معلومة

الجينات المميتة وعلم الوراثة السكانية


في أوروبا ، يعاني حوالي 1 من كل 2500 شخص من التليف الكيسي ، وهو مرض وراثي محدد وراثيًا. الآباء الأصحاء لديهم طفل يعاني من التليف الكيسي. تتزوج المرأة من رجل سليم. ما هي احتمالية إصابة طفل من هذا الزواج الثاني بالتليف الكيسي؟

محاولتي

http://i.imgur.com/4mhU3Qh.jpg ">


علم الوراثة من التليف الكيسي

ينتج التليف الكيسي عن أليل صبغي جسدي متنحي. لذلك نعلم أن تكرار أليل الزيجوت المتنحي هو $ P_ {aa} = frac {1} {2500} $ ، حيث يشير $ a $ إلى الأليل المتنحي بينما يشير $ A $ إلى الأليل السائد.

حل مشكلة

احتمال إصابة الطفل الثاني (من الزوج الثاني) بالتليف الكيسي هو احتمال أن يكون الزوج الثاني متغاير الزيجوت ($ P_ {aA} $) مضروبًا في احتمال أن ينقل هذا الأب الأليل المتنحي $ a $ ($ frac {1} {2} $) يضاعف احتمال عبور الأم للأليل المتنحي $ a $ ($ frac {1} {2} $ ، لاحظ أننا نعلم أن الأم غير متجانسة الزيجوت لأنها تتمتع بصحة جيدة ولكن لديها طفل بالفعل الذي يعاني من التليف الكيسي).

إذن الإجابة هي $ p_ {Aa} frac {1} {2} frac {1} {2} = p_ {Aa} frac {1} {4} $ ، نحتاج فقط إلى حساب $ p_ {Aa} $. لنفترض أن $ x $ تدل على تكرار الأليل المتنحى $ a $ ، ثم $ P_ {Aa} = 2 x (1-x) $ عند توازن هاردي وينبيرج. كما نعلم $ p_ {aa} = frac {1} {2500} = x ^ 2 $ ، ينتج عن ذلك $ x = sqrt { frac {1} {2500}} = frac {1} {50} = 0.02 دولار. إذن ، $ p_ {Aa} = 2 x (1-x) = 0.0392 $. الإجابة النهائية هي $ p_ {Aa} frac {1} {4} = frac {0.0392} {4} = 0.0098 ≈ frac {1} {100} $.

ما الخطأ الذي فعلته

لقد كنت قريبًا جدًا من الإجابة الصحيحة. لقد قمت في حساباتك بضرب معدل تكرار الأليل المتنحي $ a $ (والذي أسميته $ x $) في $ frac {1} {4} $ ولكن كان يجب عليك ضرب تكرار الأنماط الجينية متغايرة الزيجوت (التي أسميتها $ p_ { Aa} = 2 x (1-x) $) بواسطة $ frac {1} {4} $.


تحديد الجينات القاتلة الجنينية في البشر عن طريق رسم خرائط الزيجوت الذاتي وتسلسل الإكسوم في العائلات الأقارب

تحديد المتغيرات الجينية التي تؤدي إلى أنماط ظاهرية يمكن تمييزها هو جوهر علم الوراثة المندلية. إن النهج الذي يعتبر الموت الجنيني كنمط ظاهري مندلي حسن النية لديه القدرة على الكشف عن أسباب وراثية جديدة ، مما سيعزز فهمنا للتطور البشري المبكر على المستوى الجزيئي. توفر العائلات الأقرباء التي يتم فيها الفصل بين فتك الجنين كنمط ظاهري متنحي مندل فرصة فريدة لاكتشاف الجينات الجديدة عالية الإنتاجية كما تم تحديده للأنماط الظاهرية المتنحية الأخرى بعد الولادة.

نتائج

لقد درسنا 24 عائلة مؤهلة باستخدام رسم خرائط الزيجوت الذاتي وتسلسل كامل الإكسوم. بالإضافة إلى الكشف عن الطفرات في الجينات المرتبطة سابقًا بالفتك الجنيني في الحالات الشديدة ، كشف نهجنا عن سبعة جينات مرشحة جديدة (THSD1, خنزير, UBN1, MYOM1, DNAH14, جالنت 14، و FZD6). طفرة مؤسس في أحد هذه الجينات ، THSD1، التي تم ربطها بنفاذية الأوعية الدموية ، كانت مسؤولة عن فتك الجنين في ثلاث من عائلات الدراسة. على عكس الجينات الستة الأخرى المرشحة ، تمكنا من تحديد طفرة ثانية في THSD1 في عائلة ذات نمط ظاهري أقل حدة يتكون من استسقاء الجنين ووذمة ما بعد الولادة المستمرة ، مما يوفر مزيدًا من الدعم للرابط المقترح بين هذا الجين وفتك الجنين.

الاستنتاجات

تمثل دراستنا خطوة مهمة نحو التحليل المنهجي "للجينات القاتلة الجنينية" في البشر.


تمت إعادة النظر في التركيب الجيني لسكان رالي الطبيعي من ذبابة الفاكهة السوداء.

تمت إعادة تحليل مجموعة Raleigh الطبيعية من ذبابة الفاكهة السوداء مع إيلاء اهتمام خاص للتأثيرات الخاطئة المحتملة أثناء استخراج الكروموسومات. تم استخراج حوالي 600 كروموسوم ثانٍ من مجموعة Raleigh الطبيعية ، ونصفها في السيتوبلازم للإناث البرية (الخلفية الوراثية الأصلية) والنصف الآخر في السيتوبلازم لخط المختبر ، C160 (في (2LR) SM1 ، Cy / In (2LR) وزن الجسم (V1)) (الخلفية الجينية الأجنبية). لم نتمكن من العثور على فروق ذات دلالة إحصائية بين مخططي الاستخراج في تواتر الكروموسومات الثانية القاتلة (Q = 0.252 للخطوط ذات الخلفية الوراثية السلبية مقابل 0.231 للخطوط ذات الخلفية الوراثية الأجنبية) أو في الضار متماثل اللواقح (D) وأحمال مميتة (L) (D = 0.210 مقابل 0.251 لتر = 0.287 مقابل 0.264). تم تقدير الحجم الفعال للسكان بحوالي 19000 ، بناءً على معدل الأليلة للكروموسومات الحاملة للقاتل. انخفض الحمل المتماثل بشكل ملحوظ في 15 عامًا منذ دراسة سابقة لنفس السكان.


المواد والأساليب

الإفراج عن مواقع التربية

جاكوبينا ، في ولاية باهيا ، البرازيل ، هي مدينة متوسطة الحجم

75000 ساكن تقع عند الإحداثيات 11 ° 10′51 ″ جنوباً ، 40 ° 31′04 ″ غرباً (الشكل 1). Jacobina محاطة لعدة كيلومترات في جميع الاتجاهات بواسطة caatinga ، وهي منطقة بيئية بيئية جافة الزهره. مصرية لا يمكن أن تتكاثر ، مما يجعل جاكوبينا جزيرة لهذه البعوضة.

خريطة يعقوبينا. يشار إلى Ovitraps حيث تم جمع العينات بنقاط ملونة ، تم ترميزها حسب الحي. تم إصدار الإصدارات في أحياء Pedra Branca و Catuaba و Inocoop ولكن لم يتم إصدارها أبدًا في منطقة Centro. © المساهمون في OpenStreetMap.

تقع منشأة تربية سلالة الإطلاق في Biofabrica Moscamed Brasil في Juazeiro ، على بعد حوالي 200 كيلومتر شمال Jacobina. تم وصف التربية الجماعية والجنس في هاريس وآخرون. 7. أسبوعيًا ، تم نقل الخادرة الذكور إلى Jacobina واحتُجزت في منشأة محلية لمدة أسبوع واحد للسماح بالكسوف قبل إطلاق سراح ما يقرب من 450 ألف OX513A من الذكور كل أسبوع بدءًا من يونيو 2013 واستمرت حتى سبتمبر 2015 6. تم إصدار الإصدارات في أحياء Pedra Branca و Catuaba و Inocoop ، ولكن لم يتم إصدارها مطلقًا في Centro. تم أخذ عينات من مصائد البيوض أسبوعياً في المناطق الموضحة في الشكل 1. تم فقس البيض وسجلت ترددات يرقات الفلورسنت والنوع البري انظر Garzeira وآخرون. 6 للحصول على تفاصيل نسبة الفلورسنت والنوع البري في كل نقطة زمنية. تم وضع يرقات الطور الرابع من كل نوع

80٪ إيثانول وإحضارها إلى جامعة ييل للتنميط الجيني. يمكن العثور على مزيد من البيانات حول تأثير الإصدارات في Jacobina في Graziera وآخرون. 6 .

التحاليل الجينية

استخدمنا شريحة Affymetrix SNP مطورة خصيصًا للتنميط الجيني 8. تم وضع ما يقرب من 200 نانوغرام من الحمض النووي من البعوض الفردي في 95 بئراً من 96 لوحة بئر ، مع تحكم واحد بالماء المقطر. تم إرسال اللوحات إلى مركز الجينوم الوظيفي في جامعة نورث كارولينا ، تشابل هيل ، من أجل التهجين وإنتاج ملفات البيانات المرسلة إلى جامعة ييل. استخدمنا حزمة R SNPolisher v1.4 (Afffymetrix ، سانتا كلارا ، كاليفورنيا) لإنشاء استدعاءات النمط الجيني ومعالجتها. بينما تحتوي شريحة SNP على مجسات لما يقرب من 27000 من SNPs biallel المصادق عليها جيدًا والتي اجتازت اختبارات الميراث المندلي والتنميط الجيني و gt 98٪ من جميع العينات 8 ، كانت 21770 متعددة الأشكال في عيناتنا من Jacobina وتم التنميط الجيني في & gt98٪ من جميع الأفراد.

قمنا بتكوين عينات وراثية مأخوذة من Centro وعينة مجمعة من Catuaba / Pedra Branca قبل بدء الإطلاق. ثم ، بينما كانت عمليات الإطلاق مستمرة ، أخذنا عينات من جميع الأحياء بعد ستة أشهر و 12 و 27-30 شهرًا من بدء عمليات الإطلاق. كانت العينة الأخيرة في عمر 27-30 شهرًا عبارة عن عينة مجمعة لمدة ثلاثة أشهر تم تضمينها بعد توقف الإصدارات عند 27 شهرًا. توجد أحجام العينات في الجدول 1. باستثناء العينة المجمعة النهائية التي تتراوح مدتها بين 27 و 30 شهرًا ، كانت كل عينة تم تحليلها بعد بدء الإطلاق من مصائد البيض التي تعرضت لأسبوع واحد وأخذت عينات من اليرقات من خمسة مصائد على الأقل في كل حي. ظل موقع المصائد كما هو طوال الدراسة.

لتأكيد أن تحليلاتنا الجينية كانت دقيقة في اكتشاف الهجينة ، قمنا أيضًا بتنميط 57 يرقة فلورية تم جمعها بعد ستة أشهر من الإصدارات التي تمثل F1 النسل بين سلالة الإطلاق والسكان الطبيعيين.

التحليلات

أجرينا ثلاثة أنواع من التحليلات. أولاً ، لتأكيد أن لوحة SNP الخاصة بنا يمكن أن تميز بين سلالة الإصدار OX513A والسكان الطبيعي قبل الإصدار ، أجرينا تحليل المكونات الرئيسية (PCA) باستخدام حزمة R في LEA 9. ثانيًا ، تم تنفيذ حزمة R "المقدمة" 10 لتعيين OX513A و Jacobina قبل الإصدار (أحياء Centro و Catuaba و Pedra Branca) باعتبارهما مجموعتي السكان الأبوين. ثالثًا ، أجرينا تحليل ADMIXTURE كما هو موضح في 11 والشكل 2C. بالنسبة لهذا التحليل ، قمنا بالتصفية لاستبعاد SNPs المرتبطة بإحكام باستخدام خيار –indep لـ PLINK 12 مما أدى إلى لوحة من 14252 SNPs. بعد ذلك ، تم استخدام تحليل ANOVA متبوعًا باختبار TukeyHSD بعد ذلك لاختبار الفروق الإحصائية (مستوى الثقة 0.95) في قيم Q المتوسطة بين السكان والأهم من ذلك بين السكان قبل وبعد الإصدار.

(أ) تحليل المكونات الرئيسية (PCA) على سلالة إطلاق OX513A وثلاثة أحياء Jacobina (Centro و Catuaba / Pedra Branca) قبل بدء الإصدارات. (ب) مؤشر هجين (h-index) كما تم إجراؤه في INTROGRESS 10. يشير مؤشر 1.0 إلى أفراد OX513A "النقي" ، ويشير 0.0 إلى أفراد Jacobina "النقيين" قبل الإصدار. يتم تنظيم الأفراد حسب الحي المشار إليه في أسفل الشكل ، ثم حسب تاريخ التجميع: ما قبل الإصدار ، أو 6 ، أو 12 ، أو 27-30 شهرًا بعد الإصدار. يتم تجميع الهجينة F1 التي تم التحقق منها بواسطة الإسفار وتصنيفها على أنها F1. يمثل الخط الأفقي المتقطع القطع (مؤشر h = 0.02) الحد الأقصى الملحوظ قبل الإصدار. (ج) تحليل ADMIXTURE 11 لجميع الأنماط الجينية الفردية. تمثل نسبة كل لون لكل فرد نسبة أصل ذلك الفرد المنسوبة إلى المجموعة الحمراء (OX513A) أو الزرقاء (Jacobina pre-release).

التهابات الفيروسات

تم عزل سلالة النمط المصلي 2 من فيروس حمى الضنك (DENV-2) التي تم اختبارها خلال وباء في البرازيل في عام 2010 من مريض في سانتوس بالبرازيل. تم وصف السلالة ، المعينة ACS46 13 ، في Cugola وآخرون. 14 وقد تم تقديمه من قبل معهد Evandro Chagas في بيليم ، بارا.

تم وصف إجراءات عدوى البعوض بالتفصيل في Cost-da-Silva وآخرون. 15 . باختصار ، تم تغذية الإناث اللواتي يبلغن من العمر خمسة إلى سبعة أيام بشكل مصطنع باستخدام وحدة تغذية Glytube (22). تم خلط DENV-2 للثقافة الفرعية التاسعة (T9) أو ZIKV BR للثقافة الفرعية الرابعة (T4) مع كريات الدم الحمراء المركزة ومصل الدم المعطل لإطعام الإناث. كانت التركيزات النهائية لـ DENV-2 و ZIKV BR في محلول التغذية 1.7 × 10 10 نسخ جينوم / مل و 2.2 × 10 6 وحدة تشكيل لوحة (pfu) / مل ، على التوالي.

فحوصات الفيروسات

تم فصل الإناث المحتقنة من سلالات ROCK و OX513A و Jacobina عن البعوض غير المحتقن والحفاظ على 10 ٪ سكروز. أربعة عشر يومًا بعد وجبة الدم (14 PBM) ، كانت الإناث عبارة عن ثاني أكسيد الكربون2 تخديرها وحفظها على الجليد. تم فصل أجسام البعوض الفردية عن الرؤوس وتجميدها بشكل منفصل على الفور على الجليد الجاف وتخزينها عند -80 درجة مئوية. تم استخراج إجمالي الحمض النووي الريبي باستخدام QIAamp Viral RNA Mini Kit (Qiagen). تم قياس النسخ الجينية DENV-2 أو ZIKV BR باستخدام طريقة qRT-PCR من خطوة واحدة كما هو موضح في (22). لتوليد منحنى قياسي DENV-2 ، تم تضخيم جزء 119 نقطة أساس من سلالة ACS46 باستخدام بادئات D1-TS2 15 وتم استنساخه في ناقل pCR2.1 (Invitrogen). تم استخدام هذا البلازميد لتقدير عدد نسخ DENV لكل عينة. كانت ظروف جهاز التدوير الحراري لتضخيم DENV-2 48 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة و 95 درجة مئوية لمدة 10 دقائق و 45 دورة من 95 درجة مئوية لمدة 30 ثانية ، و 55 درجة مئوية لمدة 30 ثانية و 60 درجة مئوية لمدة 30 ثانية ، ومنحنى انصهار خطوة 95 درجة مئوية لمدة دقيقة واحدة ، و 60 درجة مئوية لمدة 30 ثانية و 95 درجة مئوية لمدة دقيقة واحدة ، مع ارتفاع درجة الحرارة من 60 درجة مئوية إلى 95 درجة مئوية عند 0.02 درجة مئوية / ثانية.

تم إجراء التحليلات الإحصائية لتقييم الفروق المهمة في المستويات الفيروسية (اختبار Kruskal-Wallis متبوعًا باختبار Dunn للمقارنة المتعددة) أو معدلات الإصابة بالرؤوس أو الأجسام (اختبار فيشر الدقيق) بين سلالات البعوض الثلاثة. تم وصف برنامج وإجراءات إجراء التحليلات مسبقًا 15.


نقاش

العناصر الجينية الطفيلية أو الأنانية لها عوامل جذب واضحة كأدوات محتملة للهندسة الوراثية السكانية والتحكم فيها لأنها قادرة على الانتشار بين السكان حتى لو لم تزيد من لياقة الكائنات الحية التي تحملها - في الواقع ، قد تنتشر حتى لو تسببت في بعض الضرر . علاوة على ذلك ، فإن فهمنا المتزايد باستمرار للأساس الجزيئي للدافع يعني أنه أصبح من الممكن تجميع العناصر الاصطناعية بأنفسنا (Han and Boeke 2004 Adelman وآخرون. 2007 تشين وآخرون. 2007). هذه المقالة عبارة عن تحقيق نظري للظروف التي قد تكون فيها فئة واحدة من العناصر الوراثية الطفيلية ، HEGs ، مفيدة للهندسة الوراثية السكانية وعلى وجه الخصوص لتطبيقات مكافحة ناقلات الأمراض أو الآفات. الهدف من العمل المقدم هنا هو تقديم إرشادات في تصميم منشآت فعالة بأقل احتمال لظهور مقاومة.

يتم النظر في استخدامين مختلفين منطقيًا لـ HEGs. أولاً ، درسنا كيف يمكن استخدام قدرتها الذاتية على التوجيه. يمكن تصميم HEG لاستهداف جين أساسي ، وبالتالي لفرض عبء وراثي على مجموعة سكانية أو في ناقل لضرب الجين الضروري لنقل المرض ولكنه غير ضروري للمضيف. ثانيًا ، نحن نعتبر HEG موضوعًا على كروموسوم Y الذي يتعرف ويقطع موقعًا واحدًا أو أكثر على كروموسوم X. من خلال تقليل المنافسة من الحيوانات المنوية الحاملة لـ X ، ينتشر الكروموسوم Y الدافع ، مما يتسبب في نسبة جنسية متحيزة للذكور يمكن أن تقلل بشدة معدل النمو السكاني.

تُظهر نماذجنا أن HEG الذي يستهدف جينًا أساسيًا يمكن أن يتسبب في انخفاض كبير في لياقة السكان ، في حين أن الجين الذي يستهدف الجين الذي يكون لضربه عواقب طفيفة على لياقة المضيف ينتقل بسرعة إلى التثبيت. تعتمد هذه الاستراتيجيات على كسر الكروموسوم الناتج عن إصلاح HEG عن طريق التحويل الجيني مع الكروموسوم المتماثل كقالب. في نماذجنا ، يتم وصف وتيرة صاروخ موجه بواسطة هذه الآلية بواسطة المعلمة ه يجب أن تكون عادةً على أعلى مستوى ممكن. لكن الإصلاح عن طريق التحويل الجيني ليس هو المسار الوحيد الممكن ، وقد أظهرت التجارب أن تكرار أنواع مختلفة من الإصلاح يمكن أن يعتمد على السياق الجيني. على سبيل المثال ، إذا كان موقع الانقسام محاطًا بالتكرارات المباشرة ، فإن مسار التلدين الأحادي الخيط (SSA) يبدو أنه يسود عادةً ، على الأقل في السلالة الجرثومية للذكور قبل الحيوي. في هذه العملية ، تتم إزالة جميع تسلسلات الحمض النووي بين التكرارات: وبالتالي يتم فقد موقع HEG ولكن من غير المحتمل إعادة تكوين الجين الوظيفي. وبالتالي يقلل SSA من كفاءة التوجيه بدلاً من التسبب في ظهور الأليلات المقاومة. في مجموعة واحدة من التجارب مع ذبابة الفاكهة ، تم استخدام مسار SSA ثلثي الوقت في السلالة الجرثومية للذكور قبل الحيوي مع تحويل يمثل 10-20 ٪ فقط من الإصلاحات (بريستون وآخرون. 2006). في تجارب أخرى ، بدون تكرار مباشر يحيط بموقع الانقسام ، لوحظ إصلاح التحويل بنسبة أكبر من 85٪ من الوقت [باستثناء إصلاح الكروماتيد الشقيق ، الذي يجدد بدقة الموقع المستهدف ، وينتج كروموسوم يمكن قطعه مرة أخرى (رونغ وجوليك) 2003)]. تشير هذه التجارب إلى أنه سيكون من المهم تجنب الأهداف المحاطة بالتكرار المباشر. يمكن أن يكون توقيت تعبير HEG مهمًا أيضًا: إذا كان الانقسام متأخرًا في تكوين الحيوانات المنوية ، فيمكن أن يسود الانضمام إلى النهاية غير المتجانسة (NHEJ) (بريستون وآخرون. 2006). هنا يتم ربط نهايات الكروموسوم مباشرة دون تدخل المتماثل (وكما نوقش أدناه ، مع وجود احتمال كبير لفقدان تسلسل التعرف على HEG) ، مرة أخرى ليست النتيجة المرجوة. قد تكون هناك أيضًا اختلافات في تكرار إصلاح التحويل (ه) ، اعتمادًا على مكان وجود الهدف في الجينوم.

إذا كان الهدف من التدخل هو فرض عبء على السكان ، فإن النماذج تشير إلى أنه من الأفضل استهداف الجين الذي يؤثر على الخصوبة بدلاً من الجدوى وأنه من الأفضل عمومًا أن يكون الهدف متنحيًا (على الرغم من أنه في بعض الحالات يتم الحصول على الحد الأقصى للحمل عندما يتم تقليل ملائمة الزيجوت المتغاير إلى حد ما ، 0 لتر ح & لتر 0.5). في ذبابة الفاكهة ، يُعتقد أن هناك 3000 جينًا ضروريًا للبقاء و 50-100 جين ضروري لخصوبة الإناث ، ومعظمها متنحي (Ashburner وآخرون. 1999 ، 2005). من الممكن أيضًا فرض عبء إذا كان المرء يستهدف خصوبة الذكور. يوجد في ذبابة الفاكهة نوعان من الجينات (اختل و متستر) أنه عند التعطيل يكون له تأثير يضعف نمو الجنين بعد الإخصاب (Ohsako وآخرون. 2003 ويلسون وآخرون. 2006 سميث و واكيموتو 2007). اختل هناك حاجة إلى إزالة تكاثف رأس الحيوانات المنوية الصحيح و متستر مطلوب من أجل الانهيار الصحيح لغشاء البلازما في الحيوانات المنوية. تعتبر متماثلات هذه الجينات في أنواع الآفات وناقلات الأمراض أهدافًا محتملة. من حيث المبدأ ، إذا كان الجين سيؤثر على كل من خصوبة الذكور (بهذه الطريقة) وخصوبة الإناث ، فإن استهدافه قد يكون أكثر فاعلية من القضاء على الجين الأساسي ، ولكن ليس من الواضح ما إذا كانت أي من هذه الجينات موجودة في الحشرات.

قد يكون من الممكن أيضًا استهداف الجينات التي لها عواقب لياقة في جنس واحد فقط أو التي لها ترددات توجيه مختلفة في الجنسين. يعد استهداف الإناث فقط مفيدًا لأن التكاليف الإجمالية المخفضة تسمح لـ HEG بالوصول إلى ترددات توازن أعلى (والانتشار بشكل أسرع) ومن ثم فرض عبء أكبر على السكان. بالنسبة لمعظم ناقلات الأمراض البشرية ، فإن الأنثى هي التي تتطلب وجبة دم قبل وضع البيض وتنقل العامل الممرض ، وهي ميزة أخرى للاستهداف التفضيلي لهذا الجنس.

يمكن استخدام تسلسلات تحكم مختلفة لتحديد التوقيت النسبي لتوجيه صاروخ موجه والتعبير عن الجين المستهدف من قبل HEG. نجد أن التركيبات تكون أكثر تغلغلًا إذا كان تعبير HEG بعد ذلك من الجين المستهدف ، بحيث يكون للزيجوت المتغاير لياقة طبيعية أكثر أو أقل. في كثير من الحالات ، لا يمكن لـ HEGs الانتشار إذا عانى الأفراد الذين يحدثون من عواقب اللياقة البدنية لتحويل الجينات ، وتكون سرعة الانتشار والحمل النهائي لأي HEG له تكلفة لياقة كبيرة أقل إذا حدث صاروخ موجه قبل التعبير عن الهدف الجين.

هناك ظرف واحد قد يكون فيه عدم قدرة HEG المبكر على الانتشار ميزة إيجابية. تم الحصول على مكافحة ناجحة للعديد من الآفات من خلال الإطلاق الجماعي للذكور التي تم تعقيمها باستخدام المواد الكيميائية أو الإشعاع (تقنيات الحشرات العقيمة ، SIT). تطوير هذا هو هندسة قاتلة مهيمنة تعتمد على الحالة والتي يتم تربيتها بشكل جماعي في وجود مثبط اصطناعي يعمل على تعطيل هذا الجين (توماس وآخرون. 2000 أتكينسون وآخرون. 2007 Phuc وآخرون. 2007). إذا تم إطلاقها في البيئة بأعداد كافية ، فإنها تؤدي إلى انهيار السكان عن طريق التنافس مع الذكور من النوع البري على زملائهم الذين يفشلون بعد ذلك في إنجاب ذرية (في غياب المكبح الاصطناعي في الحقل). إذا كان الجين قاتلًا للإناث فقط (Thomas وآخرون. 2000) ، فإن هذا الإطلاق للحشرات باستخدام تقنية مميتة سائدة (RIDL) له ميزة إضافية تتمثل في أن ذرية الحشرات المفرج عنها يمكنها نقل فتك الإناث إلى الجيل التالي. على الرغم من عدم وجود المزيد من الإصدارات تختفي السمة بسرعة ، إلا أن ثباتها المؤقت في البيئة يعد ميزة لـ RIDL على SIT. يمكن دمج HEG الذي لا يمكن أن ينتشر من خلال مجموعة سكانية مع بنية قاتلة تعتمد على الحالة في استراتيجية "RIDL-with-drive" ، والتي ستكون أكثر فعالية من RIDL في حد ذاتها (Thomas وآخرون. 2000) ، ولكن مرة أخرى دون إصرار طويل الأمد.

تُظهر النماذج أنه بالنسبة للمناطق الواسعة من مساحة المعلمة ، التي تتضمن عادةً HEGs مع تكاليف لياقة كبيرة في حالة الزيجوت المتغاير ، فإن مصير البناء يعتمد على تردده الأولي. على الرغم من أن هذه HEGs لا يمكن أن تنتشر من النادر ، إذا تم إطلاقها بأعداد كافية ، فإن البنى ستنتشر إلى التثبيت. إن قدرة العديد من تركيبات HEG على الانتشار من العناصر النادرة ، حتى في ظل وجود تكاليف ، تميزها عن عدد من عناصر القيادة المحتملة - على سبيل المثال ، المدية العناصر ، Wolbachia ، والكروموسومات السائدة - التي تتطلب في وجود التكاليف أن تتجاوز الترددات عتبة قبل حدوث الانتشار (Sinkins and Gould 2006). إذا تم تطوير بناء HEG ثم وجد أنه ينتشر فقط فوق تردد عتبة متواضع ، فقد يظل مفيدًا كآلية دفع. في الوقت الحالي ، لا نرى أي مزايا خاصة لمثل هذه التركيبات ويجب توجيه الجهود لتطوير HEGs التي يمكن أن تنتشر من نادرة.

بالنسبة للأمراض التي تنتقل عن طريق الحشرات ، فإن الإستراتيجية المختلفة التي تنطوي على توجيه صاروخ موجه هي استهداف الجين الذي لا تكلف إعاقته أو تكلفته منخفضة نسبيًا للناقل ولكن هذا ضروري لنجاح انتقال الطفيلي. يرتفع معدل HEGs بسرعة إلى التثبيت في السكان ، والاعتبارات مثل ما إذا كان HEG يعمل قبل أو بعد التعبير الجيني المستهدف لها تأثير ضئيل أو معدوم على ما إذا كان ينتشر. حاليًا ، هناك دراسة مكثفة لمنتجات جينات البعوض التي تتطلبها المتصورة وعوامل الأمراض الأخرى (على سبيل المثال.، Dinglasan وآخرون. 2007 إيكر وآخرون. 2007) وقياسات التكاليف على متجه الضربة القاضية ستكون مثيرة جدًا للاهتمام.

أي استراتيجية تهدف إلى فرض عبء لياقة على السكان تؤدي حتما إلى اختيار قوي للمقاومة. بالنسبة إلى HEGs ، فإن أسهل طريقة لحدوث المقاومة هي ظهور أليل يرمز لجين عامل ولكنه لا يمتلك موقع التعرف على HEG. يمكن أن ينشأ هذا من خلال طفرة النقطة أو ، على الأرجح ، من خلال كسر الكروموسوم الناجم عن HEG الذي لم يتم الانضمام إليه عن طريق الإصلاح المتماثل ولكن عن طريق NHEJ. نوضح هنا أنه إذا كان لدى متحور الهروب لياقة طبيعية ، فسوف ينتشر ويختفي HEG في النهاية. إذا كان لدى HEG تكاليف لياقة منخفضة ، فسيحدث انتشار متحولة الهروب ببطء وقد تستمر الفوائد الكبيرة قصيرة الأجل في إدارة السكان. ولكن بالنسبة إلى HEGs التي يتمثل هدفها الأساسي في فرض حمل ، فإن أي متحولة هروب تنشأ ستدمر بسرعة أي فائدة.

وبالتالي فمن الأهمية بمكان تصميم HEG حيث يعني فقدان موقع التعرف في الجين المستهدف أيضًا فقدان وظيفة الجين. تطورت بعض HEGs التي تستهدف جينات ترميز البروتين "لتجاهل" المواقع الصامتة الثالثة في التسلسل المستهدف ، وذلك لتوسيع نطاق خصوصيتها (Koufopanou وآخرون. 2002 كوروكاوا وآخرون. 2005). إذا كان من الممكن الحفاظ على هذه الميزة في HEGs المصممة هندسيًا ، فيمكن إبطال النوع الأكثر وضوحًا من الطفرات المقاومة. عادةً ما ينطوي فقدان موقع التعرف الذي ينشأ من NHEJ على حذف جزء قصير من الحمض النووي ، وبالتالي فإن هندسة HEG للتعرف على ترميز الحمض النووي لموقع نشط من الإنزيم ، أو الحافز المحفوظ المكافئ ، يجب أن يضمن فقدانه يتسبب في عدم وظيفته. تشمل الاستراتيجيات الإضافية التي يمكن استكشافها استهداف مواقع متعددة داخل نفس الجين في وقت واحد واستهداف جينات متعددة في وقت واحد. على غرار مقاومة الأدوية المتعددة ، قد تؤخر هذه التدابير تطور المقاومة بشكل كبير ، مما قد يتيح وقتًا كافيًا لحدوث الانقراض المحلي.

الطريقة الثانية المتميزة لاستخدام HEG هي تدمير كروموسومات X عند الانقسام الاختزالي للذكور وبالتالي تحيز النسبة بين الجنسين (Burt 2003) ، وهي استراتيجية تم تصميمها رسميًا هنا لأول مرة. هذه الآلية لا تعتمد على التوجيه في حد ذاته ولكن في HEG يوفر ميزة Mendelian إضافية لحامل الكروموسوم Y الخاص به. تُعرف كروموسومات Y التي تحدث بشكل طبيعي من جنسين مهمين طبياً من البعوض ، Aedes و Culex ، وهو أمر مشجع لهذه الاستراتيجية (نيوتن) وآخرون. 1976 سويني وبار 1978 وود ونيوتن 1991 تشا وآخرون. 2006). لا يوجد شيء معروف على المستوى الجزيئي لكيفية عملها ، ولكن الدافع الخلوي يرتبط بانقطاع الكروموسوم X عند الانقسام الاختزالي للذكور (Cazemajor وآخرون. 2000 ويندبيشلر وآخرون. 2007). تعتمد الدرجة التي يفضل بها كسر كروموسوم X كروموسوم Y بشكل حاسم على بيولوجيا الكائن الحي. نوضح أنه إذا كانت هناك تكاليف لتقليل إنتاج الحيوانات المنوية ، أو إذا حدث تزاوج متعدد وكان الإخصاب يانصيبًا ، فقد يتباطأ انتشار Y الحاملة لـ HEG. وبالمثل ، في حالة تلف الكروموسومات X "التخصيب الكاذب" للبيض ، أي إذا تنافست مع الحيوانات المنوية الأخرى وخلقت بيض ملقح تموت بعد ذلك ، فقد يتباطأ انتشار Y الحامل لـ HEG وحتى في الحد الأقصى حتى يتم منعه تمامًا. نحن نفتقر إلى المعلومات حول هذه القضايا للنواقل الرئيسية والآفات والدراسات حول البيولوجيا التناسلية للأنواع المرشحة يجب أن يتم إجراؤها مسبقًا لتقييم النتيجة المحتملة لاعتماد هذا النهج. على سبيل المثال ، إذا أدى تشعيع الحيوانات المنوية (الذي يسبب تكسر الكروموسومات) إلى موت الملقحات وليس الحيوانات المنوية ، كما يحدث في بعض الأنواع ، فإن هذا قد يشير إلى حدوث الإخصاب الكاذب.

إن طافرة الهروب على كروموسوم X الذي يدمر موقع التعرف على HEG ولا يقلل اللياقة البدنية بشكل كبير من شأنه أن يزيد في التردد ويعيد في النهاية نسبة الجنس إلى المساواة. نتوقع أيضًا أن ينتشر طفح مثبط على جسيم ذاتي بطريقة مماثلة ويدمر تحيز نسبة الجنس ، على الرغم من أننا لم نقم بنمذجة هذا السيناريو. مرة أخرى ، كما هو الحال مع HEGs الكلاسيكية ، يمكن تقليل احتمالية حدوث المقاومة عن طريق تصميم HEG لقطع مواقع متعددة على الكروموسوم X. هذا مفيد أيضًا لقطع الترددات (ه) يؤدي أقل من موقع متعدد واحد إلى زيادة تحيز التوازن بين الجنسين. يتم توفير مثال على كيفية تنفيذ ذلك من قبل أنوفيليس غامبيا، أهم ناقل للملاريا في أفريقيا جنوب الصحراء الكبرى. في هذا النوع ، تقتصر تكرارات الحمض النووي الريبي (rDNA) على الكروموسوم X ، ويتعرف نوكلياز I-PpoI الداخلي لقوالب الوحل Physarum على تسلسل داخل الجين ويقطعه (Windbichler وآخرون. 2007). بالنظر إلى وجود & gt100 نسخة من جين rDNA (Collins and Paskewitz 1996) ، سيكون تطور المقاومة حدثًا نادرًا جدًا. لاحظ أنه إذا تم وضع X-shredding HEG على جسيم جسدي ، فإنه لا يزال يعطل X الحيوانات المنوية ولكن لا ينتشر. يمكن استخدام هذه الاستراتيجية في حملة مكافحة الآفات أو ناقلات الأمراض غير الغازية ، على الرغم من أنه قد يكون من الضروري جعل حالة تعبير HEG معتمدة (باستخدام استراتيجية تشبه RIDL) لتمكين التربية الجماعية الفعالة.

الهجينة بين الاستراتيجيتين الرئيسيتين - التوجيه الكلاسيكي والتحيز في نسبة الجنس - يمكن أيضًا ابتكارها. في الآفات الزراعية الرئيسية ، ذبابة البحر (Ceratitis capitata) ، يحتاج الأفراد XX إلى نسخة وظيفية واحدة على الأقل من الجين الصبغي الجسدي ترا (المحولات) أن تكون إناثًا ذات نمط ظاهري (Pane وآخرون. 2005). إذا تم تصميم HEG لإخراج ملف ترا الجين ، سيؤدي ذلك إلى انقراض كروموسوم Y بحيث يصبح جميع الذكور XX ترا - ترا - ونسبة الجنس ستكون (1 - ه) / 2 أين ه هي كفاءة التوجيه (النمذجة التفصيلية غير معروضة).

خلال هذه المقالة ، قمنا بقياس تأثير HEGs المصممة لتقليل كثافة الآفات أو ناقلات الأمراض من خلال ما أطلقنا عليه "حمل HEG" ، وهو الانخفاض في لياقة السكان الناجم عن انخفاض القدرة على البقاء والخصوبة. يمكن قياس تأثير تحيزات نسبة الجنس على لياقة السكان باستخدام نفس المقياس. من الأهمية بمكان التأكيد على أن كيفية ترجمة حمولة HEG إلى تخفيضات حقيقية في عدد السكان يعتمد على الديموغرافيا وديناميكيات السكان الخاصة بالأنواع المعنية وأيضًا السياق الذي يتم فيه السعي إلى إدارة الآفات أو ناقلات الأمراض. على سبيل المثال ، إذا تمت محاولة التحكم في أعداد الأنواع الغازية موسميًا أو نوع ذي ديناميكيات الازدهار والكساد ، فقد يكون القلق الأكثر أهمية هو تقليل معدل النمو السكاني الأقصى. في هذه الظروف ، سيتم تعيين حمل HEG مباشرة إلى الحد من السكان وسيكون وسيلة بسيطة لمقارنة الاستراتيجيات المختلفة. ومع ذلك ، إذا كان السكان يخضعون للوفيات المعتمدة على الكثافة ، فمن الممكن أن يكون هناك حمل كبير من HEG ولكن يجب ملاحظة انخفاضات متواضعة أو حتى لا يتم ملاحظة انخفاض في أعداد الآفات أو ناقلات الأمراض. في هذه الظروف ، توفر مقارنة حمل HEG ترتيبًا لفعالية الاستراتيجيات المختلفة ، وإن لم يكن مقياسًا كميًا. في هذه المقالة ، لم نقم عمداً بتوسيع النماذج التي تم تطويرها هنا بما يتجاوز التردد إلى مجال الكثافة لأننا نعتقد أن التحليلات القائمة على أنظمة معينة وبيولوجيات محددة هي أكثر الوسائل فعالية لاستكشاف هذه المشكلات. نحن ندرك أيضًا أن نماذجنا كانت حتمية بحتة وافترضت أجيالًا منفصلة: ستكون النماذج العشوائية ذات الأجيال المتداخلة ذات قيمة في توفير إرشادات حول أعداد الحشرات الحاملة لـ HEG التي يجب إصدارها في برنامج إدارة فعلي.

الهدف من العمل الموصوف هنا هو في المقام الأول المساعدة في تصميم HEGs التي يمكن استخدامها في إدارة الآفات وناقلات الأمراض ، وخاصة فيما يتعلق بالحشرات. سيعتمد نجاح الإستراتيجية المستندة إلى HEG على (1) اكتشاف مواقع التعرف المناسبة أو الهندسة الناجحة لـ HEGs للتعرف على المواقع الجديدة ، (2) قدرة HEGs على قطع الحشرات واستيطانها ، (3) التصميم من التركيبات واستراتيجيات التنفيذ لتجنب المقاومة أو تأخيرها ، و (4) القبول التنظيمي لاستراتيجية إدارة الآفات أو ناقلات الأمراض التي تنطوي على التلاعب الجيني. لقد ذكرنا أعلاه موقعًا واحدًا مهمًا للتعرف على ناقل الملاريا الذي يمكن قطعه بواسطة HEG الذي يحدث بشكل طبيعي ، بينما كان هناك تقدم كبير مؤخرًا في إعادة هندسة HEGS للتعرف على المواقع الجديدة (Ashworth وآخرون. 2006 أرنولد وآخرون. 2007). يشير العمل الأولي إلى أن HEGs المُدخلة بشكل مصطنع يمكن أن تعمل في خلايا البعوض (Windbichler وآخرون. 2007). لا يزال هناك الكثير الذي يتعين القيام به ، لكننا نعتقد أن مجموعات HEGs تقدم آفاقًا مثيرة لمقاربات جديدة لإدارة الآفات وناقلات الأمراض وأن مراعاة علم الوراثة السكانية الخاصة بهم سيكون مهمًا في توجيه هذا التطور.


& # 8216 Clever Approach & # 8217: العلماء ينشئون كائنات خالية من التعديل الوراثي باستخدام الهندسة الوراثية

عام جديد يعني بدايات جديدة. لكن بالنسبة لسكان فلوريدا كيز ، أرخبيل صغير قبالة ساحل فلوريدا و 8217 ، يبدو أن فجر عام 2021 ينذر برياح شديدة.

في أغسطس 2020 ، وافقت الحكومة المحلية على خطة لإطلاق 750 مليون بعوضة معدلة وراثيًا. خططت شركة بريطانية للتكنولوجيا الحيوية تُدعى Oxitec لتنفيذ هذا الإصدار على مدار عامين. ومع ذلك ، وقع أكثر من 236000 شخص على عريضة ضد هذا القرار لأنهم يخشون الآثار طويلة المدى غير المعروفة لإطلاق البعوض المعدل وراثيًا في البيئة.

جاءت غزوة Oxitec & # 8217s في الولايات المتحدة بعد عقد من التجارب في جزر كايمان والبرازيل. تعرض الشركة على موقعها الإلكتروني منشورات تمتد على مدى عقدين من الزمن.

منحت حكومة فلوريدا Oxitec & # 8216 تصريح الاستخدام التجريبي & # 8217. وبناءً على ذلك ، قامت وكالة حماية البيئة ومراكز السيطرة على الأمراض والوقاية منها في البلاد بتقييم 25 دراسة علمية.

لكن وجود مادة معدلة وراثيًا في هذا البعوض أثبت أنه كافٍ لإثارة مخاوف سكان فلوريدا كيز & # 8217.

أبعد إلى الشمال ، طور باحثون في جامعة مينيسوتا طريقة جديدة لحل هذه المشكلة. استخدموا الهندسة الوراثية لإنشاء كائنات حية غير معدلة وراثيًا للإطلاق.

كان Maciej Maselko زميلًا لما بعد الدكتوراه في الجامعة عندما كان جزءًا من الدراسة. & # 8220 الموافقات التنظيمية البطيئة والمكلفة لإطلاق الحشرات المعدلة وراثيًا & # 8221 ألهم الفريق & # 8217s العمل ، قال علم الأسلاك. “We looked for a way to get the benefits achieved with GM insect release but without needing to release GM insects.”

He conceptualised the experiment with PhD scholar Siba Das and molecular biology professor Michael Smanski. The results were published in November 2020.

In a typical control intervention, researchers release sterile male mosquitoes into the environment. These compete with wild males to mate with wild females. Mosquitoes mate only once in their lifetime. Since mating with sterile mosquitoes produces no offspring, the local mosquito population begins to fall.

The methods to select these male mosquitoes to subsequently release are either labour intensive or need specialised equipment. The colony that scientists rear is also often three times larger than the number of males released. Third, a mosquito lives typically for 8-10 days. So scientists must select the males to release close to the site of intervention.

Genetic modification eases these issues. In Oxitec’s method, males carry a self-limiting gene. When these males mate with an unmodified female in the wild, the resultant offspring inherits the gene. This gene pushes the insect’s protein production machinery to over-produce a particular protein, which then interferes with normal development of the offspring. Eventually, the young mosquito dies before maturing into an adult. In genetic engineering parlance, this genetic pathway is called a lethal circuit.

Maselko’s method took the lethal circuit a few notches up the difficulty graph. By way of demonstration, the team used two strains of the model organism of genetic modification experiments: the fruit fly (ذبابة الفاكهة سوداء البطن). Like humans, fruit flies have two sex chromosomes, X and Y. Females have two X chromosomes and males have one X and one Y.

In Maselko’s method, one strain has a lethal circuit on the X chromosome (X L ) while another has a lethal circuit on the Y chromosome (Y L ). These lethal circuits can be switched on and off as required by modifying the composition of the substance in which the flies are nurtured.

In the first step, the team grew the Y L strain in conditions where the lethal circuit is activated. These mate with wild type females (XX). All males (XY L ) die, leading to female offspring, XX, that don’t have the lethal circuit.

In a separate second step, the team grew the X L strain in conditions where the lethal circuit is activated. Males carrying only one copy of the lethal variant (X L Y) survive, while all females (X L X L ) die.

In the third and final step, the surviving females from the first step (XX) are mated with surviving males (X L Y) from the second step. The team again grew the offspring in conditions where the lethal circuit is activated. This produced only males (XY) that don’t have the lethal circuit.

“Our approach enables a more centralised production approach, where only eggs can be shipped,” Maselko said. “This needs modest facilities to rear, sterilise and release the males.”

Max Scott, a professor of entomology at Genetic Pest Management, North Carolina State University, called the approach “a clever scheme for producing only non-GM males”.

He also said “the Y chromosome has few genes. Finding a location where the lethal circuit works is a real challenge.”

Maselko’s team seems to have addressed this challenge. In the three batches that the researchers raised using this method, 2,932 males were generated, and one female.

Omar Akbari, an associate professor of cell and developmental biology at the University of California, San Diego, echoed Scott’s assessment. He said he would like to see this model work in actual mosquitoes.

In response to Akbari’s point that the resulting males are not sterile, Maselko said the team would “either sterilise them with X-rays or use the Wolbachia infection approach.”

Wolbachia are bacterial species that occur naturally in 60% of insect species – but they don’t occur in الزاعجة المصرية mosquitoes. A 2009 study showed that infecting الزاعجة mosquitoes with Wolbachia reduces the transmission of dengue, Zika and other viruses. Scientists are trialling the technique in many countries, under the World Mosquito Program. At least one scientific paper discussing trial results is expected later this year.

The Minnesota team screened over a thousand fruit flies looking for lethal circuits. They found none. The mathematical possibility of the lethal circuit surviving their experimental process, according to the team’s estimate, is 0.1%.

The Non-GMO Project is a non-profit organisation that verifies the absence of GM material in seeds, retail goods, drugs, livestock feed and supplements. According to its latest standards, its threshold for certification ranges from 0.25%-1.5%.

However, Scott is unsure if this will help people. “Whether a non-GM male derived from two GM strains would be acceptable [to people] is hard to know.”

Phil Taylor, director of the ARC Centre for Fruit Fly Innovation, Australia, said that “from a regulatory perspective, it does test the boundaries a bit – as most novel technologies do.”

Maselko is now a CSIRO Synthetic Biology Future Fellow at Macquarie University in Australia. He wants to conduct larger trials in mosquitoes before scaling up their solution.

Ameya Paleja is a molecular biologist based in Hyderabad. He blogs at Coffee Table Science.


WHAT IS CONSERVATION GENETICS?

Conservation genetics is a mixture of ecology, molecular biology, population genetics, mathematical modeling and evolutionary systematics (the construction of family relationships). It is both a basic and an applied science. Scientists must first understand the genetic relationships of the organisms under study. Once this basic science is understood by scientists, management techniques must then be applied by wildlife managers to preserve biological diversity in these species.

The organisms under investigation are usually endangered or threatened populations. To develop a management strategy, scientists ask: what has brought these populations to the brink of extinction, and what steps can be taken to reverse this trend? Information about the genetic diversity of the animals under study helps scientists and managers in forming strategies to preserve and protect the diversity of plants and animals worldwide.


التباين البيئي

الجينات ليست هي الجهات الوحيدة المشاركة في تحديد التباين السكاني. Phenotypes are also influenced by other factors, such as the environment ([link]). من المرجح أن تكون بشرة مرتادي الشواطئ أغمق من بشرة سكان المدينة ، على سبيل المثال ، بسبب التعرض المنتظم لأشعة الشمس ، وهو عامل بيئي. Some major characteristics, such as sex, are determined by the environment for some species. على سبيل المثال ، لدى بعض السلاحف والزواحف الأخرى تحديد جنس يعتمد على درجة الحرارة (TSD). يعني TSD أن الأفراد يتطورون إلى ذكور إذا تم تحضين بيضهم ضمن نطاق درجة حرارة معينة ، أو إناث عند نطاق درجة حرارة مختلفة.


يمكن أن يؤدي الفصل الجغرافي بين السكان إلى اختلافات في التباين الظاهري بين تلك المجموعات السكانية. Such geographical variation is seen between most populations and can be significant. One type of geographic variation, called a cline , can be seen as populations of a given species vary gradually across an ecological gradient. تميل أنواع الحيوانات ذوات الدم الحار ، على سبيل المثال ، إلى امتلاك أجسام أكبر في المناخات الأكثر برودة بالقرب من قطبي الأرض ، مما يسمح لها بالحفاظ على الحرارة بشكل أفضل. هذا يعتبر خط عرضي. Alternatively, flowering plants tend to bloom at different times depending on where they are along the slope of a mountain, known as an altitudinal cline.

إذا كان هناك تدفق جيني بين السكان ، فمن المحتمل أن يظهر الأفراد اختلافات تدريجية في النمط الظاهري على طول الخط. Restricted gene flow, on the other hand, can lead to abrupt differences, even speciation.


Lethal gene and population genetics - Biology

2. Genetic Drift: The Founder Effect

T he common cocklebur (Xanthium strumarium) has spread across North America with its unique hitchhiking, seed-bearing bur. Different populations of cockleburs throughout its range exhibit morphological variations that some botanists have classified as different varieties. There is some disagreement among botanists as to exactly how many varieties of common cocklebur exist, and precisely where is their native (indigenous) habitat. There are several named varieties listed in botanical literature, including var. canadense and var. glabratum however, some authorities believe Xanthium strumarium is one cosmopolitan species with many highly variable populations around the world. Since cockleburs can colonize new areas quite easily (particularly disturbed areas), they are good examples of the "founder effect." The founder effect is genetic drift that occurs when a small number of individuals, representing a fraction of the gene pool, establish (found) a new colony and only certain alleles (genes) of the original population are passed on to the next generation. The founding colony does not have the genetic variability of the main population, and the frequency of certain traits may increase greatly by genetic drift compared with the much larger ancestral population.

Left: Cocklebur (Xanthium strumarium)
bearing prickly, hitchhiking burs. Right: An
assortment of seed-bearing cockleburs. يحب
Velcro fasteners, the cockleburs attach to
the fur of animals and articles of clothing.

A classic example of the founder effect is the "Dunkers," a politically incorrect name for a German Baptist religious sect that settled in Franklin County, Pennsylvania between 1719 and 1729. Since the original families (who did not marry outside their religious sect) settled in Pennsylvania, there has been a dramatic change in some of their gene frequencies. For example, the frequency of type A blood in the "Dunkers" is now 60 percent, compared to 42 percent for the United States and 45 percent for West Germany. "Dunkers" also have fewer individuals with certain recessive traits, such as hitchhiker's thumb and attached ear lobes, compared with the U.S. population as a whole. The founder effect also explains the high frequency of dwarfism and polydactylism (extra fingers) in the Amish of Lancaster Pennsylvania, a colony begun by a few individuals (at least one of whom carried these traits). There is some evidence that the first humans to reach North America (across the Bering Straits land bridge) brought with them gene frequencies not representative of the Asiatic population they left. The unusual variation in bark, foliage and growth characteristics in isolated groves of cypress (Cupressus species) throughout coastal and mountainous regions of California may also be due (in part) to the founder effect however, some traits, such as glandular (resinous) foliage, are more drought resistant and probably evolved by natural selection in the hot, dry interior regions of the state.

3. Genetic Drift: Population Bottlenecks

G enetic drift can also result in the loss of genes from a population. For example, the B allele was apparently not passed on to subsequent generations of Blackfoot people, because present populations are deficient in genotypes that contain the B allele (BB, BO and AB). When populations become greatly reduced in size, some genes may not be passed on to the next generation. This phenomenon is referred to as a "genetic bottleneck." As a result, genetic variability may be severely reduced in succeeding generations.

E xamples of "genetic bottlenecks" include the elephant seal (mercilessly hunted to near extinction in Baja California) and the endemic Torrey pine ( Pinus torreyana ) of San Diego County. The elephant seal was hunted almost to extinction in the 1800s, and by the end of the 1890s only about 20 survived. Because elephant seals breed harem-style, with a single male mating with a harem of females, one male may have fathered all the offspring at the extreme bottleneck point. The population today has expanded to about 30,000, but biochemical analysis shows that all of the elephant seals are almost genetically identical. The Torrey pine has also reached a genetic bottleneck in the small grove of trees that survives to this day at Torrey Pines State Park. Protein analysis of the pines shows practically no variability between individual trees. This lack of variability could seriously threaten their survival if the climate changes significantly. The population may not contain the genetic variability (gene pool) to adapt to a significant environmental change.

Simplified diagram of a genetic bottleneck. If the population of heterogeneous red and blue genetic members is reduced to a small number of individuals, the gene pool is greatly reduced. In this diagram, only a few red individuals survive the bottleneck. The few surviving red members pass their genes on to the new generation however, this new homogeneous red population has a drastically reduced genotypic and phenotypic variability because they are all descendents of the few red individuals that survived the bottleneck. The northern elephant seal and Torrey pine have passed through genetic bottlenecks in the recent past, resulting in an almost total loss of genetic variability. As a result, the ability of these populations to adapt to changing environments may be very limited. This diagram could also be explained with an original population composed of red and blue alleles. When the population reached a very low level or bottleneck, only the red allele was passed on and the blue allele was lost. This simple analogy might help to explain how the B allele was lost from the indigenous Blackfoot people of North America.

4. Demonstration Of Genetic Drift

For a simplified demonstration of genetic drift, place 24 red beads and 24 white beads into an empty container. Make 24 random matings from this container of 24 red beads and 24 white beads. Assume that red (R) is dominant over white (r). Shake the container several times to make sure the beads are thoroughly mixed. Each random mating consists of reaching into the container and drawing out two beads. Each pair of beads essentially represents a pair of red or white genes carried by a pair of sex cells (egg and sperm). In order that you don't discriminate on the basis of color, make each draw without looking at the beads. When you draw two beads record your result in Table 3 below. If you get two red beads, place a tabulation mark under RR. If you get a red and a white bead, place a tabulation mark under Rr. If you get two white beads, place a tabulation mark under rr. Make a total of 24 draws, always replacing the beads back into the original container before the next draw. [Note: This exercise works best if the total number of beads in your container is exactly twice the number of draws (e.g. 48 beads for 24 draws, 60 beads for 30 draws, or 80 beads for 40 draws). Also use an even number of beads, such as 48, 60 or 80. The Biology 100 Laboratory Manual says to use 50 beads, but use 48 instead (24 red and 24 white).

Although this is a population problem involving a cross between the males and females of an entire population, the mathematical result comes out the same as a monohybrid cross involving one pair of heterozygous genes from each parent (Rr x Rr). In this type of cross we would expect to have the following genotype percentages in the offspring: 25% RR, 50% Rr and 25% rr. Since red (R) is dominant over white (r), 75% of the population will be red and 25% will be white. This cross is shown in the following Table 2:


Real-World Applications of Molecular Genetics

Recent advances in molecular biology allow us to develop and apply the tools and concepts of molecular genetics to the conservation of biological resources. Working with our partners, we design and implement studies that provide genetic and genomic information for a broad range of applications, as detailed below.

Real-World Applications

Recent advances in molecular biology allow us to develop and apply the tools and concepts of molecular genetics to the conservation of biological resources. Working with our partners, we design and implement studies that provide genetic and genomic information for a broad range of applications, as detailed below.

Population structure – We can quantify genetic differences between populations and, consequently, the level of gene flow and movement among populations throughout a species' range.

Population health and history – Current genetic diversity and historical population bottlenecks can be assessed through the analysis of genetic and genomic data.

Assess taxonomic uncertainty – Information on genetic distinctiveness, along with other lines of evidence such as morphological and behavioral characteristics, can be used to identify and potentially redefine the existing taxonomic classification of a given species or subspecies. Such delineations are highly relevant for species status determinations (endangered, threatened, or at-risk).

Assess adaptive potential – With advancing genomic technology, it is now possible to locate and assess genes that may contribute to a species' ability to respond to environmental change (for example, climate change).

Landscape genetics – Genetic data can be used in conjunction with environmental data (for example, habitat, elevation, roads) to identify landscape features that function as barriers to movement for species.

Assess family relations/mating systems – Mating systems and parentage can be inferred through “genetic fingerprinting” of family members.

Population modeling – Models can make use of genetic data to predict potential impacts of different management scenarios (for example, fertility control) on the genetic diversity of managed populations.

Estimate population size and survival rates – DNA from non-invasively sampled individuals (using feathers, feces, or hair, for example) can be used as a molecular tag and analyzed with traditional mark-recapture techniques to estimate population size and survival rates.

Species identification – Molecular genetic tests can be used to identify the species and sometimes even the population of origin from a sample (feather, tissue, feces, hair) of unknown origin.

Tracking migratory animals – Genetic differences between breeding populations may be used as a basis for assigning migratory animals (like birds, fish, and sea turtles) to a particular breeding population, even if animals are captured on migration or at another location far away from their breeding area.

Gender identification – The gender of an individual can be determined by isolating and analyzing molecular markers on the sex chromosomes sometimes this is necessary when morphological or behavioral characteristics between males and females are indistinguishable.

Species detection – The presence of difficult-to-observe species can be inferred in an area by screening DNA in environmental samples (eDNA), like water and soil, for species-specific genetic markers.

Dietary analysis – Feces or stomach contents can be screened to figure out what a particular animal has been eating.


شاهد الفيديو: Genetic Algorithm - Artificial intelligence الخوارزميات الجينية (كانون الثاني 2022).