجة لذلك ، استنتج المؤلفون: 2

& # 8230 تختلف ذخيرة Dscam لكل خلية عن تلك الخاصة بجيرانها ، مما يوفر آلية محتملة لتوليد هوية خلية فريدة في الجهاز العصبي وفي أي مكان آخر.

بمعنى آخر ، من الممكن جدًا ذلك هذا الجين الوحيد مسموح ل كل خلية لتكون فريدة من بين مئات الملايين من الخلايا الأخرى من نفس النوع بالضبط!

كما أخبرني أستاذ علم الأحياء الذي التقيت به عن هاتين الورقتين ، فكرت في كيفية تمثيل نتائجهما مثالًا آخر على التصميم الرائع الذي تراه في الطبيعة. الحمض النووي مدهش بالفعل ، لكن أعتقد أن أ جين واحد يمكن أن تنتج أكثر من 38000 نوع من البروتينات المختلفة وهذا أمر مذهل حقًا. ومع ذلك ، أشار أستاذ علم الأحياء إلى أمر لم أفكر فيه حتى: الآثار المترتبة على هذه النتائج على عملية مقارنة جينومات نوعين مختلفين.

على سبيل المثال ، لقد كتبت عدة مرات عن الصعوبة التي ينطوي عليها مقارنة الجينوم البشري بجينوم الشمبانزي. اعتمادًا على الدراسة ، وجد علماء الوراثة أن جينوم الشمبانزي يشبه 72-95٪ الجينوم البشري (انظر هنا وهنا لمزيد من المعلومات). لقد أشرت أيضًا إلى أنه نظرًا لأننا نعرف فقط الجينوم البشري بدقة 6 ٪ وجينوم الشمبانزي بدقة 9.5 ٪ ، فليس من الواضح كيف يمكن لأي شخص أن يقول حقًا كيف يتشابه الجينومان. ومع ذلك ، بالنظر إلى ما نعرفه الآن عن التضفير البديل ، فليس من الواضح ما إذا كان من المهم مدى تشابه الجينومين مع بعضهما البعض.

لنقول فقط من أجل الجدل أن الجينوم البشري يشبه 95٪ جينوم الشمبانزي. أنا أشك في ذلك بجدية ، لكنني أعتقد أن & # 8217s هو أعلى مستوى ممكن من التشابه ، بالنظر إلى ما نعرفه عن الجينومين في الوقت الحالي. إذا كان بإمكان العديد من الجينات إنتاج مئات أو آلاف البروتينات المختلفة ، ففي النهاية ، يمكن حتى 95٪ من الجينومات المتشابهة إنتاج مجموعات مختلفة جذريًا من البروتينات ، مما قد ينتج عنه أنواع مختلفة جذريًا. وبالتالي ، نظرًا للتصميم المذهل الذي نراه في الحمض النووي ، فليس من الواضح أن مقارنة الجينومات هي أفضل طريقة للحكم على أوجه التشابه بين كائنين مختلفين.

إذا لم يكن هناك شيء آخر ، فإن هاتين الورقتين تظهران لي أننا لم نتعلم بعد أعماق التصميم الموجود في الحمض النووي. كلما عرفنا المزيد عن خلق الله وخلقه ، كلما شعرت بالرهبة مما فعله!


التطور ليس طريق ذو اتجاهين

في التطور ، يمكن للبروتينات أن تعود إلى المنزل مرة أخرى و mdashat على الأقل ليس من خلال طريقها الأصلي.

يوضح بحث جديد أنه في التطور ، يمكن للبروتينات أن تعود إلى المنزل مرة أخرى و mdashat على الأقل ليس من خلال مسارها الأصلي. ناقش العلماء منذ فترة طويلة ما إذا كان الانتقاء الطبيعي يمكن أن يرتد على نفسه ، مما يسمح للكائن الحي بالعودة إلى شكل أسلافه. الآن ، من خلال تحليل التطور الجزيئي لمستقبل الهرمون الموجود في جميع الفقاريات تقريبًا ومستقبلات الجلوكوكورتيكويد (GR) و [مدش] توصل باحثو معهد هوارد هيوز الطبي إلى أن تطور البروتين لا رجوع فيه.

يقول جوزيف دبليو ثورنتون ، وهو عالم مهني سابق في معهد هوارد هيوز الطبي (HHMI) في جامعة أوريغون ، والذي قاد الدراسة ، إن النتائج تشير إلى أن التطور يعمل بمثابة & ldquoepistatic ratchet & rdquo & mdash ، مما يعني الترقيع الجزيئي الذي يؤدي إلى ميزات جديدة في الكائن الحي يتحول ، مثل كل السقاطة ، في اتجاه واحد فقط.

نشر Thornton وزملاؤه ، Jamie Bridgham من جامعة Oregon و Eric Ortlund من جامعة Emory ، دراستهم في عدد 24 سبتمبر 2009 من المجلة. طبيعة سجية.

يجعلنا الوراثة الوراثية البشرية حساسين بشكل رائع لهرمون الكورتيزول الستيرويدي ، الذي ينظم استجابتنا للإجهاد طويل الأمد ، بما في ذلك التغيرات في التمثيل الغذائي والدفاعات المناعية وحتى جوانب تكوين الذاكرة في الدماغ.

GR هو الجين الشقيق لمستقبل هرموني مشابه جدًا ، مستقبل القشرانيات المعدنية (MR) ، والذي يستجيب للهرمونات المختلفة لتنظيم مستويات الملح في الجسم ، والتحكم في ضغط الدم وصحة القلب والأوعية الدموية. جينات GR و MR هي نسخ مكررة من جين سلفي واحد وجد لآخر مرة منذ أكثر من 450 مليون سنة في فقاريات قديمة. يقول ثورنتون إن البروتين القديم الذي تم ترميزه بواسطة هذا الجين (AncCR ، لمستقبلات الكورتيكويد الأسلاف) كان جزيئًا أقل تمييزًا من البروتين GR الحديث ، ويمكن تنشيطه بواسطة كل من الكورتيزول والقشرانيات المعدنية.

عملنا. . . يعني أن البيولوجيا التي لدينا اليوم هي مجرد واحدة من العديد من اللفات الممكنة للنرد التطوري.

يمكن أن يتحدث Thornton بشكل موثوق عن هذا البروتين القديم لأنه يمتلكه في مختبره ومجمد rsquos. قامت مجموعته البحثية & ldquoresurrected & rdquo إلى تصحيح AncCR من خلال الجمع بين التحليل الحسابي لتسلسل الجينات والطرق البيوكيميائية لتخليق الحمض النووي والتعبير عن البروتينات. أولاً ، حدد ثورنتون تسلسل جين الأسلاف من خلال تحليل تسلسل المستقبلات لمئات من الفقاريات الحديثة باستخدام طريقة المعلوماتية الحيوية تسمى التحليل الجيني لأقصى احتمالية. في طريقه إلى أسفل شجرة عائلة الجين و rsquos ، حدد التغييرات الجينية المميزة حيث تشعبت الأشكال الوسيطة للمستقبل واتبع التسلسل الجيني المحفوظ على الأرجح وصولًا إلى السلف المشترك الأول.

مع وجود تسلسل AncCR المحتمل في متناول اليد ، قام فريق Thornton & rsquos البحثي بتركيب الجين من نقطة الصفر والتعبير عن البروتين القديم في الخلايا المزروعة في المختبر. ثم استخدموا تقنيات متطورة لوصف بنية ووظيفة المستقبل وتفكيكه وإعادة ترتيبه لمعرفة كيف ينثني إلى بروتين وظيفي وما هي الهرمونات التي تنظم نشاطه.

بمجرد أن علم أن سلف GR & rsquos استجاب لمجموعة واسعة من الهرمونات ، أراد Thornton أن يحدد بدقة كيف ومتى تطور البروتين الحديث والحساسية الفريدة للكورتيزول. بتحريك شجرة النشوء والتطور من التكرار الذي أنتج سلالة GR ، أعادت مجموعته إحياء مستقبلات أسلاف إضافية. لقد حددوا آخر واحد يعمل مثل AncCR وأول واحد يعمل مثل الموارد الوراثية الحديثة. يسمي ثورنتون تلك المستقبلات القديمة AncGR1 و AncGR2. كان AncGR1 موجودًا منذ حوالي 450 مليون سنة في أسلاف جميع الفقاريات الفكية. & ldquoThat & rsquos آخر سلف مشترك لك ولسمكة قرش ، & rdquo يقول ثورنتون. يمثل AncGR2 GR بعد حوالي 40 مليون سنة في سلف جميع الفقاريات بالعظام و mdash & ldquothe آخر سلف مشترك لك ولسمك السلمون ، & rdquo يقول.

وجد ثورنتون سقاوته & ldquoepistatic & [رسقوو] في تلك الفجوة البالغة 40 مليون سنة. كانت خطوته الأولى هي تحديد الطفرات التي جعلت AncGR2 يطور وظيفته الجديدة خلال تلك الفترة. وجد أن سبعة تغييرات تاريخية في الأحماض الأمينية ، عند إدخالها في AncGR1 عن طريق هندسة الحمض النووي ، كانت كافية لتلخيص تطور خصوصية الكورتيزول. حددت مجموعته أيضًا الترتيب الذي يجب أن تحدث به الطفرات السبع لجعل المستقبل أكثر حساسية للكورتيزول ، مع الحفاظ على وظيفة الأشكال الوسيطة للمستقبلات.

ولكن عندما بدأت تجارب الفريق و rsquos في العودة إلى الوراء في زمن التطور ، اصطدمت بجدار من الطوب التطوري غير المتوقع. عندما تلاعبت Bridgham ، عالمة الأبحاث في مختبر Thornton & rsquos ، بـ AncGR2 لعكس الطفرات السبعة الرئيسية ، لم تتمكن من إعادة إنشاء مستقبل بوظيفة أكثر عمومية لـ AncGR1. والمثير للدهشة أن حالات الأسلاف في مواقع الطفرات هذه أصبحت قاتلة ، مما أدى إلى إنتاج بروتين غير وظيفي لا يستجيب لأي هرمونات. لم يؤد تغيير ترتيب الطفرات المعكوسة إلى أي مكان ، مما قاد ثورنتون إلى مفهوم السقاطة المعرفية. وأثناء التطور ، تم تدمير الظروف التي سهلت تطور الدول الماضية مع تحقيق حالات جديدة ، وشرح ذلك.

لتحديد سبب عدم رجوع التطور ، نظر ثورنتون إلى الطفرات الأخرى التي حدثت بين AncGR1 و AncGR2. حدد أورتلوند ، مساعده ، الهياكل الذرية للبروتينات التي تم بعثها باستخدام علم البلورات بالأشعة السينية. من خلال مقارنة الهيكلين ، حددت مجموعة Thornton & rsquos خمس طفرات إضافية في AncGR2 والتي من شأنها أن تسبب صدامات بين الذرات ، وتزعزع استقرار البروتين وتجعله غير قادر على العمل بشكل صحيح ، إذا تم إرجاع بقية الهيكل إلى حالته الأصلية. وبالفعل ، بمجرد عودة هذه الطفرات الخمس إلى حالة أجدادها ، يمكن للبروتين بعد ذلك تحمل انعكاس الطفرات الرئيسية السبع ، مما ينتج عنه بروتين مع سلف وحساسية واسعة لـ rsquos. عند إدخال AncGR1 في الاتجاه الأمامي ، لم يكن للطفرات الخمسة & ldquorestrictive & rdquo أي تأثير فعليًا على وظيفة البروتين و rsquos.

استنادًا إلى هذه التجارب ، يبدو أن تطور البروتين لا رجوع فيه ، كما يقول ثورنتون. على الرغم من أنه يجب عكس الطفرات الخمسة المقيدة قبل الطفرات السبعة الرئيسية ، فإن عكس هذه الطفرات الخمس وحدها إما يدمر وظيفة المستقبلات و rsquos أو لا يكون له أي تأثير ، اعتمادًا على الترتيب الذي يتم إدخالها به. وبالتالي ، فإن التطور العكسي يتطلب خمس خطوات أولية على الأقل يكون الانتقاء الطبيعي عاجزًا عن قيادتها. بدلاً من ذلك ، كما يقول ثورنتون ، يجب أن يقود الانتقاء البروتين إلى حالة تكيفية مختلفة عن ماضيه.

بينما يتحرك الكائن الحي للأمام في زمن التطور ويتكيف مع الفرص أو التهديدات الجديدة ، تسبب مجموعة من الطفرات الجينية العشوائية تغييرات طفيفة في هياكل البروتينات. بعض هذه الترتيبات ، مثل تلك التي درسها ثورنتون ، هي & ldquorestrictive & rdquo في إعاقة المسار للعودة إلى الحالات القديمة ، في حين أن البعض الآخر & ldquopermissive & rdquo يفتح مسارات لوظائف جديدة لم يكن من الممكن الوصول إليها سابقًا. العملية تزايدي ، طفرة بعد طفرة ، لكنها تراكمية في ذلك مرة واحدة كائن حي جديد و ldquoworks ، & rdquo يمكن التراجع عن الطفرات المقيدة دون تحطيم السلسلة. يتم حرق الجسر التطوري الذي يعود إلى الحالات السابقة.

يشير ثورنتون إلى أن مزاجه المعرفي يلامس السؤال الذي يدور حوله جدل ساخن حول ما إذا كان التطور مدفوعًا بالصدفة أو التصميم. هذا هو الجد لكل الحجج التطورية و [مدش] كان تطور الانسان العاقل نتيجة حتمية أم حادث سعيد؟

يعتقد ثورنتون أن مفهوم السقاطة المعرفي الذي لاحظه في تطور مستقبلات الجلوكوكورتيكويد يدعم حجة الطوارئ. & ldquo يشير عملنا إلى أن نتائج التطور تعتمد بشكل حاسم على الأحداث ذات الاحتمالية المنخفضة عندما يبدأ المسار التطوري وحيث يحدث أن يتجول على طول الطريق ، & rdquo يقول ثورنتون. & ldquo يعني ذلك أن البيولوجيا التي لدينا اليوم هي مجرد واحدة من العديد من اللفات الممكنة للنرد التطوري. & rdquo


مقدمة في علم البروتينات الجينية: تقدير تعقيد العقيدة المركزية

نموذج مبسط للعقيدة المركزية للبيولوجيا الجزيئية.

ربما تكون العقيدة المركزية للبيولوجيا الجزيئية معروفة لك إذا كنت تقرأ هذه نشر على هذه موقع الكتروني. ولكن بالنسبة لأولئك الذين يحتاجون إلى تنشيط سريع ، فإن الحمض النووي يمثل دليل تعليمات الجسم ، من هذه التعليمات يتم عمل نسخ من الحمض النووي الريبي ، والتي بدورها تُترجم إلى بروتينات. تقوم البروتينات بعد ذلك بمعظم عمل الخلية.

الشيء المضحك في العقيدة المركزية هو أنها ليست تدفقًا واحدًا لواحد. هذا يعني أن الجين المفضل لديك (YFG) لا ينتج بالضرورة واحدًا فقط YFG نسخة RNA ثم بروتين YFG واحد. في الواقع ، يمكن لجين واحد ، من خلال عملية التضفير البديل ، إنتاج العديد من نسخ RNA المتغيرة. يمكن لكل نسخة متغيرة بعد ذلك أن تستمر في إنتاج عدة نسخ من بروتين متغير ناتج يتم تعديله بشكل فريد ، مما يؤدي في النهاية إلى زيادة أسية من رقم الجينات إلى منتج بروتيني.

ومما يزيد الأمور تعقيدًا ، وجود لوائح إضافية على مستوى النسخ بواسطة microRNAs ومنتجات RNA الوظيفية الأخرى ، وعلى المستوى الترجمي ، بما في ذلك بواسطة RNAs الدائرية.

العدد الإجمالي التقديري للبروتينات في البروتين البشري هو أكثر من مليون ، في حين أن العدد الإجمالي للجينات المشفرة للبروتين يقدر بـ 20،000-25،000 وتقديرات الترنسكريبتوم بـ 300،000. باختصار ، فإن العملية من الحمض النووي إلى البروتين ، كما نفهمها الآن ، معقدة حقًا - وهي نقطة قد ينسى الباحثون تقديرها.

تعديلات ما بعد الترجمة: تنظيم مستوى البروتين

علاوة على كل ذلك يؤثر على تخليق البروتين على مستوى الجينوميات ، تخضع البروتينات المترجمة لمجموعة أخرى من اللوائح تسمى تعديلات ما بعد الترجمة (PTMs). تقوم PTMs بتحويل البروتين المتشكل حديثًا إلى كيان ناضج "مزين" بالكامل ، مما يؤدي إلى تغيير وظيفته البيولوجية بشكل كبير استجابة لاحتياجات الخلية. يمكن أن تؤدي هذه البروتينات الناضجة بعد ذلك عددًا لا يحصى من المهام التي تحتاجها الخلية ، مثل التحرك حول الخلية أو تنشيط سلسلة الإشارات.

مع تقديرات أكثر من 200 نوع ، فإن PTM هي الآليات الرئيسية التي تزيد من التنوع البروتيني أعلى بكثير من كل من التنوع الجيني والنسخي.

تستلزم PTMs إضافة مجموعات وظيفية تساهميًا إلى أحماض أمينية معينة أو روابط الببتيد ، أو طي البروتين بمساعدة الإنزيم أو المعالجة التحليلية للبروتين. يتم التوسط في العديد من هذه التعديلات بواسطة الإنزيمات - التي هي في حد ذاتها بروتينات - مثل الكينازات ، والفوسفاتازات ، والناقلات ، والليغازات ، التي تضيف أو تزيل المجموعات الوظيفية ، والبروتينات ، والدهون أو السكريات إلى أو من سلاسل الأحماض الأمينية الجانبية.

تشير الدراسات الحديثة لـ PD-L1 ، وهو بروتين مركزي في قمع المناعة للسرطان ، إلى أن PTMs مثل الارتباط بالجليكوزيل والفسفرة والتواجد في كل مكان والتجمع والأسيتيل تلعب جميعها دورًا مهمًا في تنظيم استقرار البروتين والانتقال وتفاعلات البروتين البروتين. تؤثر أي تغييرات في PTM بشكل مباشر على المقاومة المناعية بوساطة PD-L1.

تعليقات الدكتورة إميلي بوجا ، مديرة برنامج اتحاد تحليل الورم السريري (CPTAC) في مكتب أبحاث البروتينات السريرية للسرطان في المعهد الوطني للسرطان (OCCPR). "لذلك ، فإن فهم جميع جوانب البروتينات وأدوارها الأساسية في تطور أمراض مثل السرطان أمر بالغ الأهمية."

لا يمكن لعلم الجينوم أو البروتينات أن يقف بمفرده في البحث عن أدوية فعالة للسرطان

على الرغم من عمل الباحثين ببسالة لإيجاد أدوية جديدة ضد السرطان ، إلا أن العديد من الأدوية التجريبية تعاني من انخفاض الفعالية. على سبيل المثال ، كان الباحثون يحاولون الاستفادة من حقيقة أن العديد من السرطانات لديها جينومات غير مستقرة بشكل متزايد ، وهي "خاصية تمكينية" تعزز الطفرات التي تحافظ على الورم. لسوء الحظ ، كان للعديد من الأدوية التجريبية التي تستهدف عدم الاستقرار معدلات استجابة منخفضة للمرضى ، ولم تكن فعالة إلا في مجموعة فرعية من السكان.

هناك نوعان من آليات العمل العامة المستخدمة على نطاق واسع والتي تستخدمها الأدوية. لاكتشاف المشكلة من حيث تبدأ ، يمكن للباحثين تطوير الأدوية لاستهداف طفرة معينة في جينوم الورم ، ومنعها من بدء تأثير المصب ، مثل أدوية تداخل الحمض النووي الريبي ، وعقاقير تخطي exon ، والعلاجات الجينية الفيروسية ، و mRNA- الأدوية المعتمدة على الأدوية وعلاجات كريسبر لتعديل الجينوم. يتم تطوير عقاقير أخرى لاستهداف البروتينات - عادة تلك التي تنتج من جين متحور.

لسوء الحظ ، أظهرت كلتا الطريقتين فعالية دوائية معتدلة - فلماذا إذن؟ أحد الاحتمالات هو التعقيد غير المتوقع للعملية من الجين إلى البروتين والتنظيم في كل خطوة. تبين أن العديد من هذه الجينات والبروتينات المستهدفة ليس لها أي تأثير على بقاء الورم ، أو تكون أجزاء من المسارات الزائدة عن الحاجة أو المحيطية التي ليس لها تأثير مباشر على الورم عند استهدافها بمفردها ، أو تؤثر على مسارات غير متوقعة ، أو تواجه تنظيمًا غير متوقع للبروتين يجعله غير فعال .

“The single gene targeting strategy disregards the complexity of cancer,” says Dr. Mehdi Mesri, CPTAC program coordinator and Program Director at OCCPR. “Understanding the biological context of a particular mutation is vital to finding an effective therapy.”

Enter Proteogenomics: A Whole-Picture Approach

Before targeting one end of the central dogma or the other, researchers need a way to take a careful look at everything that happens in between, in order to account for all the genomic variations and proteomic regulation, and how these change from patient-to-patient and cancer-to-cancer. Combining information gathered from genomics with transcriptomics and proteomics, a strategy we refer to as proteogenomics, allows researchers to take a more comprehensive look at each alteration of a tumor, including the identification, localization, and functional analysis of resultant proteins and their relationship to the larger tumor environment.

Proteogenomics works to enhance our understanding of the cancer genome biology by helping prioritize genomic alterations, subtyping tumors with proteomic features, illuminating alterations to PTMs responsible for the dysregulation of cancer signaling networks, and improving the understanding of drug response and resistance to therapies.

NCI’s CPTAC program does just that, gleaning powerful information on cancer development and progression. Through the study of the tumor micro-environment and immune landscape, CPTAC researchers have been able to proteogenomically characterize numerous cancer types using proteomics, phosphoproteomics, methylomics, acetylomics and glycomics analysis in conjunction with the well-established sequencing approaches. Researchers have discovered new tumor subtypes, tumor micro-environment variations and new potential proteins for targeted drug therapy. In our next post we will tell you how this type of research is done!


The Sound of a Silent Mutation

Another dogma in cell biology seems about to be toppled: If a mutation in a gene doesn't change the basic sequence of building blocks, then it has no effect. Chava Kimchi-Sarfaty of the U.S. Food and Drug Administration in Bethesda, Maryland, and colleagues report online this week in علم that such "silent mutations" can, under certain circumstances, determine how well a final protein performs--an "extremely provocative" result, says cell biologist William Skach of Oregon Health & Science University in Portland.

Silent mutations occur when the change of a single DNA nucleotide within a protein-coding portion of a gene does not affect the sequence of amino acids that make up the gene's protein. That's possible because proteins are encoded by "triplets" of nucleotides, each responsible for adding a particular amino acid to the protein chain. A change in one nucleotide, however, doesn't always change the triplet's meaning the mutated triplet may still add the same amino acid. And when the amino acids of a protein stay the same, researchers believed, so do its structure and function.

But every once in a while, data crop up that don't make sense for example, a gene called multidrug resistance-1 (MDR-1) has been found to frequently have a particular silent mutation in human cancer cells. MDR-1 produces P-gp, a protein that pumps chemotherapy drugs out of cancer cells, thus making the drugs useless. Researchers wondered why the silent mutation, called C3435T, showed up much more frequently than expected for a change that doesn't have an effect on the cancer cells' survival.

Kimchi-Sarfaty's team made cell lines that had either the normal MDR-1 gene, a version with the C3435T mutation, versions with either of two other mutations known to occur sometimes along with C3435T (one of them silent as well, the other nonsilent but without an effect on protein function), and versions with various combinations of two or three of the mutations.

They found that the mutations individually appeared to have no effect: The P-gp proteins encoded by each gene variant were just as proficient at pumping drugs out of cells. But cells with the MDR-1 gene containing the C3435T mutation plus one or two of the other two mutations did a much better job of ridding cancer cells of the drugs, allowing the cells to live another day.

How is this possible if the variant P-gp has the same string of amino acids as the normal one? To the researchers' surprise, a biochemical test suggested that the mutant P-gp has a slightly different three-dimensional shape. Perhaps, Kimchi-Sarfaty says, the silent mutations reside in nucleotide triplets that cells don't use very often, which could slow down the cell's proteinmaking machinery. Like designs made with Silly String spraying out at different velocities, the folding of an amino acid chain into a 3D structure is somewhat speed-dependent, and slower production could cause the protein to take an altered final form. The cell might be able to compensate for one silent mutation but not for multiple rarely used triplets.

The idea that silent mutations might have such effects is "an entirely new concept," Skach says. His prediction: More researchers will start listening to what silent mutations have to say.


The Greek gods of fruit flies

In this case, the site of the battle is a small chunk of the genome that contains two genes: Apollo و أرتميس. The genes aren't just close to each other—they're closely related as well. Approximately 200,000 years ago, a single ancestral gene was duplicated to produce these two. Closely related species of ذبابة الفاكهة only have a single copy of this gene.

Apollo clearly has an important function. If you eliminate the gene, survival goes down by about a third in both sexes, and all the surviving males are sterile. Flies seem to tolerate the loss of أرتميس better, but when it's eliminated, all the females end up sterile. All of which suggests that the ancestral gene played a critical role in both sexes' fertility, and the duplication allowed each copy to be specialized for one sex.

But the striking thing is that the specialization is actively harmful to the opposite sex. Males without a working copy of the أرتميس gene—the one needed in females—actually produced 15 percent more offspring. And females with a mutation in أرتميس produced about 20 percent more offspring. The conclusion from this is that when the gene is adapted to perform a function that males need, it actively interferes with female reproduction. The converse is also true.


Can CRISPR Conquer Huntington’s?

I set a high bar for writing about mouse studies. I don&rsquot include them in my textbooks or news articles, and only rarely blog about them. But when experiments in mice shine a glimmer of hope on a horrific illness with a long history of failed treatments, I pay attention. That happened last week for a report on editing out of mice the human version of the mutant هت gene that causes Huntington disease (HD), published in the Journal of Clinical Investigation.

The yellow blobs are inclusions of misfolded Htt protein in this section from an HD brain.

HD affects about 30,000 people in the US, and more than 200,000 family members are &ldquoat-risk,&rdquo possibly having inherited the mutation. The disease arises from a repeat of the DNA triplet CAG beyond the 35 or fewer copies that most of us have, at the start of the gene that encodes the protein huntingtin. CAG specifies the amino acid glutamine, and the extra stretch of it clogs certain neurons in the striatum in the brain, affecting movement, cognition, and behavior.

Symptoms typically begin in adulthood, but 10 percent of cases are juvenile. Karli Mukka developed symptoms at age 5, and died within weeks of her father Karl, she just 14 years old, he 43, in 2010. Karli&rsquos huntingtin gene did a loop-de-loop upon itself, giving her 99 CAG repeats to her father&rsquos 47. DNA Science told her story here.

ONLY ONE TREATMENT, FOR ONE SYMPTOM

An expanding triplet repeat presents a thorny drug-targeting challenge. Countering it isn&rsquot as simple as supplying a missing enzyme, depleting a biochemical buildup, unfolding and refolding an errant protein, or even introducing a functional gene with gene therapy.

Unlike other genes in which mutations remove a normal function, abnormal huntingtin protein confers a &ldquotoxic gain of function.&rdquo Having two mutations is no worse than having just one, which means that lacking the normal (wild type) allele has no effect, at least after birth &ndash that&rsquos important.

The only FDA-approved treatment for HD is tetrabenazine, a repurposed schizophrenia drug used in other nations for decades before its FDA approval to treat the movement (chorea) part of HD in 2008. An altered version (deutetrabenazine) became available in April 2017: &ldquoheavy&rdquo hydrogen atoms (deuterium) keep the drug circulating longer.

Induced pluripotent stem cells from an HD patient were the source of these neurons, derived from neural stem cells implanted in mice. (Ellerby Lab, Buck Institute for Research on Aging)

Researchers have for years thrown every tool imaginable at the formidable expanded هت gene:

&bull Deploying small molecules to target RNA loops or metabolites.
&bull Manipulating growth factor levels.
&bull Implanting stem cells to replace neurons.
&bull Dampening expression of the mutant gene using RNAi or antisense nucleic acids.

New biomarkers, prediction studies, scans, and induced pluripotent stem cells track the onset of the disease, with the hope of eventual early intervention.

I was once a fly-on-the-wall at private meetings of HD researchers, writing reports for a funding organization. I learned a great deal about the mouse models, the treatment modalities, and ways of detecting the disease early and tracking its progression. Progress was slow. That gig ended in 2010 &ndash before the debut of CRISPR/Cas9 gene editing. And now it&rsquos beginning to sound like a whole different ballgame.

CRISPR EDITING OUT MUTANT HTT

The peculiarities of HD make gene editing, which can add, replace, or remove a gene, the most logical therapeutic strategy. HD requires DNA to be jettisoned, not augmented.

While RNAi and antisense oligonucleotides can dampen expression of the extended gene, the effect isn&rsquot permanent in the way that snipping out the repeat or even the entire gene would be. And a one-time or few-times editing out is preferable to a regular need for treatment, especially given the unsettling healthcare situation in the US.

(Ernesto del Aguiila, NHGRI)

Xiao-Jiang Li, MD, PhD, distinguished professor of human genetics at the Emory University School of Medicine, with colleagues there and at the Chinese Academy of Sciences, used CRISPR/Cas9 gene editing on mice that have the first exon (protein-encoding part) from the human هت gene, including 140 CAG repeats &ndash it&rsquos called an HD140Q knockin (&ldquoQ&rdquo stands for polyglutamine). Specks of the toxic protein appear when the mice are 4 to 6 months old, aggregating by 9-10 months. The timetable is like that in people, because mice live about 2 years.

Technical details (jargon alert): CRISPR/Cas9 was delivered to the striata of two dozen 9-month-old mice in two batches of adeno-associated viruses: guide RNAs targeting exon 1 and the Cas9 enzyme that cleaves both DNA strands, removing the gene and triggering repair of the breaks. The guide RNA part included instructions for red fluorescent protein, and both batches were under different promoter (control) sequences, so that the researchers could compare delivery of the dual intervention to either alone. Both are required: find the target and cut it out.

For 3 months the mice were tested on the rotarod, the balance beam, and a device to assess grip strength. Although the sample was small, the findings were clear and compelling.

In the brain parts given both components of the treatment, levels of toxic protein fell, in lockstep with improving performance on the rotating rods, balance beams, and grippers. Weight loss slowed and astrocytes (another type of brain cell) became less reactive. The red marker glowed from the right places &ndash the medium spiny neurons of the striatum &ndash while protein markers for other neurological diseases as well as for cell death (apoptosis) and degrading used parts (autophagy) weren&rsquot altered. The experiment was elegantly controlled.

Because the mice had two هت mutations &ndash unlike patients who typically have one &ndash and removing both copies didn&rsquot do harm, yanking both copies of the gene in people might work. That might mean a one-size-fits-all approach is feasible, rather than tweaking treatment to a specific repeat number. Normal Htt might be required in stem cells, though.

CRISPR/Cas9 gene editing vanquished Htt protein aggregates (left panels). (JCI)

A major concern about CRISPR/Cas9 gene editing is off-target effects. This is relevant to tackling HD because expanded CAG repeats lie behind 7 other neurodegenerative diseases. What would ripping away the CAGs in these genes do? So far, the gene editing was restricted to هت &mdash the researchers sequenced the genomes of the mice to check.

Perhaps most importantly, the treated mice were middle-aged! So older neurons can still throw out their garbage if appropriately stimulated. That may mean, someday, that HD patients flinging themselves helplessly on the floor or bashing their heads might find relief from a possibly one-time treatment that trims the repeats.

Of course it&rsquos a long journey from rodents to patients. But when the only options for families with HD are tetrabenazine to dampen movements and embryo selection to avoid transmitting the mutation, a potential treatment for those in the throes of the illness is good news indeed.

The enormous potential of gene editing to treat intractable diseases is why the anti-CRISPR backlash troubles me. I fear that negative depictions and predictions about the technology could obstruct the quest to develop one-time treatments for genetic diseases with concerns that a lunatic will someday gene-edit an enhanced master race.

I wonder how many of the more than 6.5 million people who have clicked &ldquolike&rdquo to &ldquoGenetic Engineering Will Change Everything Forever &ndash CRISPR&rdquo have read the media reports on the Journal of Clinical Investigation article? People love to exaggerate and panic, to imagine the worst, especially when the details of a new technology are unfamiliar or require a base of scientific knowledge.

Once again, politics can&rsquot be ignored. Gene editing could help to counter the deadly combination of cutting funding of basic biomedical research while threatening to take away healthcare for millions, simultaneously dismantling the pipeline for new treatments while dooming patients. Meanwhile, the mouse experiments provide something priceless to the HD community: hope. Sums up Jane Mervar, who lost her daughter Karli to juvenile HD and is now caring for two other daughters, &ldquoCRISPR is my dream.&rdquo


Designed protein switch allows unprecedented control over living cells

VIDEO: Researchers at the UW Medicine Institute for Protein Design in Seattle explain how they, and researchers at University of California San Francisco, created a synthetic protein switch, LOCKR, from scratch. عرض المزيد

Scientists have created the first completely artificial protein switch that can work inside living cells to modify--or even commandeer--the cell's complex internal circuitry.

The switch is dubbed LOCKR, short for Latching, Orthogonal Cage/Key pRotein.

Companion papers published July 24 in the journal طبيعة سجية describe LOCKR's design and demonstrate several practical applications of the technology. The work was conducted by bioengineering teams led by David Baker at the UW Medicine Institute for Protein Design and Hana El-Samad at UC San Francisco.

The scientists show that LOCKR can be "programmed" to modify gene expression, redirect cellular traffic, degrade specific proteins, and control protein binding interactions. The researchers also use LOCKR to build new biological circuits that behave like autonomous sensors. These circuits detect cues from the cell's internal or external environment and respond by making changes to the cell. This is akin to the way a thermostat senses ambient temperature and directs a heating or cooling system to shut itself off as soon as a desired temperature is reached.

Once assembled by a cell, these new switches measure just eight nanometers on their longest side. More than a hundred million would be needed to cover the period at the end of this sentence.

"The ability to control cells with designer proteins ushers in a new era of biology," said El-Samad, the Kuo Family Professor of Biochemistry and Biophysics at UCSF and co-senior author of the reports. "In the same way that integrated circuits enabled the explosion of the computer chip industry, these versatile and dynamic biological switches could soon unlock precise control over the behavior of living cells and, ultimately, our health."

Having no counterpart in the natural world, LOCKR stands apart from every tool of the biotech trade, including recent technologies like optogenetics and CRISPR. While its predecessors were discovered in nature and then retooled for use in labs, industry, or medicine, LOCKR is among the first biotechnology tools entirely conceived of and built by humans.

The lead authors of the reports are Bobby Langan and Scott Boyken of the UW Medicine Institute for Protein Design, and Andrew Ng of the UC Berkeley-UCSF Graduate Program in Bioengineering.

"Right now, every cell is responding to its environment," said Langan. "Cells receive stimuli, then have to figure out what to do about it. They use natural systems to tune gene expression or degrade proteins, for example."

Langan and his colleagues set out to create a new way to interface with these cellular systems. They used computational protein design to create self-assembling proteins that present bioactive peptides only upon addition of specific molecular "keys."

With a version of LOCKR installed in yeast, the team was able to show that the genetically engineered fungus could be made to degrade a specific cellular protein at a time of the researchers' choosing. By redesigning the switch, they also demonstrated the same effect in lab-grown human cells.

To stay healthy, cells must tightly control their biochemical processes. Abnormal activity in just one gene, or buildup of the wrong protein, can upset a cell's equilibrium. This could lead to cell death or even cancer. LOCKR gives scientists a new way to interact with living cells. It could thereby enable a new wave of therapies for diseases as diverse as cancer, autoimmune disorders and more.

"LOCKR opens a whole new realm of possibility for programming cells," said Ng. "We are now limited more by our imagination and creativity rather than the proteins that nature has evolved."

يوليو طبيعة سجية papers reporting these findings are titled, "De novo design of bioactive protein switches" and "Modular and tunable biological feedback control using a de novo protein switch."

This news release was written by Ian Haydon at the UW Medicine Institute for Protein Design and Jason Alvarez at the news office of UCSF.

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


A Kinder, Greener Planet

We're excited to have progressed from just a crazy idea to making real animal-free dairy you can buy today through our brand partners . Keep an eye out for products made b etter with Perfect Day .

And as it turns out, Perfect Day is only one of a huge number of companies that are using flora to produce products in kinder, greener ways. This means that in the coming years, many people all over the world will be building fermentation tanks and learning how to operate them to make all kinds of things, old and new. It's all part of creating a kinder, greener world — that everyone can enjoy.


شاهد الفيديو: كيفية اختيار البروتين المناسب اليك! (كانون الثاني 2022).