Informatie

Hoe weet je door alleen naar een foto zonder label te kijken dat het een eiwit is?


Ik leer over eiwitten en moet dit concept begrijpen. Wat maakt deze kleurrijke bal van kronkels herkenbaar? Waarom is het een eiwit en geen ander biomolecuul (zoals DNA bijvoorbeeld)? Wat laten de kleuren zien? Wat zijn de variaties in de vorm van de afbeelding?

In wezen is de vraag: Wat probeert deze afbeelding me te vertellen over dit eiwit?


Vormen

Dit is een gebruikelijke manier om een ​​eiwit te illustreren en wordt vaak een "eiwitcartoon" genoemd. Er zijn andere veel voorkomende manieren om eiwitten te illustreren.

Deze cartoon laat zien waar α-helices zijn (spiralen) en waar β-platen zijn (pijlen), wat belangrijke structurele elementen zijn. De snaren die deze structurele elementen verbinden zijn flexibele "lus"-gebieden.

Als je dit wilt vergelijken met andere structuren en wilt zien welk eiwit het is, kijk dan eens naar PhyreStorm. U hebt het PDB-bestand nodig, niet alleen een afbeelding.

Kleur

De kleuring is ook gebruikelijk. De N-terminus (het eerste aminozuur) is blauw gekleurd, en de kleuren gaan door de regenboog naar rood, de C-terminus (het laatste aminozuur in de polypeptideketen).


Hoewel deze vraag is beantwoord (en het antwoord is geaccepteerd), wil ik iets toevoegen met betrekking tot wetenschappelijke taal en conventie.

Taal in het algemeen is een communicatiemiddel waarmee mensen ideeën kunnen delen die ze in hun hoofd hebben. Wetenschappelijke taal wordt gebruikt voor het delen van wetenschappelijke kennis tussen mensen, en naast verbale en schriftelijke communicatie, gebruikt het ook tekeningen allerlei soorten om complexe ideeën die meestal onzichtbaar zijn voor het blote oog beter te illustreren (of we het nu hebben over moleculen in de chemie, biologische microsystemen in de biologie, krachten in de natuurkunde, enz.).

De afbeelding in kwestie vertegenwoordigt de conventionele manier van het uitbeelden van een eiwitstructuur, en deze algemeen aanvaarde conventie wordt gekenmerkt door bepaalde kleuren en vormen, zoals vermeld in het bovenstaande antwoord. Ik kan me voorstellen dat iedereen die dit soort weergave voor het eerst ziet, niet meteen zou weten dat dit een computerweergave van een eiwit is, omdat niemand weet hoe een enkel eiwit eruitziet voordat hij er daadwerkelijk over heeft gestudeerd. Maar als je eenmaal te horen krijgt dat het een weergave is van een eiwit, accepteer je het en "label" het in je hoofd, zodat je de volgende keer dat je het ziet, je al weet dat dit is hoe een eiwit eruit zou moeten zien.

En hoe meer je het bestudeert, hoe natuurlijker deze taal voor je wordt.


3,8 miljoen jaar oud eiwit

Wat als we bij het analyseren van menselijke resten naar de genetica zelf zouden kunnen kijken? Dat is misschien wel mogelijk omdat Matthew Collins en zijn team hebben ontdekt dat overblijfselen van de oorspronkelijke weefsels nog miljoenen jaren in een fossiel kunnen blijven, gestabiliseerd door hun omgeving, zoals hij aan Chris Smith uitlegde.

Matthew - Voor mij zijn dat de echt opwindende nieuwe bevindingen die in feite in een zeer korte tijd naar voren zijn gekomen. Het is pas echt in het laatste decennium dat we in staat zijn geweest om systematisch moleculaire gegevens van deze fossielen te herstellen.

Chris - Met moleculaire gegevens, leg eens uit wat je daarmee bedoelt?

Matthew - Nou, ik denk dat we allemaal bekend zijn met het idee van DNA. We zijn allemaal gemaakt van ons DNA en de ontdekking werd meer als 20 jaar geleden gedaan nu er wat DNA in sommige fossielen overleeft. Ze waren relatief jong, dus dat was van de nieuwste Neanderthalers en er waren korte, korte fragmenten over.

Maar dan hebben echt dramatische veranderingen in de technologie zoveel ontwikkeld dat we veel gedetailleerdere genetische informatie kunnen gaan verzamelen. Dus we hebben nu volledige genomen van Neanderthalers en Denisovans, en wat echt opmerkelijk is aan het Denisovan-genoom is dat het afkomstig is van bijna een vingernagelbot en een tand. Dus kleine hoeveelheden materiaal geven deze prachtige rijke moleculaire gegevens vrij.

Het probleem daarmee is dat het DNA-record niet zo ver terug in de tijd gaat. We hebben het dus al gehad over de lange evolutie van 6 miljoen jaar. Helaas lijkt het DNA-record binnen ongeveer vierhonderdduizend jaar weg te vallen. Dus je hebt de neanderthalers, je hebt de modernen, maar je gaat niet verder terug.

Matthew - Nou, het probleem met DNA is dat het een erg kwetsbaar molecuul is. Niet zo fragiel omdat het vrij lang overleeft, maar het is een vrij complexe molecule en sommige van de bindingen die DNA creëren zijn relatief hoge energiebindingen die vrij gemakkelijk te verbreken zijn. Dus wat we hebben geprobeerd te doen, is kijken naar andere moleculaire sequenties. DNA maakt iets dat eiwitten wordt genoemd. Als je om je heen kijkt, je haar, je huid, dat zijn allemaal eiwitten. Dus wat we hebben geprobeerd te doen, is informatie, sequentiegegevens, uit de eiwitten halen.

Chris - Dus om dit even samen te vatten. DNA is een receptenboek in een cel. Dat recept vertelt cellen hoe ze eiwitten moeten maken, dus als je weet welke eiwitten een cel aanmaakt, kun je uitzoeken welke genen het gemaakt moeten hebben. En je zegt omdat DNA dunner is dan eiwitten, in plaats van alleen maar te zoeken naar DNA, waar we maar ongeveer een half miljoen jaar mee kunnen gaan, als we op zoek gaan naar de eiwitten, kunnen we in feite veel teruggaan verder?

Matthew - Ja, en een half miljoen jaar is voorzichtigheid, omdat het meeste DNA-werk dat is gedaan op erg koude plaatsen is gedaan, en dat is niet waar mensen zijn geëvolueerd.

Chris - Vertel ons eens, waar heb je gewerkt en geprobeerd om dit na te streven?

Matthew - Dus waar we zijn, zijn de klassieke hominidensites, maar we zijn zelf niet op zoek geweest naar hominiden. We zijn naar de eenvoudige struisvogel-eierschaal gegaan. En de reden daarvoor is dat er veel van zijn, dus voor het ontwikkelen van nieuwe technieken is het relatief eenvoudig om aan het materiaal te komen. Omdat deze sites zo goed bestudeerd zijn, hebben we een zeer goede datingcontrole op die sites en zijn de eierschalen vrij groot. Ze hebben eiwitten in zich en we hebben protocollen ontwikkeld om die eiwitten eruit te krijgen.

Chris - Je bent op plaatsen geweest waar mensen zoals Lee de overblijfselen van onze menselijke familieleden opgraven en ze dateren heel zorgvuldig. Dus als je daar een stuk struisvogelei vindt in dezelfde soort context als Lee's dingen opgraaft waarmee hij is gedateerd binnen een centimeter van zijn leven, zou je er redelijk zeker van kunnen zijn dat jouw stuk struisvogelei die datum is?

Mattheus - Dat klopt. De enige plaatsen waar mensen om geven zijn tot op heden dat soort materiaal waar hominiden worden gevonden en we zijn naar enkele klassieke hominidensites gegaan.

Chris - En hoe oud zijn deze stukjes struisvogelei waar je naar kijkt?

Matthew - Wel, we zijn opzettelijk steeds verder terug in de tijd gegaan omdat we niet wisten op welk punt de reeksen zouden opraken. En dat was de grote verrassing, zoals ik al zei, ze gingen terug, en terug, en terug, en terug en in feite hebben we nog steeds sequenties in het oudste ding dat we tot nu toe hebben geanalyseerd.

Matthew - 3,8 miljoen jaar.

Chris - Dus je hebt een stukje struisvogelei van 3,8 miljoen jaar geleden?

Chris - En je kunt de eiwitten eruit halen?

Matthew - En we kunnen gedeeltelijke eiwitsequenties krijgen. We krijgen niet het volledige proteoom van de struisvogel, we krijgen gedeeltelijke eiwitsequenties.

Chris - Dus, om dit in perspectief te plaatsen, toen die struisvogel dat ei drie komma acht miljoen jaar geleden legde, is er materiaal dat het in het ei heeft afgezet er nog steeds en kun je het eruit halen?

Matthew - Het is DNA dat het vertelde om eiwitten te maken, het maakte de eiwitten, de eiwitten maakten de eierschaal en een deel van die sequentie is er nog steeds. Ik bedoel, het is echt opmerkelijk, echt opmerkelijk.

Chris - En je kunt het eruit halen, en kun je de aminozuurbouwstenen lezen waaruit het eiwit bestaat, zodat je de genetische code kunt achterhalen van de struisvogel die het ei heeft gelegd?

Mattheus - Ja. We kunnen er maar een deel van lezen omdat niet al het eiwit overleeft en dat is een van de dingen die we hebben geprobeerd te begrijpen welke delen overleven en welke niet. Maar absoluut, we kunnen de reeks lezen en dan kunnen we de reeks vergelijken met de moderne struisvogel.

Chris - So Lee - zijn de materialen die je haalt uit sites in Zuid-Afrika van voldoende hoge kwaliteit wat betreft hun bewaring dat je bijvoorbeeld een gesprek met Matthew zou kunnen hebben en mogelijk zijn technieken zou kunnen toepassen omdat de overlap in de tijd met je materiaal?

Lee - Wel, dat gesprek hebben we vanmiddag al gehad.

Lee - Ik bedoel, het is nogal opmerkelijk om dit in Cambridge te doen. Ik was gisteravond in de Eagle pub en daar begon dit eigenlijk allemaal. Je kent het idee dat we nu combineren wat we dachten dat afzonderlijke stromen waren die elkaar nooit zouden bereiken. DNA was als een spoorlijn die langs een rivier liep, waar het fossielenbestand van de mensachtigen was en het eiwit aan de andere kant. Dat we nu deze ongelooflijke vooruitgang zien die ervoor zorgt dat alle drie deze kritische wetenschappen, die elkaar nodig hebben, een beeld vormen van de complexiteit van waar struisvogels vandaan komen, maar ook waar onze afstamming vandaan komt en wat het deed een keer.

Chris - De manier waarop ik hier achter kwam, is dat als Matthew op zijn minst de gedeeltelijke genetische code van een struisvogel kan achterhalen, we dezelfde stunt kunnen uithalen voor homo naledi, een van de soorten die je hebt ontdekt? Heeft u het materiaal dat hiervoor geschikt zou kunnen zijn?

Lee - Ik kan je vertellen dat we het zullen proberen. Ik bedoel, ik denk dat we ons allemaal zorgen maken over de vernietiging van relatief kostbaar materiaal, vooral in de vroege stadia van dit soort staten. Maar het fantastische punt is dat terwijl we mensen steeds verder gaan pushen door te zeggen "nee, dat kan niet totdat je de techniek op kleinere hoeveelheden krijgt." Maar het zal gebeuren en we gaan buitengewone dingen leren die ik zou voorspellen.

Chris - Hoeveel spullen heb je nodig Matthew om dit te doen?

Matthew - Nou, ik bedoel, Lee heeft helemaal gelijk, we zouden geen monsters moeten vernietigen voordat we precies weten wat we doen. We werken momenteel met vrij kleine monsters van struisvogel-eierschalen, aanzienlijk minder dan een theelepel zout, maar toch denk ik dat we beter kunnen worden. En wat we willen proberen en doen, is zoveel mogelijk informatie uit deze monsters halen. We zijn nog in de ontwikkelingsfase van de technieken voordat we aan deze echt waardevolle fossielen werken.

Chris - En wat is er de afgelopen jaren veranderd dat betekent dat je dit nu kunt doen waar je voorheen niet kon - hoe doe je dat?

Matthew - We hebben in zekere zin op de rug van de medische technologie gereden. Mensen, toen ze het genoom hadden gesequenced, raakten ze geïnteresseerd in wat het DNA aan het doen was, dus op zoek naar de eiwitten, en dus heeft de medische wereld snellere en gevoeligere instrumenten ontwikkeld. En wat voor ons opmerkelijk was, was dat het niet mogelijk was met de instrumenten van de laatste generatie, het is pas de laatste paar jaar dat de machines goed genoeg zijn om deze kleine hoeveelheden eiwitten te detecteren, en ook om de schade aan de eiwitten in kaart te brengen dus we kunnen het echt zien en oud zijn uit een modern voorbeeld.


Lezing 6: Nucleïnezuren

In deze laatste lezing van de afdeling Biochemie behandelt professor Imperiali nucleotiden en nucleïnezuren en bespreekt hun structuren en hun belang als fundamentele eenheden voor informatieopslag en informatieoverdracht.

Instructeur: Barbara Imperiali

Lezing 1: Welkom Introdu.

College 2: Chemische binding.

College 3: Structuren van Am.

Lezing 4: Enzymen en Meta.

College 5: Koolhydraten an.

Lezing 9: Chromatine Remode.

Lezing 11: Cellen, The Simpl.

College 16: Recombinant DNA.

Lezing 17: Genomen en DNA.

Lezing 18: SNP's en Human .

College 19: Cell Traffickin.

College 20: Celsignalering .

College 21: Celsignalering .

Lezing 22: Neuronen, actie.

College 23: Celcyclus en .

Lezing 24: Stamcellen, Apo.

Lezing 27: Visualiseren van Lif.

Lezing 28: Visualiseren van Lif.

Lezing 29: Cell Imaging Te.

Lezing 32: Infectieziekte.

College 33: Bacteriën en An.

College 34: Virussen en mieren.

College 35: Reproductieve Cl.

BARBARA IMPERIALI: Dus we gaan verder. College 6 is het laatste van de colleges over biochemie. We gaan het hebben over nucleotiden en nucleïnezuren. En u zult deze termen zo begrijpen. Ik zal ze voor je verduidelijken.

Maar dit is een geweldige opstap naar het volgende deel van de klas. Daarom laat ik je hier een paar afbeeldingen zien. Ik ga je er een paar opnieuw laten zien op het moment dat we het hebben over het begrijpen van de niet-covalente structuur van DNA, die zo cruciaal is voor het begrijpen van informatieopslag en informatieoverdracht.

Maar laten we voor nu even snel vooruitkijken. Na dit gedeelte ga ik de moleculaire biologie behandelen, dus hoe je van DNA naar RNA naar eiwit gaat. En dan zal professor Martin het overnemen met de basisstructuren en functies van cellen en dan de genetica.

Maar voor dit alles hebben we nucleïnezuren nodig. En ik zal je hier uitleggen waarom. Dus nucleïnezuren vormen fundamentele eenheden voor informatieopslag, opslag. En dat is het DNA dat zich in onze kern en in onze mitochondriën bevindt, en dan informatieoverdracht.

En als ik aan het eind wat tijd heb, heb ik drie of vier snelle dia's die je niet bij je hand-out hebt, omdat het een soort zwevend onderwerp is over het gebruik van DNA en op DNA gebaseerd computergebruik, omdat het een structuur op nanoschaal die men kan programmeren om verschillende dingen te doen. En ik denk dat je daar wel van kunt genieten.

Dus in deze afbeelding van de componenten en wat bekend staat als het centrale dogma, is dat hoe DNA wordt omgezet in boodschapper-RNA, dat we met behulp van transfer-RNA en ribosomaal RNA eiwitten krijgen. De belangrijkste elementen op deze dia zijn DNA, boodschapper-RNA, ribosomaal RNA en transfer-RNA. En die bestaan ​​allemaal uit nucleotiden die worden samengebracht in polymeren die nucleïnezuren zijn. Het is dus duidelijk dat we de structuren hiervan echt moeten kraken en begrijpen hoe de structuur de functie informeert.

Vergeet niet dat we dat deden voor eiwitten. Dat hebben we gedaan voor fosfolipiden. Voor koolhydraten hebben we er heel kort over nagedacht. Maar wat ik echt wil benadrukken met de vierde van deze macromoleculen, is kijken naar hoe de laatste component van de structuur van de biomolecule echt de functie bepaalt. En het is echt gaaf om na te denken over hoe het moet.

Dus hoe is die chemische moleculaire structuur iets dat we kunnen begrijpen vanuit het perspectief van functie? Dus wat we eerst moeten doen, is nadenken over wat nucleotiden zijn en hun structuur begrijpen, zodat we verder kunnen gaan om te begrijpen hoe ze samenkomen om deze macromoleculen te bouwen. Ze zijn zo cruciaal en essentieel in het leven voor het programmeren van de biosynthese van onze eiwitten.

En nu begrijpen we niet alleen dat, maar ook hoe RNA, niet DNA, betrokken is bij een groot aantal regulerende processen. Het is dus niet alleen DNA, dubbelstrengs DNA gaat naar een boodschapper, enzovoort. Er vindt ook veel regulering plaats vanwege veel van de andere nucleïnezuren die zich in de cel bevinden.

Dus ik ga hierheen omdat ik de samengestelde componenten van nucleotiden wil beschrijven, zodat we hun structuur en hun eigenschappen begrijpen. Dus wat zijn nucleotiden? En je kijkt naar deze structuren op het bord. Ze zien er nogal ingewikkeld uit. Dus laat me ze voor je deconstrueren. Het zal het leven een stuk makkelijker maken.

Het zijn dus twee bekende bouwstenen en een nieuwe. De bekende bouwstenen zijn dus in de eerste plaats koolhydraten. Dus het belangrijkste koolhydraat in nucleïnezuur is een vijf-koolstof pentosesuiker, die er zo uitziet. Je kunt de koolstoffen tellen, 1, 2, 4, 5 en 5. En je kunt jezelf geruststellen dat alles er is met betrekking tot de koolstoffen door deze lijn-hoektekening te vertalen naar een tekening waar je alle waterstofatomen op zet en je weet waar alles is.

Er zijn twee soorten vijf-koolstofpentoses die in het nucleïnezuur worden gebruikt. Het zijn ribose, dat hier wordt weergegeven met alle OH's op al die koolstofatomen, en twee deoxyribose, wat een bouwsteen van DNA is, terwijl ribose een bouwsteen van RNA is. Wat moet ik je nog meer vertellen?

Dit zie je later. Die ribosesuiker wordt uiteindelijk verbonden met wat bekend staat als nucleobasen. Je hoeft die niet per se te tekenen, want je hebt ze op je uitreikblad om schetsen op te zetten. Dus ik heb ze op het bord gezet, zodat ik hier niet hoef te staan ​​om ze voor je te tekenen. En ik wil bepaalde dingen uitleggen.

Dus de nucleobasen in het nummeringssysteem -- en ik blijf dit herhalen zodat je er vertrouwd mee raakt -- nummeren de koolstofatomen 1 door wat het ook is, of liever, de atoomnummers als je rondloopt de ring. Dus als we het hebben over de ribosecomponent, hebben ze een zogenaamd priemgetalsysteem om het te onderscheiden van het nummeringssysteem in de ribosen. Dus dit zou 1 prime, 2 prime, 3 prime, 4 prime en 5 prime zijn.

Waarom is dat? Dit wordt ongelooflijk belangrijk als we het hebben over het samenstellen van polymeren van DNA en de richting waarin DNA in het leven wordt geassembleerd, en ook, zelfs als we 2-deoxyribose of een ribose beschrijven, omdat dit 2 prime deoxyribose in het nucleïnezuur zou worden genoemd. zuur.

Dus ik ga je vervelen met dat nummeringssysteem omdat ik het heel vaak zal gaan gebruiken. En het zal heel logisch zijn als we beginnen met het samenstellen van het DNA-macromolecuul als we het hebben over de manier waarop het is gebouwd, getekend en geschreven. Het nummeringssysteem zal belangrijk zijn omdat we constant zullen verwijzen naar 5 prime en 3 prime. Dat is nog maar een voorproefje voor later.

De volgende component van het nucleïnezuur is een fosfaat. Fosfor ziet er zo uit. Maar in nucleïnezuren, in de nucleotiden, zijn deze verbonden met andere eenheden als fosfoesters. Maar je moet onthouden dat je in fosfor 1, 2, 3, 4, 5 bindingen met fosfor hebt, en dat je gewoonlijk een negatieve lading hebt op een van die zuurstofatomen. En in de structuur van DNA heb je eigenlijk fosfaten die voorkomen als fosfodiesters. En jij, nogmaals, je zult dat zien als we de intacte structuur van DNA zien.

Dus wat zijn nucleotiden? Nucleotiden zijn een combinatie van een koolhydraat of een suiker, een fosfaat en een nucleobase. Dat is het derde onderdeel, waarover we nu gaan leren. Dus de nucleobasen zien er zo uit. Er zijn twee families, twee smaken van nucleobase. Er is één smaak -- laten we dit een beetje opruimen -- die twee ringen heeft. En het heeft de kortere naam, purine.

En er is een andere familie of smaak van nucleobasen die één ring heeft, en die heeft de grotere naam. En dat is tot op de dag van vandaag de manier waarop ik me purines en pyrimidines herinner.Kleine naam, grote structuur grote naam, kleine structuur. Als dat je helpt, ga ervoor. Gebruik het. Ik heb er geen patent op of zo.

Dus in nucleïnezuren zijn er twee verschillende purines. Ze staan ​​bekend als adenine en guanine. U hoeft deze structuren niet te kennen. Ik ken eigenlijk alleen mijn favoriete drie van de vijf om makkelijk te tekenen. En de andere twee, ik struikel altijd in de ring. Dus maak je daar geen zorgen over. We kennen allemaal degenen met wie we elke dag werken. Voor mij is het uracil, het is adenine, en het is cytosine, maar niet de anderen.

Maar wat je wel moet begrijpen, is een beetje over hun structuren. Want als we beginnen te praten over de niet-covalente structuur van nucleïnezuren, voornamelijk de dubbelstrengs helix van DNA, moeten we weten waar de waterstofbrugdonoren en -acceptoren zich in deze structuren bevinden. Dus als je me wilt verwennen, kun je deze structuren bekijken.

Deze waterstof zou een donor zijn. Je kunt zien dat het een waterstof op een stikstof is. Deze stikstof is interessant. Het heeft 1, 2, 3 bindingen met stikstof, wat betekent dat er ook een eenzaam elektronenpaar op dat ringsysteem zit. Dus dat zou een waterstofbrugacceptor zijn. En de adenine-nucleobase kan een paar waterstofbruggen accepteren en geven.

En dat kun je voor alle anderen uitwerken. Dus in guanine is er een acceptor, een andere acceptor en een donor, enzovoort. Dus die ringen in de nucleobasen zijn erg belangrijk omdat ze plaatsen hebben waar je waterstof aan kunt binden.

Voelt iedereen zich hier nu op zijn gemak bij? Wil iemand mij een vraag stellen die kan helpen bij het verduidelijken, want het is nogal... ja, heb je een vraag?

PUBLIEK: [ONHOORBAAR] Wat doet uracil [ONHOORBAAR]?

BARBARA IMPERIALI: Wat doet... sorry?

BARBARA IMPERIALI: Uracil. Dit zijn allemaal... sorry. Al deze nucleobasen hebben mooie namen. Tot nu toe heb ik je de structuur van adenine, guanine, cytosine en thymine laten zien. Uracil, dat niet op het bord is getekend, lijkt erg op thymine, behalve dat deze methylgroep een waterstof is.

Het kennen van de namen is ook ingewikkeld. Ik geef er echt om dat je de waterstofbindingspatronen begrijpt, niet om de hele structuren te tekenen, maar om waterstofbindingspatronen te identificeren om geen mooie namen te onthouden, want er zit geen logica in die namen, maar echt, om ribose, deoxyribose, fosfaat en fosfodiesters te onthouden , purines en pyrimidines, alleen de grootte ervan om ze uit te kiezen. Klopt dat, wat ik wil dat je weet, en wat je je kunt herinneren als je denkt dat het interessant is?

Nu gebruiken we in de natuur de nucleotide-bouwstenen of de nucleotiden op veel verschillende manieren. Het zit niet alleen in DNA en RNA. En dus laat ik je hier enkele echt belangrijke nucleotiden zien die in de natuur worden gevonden. En ik zal je wat informatie geven over hun signalering.

Dus hier zijn de componenten die u kunt kiezen. Er is in dit geval een ribosesuiker. In dit geval is het fosfaat, maar het is een fosfaattriester. Dus het heeft drie fosfaten op een rij.

En hier is een nucleobase, wat een purine is. En dit is adenosinetrifosfaat. Het is dus een van de basen, een van de nucleotiden die worden gebruikt bij energie, energieoverdracht. In veel metabolische processen gebruiken we ATP als een molecuul dat energie heeft die kan worden ontgrendeld voor chemische processen.

Er is er nog een, dat is guanosinetrifosfaat, waar de nucleobase anders is. Het zijn beide purines, maar ze hebben verschillende structuren. Je kunt ze daar zien.

En dan tot slot, de laatste die ik je hier laat zien, is een nucleotide met een cyclisch fosfaat. Maar het heeft nog steeds een nucleobase, een ribose en een fosfaat. En dit is cyclisch AMP. En als we terugkomen nadat professor Martin heeft gesproken, zullen we het hebben over de rol van cyclisch AMP als een tweede boodschapper.

Deze twee moleculen zijn dus, naast bouwstenen voor DNA en RNA, ook vormen van energie waarbij je ATP of GTP kunt gebruiken als vorm van energie in veel stofwisselingsprocessen. En in feite, echter, als we beginnen met het construeren van eiwitten met behulp van het ribosomale systeem, zul je merken dat we GTP gebruiken als een vorm van energie, niet ATP. Het is interessant hoe de natuur ervoor kiest om dat te doen. Heb je hier vragen over?

Er moet nog een klein rimpeltje worden aangepakt, en dat is iets meer over die bouwstenen voor het nucleïnezuur, en nog een item waarvan het handig is om de naam te begrijpen. Dus hier zijn de vijf nucleobasen, twee purines en drie pyrimidines. In DNA hebben we AT, G en C, dus A, T, G en c.

We hebben dus verschillende bouwstenen. Drie zijn gemeenschappelijk voor beide polymeren. Een is anders. Uracil en thymine worden uitgewisseld als je van DNA naar RNA gaat. De pyrimidinen zijn cytosine, uracil en thymine.

En in RNA heb je een AU, G en C. Dus er zijn redenen voor deze verschillen, en ik zal zo meteen ingaan op enkele van die chemische verschillen. Dus de informatie daarboven is dezelfde informatie die ik op dit bord heb.

Het volgende dat ik met je wil bespreken, is dat we heel vaak de term, of twee termen, nucleoside en de nucleotide gebruiken. Hoe irritant is dat? Het nucleoside is alleen de ribose plus de nucleobase, maar geen fosfaten. Zodra je fosfaten opdoet, worden het nucleotiden.

Dus bijvoorbeeld nucleobase, ribose, en in dit geval een fosfaat erop. En dat wordt een nucleotide. Het maakt niet uit hoeveel fosfaten het zijn, het wordt een nucleotide genoemd.

Ik ben minder bezorgd dat je die nomenclatuur zult onthouden, meer dat je weet waar het allemaal over gaat, omdat het anders een beetje verwarrend kan worden. Dus onthoud gewoon, als je dat kunt onthouden. Maar ik denk dat ik heb geprobeerd de dingen te definiëren waarvan ik wil dat je ze onthoudt - de bouwstenen, het nummeringssysteem, de fosfodiesterverbindingen en de nucleobasen, voor zover ik begrijp waar donoren en acceptoren zijn voor waterstofbinding.

En er is één ding. Dus we noemen dat een nucleoside, terwijl we het een nucleotide noemen als het de fosfaten omvat. En er is één ding dat je wilt opmerken, is dat de binding van de nucleobase aan de ribose een glycosidebinding is. Het is een binding met een koolhydraat.

Daarom wordt het een glycosidebinding genoemd. Er zijn glycosidasen die de binding van de basis naar de suiker splitsen. Die zijn erg belangrijk als we mutaties in ons DNA hebben en we de suiker eruit willen halen om het te repareren, zodat het niet verkeerd wordt gelezen in de biosynthese van DNA, in de biosynthese van boodschapper-RNA.

Dus die band is belangrijk. We praten er misschien vaak over, maar alleen als we leren hoe DNA-sequenties worden gecorrigeerd als er fouten in die sequenties zitten. En dat zal later zijn.

Dus laten we nu beginnen met kijken naar de polymeren. Nu wil ik je vertellen dat tegen het begin van de twintigste eeuw, mensen de structuur, de niet-covalente structuur van DNA, vrij goed kenden. En ik zal het je nu beschrijven.

DNA is opgebouwd uit nucleotiden. En dit is de basisstructuur, waarbij je een fosfodiester-ruggengraat hebt die ribosen verbindt, en elk van die ribosomen is gemodificeerd met een purine of een pyrimidine. En dat is de basisstructuur van een nucleïnezuurpolymeer, alleen is het heel, heel, heel, heel lang.

Dus laten we eens kijken naar de componenten hier. Kijk naar de obligaties. En misschien in je aantekeningen, markeer gewoon de banden en enkele dingen waar ik het over zal hebben.

Dus allereerst het nummeringssysteem hier, we hebben het altijd over een nucleïnezuur. En we beschrijven de volgorde van het nucleïnezuur op basis van 5 prime tot 3 prime. Omdat de fosfodiësterbindingen zich bij de 5 priemgetallen voegen - daar zou een getal moeten zijn - en de 3 priemgetallen. Dus de koppeling zou hier zijn, 5 prime en 3 prime verbinden met de ribosemoleculen.

Dus de architectuur van dat nucleïnezuur is een polymeer met een fosfodiëster-ruggengraat verbonden door fosfaatesters - dat is de ene fosfaatester en dat is de andere - op twee van de OH's van de ribosesuiker. Als dit DNA is, is er geen OH-groep op die koolstofsite. Dat zou de 2-prime-site zijn.

Je kunt zien... je kunt er meteen uithalen dat dit DNA is. De sequentie wordt dan gedefinieerd door wat de identiteit van de base hier is. Dus dit zou guanine, adenine, thymine zijn in die volgorde.

Nu, volgens afspraak, als we deze rij uitschrijven, is de manier waarop de rijen worden geschreven, 5 priemgetallen tot 3 priemgetallen. Dus als ik daar naar kijk, zou ik het een A, G, T-reeks kunnen noemen, omdat we de reeksen altijd 5 prime naar 3 prime schrijven. Dat kunnen we ons later herinneren omdat we eigenlijk ook rijen 5 prime tot 3 prime bouwen.

Er zijn dus enkele conventies in biologie en biochemie. U wilt onthouden dat we volgens afspraak peptiden N-terminal naar C-terminal schrijven. Maar we bouwen ze ook van N tot C. Daarom is de conventie zo sterk, en het is goed om te onthouden, omdat het je uit een hoop problemen kan halen als je je die dingen herinnert.

Als we een DNA-polymeer bouwen, laten we die sequentie groeien. Je zult de biochemie voor al die polymerisatie in de volgende les zien. Het is verbazingwekkend cool hoe de volledige inhoud van een cel, het DNA, kan worden gerepliceerd in verbazingwekkende tijdsbestekken, maar allemaal door die ketens te laten groeien van 5 prime naar 3 prime.

Dus als we er nog een bouwsteen aan toevoegen, verwijderen we een molecuul water. Dat is dus een condensatiereactie. En we vormen een nieuwe fosfodiesterbinding. Dus in de biosynthese van DNA, blijf je nieuwe nucleotiden toevoegen aan de 3 prime end. Daar is een chemische reden voor.

Als we DNA opbouwen, proppen we niet zomaar de twee groepen bij elkaar. Wij komen eerder met een trifosfaat en gebruiken dat geactiveerde trifosfaat als de nieuwe bouwsteen. En je schopt trifosfaat eruit. En dat zul je zien als we het hebben over DNA-synthese.

Maar wat ik wil dat je hier onthoudt, is dat dit een andere condensatiereactie is. We hadden het erover bij het maken van peptiden. We hebben erover gesproken bij het maken van koolhydraatpolymeren. En nu zien we opnieuw een condensatiereactie om een ​​nucleïnezuurpolymeer te maken.

De laatste term die het vermelden waard is, is het woord nucleïnezuur. Waar gaat dat over? Ik zie geen carbonzuren. Het blijkt dat de polymeren van DNA erg zuur zijn omdat de OH-groep op die fosfodiester-ruggengraat erg zuur is. Dus je geeft H plus op. En dit is in zijn meest stabiele vorm als O minus. Dus wanneer

DNA werd eerst geïsoleerd, het werd geïsoleerd uit witte bloedcellen door de kern te isoleren. En er werd ontdekt dat het een zeer zuur materiaal was dat in de kern was verpakt. Daarom werd het nucleïnezuur genoemd, zuren in de kern. Voordat mensen zelfs maar iets van de samenstelling begrepen, kreeg het die naam, nucleïnezuur. Dus we praten over polymeren van nucleotiden, we noemen ze nucleïnezuren.

Wat betreft het schrijven van onze reeksen, zouden we ze op deze manier kunnen schrijven. Dus pdGATC. Dat zou die structuur zijn. Waar staan ​​al die kleine extra P's en D's voor?

De P staat voor of er aan dit uiteinde een fosfaat zit. De D staat voor of het een deoxysuiker is als bouwsteen. Als je helemaal naar het andere uiteinde gaat, is er geen kleine p aan het andere uiteinde. Het betekent dus dat OH gratis is. Begrijpt iedereen dat stenoschrift?

Er is een andere manier waarop ik kon weten dat dit DNA was zonder dat ik deoxy op elk van de bouwstenen hoefde te zetten. Weet iemand hoe ik meteen weet dat het een stuk DNA is? Ja?

BARBARA IMPERIALI: Ja, er is geen uracil en in plaats daarvan is er thymine. Dus in principe, zolang er een T in zit, weet je dat het DNA is. Zolang er een U in zit, weet je dat het RNA is.

Laten we het nu hebben over de niet-covalente structuur, want ik denk echt dat dat het meest opwindende deel van deze hele onderneming is, omdat de covalente structuur ons echt niet in staat stelt te begrijpen hoe DNA informatie opslaat voor het bouwen van eiwitten. Het zegt ons er niet zoveel over. Het ziet eruit als een cool polymeer, maar we kunnen de details niet echt begrijpen door niet naar de covalentie van de niet-covalente structuur te kijken.

Er was dus één belangrijk stuk informatie, en dat zijn de gegevens van Chargaff. En dit stukje wetenschappelijke informatie ging rond in de wetenschappelijke gemeenschap in de vroege jaren '50 omdat het ongelooflijk belangrijk leek. En wat de gegevens van Chargaff waren, hij verzamelde allerlei soorten organismen, en dan hun kernen, en dan mat - of hun DNA - en mat toen de verhouding tussen de purines en de pyrimidinen.

Hij mat de verhouding van de grote en de kleine van de nucleobasen. Dus hoeveel hiervan in verhouding tot hoeveel daarvan? En wat hij ontdekte door alle organismen uit alle domeinen van het leven te bekijken, is dat er een één-op-één verhouding was tussen purine en pyrimidine.

Dat werd dus heel interessant, omdat het suggereerde dat de niet-covalente structuur van nucleïnezuren op de een of andere manier een correlatie had tussen het aantal purines en het aantal pyrimidinen. En je kunt je voorstellen dat het klinkt alsof we altijd een kleine met een grote combineren door naar dat aantal te kijken. Dit is dus echt heel belangrijk, want het is net als de gloeilamp die aanging met betrekking tot het begrijpen van de structuur van dubbelstrengs DNA.

Dus ondanks allerlei variaties hebben sommige organismen veel meer GC's. Sommige hebben meer AT's. Maar wat er ook gebeurt, de verhouding is altijd één op één. En dit leidde uiteindelijk tot het begrijpen van de niet-covalente structuur van dubbelstrengs DNA, omdat het aanwijzingen gaf over hoe informatie op de een of andere manier kon worden gecodeerd, maar vervolgens kon worden gerepliceerd.

Het volgende dat de aanwijzing voor de structuur van dubbelstrengs DNA werd, kwam van een zeer getalenteerde onderzoeker, Rosalind Franklin, die helaas stierf ver voor haar tijd van eierstokkanker, echt, grotendeels omdat ze veel tijd doorbracht in de buurt van röntgenstralen. Dus dat zou mutaties in haar DNA hebben veroorzaakt.

En ze ontwikkelde een manier om fibrillen van DNA te maken die voldoende geordend waren om elektronendiffractiegegevens te verzamelen. En die diffractiegegevens gaven eigenlijk een aanwijzing voor enkele van de dimensies van de dubbelstrengs DNA-structuur. En het was eigenlijk de aanwijzing die de afstand tussen de DNA-strengen vertelde. Het was dus echt een stukje informatie waar je gewoon niet zonder kon.

Met de gegevens van Chargaff en hiermee, wat Foto 51 werd genoemd, gaf het je echt de aanwijzing. En het was echt in die jaren dat Watson en Crick wanhopig aan het modelleren waren om de niet-covalente structuur van DNA te begrijpen. En zodra ze die twee stukjes informatie hadden, konden ze zelfs met de hand gebouwde modellen samenstellen.

Dit ziet er nogal onhandig uit, maar ik ken de kamer waarin ze deze foto namen van mijn jaren bij Caltech. Ik kan de kamer zelfs herkennen. Ze bouwden niet alleen kleine kleine moleculaire modellen, maar grote moleculaire modellen zodat ze metingen konden doen om te zeggen, de diffractiegegevens vertelden me dat dit zoveel nanometers van elkaar verwijderd was. En ze waren in staat om de structuur van dubbelstrengs DNA samen te voegen.

Maar ik heb je nog steeds niet laten zien hoe die twee strengen samenkomen. Het is echt intrigerend, want in diezelfde tijd was Linus Pauling heel goed bezig met de structuur van de alfa-helix en eiwitten, en probeerde hij ook de structuur van DNA te achterhalen. Maar hij bedacht een soort gekke structuur waarbij hij dacht dat het een driestrengige structuur was waar de basen echt uitstaken, en op de een of andere manier codeerde deze driestrengige structuur voor replicatie van DNA.

Er zijn een heleboel dingen die echt verschrikkelijk zijn aan deze structuur. Allereerst is het een triple-stranded. Maar het andere verschrikkelijke is dat er zoveel fosfaten in de ruggengraat zitten dat er een enorme elektrostatische afstoting zou zijn geweest. Die sequenties zouden zichzelf uit elkaar willen blazen omdat je niet zoveel negatiefs op één plek kunt proppen.

Maar het was echt een intrigerend soort sociologische verschijnselen van die tijd. Pauling was een groot pacifist, en hij was echt, echt actief in nucleaire ontwapening. En ze zeiden dat zijn geest gewoon niet bij sommige van deze dingen was en dat dit model uit hem kwam en zich echt zorgen maakte over andere dingen en zich niet concentreerde op de DNA-structuur.

Laten we dus proberen de gegevens van Chargaff uit te leggen door naar de nucleobasen te kijken en na te denken over hoe ze samen kunnen komen. Dus hier laat ik je de structuren van de vier nucleobasen in DNA zien. Overal waar ik een R heb, kun je aannemen dat dat een onderdeel is. Dat is een ribose die deel uitmaakt van de fosfodiesterruggengraat. Wat we willen begrijpen is, hoe komen de nucleobasen samen om een ​​soort paar te vormen dat nuttig zou kunnen zijn bij het programmeren van hun hersynthese?

Dus ik heb ze allemaal hier getekend, maar het is niet helemaal intuïtief. Ik moet een beetje omdraaien om de zaken beter op een rij te krijgen. En het andere dat ik moet doen, is de dingen in de juiste hoeken krijgen, zodat je kunt beginnen te zien hoe die basen kunnen samenkomen, omdat Chargaff's gegevens dicteren dat je een purine en een pyrimidine hebt, purine pyrimidine. Je hebt een paring tussen de nucleobasen in je dubbelstrengs DNA in een structuur die er meer op lijkt.

En in elk geval heb je een purine en een pyrimidine gecombineerd. Dus wat ik wil dat je doet is een kijkje nemen. Ik heb je nu laten zien waar donoren en acceptanten zijn. Je kunt teruggaan en dit doen voor alle nucleobasen. Maar ik ga dit nu voor je doen, door je de donoren en acceptoren van waterstofbruggen binnen die structuren te laten zien, wat ik heb gedaan, is dat ik ze mooi op een rij heb gezet, zodat ze recht naar elkaar kijken, zodat je kan zien dat er een complementariteit is tussen een purine en een pyrimidine die een zeer mooie waterstofbinding maakt, wat de niet-covalente kracht is die erg belangrijk is.

Tussen G en C kan ik drie waterstofbruggen opzetten. Tussen A en T kan ik maar twee waterstofbruggen opzetten. Dus die ene purine is complementair aan een van de pyrimidines. Eén purine is complementair aan een van de andere pyrimidinen.

En dan kunnen we die waterstofbruggen op hun plaats tekenen. Dat verklaart volledig de meting van de Franklin-gegevens van de afstand, de breedte van de dubbelstrengige helix, omdat deze identiek is voor beide basenpaaropties. En dat geeft je de structuur die de niet-covalente structuur van DNA vormt, wat een reeks interacties is waarbij de ononderbroken lijn de ruggengraat van de fosfodiester is, maar uitsteken als treden op een wenteltrap zijn de bases, waarbij elke base complementair is aan een specifieke extra basis. Het voorspelt dus de Chargaff-ratio, en het voorspelt ook de afstanden.

Nu, binnen alle modelbouw, werd het vrij duidelijk dat de structuur, de niet-covalente structuur van DNA, werd geboden door antiparallelle strengen, waarbij één streng in de ene richting ging, 5 prime naar 3 prime, en de andere streng in de tegenovergestelde richting richting, 5 prime tot 3 prime. Als we beginnen met het repliceren van DNA, zullen we zien dat dat best handig is. Maar thermodynamisch is het ook de favoriete oriëntatie.

Laten we dus eens kijken naar de oriëntatie. Waar je één DNA-streng zou tekenen, 5 prime naar 3 prime, nu heb ik dit allemaal teruggebracht tot cartoonniveau.Dit zijn de fosfaatdiësters, de ribosen, de 3 prime end, en de 5 prime end en de basen die loskomen bij de 1 prime carbon. En als je het dan combineert met een andere streng, gaat één streng in één richting. 5 prime-- whoa, ik weet niet waarom dit zich misdraagt, 5 prime, oeps-- 5 prime tot 3 prime. De andere streng gaat in de andere richting, 5 prime naar 3 prime.

En toen ik deze vraag een paar jaar geleden stelde, kon ik het niet echt goed uitleggen. Ik zei alleen dat het zo moest zijn, omdat het altijd zo is geweest. Maar wat echt cool is, is dat mensen de kristalstructuur van een parallel paar DNA-strengen hebben kunnen oplossen. Dit is dus canoniek DNA, de prachtige antiparallelle structuur. En het is heel regelmatig, heel, heel gelijkmatig.

Het blijkt echter dat wanneer je de twee strengen in een parallelle oriëntatie probeert te paren, ze erg ongemakkelijk zijn en veel minder stabiel. Dus de antiparallelle oriëntatie is erg belangrijk voor de thermodynamische stabiliteit en de optimale waterstofbindingsinteractie van al die basen die paren. Dus het is eigenlijk waar de natuur de voorkeur aan geeft, omdat het stabieler is. Nog vragen?

En dit, het staat op je dia's. Maar je kunt zien hoe regulier DNA er zo georganiseerd uitziet, terwijl de antiparallelle, de ene, de parallelle, je echt helemaal geen goede waterstofbindingsinteracties oplevert. Dus laten we nu... wat we nu hebben gedaan is dat we de structuur van DNA begrijpen, de niet-covalente en covalente structuur van DNA. We begrijpen dat het antiparallel is.

Wat we in de volgende les gaan doen, is laten zien hoe je die antiparallelle structuren uit elkaar kunt halen om ongepaarde structuren te maken. En je kunt ze allemaal gebruiken als sjabloon voor de synthese van een nieuwe DNA-streng. U kunt dus twee dochterdubbelstrengen krijgen van een enkele ouderdubbelstreng. En dat komt allemaal door het begrijpen van de structuur.

Nu, wat ik wil doen, is je heel kort verplaatsen naar de structuur van RNA en de DNA- en RNA-structuren vergelijken, want er zijn enkele verschillen. Dus laten we gewoon doornemen wat de verschillen zijn. Ik heb dit opgeschreven. En de verschillen zijn erg belangrijk voor de functionele eigenschappen.

Dus DNA, RNA. Allereerst natuurlijk deoxyribose, ribose. En je kunt gaan, waarom, waarom, waarom is de natuur zo ingewikkeld? Waarom moet ik deze extra factoid onthouden over RNA versus DNA?

En het is echt verbazingwekkend dat het verschil tussen het hebben van dat hydroxyl op de 2e primaire positie versus het niet gebeuren, het niet hebben, enorme verschillen maakt voor de stabiliteit van het polymeer. RNA's worden heel, heel gemakkelijk afgebroken. DNA's zijn stabiel gedurende de levensduur van een cel, allemaal perfect in de kern of in de mitochondriën. Ze blijven intact.

Er is dus een stabiliteitsverschil tussen de twee suikers. Omdat DNA de plaats moet zijn waar je je genetisch materiaal opslaat, moet het goed blijven, terwijl RNA de boodschap is die je tijdelijk maakt om een ​​eiwit te programmeren dat wordt gemaakt, en dan wil je er vanaf. We hebben dus de verschillen in stabiliteit nodig die voortkomen uit dat kleine kenmerk.

ATGC-- daar is het verschil-- AUGC in de bases. Het meest voorkomende DNA is dubbelstrengs DNA, terwijl RNA verschillende structuren vormt, dus veel meer onregelmatige structuren dan het DNA, waarschijnlijk gedeeltelijk omdat de ribose anders is gesubstitueerd. Dus die continue streng van dubbelstrengs materiaal is niet zo stabiel in RNA.

We vinden DNA voornamelijk als dubbelstrengs DNA. Maar het RNA dat we vinden als transfer-RNA, boodschapper-RNA, ribosomaal RNA - het gaat eeuwig door - kort interfererend RNA. Dus verschillende RNA's worden voor veel doeleinden gebruikt, terwijl DNA voornamelijk het dubbelstrengs DNA blijft. Er is een beetje dubbelstrengs RNA, maar het is een voorloper van sommige van deze andere vormen van RNA.

Dus deze dia vat een deel daarvan voor je samen, de verschillen die DNA en RNA vergelijken. Wat we later zullen zien, is hoe RNA zich leent voor deze interessante structuren waar je nog steeds een paar basenparen hebt, maar je hebt veel lussen en bochten en een diversiteit aan structuren. En dat is een beetje de oorsprong van deze RNA-wereld, waar RNA-structuren niet... een verscheidenheid aan vormen konden hebben die zouden kunnen bijdragen aan verschillende functies die verder gaan dan alleen als een bericht, als een plaats om een ​​DNA-bericht op te slaan. Er zijn dus veel dingen die men over DNA kan begrijpen door zijn waterstofbindingspatronen te kennen.

Kunnen jullie raden welke van deze strengen een complementaire streng zou hebben en het meest stabiele dubbelstrengs DNA zou zijn? Dit zou dus één streng zijn. Je zou voor elk van hen een complementaire streng kunnen tekenen. Kun jij de aanwijzingen raden om erachter te komen welke de meest stabiele organisatie van het antiparallelle dubbelstrengs DNA zou hebben? Waar zou ik naar op zoek zijn? Ja?

PUBLIEK: Meer G's en C's [ONHOORBAAR]

BARBARA IMPERIALI: Dus nummer één, hoger GC-gehalte omdat Gs en Cs drie waterstofbruggen vormen. As en Ts vormen slechts twee. En wat is de andere bepalende factor, alleen al kijkend naar die structuren? Ja?

BARBARA IMPERIALI: Ja, je doet-- nee. Het is eigenlijk nog gekker. Het is eenvoudiger dan dat.

BARBARA IMPERIALI: Lengte. Dus je hoeft alleen maar mee te gaan en te zeggen, ik kan drie waterstofbruggen maken, twee, drie, twee, twee, drie, twee, twee, twee. Dus je telt gewoon waterstofbruggen in de partnervolgorde, en je kunt raden welke stabieler zal zijn omdat het de meeste waterstofbruggen heeft. Dus dat zouden we je kunnen vragen. Welke gaat er uit elkaar?

Het intrigerende aan DNA is dat je het kunt pellen. Je kunt het verwarmen en het valt uit elkaar. Maar het denatureert niet zoals eiwitten dat doen. Als je het gewoon afkoelt, komt het weer bij elkaar. Dus een ander kenmerk van DNA is dat je kunt verhitten, denatureren en vervolgens opnieuw uitgloeien, precies zoals het in de eerste plaats was. Het denatureert niet tot iets dat niet erg nuttig is.

En nu de vraag, kun je de complementaire streng tekenen? Ik vind altijd, van deze bovenste streng hier, welke van deze de complementaire streng is? Eerlijk gezegd, de beste manier om dit te doen, is door de complementaire stand te schetsen. Je kunt het een beetje ondersteboven zien, want het is heel moeilijk om dingen van 5 prime naar 3 prime te tekenen als je ook probeert de basenparing te achterhalen.

Teken het dus ondersteboven. Zorg ervoor dat u het 5 priemgetal en het 3 priemgetal kent. En dan kun je het juiste antwoord raden op dit soort vragen over complementaire strengen.

Nu nog een laatste vraag, de stabiliteit van dubbelstrengs DNA. Ik heb een hele grote deal gemaakt over waterstofbruggen. Dat houdt het bij elkaar. Welke andere krachten zouden er in dubbelstrengs DNA kunnen spelen die zouden kunnen bijdragen aan de stabiliteit ervan? Nog ideeën? Wat nog meer?

Nou, het ziet er zeker niet uit alsof het geladen is, omdat de overheersende lading negatief is. Er is geen... je hebt daar waarschijnlijk metaalionen, die die lading min of meer neutraliseren. Wat zou de andere kracht zijn, en hoe zou ik die omschrijven? Het is een lastige.

Dus we hebben deze basen, en ze zijn behoorlijk hydrofoob. Het zijn vliegtuigen. Ze hebben aan beide zijden een elektronendichtheid. Het blijkt dus dat er enige stabiliteit is verkregen tussen de pakking van de DNA-stappen tussen elk basenpaar met het volgende, met het volgende. Er zijn dus hydrofobe krachten.

En onderzoekers van Scripps hebben dit paradigma bewezen door extra DNA-basen te maken die geen waterstofbindingspartnerschappen hebben, maar gewoon de dingen leveren die de platte hydrofobe entiteit zijn met de juiste grootte die in DNA-sequenties kan glippen en stabiel [ONHOORBAAR] kan worden, maak stabiele niet echt basenparen meer, maar wees gewoon stabiel in die polymere structuur. Begrijpen en volgen mensen dat?

Dus tot slot, als we naar de structuur van DNA kijken, zijn er enkele greppels waar dingen aan kunnen binden, eiwitten kunnen binden, en we praten over de grote groef en de kleine groef. Maar daar zal ik het later over hebben als we het hebben over transcriptiefactoren.

Nu, ik wil gewoon, in een echt drievoudig snelle tijd, en ik zal dit op de website zetten, er is een enorme interesse in het gebruik van de bouwstenen van DNA voor informatieopslag in computers. Dus als je op Wikipedia op DNA gebaseerd computergebruik opzoekt, kom je er heel veel over te weten. Wat er zo opwindend aan is, is dat het een georganiseerd materiaal op nanoschaal is dat kan worden geprogrammeerd om basenparen te vormen en bepaalde structuren te vormen.

Dus in een reeks van verschillende groottes, is er veel interesse geweest in DNA als materiaal voor informatieopslag, niet voor je genetisch materiaal, maar voor gewone oude informatieopslag. Dus mensen hebben geleerd hoe ze DNA-structuren kunnen bouwen waar ze dit soort kruisvormige structuren kunnen bouwen door basenparing. Ze kunnen de armen van deze structuren een beetje uitgestrekt maken. Dus je zou kunnen beginnen die dingen samen te voegen om zeer gedefinieerde driedimensionale entiteiten te maken.

Ze werden gek door dit soort dingen te doen, omdat je een soort tetraëders en andere soorten vormen en maten kunt bouwen, allemaal door strengen van dat basenpaar, die ongeveer 10 basenparen lang zijn, die stabiel zijn en alleen bepaalde andere basen aanvullen. paren. Dus je zou letterlijk kunnen opbouwen -- ze noemden het vaak DNA-origami omdat je macroscopische structuren kunt opbouwen door alleen maar de assemblage van DNA-strengen die zich uiteindelijk zullen vouwen om het beste complementaire DNA te vormen om de structuren te vormen.

En het is ook gevonden -- zoals ik al zei, ze werden helemaal gek -- smileygezichten en sterren en strepen enzovoort. Maar het meest waardevolle dat je kunt - zoals ik al zei, je kunt hier meer over lezen - is om DNA te gebruiken als logische poorten om en, of, of niet, dus het soort drie opties te definiëren, en ze daadwerkelijk te gebruiken om te programmeren bepaalde puzzels waarbij het DNA het antwoord op een bepaalde puzzel via een logisch diagram zal uitspugen.

Dus degenen onder jullie die geïnteresseerd zijn in computergebruik en dit soort logische puzzels willen misschien wat meer lezen, omdat DNA zo'n betrouwbare niet-covalente structuur is, waar die basenparen ongelooflijk betrouwbaar zijn, dat je je kunt voorstellen dat je niet alleen dubbele -stranded DNA, maar allerlei architecturen bouwen of dingen programmeren met de sequentie van DNA. En dat was het voor vandaag. En dat is het einde van de sectie biochemie.


Lezing 15: Genetica 4 – De kracht van modelorganismen in biologische ontdekking

In deze lezing over modelorganismen bespreekt professor Martin hoe je van een fenotype van belang (zoals uiterlijk of gedrag) kunt gaan naar het identificeren van de genen en mechanismen die belangrijk zijn voor die eigenschap.

Instructeur: Adam Martin

Lezing 1: Welkom Introdu.

College 2: Chemische binding.

College 3: Structuren van Am.

Lezing 4: Enzymen en Meta.

College 5: Koolhydraten an.

Lezing 9: Chromatine Remode.

Lezing 11: Cellen, The Simpl.

College 16: Recombinant DNA.

Lezing 17: Genomen en DNA.

Lezing 18: SNP's en Human .

College 19: Cell Traffickin.

College 20: Celsignalering .

College 21: Celsignalering .

Lezing 22: Neuronen, actie.

College 23: Celcyclus en .

Lezing 24: Stamcellen, Apo.

Lezing 27: Visualiseren van Lif.

Lezing 28: Visualiseren van Lif.

Lezing 29: Cell Imaging Te.

Lezing 32: Infectieziekte.

College 33: Bacteriën en An.

College 34: Virussen en mieren.

College 35: Reproductieve Cl.

ADAM MARTIN: Oké, dus vandaag probeer ik dit semester iets anders. Ik wilde jullie vertellen over een manier waarop je dingen in de biologie kunt ontdekken. En dit gaat vallen in de genetica cluster van lezingen. Ik wil je laten zien hoe je kunt gaan van interesse in een eigenschap van een organisme, of zelfs zijn gedrag - hoe zou je van daaruit genen en mechanismen identificeren die verantwoordelijk zijn voor dat soort gedrag of uiterlijk?

Oké, dus vandaag gaan we uit van een soort fenotype, of proces waarin je geïnteresseerd bent, zoals misschien het uiterlijk van een organisme. Maar we gaan zelfs abstracter dan dat, want aan het einde, ik ga je vertellen dat als je geïnteresseerd bent in gedrag, je kunt proberen de genen en mechanismen te achterhalen die betrokken zijn bij het bepalen van het gedrag van een organisme. Dus de vraag is, hoe ga je van iets dat je wilt leren over een organisme naar het daadwerkelijk identificeren van genen en mechanismen die daarvoor belangrijk zijn?

En op mijn titeldia hier heb ik drie gemuteerde fenotypes van fruitvliegjes die je kunt zien, en elk van deze mutanten definieerde genen waarvan later werd vastgesteld dat ze aanwezig waren - of homologe genen die aanwezig waren in mensen en waarvan werd aangetoond dat ze een belangrijke rol spelen in menselijke biologie. Dus later in de lezing legt de zaal uit wat elk van deze fenotypes is. Maar eerst wil ik alleen het belang van modelorganismen en hun gebruik in de biologie benadrukken.

Je hebt ze al gezien. Ik heb het een beetje gehad over vliegen, we hadden het over de erwtenplanten van Mendel. Ik heb nu net een compendium van modelorganismen die ik ga overgeven om je over te vertellen. We hebben het dus gehad over bacteriën en het belang van bacteriën bij het ophelderen van de informatiestroom van DNA naar RNA naar eiwit.

Bacteriën zijn we ook enorm belangrijk voor het ophelderen van de initiële mechanismen van genregulatie. Ik noemde gist een beetje in de laatste lezing toen ik tetrad-analyse noemde, maar we zullen later veel meer over gist praten, wanneer we beginnen te praten over de regulatie van celdeling en de celcyclus, omdat gist een cruciale rol speelde in het identificeren van het gen dat cruciaal is voor deze beslissing van een cel om al dan niet te delen.

Een geweldig modelorganisme in planten is ook een Arabidopsis Thaliana. En Arabidopsis heeft ook een belangrijke rol gespeeld bij het ophelderen van ontwikkelingsmechanismen, maar ook bij het boeken van vooruitgang in wetenschappelijk onderzoek dat betrekking heeft op landbouw, zoals ziekteresistentie en interacties tussen pathogenen.

Dus de twee helden van de lezing van vandaag zijn de rondworm, Caenorhabditis elegans, en de fruitvlieg, Drosophila melanogaster. Maar voordat ik in die organismen ging studeren, wilde ik een paar belangrijke gewervelde modelorganismen belichten: de zebravis en de muis. Je kunt dus zien dat de muis onze laboratoriummascotte is, maar het is ook een belangrijk genetisch model. Er zijn met name veel modellen bij muizen die kanker nabootsen. En dus zijn deze nuttig geweest voor het ophelderen van mechanismen van kanker.

Het is dus echt onethisch voor ons om veel verschillende soorten experimenten op mensen te doen, maar ik zal vermelden dat er menselijke cellijnen zijn, zoals de HeLa-cellijn, en deze spelen ook een belangrijke rol in biologieonderzoek. Maar deze cellijnen zijn uit hun verband gerukt. Ze functioneren niet in de context van een heel organisme. Dus menselijke cellijnen zijn belangrijk, maar je moet begrijpen dat ze een soort in-vitrosysteem zijn, dat ze buiten de context van een functionerend organisme staan.

Oké, dus waarom onderzoeken we deze modelorganismen? Er zijn dus enkele praktische redenen. De meeste zijn vrij klein en ze kunnen gemakkelijk grote aantallen in een laboratorium huisvesten. Ze zijn vaak goedkoop om in het lab te huisvesten en mee te werken. Bovendien ontwikkelen ze zich snel.

En vooral als we genetica beschouwen, is de snelheidsbeperkende stap in genetisch onderzoek de tijd die nodig is vanaf de conceptie van een organisme tot de tijd dat dat organisme zich seksueel kan voortplanten. Dus deze modelorganismen - de meeste planten zich zeer snel voort, en dat versnelt het tempo van het onderzoek.

Maar misschien wel het belangrijkste is het feit dat we door evolutie verwant zijn aan elk van deze modelorganismen, omdat we allemaal zijn voortgekomen uit een gemeenschappelijke voorouder. En om dit voorbeeld te benadrukken, als we de fruitvlieg gebruiken, heeft de fruitvlieg 17.000 genen in vergelijking met onze 20.000 genen, dus we hebben ongeveer dezelfde orde van grootte van het aantal genen als de fruitvlieg.

En dus laten we eens nadenken over belangrijke genen. Laten we eens kijken naar alleen genen die worden geassocieerd met menselijke ziekten. Als we alleen kijken naar ziekteverwekkende genen bij de mens, heeft 75% van de ziekteverwekkende genen een homoloog gen in de fruitvlieg. We lijken dus op deze modelorganismen, zoals met name de fruitvlieg, genen die belangrijk zijn voor het begrijpen van menselijke ziekten.

Dus ik kwam deze quote tegen bij de voorbereiding van de lezing, en ik vond het leuk. Het is van John Rinn, een tijdgenoot van ons. En John Rinn zei: "Genetische benaderingen zijn net zo fundamenteel voor de biologie als wiskunde voor de natuurkunde." En ik denk dat dit een passend citaat is, omdat zowel genetica als wiskunde zelf wetenschappelijke disciplines zijn, maar ze kunnen worden gebruikt om dingen over respectievelijk biologie en natuurkunde te leren . Dus genetica speelt echt een fundamentele rol in de biologie en de ontdekking van nieuwe biologische mechanismen.

Oké, dus nu wil ik je even kort meenemen, hoe komt het dat we dingen ontdekken met behulp van genetica? En ik ga je door een soort benadering leiden die een "voorwaarts genetisch scherm" wordt genoemd. En ik kom zo bij het orkest, maar ik wil even kort definiëren wat een voorwaarts genetisch scherm is.

Dus een voorwaartse genetische screening is een soort benadering die je zou doen als je de genen die betrokken zijn bij een specifiek proces niet kent, maar je ze wel wilt identificeren. Dus in een voorwaartse genetische screening, ken je de genen en mechanismen die erbij betrokken zijn niet. Dus je weet niet wat deze genen zijn. Je hebt misschien niet eens een genoomsequentie van het organisme.

Je hebt geen genoomsequentie nodig om een ​​voorwaartse genetische screening te doen, omdat je de genen niet kent, maar je bent geïnteresseerd in een bepaald aspect van ontwikkeling, of van het functioneren van het organisme, en je wilt de genen identificeren die zijn daarvoor belangrijk. Dus als je een voorwaartse genetische screening start, moet je afleiden hoe een mogelijk fenotype eruit zou zien als je genen zou breken die bij dat proces betrokken waren.

Dus de mantra van genetici is dat we genen gaan breken en dan naar het resultaat kijken en kijken of het het fenotype geeft waarin we geïnteresseerd zijn. Dus in een voorwaartse genetische screening, zoek je naar een fenotype dat je zou verwachten als je een bepaald proces hebt beïnvloed, als je een proces verstoort.

Dus denk aan dit orkest hier. Stel dat u geïnteresseerd bent in wat elk van deze secties in het orkest regelt. Wat is de hoofdregelaar van dit orkest, als u wilt?

En dus conceptueel, wat een genetisch scherm zou inhouden, is honderden, misschien duizenden orkesten zoals deze nemen, en gewoon een persoon in dit orkest neerschieten en ze uit het orkest verwijderen. En laten we zeggen dat je deze man verwijdert, laten we zeggen dat je deze man hier verwijdert, dan gebeurt er misschien niets, want het zijn ongeveer 30 of 40 andere violisten, en dat is niet het belangrijkste controlecircuit. Dus dan zou je concluderen dat dit gen niet belangrijk is voor de regulatie van het orkest.

Maar laten we zeggen dat je Bernstein hebt uitgeschakeld, en dan luister je naar het orkest en ontdek je dat de secties ongecoördineerd zijn, de bassisten beginnen uit zichzelf gekke dingen te doen.Dus dan de logica van de Drosophila-genetica, je zou dat gen dan ongecoördineerd noemen en daaruit afleiden dat dat gen een belangrijke rol speelt bij het coördineren van de verschillende secties van het orkest.

Dus het doel in de genetica is om een ​​mutatie te identificeren die een genfunctie verandert die je een fenotype geeft waarin je geïnteresseerd bent. En in plaats van een geweer te pakken en leden van het orkest neer te schieten, probeer je in de genetica mutaties te identificeren. Dus je probeert mutaties op te wekken.

Dus we zijn op zoek naar mutaties. En deze mutaties kunnen spontane mutaties zijn, wat betekent dat je niets hebt gedaan om het te induceren, maar ze verschijnen gewoon als een variant in de populatie. En dus hebben we gesproken over Thomas Hunt Morgan en de witte mutant en het witte gen.

Dus de witte mutant was een spontane mutatie. Morgan's lab deed niets bijzonders. Ze keken naar veel vliegen en in de loop van de decennia identificeerden ze deze ene speciale mannelijke vlieg waaraan ze konden werken.

Maar tegenwoordig hebben onderzoekers een manier om dit proces te versnellen. En zo kunnen we mutaties induceren. De manier waarop we mutaties kunnen induceren, is door een soort mutageen te gebruiken.

Je zou bijvoorbeeld een soort chemisch mutageen kunnen hebben dat het foutenpercentage in DNA-replicatie verhoogt, of je zou straling kunnen gebruiken om DNA-schade te veroorzaken, en dat versnelt in wezen de frequentie van mutaties die optreden in het genoom van een organisme. En dus is het proces van het mutageniseren van een organisme niet specifiek voor genen. Je induceert gewoon willekeurige mutaties in het genoom van het individu.

Laten we zeggen dat dit stuk dat ik hier teken deel uitmaakt van een chromosoom, en deze dozen zijn genen. Je induceert willekeurige mutaties, en misschien treft één mutatie dit gen. Dus dat is een mutatie die de functie van een organisme kan beïnvloeden. Je zou andere mutaties kunnen hebben die buiten genen liggen en geen effect hebben, of je zou een ander soort mutatie kunnen hebben die niet in het coderende gebied van het gen zit, maar misschien wel de regulatie van dit blauwe gen hier beïnvloedt.

Dit is dus een willekeurig proces. Als je een organisme wat chemisch mutageen geeft, induceer je willekeurige mutaties op verschillende plaatsen, en je weet niet welke je wilt totdat je naar hun fenotypes kijkt en probeert de speld in de hooiberg te vinden. Ik zal u daarom enkele voorbeelden laten zien.

Dus laten we zeggen dat we geïnteresseerd waren in ons lichaamspatroon. We hebben allemaal een lichaam. Ons hoofd staat in onze hoofdpositie, onze kont staat in onze kontpositie, we hebben armen in de juiste positie, onze benen in de juiste positie. Laten we zeggen dat we geïnteresseerd zijn in het uitzoeken welke genen verantwoordelijk waren voor dat lichaamspatroon. Wat voor soort mutant zou je kunnen zoeken? Iedereen? Rachel.

ADAM MARTIN: Wat is dat? Een mutant met zijn lichaamsdelen op de verkeerde plaats. Misschien heb je een been waar je arm naar buiten zou moeten komen, of misschien heb je twee hoofden, of iets dergelijks. Dus je zoekt naar een of ander defect in de patroonvorming.

Dit zou natuurlijk onethisch zijn om te doen bij mensen, maar in modelorganismen kunnen we dit soort mutaties vinden. Ik ga gewoon een paar mutanten uitlichten. Deze is een voor de hand liggende.

Deze vlieg heeft dus twee vleugels. Je ziet ze hier over elkaar gevouwen. Maar er is een specifieke klasse mutanten die "vleugelloos" werd genoemd, waarbij de vliegen minder dan twee vleugels hebben. Deze vlieg heeft maar één vleugel.

En deze vleugelloze mutant definieerde een gen dat bekend werd als vleugelloos, en het is een gen dat een homoloog gen heeft bij mensen. En dit specifieke gen definieert een hele signaalroute, die - oeps, sorry - wat belangrijk is in de stamcelbiologie en ook overgeactiveerd is bij kanker.

Maar het is duidelijk dat we geen vleugels hebben, dus dit gen is niet ontdekt bij mensen. Het werd ontdekt in vliegen, en pas later werd het afgeleid - of er werd ontdekt dat er een verwant gen is bij mensen. Oké, dus dat is een voorbeeld.

Een van de andere fenotypes die ik je liet zien, heet "notch". Normaal gesproken heeft een vliegenvleugel een mooie, gladde rand. Maar notch-mutanten hebben vleugels waar dit stuk aan het einde uit is gehaald. Dus nogmaals, het gen werd bekend als "notch" vanwege dit vliegenfenotype. Maar nogmaals, er is een menselijke inkeping, en opnieuw is een menselijke inkeping betrokken bij menselijke ziekten, zoals kanker. Oké, dat zijn dus twee voorbeelden.

Maar nu wil ik met je praten over hoe je de speld in de hooiberg kunt vinden. Hoe kun je een gezamenlijke inspanning leveren om genen te identificeren die die functie hebben in een bepaald proces? Ik ga je vertellen over het werk dat is gedaan door Eric Wieschaus en Christiane Nusslein-Volhard omdat ze een van de bekendere genetische screenings deden die waren gedaan, en ze wonnen de Nobelprijs voor hun resultaten in 1995. Dus ik bedoel, ik neem u door dit klassieke genetische scherm.

In dit scherm gaan ze mutaties induceren. Dus ik ga een ouderlijke generatie nemen. En dit scherm is gemaakt met fruitvliegjes.

En ze namen mannelijke fruitvliegjes en behandelden de mannetjes met een mutageen om mutaties in de gameten te induceren, deze mannelijke vliegen die dan zouden worden doorgegeven aan volgende generaties. En ze paren de gemutageniseerde mannetjes met vrouwtjes, en toen gingen ze verder met het isoleren van individuele F1-nageslacht. Dus we gaan kijken naar individuele F1-nakomelingen in deze generatie.

Dus in de F1-nakomelingen hebben ze het potentieel om één gemutageniseerd chromosoom van hun vader te krijgen en krijgen ze een normaal chromosoom van de moeder. Dus ik zal dit zo tekenen, waar onafhankelijke mutaties verschillende kleuren zullen hebben. Dus dat heeft misschien een mutatie op een van zijn chromosomen.

Een andere vlieg, omdat deze willekeurig is, kan een andere mutatie op hetzelfde of een ander chromosoom hebben. Ik zal er nog een paar tekenen. En misschien heeft een van deze vliegen geen geïnduceerde mutatie. En dan teken ik daar maar één onafhankelijke mutatie. Dus nogmaals, dit is willekeurig. Dus om willekeurige mutaties te zien, moet je individuele vliegen nemen.

Ga je nu een fenotype zien in deze F1-generatie? Dus Miles... is het de Malik of Miles? Sorry.

ADAM MARTIN: Mijlen. Mooi zo. OKE.

PUBLIEK: Hoogstwaarschijnlijk niet omdat een willekeurige mutatie [ONHOORBAAR] spontaan zou worden overschaduwd door het directe gen, het vrouwtje.

ADAM MARTIN: Precies. Dus wat Miles net zei is dat - in feite zei hij dat deze mutaties als hun functieverlies mutaties recessief zullen zijn - omdat ze overschaduwd zullen worden door een normaal functionerend gen op het andere chromosoom. Dus als je op zoek bent naar een mutatie met functieverlies, zal die waarschijnlijk recessief zijn, en je zou het niet zien in de F1-generatie.

Dus om te zoeken naar organismen met een onjuist lichaamspatroon, moet je een situatie krijgen waarin elk van de gemuteerde chromosomen homozygoot recessief is. En om dat te doen, moet je meer kruisen maken.

Dus wat de onderzoekers deden, was onafhankelijke individuele organismen nemen en ze allemaal opnieuw kruisen met niet-gemuteerde vliegen. En onthoud dat vliegen zichzelf niet oversteken. Ze hebben dus een mannetje en een vrouwtje nodig die hetzelfde gemuteerde chromosoom met elkaar hebben om een ​​recessief fenotype te zien.

Dus omdat je voor elk van deze slechts een individuele vlieg hebt, moet je meer dan één vlieg met dezelfde mutatie krijgen. Ze paren dus met een normale vlieg. Maar nu kun je een F2-- meerdere F2-mannetjes en -vrouwen krijgen die hetzelfde gemuteerde chromosoom hebben.

Dus hier, laten we deze tekenen. Ze zijn nog steeds heterozygoot. Op dit punt. Maar op dit punt heb je zojuist meerdere organismen gegenereerd, mannelijk en vrouwelijk, die hetzelfde chromosoom hebben dat in wezen voortkwam uit hetzelfde chromosoom en de vader, of de mannelijke gameet en de ouderlijke generatie. Oh, ik deed groen. OKE.

OK, dus nu hebben we mannen en vrouwen, die beide heterozygoot zijn. En ik sla enkele details van dit kruis over. Je moet me op mijn woord geloven dat ze kunnen bijhouden welk chromosoom welk chromosoom is. En ik ga je niet vertellen hoe ze dat deden, want het is vlieggenetica, en het is niet erg belangrijk dat je het weet.

Dus nu heb je mannen en vrouwen. En nu kun je een F3 kijken. En van elk van deze lijnen -- elk van deze lijnen, ga je broers en zussen naar elkaar kruisen. Dus je doet een broer/zus-kruising.

Welke fractie van het nageslacht voor elk van deze kruisingen tussen broers en zussen zou homozygoot moeten zijn voor het mutante chromosoom? Ja, Steven.

ADAM MARTIN: Een kwart, precies goed. Dus Steven heeft helemaal gelijk. Een kwart van het nageslacht zou twee exemplaren van het gemuteerde chromosoom moeten krijgen. Dus 25% zou homozygoot recessief moeten zijn.

En dus kun je dit F3-nakomelingschap screenen voor elk van deze onafhankelijke lijnen, en zoeken naar vliegen in een bepaald ontwikkelingsstadium die gebrekkig zijn in patroonvorming. En dus zal ik je laten zien hoe... waar is mijn clicker gebleven? Oké, dus ze zoeken naar een onjuist lichaamspatroon.

Ja, je vraag... hoe heet je ook alweer?

PUBLIEK: Zou er wat [ONAUDIBLE] in de F2 [ONAUDIBLE] normaal zijn? [ONHOORBAAR]

ADAM MARTIJN: Ja. Dus ze kunnen selecteren op het gemuteerde chromosoom, ja. En ik sla over hoe ze dat deden, want het is nogal esoterisch. Maar je hebt gelijk. Sommige zouden normaal zijn. Maar ik zeg je alleen dat ze de genen met het gemuteerde chromosoom kunnen achterhalen, en ze hebben ervoor gezorgd dat die in de volgende generatie behouden blijven. Goede vraag, Georgië.

Oké, zodat ze F3 kunnen screenen op een fenotype. Het blijkt dat alle mutaties waarin ze geïnteresseerd zijn dodelijk zijn, dus moeten ze naar de larvale stadia kijken voor degenen met een defect in patroonvorming.

Dus zo ziet een Drosophila-larve eruit. En je kunt zien dat het hier een segmentaal patroon heeft. Dit is de kop van de larven, de staart van de larven. Maar zie je, er zijn segmenten die afwisselen tussen gladde nagelriemen en harige nagelriemen. Ze hebben dingen die "tandjes" worden genoemd, dit zijn haarachtige uitsteeksels, die in wezen zijn wat de made gebruikt voor tractie, zodat hij rond kan kruipen. Dus ze kijken hier eigenlijk alleen maar naar maden en kijken naar het patroon van segmenten in de maden.

Maar wat ze vonden is een mutant. En hier is een mutant die deze haarachtige uitsteeksels over de hele cuticula heeft zonder deze tussenliggende gebieden van naakte cuticula. En omdat er hier veel haarachtige uitsteeksels zijn, deed het de onderzoekers denken aan een egel, en dus werd deze mutant bekend als "het hedgehog-gen". speelt een belangrijke rol bij de menselijke ontwikkeling en ook bij kanker bij de mens.

Dus het menselijke gen voor een egel, of een van de belangrijkste bij de mens, staat bekend als sonische egel. Dus je ziet dat genetici een vreemd gevoel voor humor hebben. Maar het sonic-hedgehog-gen is belangrijk bij kanker.

En eigenlijk zijn er nu een aantal medicijnen die worden ontwikkeld om het pad van de egel aan te pakken. En één werd in 2012 goedgekeurd voor gebruik bij de behandeling van basaalcelcarcinoom. En er is momenteel een ander medicijn dat zich in klinische fase II-onderzoeken bevindt voor de behandeling van sommige vormen van leukemie. Dit is een verhaal dat gaat van het identificeren van deze vreemde vliegenmutant tot klinische proeven, het ontwikkelen van medicijnen, waarvan het doel is om deze signaalroute te remmen, waarvoor hedgehog het signaal is - het extracellulaire ligand.

Oké, dus nu ga ik overschakelen en je over een ander verhaal vertellen. Het lijkt een beetje op deze, behalve dat deze een MIT-verbinding heeft. Dus ik ga je vertellen over het werk dat aan het MIT is gedaan in de worm Caenorhabditis elegans.

En dit werk werd gedaan in het lab van Robert Horvitz, die lid is van onze biologieafdeling. En Robert Horvitz won voor zijn werk de Nobelprijs, samen met John Sulston en Sydney Brenner voor hun werk over hoe cellen beslissen tot welk lot ze aanleiding geven. En een ding dat het Horvitz Lab heeft gedaan, is het ophelderen van de mechanismen die bepalen of een cel leeft of sterft tijdens de ontwikkeling.

Dus als we nadenken over de ontwikkeling van een organisme, gaan we allemaal uit van een enkele cel. En de cel deelt zich in verschillende cellen, maar verschillende cellen in ons lichaam geven aanleiding tot verschillende celbestemmingen. Dus als we hier alleen een generieke celdeling beschouwen, heb je een oudercel, A. Het kan zich delen in cel B en cel C.

En misschien heeft cel B een bepaald lot. Het kan zich ontwikkelen tot een neuron, of een spiercel, wat dan ook. Het maakt niet uit.

Maar een lot dat Horvitz, Sulston en Brenner zagen, is dat soms cellen... hun lot was om gewoon te sterven. En dit was erg stereotiep. Je krijgt een dood. En dit werd gedefinieerd als 'geprogrammeerde celdood' omdat het een zeer stereotiep patroon volgde, waarbij dezelfde cel elke keer celdood zou ondergaan, dus het lijkt alsof er een programma voor is. Dit wordt ook wel "apoptose" genoemd

Dus wat dit werk echt mogelijk maakte, is de biologie van C. elegans. En hier laat ik je de ontwikkeling van C. elegans zien. Dit is de C. elegans zygote. Deze cel deelt zich in twee verschillende cellen. Een heet AB, een heet P1. En we weten precies wat het lot van de afstammelingen van deze beide cellen is, gebaseerd op het werk van Sulston, Brenner en Horvitz.

Nu krijg je een viercellig stadium waarin AB zich in twee cellen deelt en P1 zich in twee cellen deelt. En nogmaals, we kennen het lot van al deze cellen.

En wat de onderzoekers van C. elegans hebben gedaan, omdat C. elegans een relatief eenvoudig organisme is - er zijn slechts 947 cellen in elke individuele worm, dus er zijn 947 somatische cellen. En dit is stereotiep. Elke worm heeft deze 947 cellen.

Hoeveel cellen heb je? Meer dan of minder dan 1.000? Je hebt meer dan 1.000 cellen, toch? Dat maakt je veel ingewikkelder.

Het praktische aspect van C. elegans is dus dat het een veel eenvoudigere samenstelling heeft en dat ze kunnen volgen wat er met elk van deze cellen gebeurt. Ze weten wanneer elke cel zich deelt en waar de dochtercellen van die deling in zullen veranderen. Met andere woorden, ze kennen de hele afstamming van dit dier. Dit is dus een foto van de afstamming. Dat laat je zien wat er met elke cel gebeurt in de ontwikkeling van een volwassen worm.

Wat Robert Horvitz vooral interesseerde, is dat 131 cellen tijdens de ontwikkeling van dit dier een geprogrammeerde celdood hebben ondergaan. En dit is geen willekeurige celdood. Het zijn elke keer dezelfde cellen. Ze weten wat er met elke cel gebeurt tijdens de ontwikkeling van dit organisme, dus ze weten wanneer er een deling is en er sterft elke keer een specifieke cel in het organisme. Het is dus echt een uniek scenario, waarbij je echt kunt zien wat er gebeurt met elke cel die in het organisme aanwezig is.

Oké, laten we het nu eens hebben over het doodsproces. Dus ik zal het celdoodproces eenvoudig maken. Je begint met een levende cel. Dus je hebt een levende cel. Die levende cel sterft zodanig dat je dan een dode cel hebt.

En dan, nadat de cel sterft, nadat de cel sterft, worden de overblijfselen van die dode cel opgeslokt door aangrenzende cellen, zodat je die cel niet meer ziet. Dus de laatste stap in dit proces is overspoeling.

Een belangrijk aspect van een van de schermen van Horvitz is dat andere onderzoekers een mutatie hadden geïdentificeerd die celdood beïnvloedde die specifiek dit verzwelgingsproces blokkeerde. En dit gen wordt ced-1 genoemd. Daar is de eerste celdoodmutant die werd geïdentificeerd.

"Ced" staat voor "Cell Death abnormal", dus C-E-D is een afkorting voor "ced." Dus onderzoekers in het veld van C. elegans begonnen deze celdood-abnormale mutanten te isoleren, waarbij er iets gebeurde in het celdoodproces dat abnormaal was. En ik zal je vertellen hoe dit werd gebruikt door het Horvitz-lab om in feite een pad van genen te identificeren die betrokken waren bij celdood.

Dus dit is nu een worm. En wat je in deze worm ziet, zijn deze belachtige structuren die cellen zijn die dood zijn maar niet zijn verzwolgen. Dus deze dode cellen zijn zichtbaar in de volwassen worm, omdat ze niet worden verzwolgen. En dus kun je eigenlijk gewoon naar volwassen wormen kijken en zien of deze belachtige structuren al dan niet aanwezig zijn in een ced-mutant. In een wildtype worm zie je dit niet, en dus is het moeilijker te zien.

Maar dit leverde een visuele test op om te zoeken naar mutaties die het celdoodproces blokkeren, want als je het proces stroomopwaarts van ced-1 in een overspoeling blokkeert, zul je deze belachtige structuren niet langer zien. En dat is wat het Horvitz Lab deed.

Ze begonnen met ced-1 mutante wormen. Dus ze beginnen met de ced-1-mutanten. En ze mutageniseerden deze ced-1-mutanten. Sorry, gemutageniseerd. En dus zijn ze in wezen op zoek naar tweede mutanten in dit dier die het doodsproces zullen beïnvloeden. Oké, ik zal je door de logica hiervan leiden.

Dus voor de rest van de generaties waar ik je over ga vertellen, zijn ze allemaal ced-1-mutant. Ced-1 is in dit geval homozygoot. En de wormen zijn hermafrodieten, wat betekent dat ze zowel mannelijke als vrouwelijke geslachtsorganen zijn. En daarom kunnen ze zichzelf bevruchten. Dit is dus een zelfkruising. En dus blijft ced-1 homozygoot mutant gedurende al deze kruisingen.

Nu vergelijkbaar met het vliegenscherm, kunnen ze zoeken naar individuele - of je krijgt hier individuele wormen. Laten we wat kleuren nemen, zodat we verschillende chromosomen kunnen vergelijken. Oké, dus dit chromosoom kan één mutant hebben, dit chromosoom kan een andere mutant hebben, en dit chromosoom kan een andere mutant hebben, en misschien heeft deze geen mutant.

OK, maar nogmaals, dit zijn heterozygote dieren, dus als je op zoek bent naar een functieverliesmutant, zou je het fenotype in dit stadium niet zien. Dus wat er in dit scherm werd gedaan, is dat, omdat dit wormen zijn en het hermafrodieten zijn, ze in principe elk van deze wormen zichzelf lieten kruisen. Dus nu hadden we het over een zelfkruising.

En omdat een enkele worm slechts één van deze chromosomen heeft, zal een kwart van het nageslacht, wanneer het een zelfkruising ondergaat, homozygoot recessief zijn voor de mutatie. OK, dus hier hebben we de F1-generatie. En nu kunnen ze alleen naar de F2-generatie kijken, en ze zijn op zoek naar een fractie van de wormen die het resultaat zijn van elk individu dat een fenotype heeft dat lijkt op een celdoodmutant fenotype.

En dus gaan ze in wezen de F2-generatie screenen en zoeken naar wormen die deze bubbelachtige structuren niet hebben in de volwassen wereld. Dus ze zoeken naar een verlies van deze refractiele structuren. En ze kregen er een. Dit is nu een dubbele mutant tussen ced-1 en ced-3, en je ziet hoe je deze grote belachtige structuren niet meer in de worm hebt. Dus identificeerden ze een mutant, en dus een gen, dat "gequoted-3" wordt genoemd, dat er in feite voor zorgt dat de cellen niet celdood ondergaan.

Nu, gegeven wat ik heb gegeven wat ik je heb laten zien, is dit noodzakelijkerwijs een mutant die betrokken is bij celdood? Kun je een alternatieve verklaring bedenken waarom je dit soort bubbelachtige structuren zou verliezen? Wat kan er nog meer gebeuren?

Als je zo'n scherm maakt, en als je wetenschap in het algemeen doet, moet je nadenken over alle verschillende soorten mogelijkheden. Ja, Georgië.

ADAM MARTIN: Uitstekend. Georgia zei dat je ced-1 had kunnen remuteren. Dus een mogelijkheid is dat je een ced-1-revertant isoleerde, wat betekent dat je zijn DNA-sequentie hebt veranderd, zodat het ced-1-gen nu functioneel is.

Dus een scenario hier is dat je een soort revertant zou kunnen hebben, of je zou een suppressormutatie kunnen hebben. Misschien heb je een mutatie die de functie van ced-1 omzeilt, zodat de cellen nu de dode cel kunnen overspoelen. Je zou dus ook een onderdrukker kunnen hebben. Of het alternatieve scenario, het scenario dat we willen, is dat we het celdoodproces hebben beïnvloed en iets hebben geïdentificeerd dat een bonafide celdoodmutant is.

Hoe zou je onderscheid maken tussen deze twee? Om het even welke ideeën? Moet deze een extra cel hebben? Nee. Stevens zegt nee. Daar ben ik het mee eens. Er zou hier geen extra cel moeten zijn, want als je het fagocytische proces herstelt, dan zou de cel moeten sterven, het zou moeten worden opgeslokt, en er zou geen extra cel moeten zijn.

Maar als dit een bonafide celdoodmutant is, dan zou je extra cellen moeten hebben. En het blijkt dat de ced-3-mutant al deze 131 celdood blokkeert, zodat je 131 extra cellen hebt. Omdat ze de hele celafstamming van deze worm kennen en kunnen zien of er wel of niet cellen aanwezig zijn, kunnen ze zien of er extra cellen zijn of niet. En daardoor konden ze concluderen dat ze een echte mutant hadden die het mechanisme beïnvloedde dat ervoor zorgt dat de cel sterft.

En dit laat zien dat de celdood-- het laat zien dat de celdood een actief proces is. Het is niet zomaar een willekeurige gebeurtenis die plaatsvindt. Het is een actief proces dat wordt aangestuurd door genen. Er is dus een actief mechanisme betrokken bij de celdood. Vragen over hoe deze schermen in de kruisen gaan voordat ik verder ga?

Oké, dus ik heb nog een verhaal om je over te vertellen, en dit heeft betrekking op gedrag. Dus nu wil ik je vertellen over gedrag. We gedragen ons allemaal, sommigen van ons beter dan anderen.

Dus hoe kunnen we van zoiets abstracts als gedrag naar specifieke genen en mechanismen gaan die dit beheersen? En ik ga je vertellen over het werk dat vorig jaar de Nobelprijs kreeg. Twee van deze onderzoekers, hun loopbaan is bij Brandeis. En dus ontdekten ze het mechanisme dat het circadiane ritme in organismen regelt, dus het circadiane ritme.

Het circadiane ritme is dus een gedrag. We zijn op bepaalde delen van de dag wakker en slapen 's nachts. Als je verborgen bent voor de licht-donkercyclus, ga je nog een tijdje door met deze cyclus. Er zit dus iets intrinsieks in ons systeem waardoor we willen bestaan ​​in deze 24-uurs waak-slaapcyclus. Daarom is het vervelend om naar de andere kant van de wereld te reizen.

Dus we willen identificeren wat dit gedrag regelt. Wat zou dan een fenotype kunnen zijn waarnaar u zou kunnen zoeken? Wat zou er gebeuren als je het circadiane ritme doorbreekt? Ja, Rachel.

ADAM MARTIN: Het zou geen mooie, duidelijke waak-slaapcyclus hebben. Precies.

Dus dit scherm... wat ze deden is zoeken naar vliegen waar ze deze robuuste waak-slaapcyclus niet hadden. Dus je zoekt eigenlijk naar vliegen die 's nachts wakker zijn en identificeert de mutaties die dit veroorzaken. Oké, ik zal je een voorbeeld laten zien van hoe de gegevens eruit zien.

Dus wat elk van deze lijnen is, elk vinkje is een meting van vliegactiviteit. Dus wat je ziet zijn vliegen die slapen, ze zijn wakker, ze slapen, ze zijn wakker. En onderzoekers identificeerden mutanten die deze 24-uurs cyclus niet vertoonden. Dus sommige zijn gewoon totaal aritmisch. Andere mutanten veranderen de periode van deze cyclus zodat deze langer of korter is.

Dit is dus een heel elegante manier om genen te zoeken die belangrijk zijn voor het circadiane ritme. En ik zal je door het genetische scherm leiden. Dit werd gedaan door Konopka en Benzer. En ze hebben een mooi scherm gemaakt. Het gaat om een ​​genetische truc die ik je zal laten zien.

Er is een type chromosoom dat 'aangesloten-X' wordt genoemd in vliegen, waarbij twee X-chromosomen aan elkaar zijn gefuseerd, dus twee X-chromosomen zijn gefuseerd. En als een vlieg twee X-chromosomen heeft, is het een vrouwtje. Als het maar één X-chromosoom heeft, is het mannelijk. Dus dat bepaalt het geslacht van de vlieg.

Dus toen namen deze onderzoekers mannen en mutagen ze ze. En ze kruisten deze mannetjes met aangehechte X vrouwtjes. En als je mannetjes kruist met aangehechte X-vrouwtjes, doe je iets slims, namelijk dat de helft van het nageslacht sterft omdat je een X-chromosoom nodig hebt en je niet drie X-chromosomen kunt hebben. Maar je vrouwtjes zijn allemaal XY gehecht. Dus de vrouwtjes krijgen hun X-chromosomen eigenlijk van hun moeder, wat het tegenovergestelde is van hoe het normaal werkt. En mannen krijgen hun X-chromosoom van vader omdat de aangehechte X-stam een ​​Y-chromosoom heeft.

Dus dit is een beetje een genetische truc. En de vlieg... de reden dat het in dit geval werd gedaan, is dat ze het X-chromosoom wilden muteren en dan de vaders hun X-chromosoom wilden doorgeven aan hun zonen omdat er maar één kopie van het X-chromosoom is. Dus als je een mutatie op X krijgt, hoef je die niet homozygoot te maken omdat er maar één kopie van is. Het is dus een beetje een genetische truc die de onderzoekers in dit geval een generatie op hun scherm heeft gediend. Oké, dus neem dit, en dan identificeer je nu mannen die een gemuteerd X-chromosoom hebben, en ze hebben maar één X-chromosoom, dus je zou het gedrag zelfs hier moeten kunnen observeren.

Maar om een ​​lijn van vliegen vast te stellen die deze mutatie hebben, namen ze deze F1-gemuteerde mannetjes en kruisten ze opnieuw met aangehechte X-vliegen. En nogmaals, door dit te doen, zijn alle mannetjes van deze kruising mutant. Dus nu heb je meerdere mannetjes, die allemaal mutant zijn. Je kunt dus beginnen met een enkele mannelijke F1. En door het met deze soort hier te kruisen, krijg je nu veel mannen die het gemuteerde chromosoom hebben, en je kunt naar hun gedrag kijken om te bepalen of je het circadiane ritme hebt beïnvloed.

Begrijpt iedereen hoe de bijgevoegde X hier werkt? Het is een beetje een trucje, maar vliegen hebben deze hulpmiddelen die je kunt gebruiken om je tijd in het lab te besparen.

Oké, dus deze mutanten die het Benzer Lab identificeerde, hadden een veranderde periode van de slaap-waakcyclus, en daarom werd het gen "periode" genoemd. Dus dit scherm identificeerde een gen genaamd "periode". Dit is een gen. En er is een hamerlogboek van het periode-gen bij mensen.

En het gen bij mensen is geassocieerd met het familiale geavanceerde slaapfase-syndroom. Defecten in de genen die in Drosophila werden geïdentificeerd, zijn dus relevant voor menselijke slaapstoornissen. Oké, ik ben helemaal klaar.


Tiny Worlds visualiseren, Janet Iwasa

De biochemicus Janet Iwasa van de Universiteit van Utah bespreekt het belang van visualisatie bij het vormen van wetenschappelijke hypothesen. Ze deelt haar werk over het visualiseren van de eiwitfunctie, een belangrijke aanjager van cellulaire processen. Omdat eiwitten zo klein zijn, is hun gedrag niet direct waarneembaar en moeten wetenschappers veel soorten gegevens in visualisaties samenbrengen om hun functie te begrijpen. Door hun hypothesen te vertalen in 3D-animaties kunnen biochemici het onderzoek communiceren, bekritiseren en verfijnen.

Deze lezing maakte deel uit van de conferentie Visualization for Informal Science Education in het Exploratorium, die thema's als interpretatie, vertelling, verbreding van participatie, toepassing van onderzoek in de praktijk, samenwerking en de mogelijkheden van technologie onderzocht.

VISUEELISE werd mogelijk gemaakt dankzij de genereuze steun van de Gordon and Betty Moore Foundation en de National Science Foundation onder Grant nr. 1811163. Alle meningen, bevindingen en conclusies of aanbevelingen die in dit materiaal worden uitgedrukt, zijn die van de auteur(s) en zijn niet noodzakelijk weerspiegelen de standpunten van de National Science Foundation.


Hoe weet je door alleen naar een foto zonder label te kijken dat het een eiwit is? - Biologie

A. Ik kan het verschil zien tussen genotype en fenotype.
B. Ik kan uitleggen hoe mijn fenotype als zygote werd bepaald.
C. Ik kan monohybride en dihybride Punnet vierkante kruisen uitvoeren.
NS. Ik kan de resultaten van Punnet-vierkanten analyseren om de kans op nakomelingen te bepalen
met bepaalde genotypen of fenotypen.
e. Ik kan illustreren hoe Mendels wet van segregatie en wet van onafhankelijk assortiment
sta me toe vierkante kruisen van Punnet uit te voeren.
F. Ik kan samenvatten waarom geslachtsgebonden eigenschappen en gekoppelde genen de wetten van Mendel niet volgen.
G. Ik kan een stamboom interpreteren om het volgende te bepalen: overervingspatronen van eigenschappen,
fenotypes en genotypen van individuen in de stamboom, en de waarschijnlijkheid van toekomst
nakomelingen met bepaalde genotypen of fenotypen.

Woordenschat: genotype, fenotype, zygote, wet van segregatie, wet van onafhankelijk assortiment, geslachtsgebonden eigenschappen, gekoppelde genen

Bekijk nu deze zeer korte video's:


Maar hoe wist die zygote precies hoe hij jou kon maken met de eigenschappen die je hebt? Bedenk dat chromosomen zijn gemaakt van DNA en dat DNA-segmenten op de chromosomen die coderen voor één type eiwit genen worden genoemd. Deze genen, en meer specifiek de allelen op de chromosomen die je hebt geërfd van de eicel en de zaadcel die je heeft gemaakt, bepalen welke eigenschappen je zult vertonen. De naam voor de specifieke combinatie van allelen voor elk van uw genen wordt uw genotype genoemd.

Voordat we verder gaan, laten we ervoor zorgen dat je een aantal basiswoordenschat begrijpt. Bekijk deze interactieve en zie hoe goed je het doet:

Hoe kunnen we voorspellen hoe organismen eruit zullen zien?


In Mendeliaanse Genetica wordt het belangrijkste hulpmiddel dat we gebruiken om ons te helpen de fenotypes (en genotypen) van organismen te voorspellen, het Punnet-vierkant genoemd. Een Punnet-vierkant (dat altijd met een hoofdletter wordt geschreven omdat het iemands naam is) kan ons helpen de overerving van één eigenschap (d.w.z. haarkleur) te voorspellen. Wanneer een Punnet-vierkant zich op slechts één eigenschap concentreert, noemen we dat een monohybride kruising. In dit type kruis wordt een vierkant van 2 x 2 gebruikt en u bent misschien het meest bekend met dat type Punnet-vierkant. Soms gebruiken we echter, omdat wetenschappers dingen zo ingewikkeld mogelijk willen maken, een groter Punnet-vierkant om de overerving van twee verschillende eigenschappen te volgen. Dit wordt een dihybride kruising genoemd en gebruikt een vierkant van 4 x 4 Punnet. Genetici gebruiken dihybride kruisingen om te zien of eigenschappen samen of afzonderlijk worden overgeërfd.

Bekijk deze stap-voor-stap over het opzetten en invullen van het Punnet-vierkant voor een monohybride kruising:

Ga dan hierheen en lees het gedeelte met de titel 'One Trait-Monohybrid Cross'. Rol met je muis over het Punnet-vierkant om een ​​animatie te zien van hoe je het Punnet-vierkant moet invullen.

Bekijk ook de Monohybride Tutorial (One-Trait) in deze presentatie:

Laten we nu wat problemen oplossen! Lees elk probleem aandachtig door en BESPREEK dan wat u denkt te moeten doen met iemand aan uw tafel. (Ja, ik zou mensen moeten horen praten, niet de hele tijd aan het werk in zombie-achtige stilte!) Nadat je hebt besloten wat je moet doen, doe het dan op je eigen kladpapier, selecteer een antwoord en kijk dan of je gelijk hebt .

Wat als je het mis hebt? JE MOET DE UITLEG LEZEN EN UITKOMEN WAT JE VERKEERD DOET, VOORDAT JE VERDER GAAT MET DE VOLGENDE VRAAG. Je moet ook noteren wat er mis is gegaan en hoe je het ergens kunt oplossen, zodat je het later niet vergeet.

Je zult wat problemen krijgen met erwtenplanten, en je moet weten welke eigenschappen je gaat kruisen, wat de letters zijn die elke eigenschap vertegenwoordigen, en welke eigenschappen dominant en recessief zijn. (Voor nu zullen we te maken hebben met eigenschappen die volledige dominantie vertonen en slechts twee allelen hebben voor elke eigenschap.)

Maak het Punnet-vierkant op kladpapier.

Maak het Punnet-vierkant op een apart vel kladpapier.

Maak het Punnet-vierkant op een apart vel kladpapier.


En probeer dan deze problemen:

Bekijk deze stapsgewijze uitleg over het maken van dihybride kruisen en vul het Punnet-vierkant in voor een kruising met twee eigenschappen:

Ga dan naar de pagina hieronder en lees het gedeelte met de titel "Twee eigenschappen - Dihybride kruisingen". Beweeg je muis over de animatie en zie hoe je dit Punnet-vierkant invult.

Bekijk ook de tutorial voor twee eigenschappen (dihybride kruisingen) in deze presentatie:

Mendel, zoals je weet, als monnik in de 19e eeuw die ontdekte hoe organismen hun eigenschappen erven door heel veel erwtenplanten te kweken, en de eigenschappen en hoe ze werden geërfd in de nakomelingen van zijn veredelingsexperimenten met erwtenplanten. Mendel leidde de basisprincipes van overerving af zonder ooit te weten dat chromosomen in de kern bestonden, of dat DNA verantwoordelijk was voor het weten hoe je al je eiwitten moest maken, die je je eigenschappen geven.

Mendel heeft twee genetische wetten ontwikkeld die je moet kennen:

De wet van segregatie
De wet van onafhankelijk assortiment

Bekijk deze leerzame afspeellijst die mevrouw E helemaal alleen heeft gemaakt zonder hulp op MentorMob (wat zo cool is):

http://bit.ly/ITfyME (Dit bevindt zich ook bovenaan de Mendelian Genetics Juno-activiteitenpagina op de klaswebsite)

Genen waarvan wordt gezegd dat ze "gekoppeld" zijn, zijn slechts genen die zich op hetzelfde chromosoom bevinden. Uit je studie van meiose weet je dat hele chromosomen worden verplaatst en in de gameten worden gestopt die aan het einde van dat proces worden gemaakt. Uit je studie van chromosomen weet je dat één chromosoom veel genen bevat (DNA-gebieden die coderen voor een eiwit). Dus als je die twee dingen kent, is het logisch om te zeggen dat alle genen op één chromosoom samen worden geërfd, omdat ze allemaal met elkaar verbonden zijn - of verbonden - met elkaar op dat ene chromosoom. Hieronder is een illustratie van gekoppelde genen:

Zoals je kunt zien, zelfs als de bovenstaande chromosomen worden gescheiden, worden de genen die erop zitten samen als een pakket geërfd. Het is net als het scheiden van elke show in een paar, ook al verplaatst u de ene schoen van de andere, wanneer u ze uit elkaar haalt, gaat alles op elke show mee, de veters, de zool, enz. Een andere manier om hier naar te kijken is dat gekoppelde genen volgen niet de assortimentswet van Mendel - ze worden niet willekeurig geërfd omdat ze zich op hetzelfde gen bevinden, en daarom vertonen ze niet de typische 9:3:3:1 verhouding die je zou verwachten in de populatie als ze werden echt willekeurig en in alle mogelijke combinaties geërfd.

Geslachtsgebonden genen - beschrijving, video, P-kwadraat problemen of voorbeelden

In het diagram kruisen twee homologe chromosomen met de genen A, B en C elkaar. Merk echter op dat genen A en B niet worden geschud door over te steken, maar genen A en B wel worden geschud vanuit gen C. Dit komt omdat, met gekoppelde genen, hoe verder ze op het chromosoom van elkaar verwijderd zijn, hoe groter de kans dat ze worden losgekoppeld door over te steken - en zich gedragen alsof ze zich op afzonderlijke chromosomen bevinden. Omgekeerd, hoe dichter twee genen op een chromosoom liggen, hoe groter de kans dat ze verbonden blijven. Zelfs als ze worden overgestoken, omdat ze zo dicht bij elkaar staan, hebben ze de neiging om ook samen over te steken.

Geslachtsgebonden genen zijn NIET hetzelfde als gekoppelde genen, ook al hebben ze het woord "gekoppeld" in beide termen. Geslachtsgebonden genen verwijzen naar alle genen die zich op de geslachtschromosomen (de X- en Y-chromosomen) bevinden. In die zin hebben we het niet over genen die zich op hetzelfde chromosoom bevinden, maar over genen die zich op een van de geslachtschromosomen bevinden (die, vergeet niet, homologe chromosomen zijn).

Genen die zich op deze chromosomen bevinden, volgen doorgaans niet de wetten van Mendel. Waarom? Vanwege de structuur van de X- en Y-chromosomen specifiek, vanwege enkele verschillen in het Y-chromosoom in vergelijking met de X. Kijk eens naar het onderstaande karyotype (wat een mooie manier is om alle homologe paren weer te geven. En ja, dit is hoe je homologe chromosomenparen er echt uitzien). Kijk goed naar de doos met het label 'geslachtschromosomen'.

Het betekent iets heel belangrijks in termen van het erven van dominante en recessieve allelen. Op een paar homologen die dezelfde lengte hebben en beide kopieën van dezelfde genen hebben, zou je twee kopieën van een recessief allel moeten erven om de recessieve eigenschap in je fenotype te tonen. Bij geslachtsgebonden eigenschappen is dit echter niet het geval - als het recessieve allel dat u erft zich op het X-chromosoom bevindt en het heeft geen corresponderende kopie op het Y-chromosoom, dan heeft u slechts EEN kopie van het recessieve allel nodig om om het recessieve fenotype aan te tonen.

Bekijk bijvoorbeeld het Punnet-plein hieronder over de vererving van kleurenblindheid. Let op de verschillende notatie die we gebruiken voor geslachtsgebonden eigenschappen, we schrijven de "X" en "Y" langs de zijkant, met het allel (in dit geval B voor kleurenblindheid) geschreven als een superscript.

  • Gaat het om eenvoudige dominante en recessieve eigenschappen, onvolledige dominantie of co-dominantie?
  • Is het een monohybride of dihyrid?
  • In dit geval is er maar één eigenschap. dit is een monohybride kruising met geslachtsgebonden eigenschappen.
  • In dit geval is het een geslachtsgebonden probleem. Onthoud dat XX is vrouwelijk, en XY is mannelijk. H=normaal en h=hemofilie. Normaal gesproken schrijf je niet de hoofdletters op de genotypen, alleen het kleine geval (het recessieve gen dat verantwoordelijk is voor de aandoening)
  • In dit geval kreeg u te horen dat de ouders waren: Vrouwelijke drager = X h X, en een man met hemofilie = X h Y.
  • Het kruis is: X h X x X h Y
  • X h Xzou een maken X hen x
  • X h Yzou een maken X hen Y
  • OPMERKING: De vrouwelijke gameten gaan altijd bovenop het punnett-vierkant en de mannetjes aan de zijkant.

Hoewel monohybride en dihybride kruisingen nuttig zijn om mogelijke nakomelingen voor één generatie te voorspellen, moeten we soms eigenschappen over meerdere generaties volgen om te bepalen hoe een eigenschap wordt geërfd en om mogelijke nakomelingen te voorspellen. Daarvoor gebruiken we stambomen. Stambomen zijn grafieken die laten zien hoe eigenschappen over vele generaties worden geërfd. Hieronder ziet u een voorbeeld van hoe een stamboom eruitziet:


Sridatta Teerdhala

“Het voelt heel goed om te weten dat al je harde werk van de afgelopen vier jaar tot wasdom is gekomen. Toen ik het hoorde, was ik natuurlijk heel, heel blij, maar ik denk dat wat belangrijker is dan de eigenlijke titel, de kennis en ervaring is die ik in die vier jaar heb opgedaan. Ik voel me heel gelukkig en dankbaar dat ik hiermee vereerd ben.”

Wat zijn je plannen voor na de middelbare school?

“Ik ga in de herfst naar de Universiteit van Pennsylvania en ik zal daar een speciaal programma volgen genaamd Life Sciences and Management (LSM). Dus eigenlijk zal ik toewerken naar een duale graad: een in biologie van het College of Art and Sciences en een in economie van de Wharton School of business.”

Wat ben je van plan met die twee majors?

“De reden waarom ze het programma in de eerste plaats hebben, is om de wereld van wetenschappelijk onderzoek en biologie te mengen met de wereld van het bedrijfsleven. Dat is precies waar ik erg in geïnteresseerd ben. Ik ben geïnteresseerd in de biotech- en de medtech-industrie. Met die twee graden en met de vaardigheden en ervaring die ik door dat programma zal opdoen, wil ik ofwel de biotech ingaan en wat ondernemerschap doen, of misschien naar de medische school gaan om mijn onderzoek en studies in de geneeskunde voort te zetten. Misschien [zal] ik daarna iets doen als het gaat om biotech of medtech, of arts worden. Ik weet het nog niet zeker en ik denk echt dat dit programma me zal helpen om alle verschillende facetten van de medische industrie te verkennen.”

Hoe ben je tot de beslissing gekomen wat je op de universiteit wilt gaan doen?

"Ik denk dat mijn ervaringen op de middelbare school me hebben geleid naar wat ik wil doen op de universiteit, ik denk zelfs dat de middelbare school en de lagere school [ook]. Op de middelbare school en de lagere school wist ik dat ik van wetenschap hield. Ik denk dat dat een van mijn favoriete vakken was, dus toen ik naar de middelbare school ging, wilde ik buiten school onderzoeken wat wetenschap betekent. Buiten school heb ik veel onderzoek gedaan. In de 10e klas werkte ik op de UT Southwestern en deed ik daar wat genetisch onderzoek. In de zomer voor de 11e klas deed ik wat scheikundeonderzoek. Daarna heb ik dit jaar thuis wat biotech-onderzoek gedaan, werkend aan mijn eigen innovatie. Door die ervaringen en het leren over biologie en scheikunde en natuurkunde op school, versterkte ik mijn beslissing om iets in de wetenschap te willen doen.”

“Als het gaat om het zakelijke aspect, heb ik er altijd van gehouden om iets alleen te doen en er een team omheen te vormen, aan iets werken voor een gemeenschappelijk doel. Dit jaar economie studeren was erg interessant voor mij, dus ik wilde beide werelden combineren. Toen ik dit programma vond, had ik het geluk dat dit de perfecte plek was om dat te doen. Op veel plaatsen moet je dat alleen doen, vooral als je probeert een duale graad te coördineren, maar het programma zelf is de duale graad die het raamwerk voor je vormt en het is gemakkelijk te volgen. Het is echt een ervaring, dus dat is wat me naar mijn interesses bracht en besloot dat ik dit op de universiteit wilde doen.”

Wat is de innovatie waaraan u werkt en uw doelen daarvoor?

Momenteel werk ik aan een project met twee van mijn beste vrienden en het is momenteel op International [Science and Engineering Fair] (ISEF), dus daar zijn we enthousiast over. Kortom, het is een goedkope bloedanalysator. Het is een beetje gebaseerd op een zwangerschapstest - een zeer goedkope, betaalbare test. U laat een urinemonster op de test vallen en u krijgt een positief of negatief resultaat. Kortom, we doen die zwangerschapstest - en in het algemeen worden dat soort tests laterale stroomzuren genoemd - en [we] nemen laterale zuren uit bloed en gebruiken machinaal leren om de relatie tussen kleurverzadiging en eiwitconcentratie te achterhalen. We hebben een apparaat gemaakt dat dit doet en de toepassingen zijn dat het de kosten van een bloedtest kan verlagen. Bloedonderzoek is behoorlijk duur, vooral in ontwikkelingslanden. Op het platteland vind je deze enorme, dure bloedanalysatoren. Op dit moment bedragen de kosten van dit apparaat ongeveer $ 50 tot $ 100. We hebben nog een lange weg te gaan, maar dat is ons project: de kosten van bloedonderzoek verlagen en het toegankelijker, betaalbaarder en handiger maken voor de wereld.”

Wat motiveerde je gedurende het schooljaar?

“Ik denk dat de motivatie voor mij komt door het feit dat ik het heel leuk vind om verschillende onderwerpen te onderzoeken en meer te leren. Soms kan die motivatie [vervallen] als je gewoon aan het leren bent en je geen extern doel hebt. Mijn externe doel was dat ik tijdens het eerste semester behoorlijk hard moest werken om mijn cijfers op peil te houden, om deze functie te krijgen. Dat was zeker een motivatie. Tijdens het eerste semester en het tweede semester [was het] gewoon aan het leren omdat ik weet dat ik veel van deze informatie zal moeten gebruiken die ik leer op de middelbare school en op de universiteit en daarbuiten. Als je de kans krijgt om het te doen, leer het dan nu. Het is niet nodig om te zeggen 'Oh, dat zal ik op de universiteit leren', omdat je op de universiteit meer dingen kunt ontdekken. Als het op motivatie aankomt, denk ik dat zolang je het onderwerp leuk vindt, je motivatie kunt vinden door het gewoon te leren, je hebt niet echt een extern doel nodig zoals 'Ik wil het goed doen in deze klas, zodat ik indruk kan maken in studeren of naar deze opleiding gaan of dit cijfer halen.’ Als je die motivatie hebt, is dat natuurlijk goed, maar dat mag niet de enige motivatie zijn. Ik denk dat dat me dit jaar echt heeft geholpen om gewoon door te leren, ook al waren sommige van die externe motivaties niet aanwezig.”

Wat of wie waren volgens u uw grootste rolmodellen die ertoe hebben geleid dat u afscheid heeft genomen?

"Ik zal het cliché-antwoord moeten volgen en mijn ouders moeten kiezen omdat ze heel hard werken en ze eigenlijk alles voor me doen. Wat een geluk had ik ook, ik zit in een gemeenschap die een veilige gemeenschap is en ik zit op een geweldige school, ik heb liefhebbende vrienden [en] familie [en] ondersteunende leraren. Het voelde alsof het mijn verantwoordelijkheid was om te profiteren van alle middelen die ik had en hard te werken en zo succesvol mogelijk te zijn. Als ik naar veel mensen over de hele wereld kijk, zijn veel van hen niet zo gelukkig als wij, dus ik verbeeld me gewoon wat ze zouden kunnen bereiken met de middelen die we hebben gehad en inspireerde me om te profiteren van de middelen.

Welk advies zou je onderklassers willen geven over de middelbare school of het leven na het afstuderen?

"Ik zou zeggen [het] eerste ding is om van de middelbare school te genieten. Deze vier jaar krijg je nooit meer terug en probeer je minder op de resultaten of de uitkomsten te concentreren. Zolang je hard werkt, krijg je resultaten - het komt automatisch. Probeer niet te veel nadruk te leggen op de uitkomsten en resultaten en concentreer je in plaats daarvan op het onderhouden van relaties met je vrienden of je leraren op de middelbare school en het smeden van echt onvergetelijke herinneringen aan de middelbare school, want over 10 jaar zul je je niet herinneren: 'Ik heb dit cijfer in deze klas' of 'Ik heb deze wedstrijd gewonnen'. Je zult je herinneren 'Ik heb deze vriend ontmoet en ik heb deze herinnering aan deze ervaring [die] echt leuk of grappig was'. een toets of een opdracht kan heel stressvol lijken, maar zelfs over een week of maand of uiteindelijk over 10 jaar klinkt het zo zinloos. Het enige dat zijn betekenis zal behouden, zijn de relaties die je aangaat met je leraren en je vrienden en de herinneringen die je maakt. Dus ik zou onderklassers adviseren om natuurlijk hard te werken, maar ook te focussen op het maken van relaties en herinneringen.”

Als je je laatste jaar in één woord of zin zou kunnen omschrijven, wat zou dat dan zijn en waarom?

“Eén woord of zin zou zijn: ‘we moesten ons aanpassen’. Want als het op dit jaar aankwam, als het ging om het maken van seniorenherinneringen en om dit jaar zo gedenkwaardig mogelijk te maken, moest je je aanpassen en die herinneringen zelf maken - omdat we niet op de campus waren. Je moest zelf contact zoeken met vrienden en leraren. Dus ik zou zeggen dat we ons dit jaar moesten aanpassen."

Als je terug kon gaan naar je eerste dag op de middelbare school, wat zou een advies zijn dat je je vroegere zelf zou geven?

“Ik zou zeggen, wees gewoon wat opener. Ontmoet gewoon nieuwe mensen [en] maak nieuwe vrienden omdat ik denk dat ik in de negende klas bij mijn vrienden op de middelbare school bleef en het was pas het laatste semester van de negende klas dat ik nieuwe vrienden begon te maken en dat gaf me veel meer geluk. Mensen zeggen dat je eerste jaar het slechtste jaar is, maar voor mij was het eerste semester van de negende klas het slechtst omdat, zoals ik al eerder zei, ik me op de verkeerde dingen concentreerde. Ik zou op die eerste schooldag tegen mijn eerstejaars zeggen: wees open, maak nieuwe vrienden, bereik nieuwe mensen en blijf hard werken, maar concentreer je niet te veel op het cijfer dat je voor een opdracht gaat krijgen of een project of een test.'”

Aan welke activiteiten of buitenschoolse activiteiten heb je deelgenomen op de campus?

“Naast NHS, wetenschapsbeurs en geschiedenisbeurs, deed ik de eerste twee jaar orkest, maar ik ging niet verder in de 11e en 12e klas. Ik heb de eerste drie jaar ook aan Spanish Club gedaan. Ik weet niet of ze dit jaar een Spaanse club hadden. Ik woonde het Pan American Student Forum (PASF) evenement bij in de negende klas. We gingen naar San Antonio en deden daar mee. Ik heb ook Whiz Quiz gedaan.”

Op welke prestatie ben je het meest trots?

“Ik ben trots op [hoe] we op de wetenschapsbeurs dit jaar de internationale wetenschapsbeurs hebben gehaald, dus dat is iets waar ik erg trots op ben, vooral sinds de afgelopen drie jaar, dat was een van onze doelen. Dit jaar na drie jaar hard werken en de laatste twee jaar ISEF hebben kunnen realiseren, was dat iets waar ik erg trots op was.”

“Ook iets waar ik echt trots op ben, is dat we dit jaar, ondanks de pandemie, een zeer succesvol jaar hebben kunnen hebben. We hebben meer dan 16.000 of 17.000 service-uren laten voltooien door onze afdeling. We konden nog steeds serviceprojecten hebben en evenementen en gastsprekerevenementen doen. Als ik nu tegen mezelf zou zeggen dat we dit ondanks de pandemie allemaal hebben kunnen bereiken, zou ik een beetje geschrokken zijn, dus daar ben ik zeker trots op.”

“Ik denk dat ik ook heel trots ben op hoe ik ben gerijpt en gegroeid sinds het eerste jaar. Ik ben het eerste jaar ingegaan als een heel ander persoon dan ik nu ben. Ik denk dat ik destijds niet wist wat belangrijk was, ik was in die manier van denken van alleen maar focussen op cijfers en niets anders. Het gaf me niet veel voldoening [maar] ik deed het nog steeds goed in mijn lessen. In de 10e en 11e klas en dit jaar was ik in staat om meer volwassen te worden en te beseffen wat belangrijker is en ik denk dat ik daardoor beter presteerde in mijn lessen.”

Welke obstakels heb je overwonnen en hoe?

“Als het op dit jaar aankomt, was het een behoorlijke uitdaging om buiten de klas te zijn. Over het algemeen denk ik dat dit jaar me het belang van leraren heeft doen inzien en daadwerkelijk relaties met hen heeft aangegaan in het leerproces. Ik denk dat velen van ons - en zelfs ik - de misvatting hadden dat alles wat je hoeft te doen om een ​​specifiek onderwerp te leren, is een heleboel inhoud uit een leerboek te onthouden. [Door] dat te doen, heb je kennis [maar] kun je dat onderwerp niet diepgaand onderzoeken. Je hebt een leraar nodig die aan je zijde staat en je helpt iets te ontdekken waar je niet bekend mee bent. Dat was dit jaar zeker een uitdaging, om dat zonder leraren te doen, en er gaat volgens mij niets boven een klaslokaal. Hoewel ik volhardde, denk ik niet dat ik zoveel heb geleerd als ik [zou] hebben gedaan als ik in de klas zat, dus dat was zeker een uitdaging.”

“Als het gaat om andere uitdagingen, kan ik er niet veel bedenken, alleen maar omdat ik denk dat ik over het algemeen een optimistisch persoon ben. Ik weet zeker dat ik uitdagingen heb gehad, maar ik kan me geen andere grote uitdaging herinneren dan, uiteraard, de pandemie. Ik ben helemaal niet perfect geweest als het gaat om mijn cijfers en zo. Ik heb zeker cijfers gekregen waar ik niet blij mee was of die ik niet goed deed voor een opdracht of project. Als het gaat om die kleine tegenslagen, denk ik dat ik er overheen ben gekomen door de filosofie [te volgen] dat wat er ook gebeurt, het beste voor je is. Dus zolang je hard werkt, hoef je je geen zorgen te maken over die obstakels. Als het een slecht resultaat is, dan is het goed voor jou. Als het een goed resultaat is, dan is het ook goed voor jou. Dus ik denk dat het aannemen van die mentaliteit me heeft geholpen om elke uitdaging die ik ben tegengekomen voorbij te gaan, want soms zijn uitdagingen en mislukkingen echt het beste van je, ofwel motiveren ze je of ze helpen je te beseffen dat je op het verkeerde pad bent. Ik kan me geen specifieke uitdagingen herinneren, behalve dat ik het niet goed doe op een toets of cijfer of het niet goed doe op een wedstrijd, maar als het op levensuitdagingen aankomt, heb ik het geluk gehad dat ik niet veel van die uitdagingen heb hoeven meemaken in mijn leven en daar ben ik zeker dankbaar voor.”

Is er iemand specifiek die je zou willen bedanken bij PESH?

“Ik wil de heer Rhett Carter bedanken. Hij was mijn leraar Europese geschiedenis in de 10e klas en mijn APUSH-leraar in de 11e klas. Hij is ook de NHS-sponsor en de History Club-sponsor, dus ik heb hem de afgelopen drie jaar heel goed leren kennen. Van het geven van heel leuke en intrigerende geschiedenislessen in de klas, hij heeft me veel levenslessen geleerd die me echt hebben geholpen om een ​​betere burger en een beter mens te worden. Ik wil de heer Carter zeker bedanken.”

Wat zijn enkele van je favoriete herinneringen aan de middelbare school?

"Ik denk dat elke tijd die ik met mijn vrienden doorbreng, als een goede herinnering zal gelden. Vorig jaar gingen we op een heleboel voedselavonturen, of het nu tijdens de lunch of na school was. Dus die waren altijd leuk. We zouden rondhangen en eten. Als het gaat om andere herinneringen, projecten denk ik. In de geesteswetenschappen van de 10e klas hadden we een filmproject waarbij we een film van 15 minuten moesten filmen en er een tragedie van moesten maken op basis van een toegewezen beschaving die we in Rome hadden. Er was één projectscène die we filmden, het was bij de kreek aan de achterkant van PESH, aan de achterkant van de voetbalvelden. Het regende de dag ervoor, dus toen we daar gingen filmen en toen terugkwamen, zaten onze spijkerbroek en broek vol modder. We hadden meteen een orkest [evenement], dus dat was echt leuk en het is een herinnering die ik me nog lang zal herinneren. In de Europese geschiedenis hadden we een heleboel projecten. We hadden deze sketches. Er was dit ene project aan het einde van het jaar, [waar] we 10 Europese figuren uit de geschiedenis moesten kiezen en uitleggen waarom ze zo impactvol waren. We veranderden elke Europese figuur in een Avenger en maakten er een musical over. Dat was heel leuk om dat project te doen. Eerlijk gezegd denk ik dat elke herinnering die ik met vrienden heb mijn favoriete herinnering was, omdat, zoals ik al eerder zei, het smeden van die relaties met vrienden meer impact heeft en meer voldoening geeft dan een goed cijfer halen voor een test of competitie.'

Nog laatste woorden van wijsheid?

“Maak je geen zorgen over de resultaten, werk hard, geniet van het moment, want dat zal je meer geluk geven dan een cijfer of een prestatie of een prijs. Hoewel je geluk haalt uit het winnen van iets of het behalen van een 10 voor een opdracht, duurt dat geluk niet lang. Terwijl het geluk dat je krijgt van mensen om je heen, of gewoon in het moment zijn en iets nieuws leren of iets nieuws proberen, dat geluk onvergelijkbaar is.”


DAN UDWARY: Je luistert naar de Natural Prodcast van het Department of Energy Joint Genome Institute, een podcast over natuurlijke producten en de wetenschap en wetenschappers van secundair metabolisme.

Welkom terug voor ons tweede seizoen van Natural Prodcast. Deze eerste aflevering is weer een eerste aflevering. Dit zijn afleveringen waarin Alison en ik praten over een onderwerp of een soort subdiscipline op het gebied van natuurlijke producten of secundaire stofwisseling. In de hoop dit af en toe te doen, vooral wanneer we beginnen te praten met mensen die gespecialiseerd zijn in dat gebied.

In deze inleiding praten we over mijn favoriete onderwerp in, misschien wel mijn expertisegebied, namelijk genoommining. Je zult ons horen praten over wat het is, hoor me een pijnlijke analogie maken met de Californische goudkoorts. En we zullen het hebben over een nieuwe JGI-paper die net is uitgekomen en waar ik de kans kreeg om genoommining te doen op meer dan 50.000 genomen die we hebben afgeleid van metagenoomsequenties.

Zoals altijd vind je op http://naturalprodcast.com transcripties en aantekeningen met links naar tal van andere bronnen, speciaal voor deze eerste afleveringen, als je hier dieper op in wilt gaan. En als we daarna komen, hebben we een line-up van internationale wetenschappers die ook aan genoommining doen. We hebben een geweldige, leuke reeks kleine shows in de rij, en ik kijk er echt naar uit om ze aan jullie allemaal te laten zien. Maar voor nu is hier aflevering 10 van Natural Prodcast, de inleiding over genoommining.

DAN UDWARY: Dus ik denk dat dit nu het tweede seizoen van Natural Prodcast is. We hebben allebei een tijdje vrij genomen. Genome Insider komt nog steeds uit, maar ik ben een slapper geweest. We hebben hier tussen de pandemie allerlei soorten chaos gehad. Ik had een internationale verhuizing. Je had een interstate verhuizing. We hebben bosbranden gehad hier in Californië en, uh'8211

ALISON TAKEMURA: Ik had sneeuw.

DAN UDWARY: Je had al sneeuw. Ja, dat is te gek.

DAN UDWARY: Ik wou dat we sneeuw hadden. En [lacht] kinderen van thuis naar school, niet terug naar school. Dus ja. Er is dus veel gebeurd. Maar Natural Prodcast moet terugkomen, toch?

ALISON TAKEMURA: Dat klopt. Dit is het moment.

DAN UDWARY: Goed. Dus ik dacht dat we deze keer maar eens zouden beginnen met praten over een onderwerp dat mij na aan het hart ligt. En dat wil zeggen, we wilden een eerste aflevering doen over genoommining. Dus wat weet jij over genoommining?

ALISON TAKEMURA: Ik weet dat het in het genoom zoekt naar genetische elementen die van belang zijn, weet je, zoiets als een schat.

ALISON TAKEMURA: Het gaat om schatten, ja. [grinnikend]

DAN UDWARY: Dus ik zal je vertellen dat als ik dit doe, ik mezelf probeer voor te stellen dat ik tegen je praat en dit is op geen enkele manier bedoeld om je te kleineren. Dit is precies hoe ik me dit in mijn hoofd voorstel.

ALISON TAKEMURA: Ik ben al beledigd.

DAN UDWARY: Je bent een getrainde wetenschapper met een doctoraat. Ik weet dat je weet waar je het over hebt.

ALISON TAKEMURA: Lang geleden.

DAN UDWARY: Maar als ik me dit voorstel, zie ik mezelf voor me praten met mijn moeder, terwijl ik wetenschap aan mijn moeder probeer uit te leggen. Dus ik probeer altijd, wanneer we deze definities doen, het zo eenvoudig mogelijk te houden om het uit te leggen.

Dus ik denk dat als ik denk aan wat genoommining is, als ik dat wil uitleggen aan iemand die niet veel weet over genetica of iets anders, qua wetenschap misschien, wat genoommining is, dan is kijken naar de DNA-sequentie en proberen om de dingen te vinden die je wilt vinden, dingen die van belang zijn.

En meestal, in termen van bacteriën en secundair metabolisme, zijn die dingen die we willen vinden medicijnen. Medicijnen zijn altijd de belangrijkste drijfveer geweest voor de ontdekking van geneesmiddelen voor secundaire stofwisseling. Omdat we altijd nieuwe antibiotica nodig hebben. We hebben nieuwe kankerverwekkers nodig. We hebben behandelingen voor mensen nodig. En het is gewoon zo dat bacteriën veel van de soorten moleculen maken die mensen nuttig vinden als medicijnen.

Dus ja, dus genoommining, dat is kijken naar de DNA-sequentie om te proberen die dingen te vinden. Dus de DNA-sequentie is zelf geen medicijn, maar de codering in het DNA codeert voor eiwitten die de chemie doen die moleculen samenvoegt die in sommige gevallen bioactieve moleculen worden, toch?

ALISON TAKEMURA: Juist, goed, begrepen.En als ik erover nadenk vanuit ik ken het JGI-perspectief hier bij het Joint Genome Institute, omdat we niet werken aan de menselijke gezondheid of aan medicijnen als zodanig, hoe zie je genoommining en het zoeken naar secundaire metabolieten in het genoom als relevant voor de JGI-missie?

DAN UDWARY: Ja, dat is echt een goede vraag. Ik denk dat dat iets is dat we in de andere inleidingen hebben behandeld. Dus mensen zouden terug moeten gaan en ernaar moeten luisteren. Maar ja, de missie van het Joint Genome Institute valt onder de DOE's 8217s missie van energie en milieu.

En dus weten we dat veel verschillende soorten organismen veel verschillende soorten moleculen maken, niet alleen dingen waarin we als medicijnen geïnteresseerd zouden zijn, maar ook dingen die belangrijk zijn in hun eigen omgeving. Zoals, bacteriën maken antibiotica om de concurrentie uit te dagen of te vernietigen, toch?

En planten doen hetzelfde soort dingen. En dan leven bacteriën vaak in symbiose met planten en produceren ze mogelijk moleculen die nuttig zijn voor de planten. En dus is het onze missie om die bredere ecologische en ecologische rollen voor secundaire metabolieten te begrijpen. Wat is belangrijk voor ons.

ALISON TAKEMURA: Ja, en eigenlijk, dat doet me nadenken over hoe we een soort uitgebreide metafoor kunnen gebruiken. En we zijn niet alleen geïnteresseerd in medicijnen voor mensen, maar ook in die moleculen die zorgen voor een goed functionerend ecosysteem en milieu en aarde.

Dus ja, het is alsof deze moleculen zoveel soorten interacties kunnen bemiddelen. En door ze te begrijpen, kunnen we de gezondheid en het welzijn van niet alleen individuele organismen, maar ook van collectieve organismen bevorderen.

DAN UDWARY: Dat klopt. Je hebt het, ja. Dus om het terug te brengen rond... Dus we zijn misschien niet geïnteresseerd in, laten we zeggen, de methode voor het ontdekken van medicijnen van genoommining. Maar ik doe veel aan genoommining hier bij de JGI. Dat is een van mijn hoofdtaken. En ik wilde een beetje uitleggen wat dat betekent en hoe we het hier doen en misschien een voorbeeld geven van een recente publicatie.

ALISON TAKEMURA: Geweldig. Ja, laten we erin duiken, Dan. Waar komt de metafoor voor genoommining eigenlijk vandaan?

DAN UDWARY: Natuurlijk, dus het is nu een wat oudere term die uit de weg gaat wat mensen deden op de manier waarop mensen probeerden de informatie over biosynthetische genclusters te lokaliseren en te rangschikken en te verkrijgen. En ik zal dit allemaal uitleggen.

Laten we het eerst hebben over goudwinning. Dus we zijn hier in Californië. En goudwinning was een grote onderneming. En ik ben geen expert, maar de manier waarop ik dit begrijp is, de manier waarop dit werkte, is dat mensen die goud probeerden te vinden de heuvels in gingen. En ze wisten bijvoorbeeld dat goud een zacht metaal is en dat als er ergens in de buurt goud in de nabijgelegen heuvels zou zijn, je dat zou kunnen bepalen door afvoer te vinden.

Dus je zou naar de beekjes gaan waar de heuvels, als het regende of wat dan ook, al het water dat van de heuvels afspoelde, kleine stukjes goud met zich mee zou kunnen dragen en in de beddingen van kleine beekjes zou kunnen eindigen. Dit zal allemaal duidelijker worden als we in de genomics komen. Dus'8211

ALISON TAKEMURA: Ik geniet nu gewoon van de rit. Doe Maar.

DAN UDWARY: Dus je zou beginnen met het zoeken naar het goud in de stromen. En als je begon te vinden, zou je de stroom op en neer gaan, en je zou plaatsen vinden waar kleine vlekjes goud zouden kunnen zijn. Je had toen een idee dat er goud in de buurt was.

En dus begin je gebieden af ​​te bakenen en verder te graven en dan te proberen het goud te lokaliseren. En uiteindelijk, hopelijk, als je geluk hebt, zou je een ader van goud vinden. Omdat goud, de manier waarop ik niet weet hoe het wordt afgezet, zich, denk ik, neerslaat in aderen. En dus als je kleine stukjes vindt, weet je dat er waarschijnlijk ergens grote stukken zullen zijn, toch?

De National Park Service heeft een geweldige beschrijving over het soort goudwinning dat Dan beschrijft!

En zo blijkt dat secundair metabolisme, genetisch gezien, op dezelfde manier werkt om redenen die nog grotendeels onduidelijk zijn. En nogmaals, we hebben hierover gesproken in de eerdere inleidingen. In bacteriën, tenminste, en in de meeste schimmels, zijn biosynthetische genclusters, de genen die de biosynthese van een secundaire metaboliet doen, om de een of andere reden geclusterd in een genoom.

Dus als je een klein stukje van een gen zou kunnen vinden waarvan je wist dat het waarschijnlijk biosynthetisch was dat codeerde voor een secundair metabolisme, dan zou je waarschijnlijk, als je het gebied zou kunnen doorzoeken, de rest van het biosynthetische genencluster vinden. En dus hebben we veel geleerd over hoe biosyntheseroutes verlopen, gewoon door één soort gen te kunnen vinden en vervolgens naar zijn buren te kijken.

Dus het is eigenlijk hetzelfde soort dingen. Vóór het tijdperk van genoomsequencing moesten we in feite de stukjes DNA opbreken van elk organisme waarvan we dachten dat het de biosynthetische route zou hebben. En je breekt dat op en kloont het in cosmiden, of fosmiden, of wat dan ook. En je zou die stukken scannen door hybridisatie of misschien sequentiëring als je rijk genoeg was. [grinnikt]

En als je eenmaal een klein stukje van iets vond dat eruitzag alsof het een biosynthetisch pad was, dan zou je het hele ding in volgorde zetten, en dat zou je gebruiken om dan de andere stukjes van het pad te zoeken. En dus was het eigenlijk heel, heel analoog aan goudwinning. En zo werd genoommining de term die echt paste en bleef hangen.

ALISON TAKEMURA: Cool. En hoe ben je dan betrokken geraakt bij genoommining?

DAN UDWARY: Oh, nou, oké, zeker. Dus toen ik op de graduate school zat, werkte ik in het laboratorium van professor Craig Townsend. En ik hoop dat we Craig hier ooit krijgen. Ik heb de deur voor hem geopend en hij is een druk bezet man. Maar hij werkte aan de biosynthese van aflatoxine. En dus toen ik naar de graduate school kwam, werkte ik aan dat project.

En het werkte precies op dezelfde manier, waar we hadden: aflatoxine wordt geproduceerd door een schimmel genaamd Aspergillus . We waren vooral aan het werk in Aspergillus parasiticus . Ja, dus we rangschikten de stukjes daarvan en probeerden dat biosynthetische pad op precies die manier te begrijpen, kleine stukjes ervan te rangschikken, de stukjes te vinden die aan de andere stukjes vastzaten en van daaruit de puzzel uit te bouwen om dat te vinden ader van goud.

Niet dat aflatoxine een bijzonder goed medicijn is, maar het heeft een heel interessant biosynthetisch pad omdat schimmelgenen cool zijn. En als je van schimmelgenen houdt, moet je teruggaan en luisteren naar het interview met Nancy Keller, waar we daar veel over hebben gepraat.

Aspergillus mycelia door Alexander Klepnev – Eigen werk, CC BY 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=90645276

Een mooie kaart van het biosynthetische gencluster van aflatoxine en zijn reactiepad is te vinden in Yu et al, APPLIED AND ENVIRONMENTAL MICROBIOLOGY, 2004, 1253-1262, 70: 3

ALISON TAKEMURA: En dus ben je erin geslaagd om je gouden ader te vinden met aflatoxine?

DAN UDWARY: Oh, ja. Nou ja. Toen ik het lab binnenkwam, was het er eigenlijk al. We waren net op zoek naar de laatste stukjes en probeerden de enzymologie te begrijpen. Dus we zouden de genen daadwerkelijk tot expressie brengen en de biochemie doen om te begrijpen wat de biosynthetische conversies waren en wat de enzymatische mechanismen waren.

ALISON TAKEMURA: Waar zag je dat onderzoek of die resultaten naartoe gaan? Naar een toepassing, naar een beter begrip van de biosynthese van schimmels?

DAN UDWARY: Ja, dit was eigenlijk vooral bedoeld om een ​​aantal echt gecompliceerde enzymatische conversies te begrijpen. De laatste paar stappen en de eerste paar stappen van de biosynthese van aflatoxine zijn echt ongebruikelijk. Het zijn oxidatieve conversies en doen een aantal echt gecompliceerde herschikkingen van koolstofskeletten, scheikunde waar we waarschijnlijk niet in [moeten] komen. Maar ja, het was voor enzymologie.

Ja, dus genoommining hangt echt af van het feit dat biosynthetische paden geclusterd zijn, dat de genen naast elkaar liggen. En dat is in principe universeel in bacteriën. Er zijn een paar uitzonderingen, maar bijna altijd zijn de genen geclusterd. Zoals ik al zei, zijn de meeste, althans degenen die we kennen, geclusterd in schimmels.

Planten zijn een ander verhaal en veel ingewikkelder. En er is een reden waarom we niet zoveel weten over de biosynthese van planten als over bacteriën. Maar echt, omdat het gemakkelijk is om biosynthetische routes in bacteriën te vinden. Zoals je zou verwachten, zijn bacteriën het best onderzocht.

Dus de meeste dingen waar we het volgens mij over zullen hebben in termen van genoommining, zijn meestal van toepassing op bacteriën, met dien verstande dat ingewikkeldere organismen, dingen ingewikkelder worden en niet altijd goed werken. Maar ja, bacteriën zijn tegenwoordig gemakkelijk te sequensen.

Het andere ding over bacteriën is dat ze gemakkelijk te verspreiden en op te slaan zijn. Ze zijn gemakkelijk op te groeien, gemakkelijk in de vriezer te gooien. Het grootste deel van de succesvolle genoommining vond plaats in de antibioticaruimte. En het is gewoon zo dat bacteriën de beste bronnen zijn om antibiotica te vinden, omdat bacteriën antibiotica produceren om hun concurrentie te doden, zodat ze kunnen overleven in hun ecologische niche.

ALISON TAKEMURA: Ja, bacteriën klinken voor mij als een goede plek om naar diversiteit te zoeken, omdat er zoveel bacteriën zijn, omdat het zo gemakkelijk is om hun genomen te sequensen in vergelijking met met name planten. Dus ja, dus van daaruit heb je een soort van basis voor ons gelegd: welke organismen mensen gebruiken voor genoommining, waarom het genoommining wordt genoemd, hoe de biosynthetische genclusters samen worden geclusterd, zodat het gemakkelijk kan zijn om het hele pad te vinden. Dus hoe doen we nu aan genoommining? Hoe ziet dat proces eruit?

DAN UDWARY: Ja, het is nu een beetje anders, alleen vanwege de manieren waarop we gegevens kunnen genereren. Dus het is duidelijk dat het voor ons hier bij de JGI heel duidelijk is, maar genoomsequencing is tegenwoordig behoorlijk routinematig, toch? En dus, over het algemeen, eigenlijk bijna altijd, hebben we nu de genoomsequentie voordat we bijna alle andere informatie over veel organismen hebben.

In veel gevallen, zeker in oudere tijden, zou iemand echt een ietwat uitputtende chemische analyse hebben gedaan van een bacterie waarin ze geïnteresseerd zijn, meestal een soort activiteitsschermen om te proberen bioactiviteit te vinden waarin ze geïnteresseerd waren. En dan zouden ze van daaruit genoommining kunnen doen om te proberen de biosynthetische route te begrijpen of om de verbinding te helpen identificeren waarin ze geïnteresseerd waren.

Maar tegenwoordig zijn mensen echt aan het sequensen voordat ze echt iets anders doen, gewoon omdat het zo goedkoop en snel is en je zoveel meer informatie geeft om op voort te bouwen. Dus ja, dus genoommining is eigenlijk gewoon kijken naar de sequentie en proberen te identificeren wat er is voordat je zelfs maar per se weet wat er is.

Dus de manier waarop we biosynthetische genclusters in genomen proberen te vinden, is door homologie te zoeken. We bouwen voort op de rug van mensen die door de jaren heen veel werk hebben verzet. We hebben een redelijk goed idee van hoe de verschillende families van secundaire metabolismeroutes eruit zien. We weten wat de genen zijn.

En vaak zijn we gewoon op zoek naar familieleden van dat soort genen. We weten dus hoe een polyketidesynthase eruitziet. We weten hoe een niet-ribosomaal peptide of een ribosomaal verwerkt peptide eruitziet. En dus nemen we genen waarvan we denken dat ze vergelijkbaar zullen zijn, en we zoeken naar homologie. We vergelijken die rijen met onze rij.

De belangrijkste tool daarvoor tegenwoordig, degene die vrijwel iedereen gebruikt, heet antiSMASH. En het is een andere inspanning van de gemeenschap die in de loop der jaren is opgebouwd en die echt sterk is om veel verschillende dingen te vinden van het soort dingen waarvan we weten.

(De online versie van antiSMASH is hier te vinden. Er zijn ook versies die gespecialiseerd zijn voor BGC's van schimmels en voor planten. Als open source-project kunt u de code ook downloaden en uitvoeren op uw eigen computer, of als een Docker-container of Anaconda pakket .)

ALISON TAKEMURA: Ik vraag me af of die naam, antiSMASH, gedeeltelijk is geïnspireerd door Super Smash Brothers. Omdat ik weet dat dat een erg populair Nintendo-spel is. En ik hoor veel vrienden, zoals, oh, wil je Smash spelen? En dus'

DAN UDWARY: Ja, het is 8217s'8211 [lacht]

ALISON TAKEMURA: Dat zou een oorsprongsverhaal kunnen zijn.

DAN UDWARY: Dat is echt reikend. Nee, antiSMASH is de Antibiotica en Secundaire Metabolieten Analyse Shell. Ik weet het niet. Het lijkt een pijnlijk acroniem, maar daar ga je. [lacht]

ALISON TAKEMURA: Reden te meer waarom het geïnspireerd zou kunnen zijn door Super Smash Brothers.

DAN UDWARY: Daar weet ik niets van, Alison. [lacht] Het is zeker reikend.

ALISON TAKEMURA: Oké, ik ga gewoon mee met mijn theorie. Oké, ga verder.

DAN UDWARY: Ja, en dus, velen van ons deden dit soort homologieonderzoeken, maar antiSMASH nam in feite alle bekende dingen die er waren en creëerde een aantal goede regelsets en bracht het allemaal samen in één pakket, dus dat het secundaire metabolisme-identificatie opende voor iedereen die het wilde doen. En het is echt heel waardevol geweest voor de gemeenschap.

ALISON TAKEMURA: Dus het is nog steeds een beetje vaag voor mij. Wat bedoel je met een heleboel tools in één pakket?

DAN UDWARY: Oh, zeker. Dus als ik een polyketidesynthase zou willen vinden, dan zou ik een paar domeinen nemen, die kleine stukjes zijn van de sequentie van een polyketidesynthase. Elk domein katalyseert een specifieke reactie. En dus zou ik er een verzameling van nemen.

En ik zou ofwel blast of hammer gebruiken, wat veelvoorkomende zoekhulpmiddelen voor homologie zijn. En ik zou die opblazen tegen het genoom dat ik wilde doorzoeken. En als ik een plek in het genoom zou vinden waar een heleboel van die hits allemaal op dezelfde plek waren, dan zou ik vrij goed kunnen vermoeden dat daar een biosynthetisch gencluster was.

Maar dat is één familie van biosynthetische genen. En dus denk ik dat antiSMASH'8211 oh, ik zou eigenlijk het nummer moeten hebben. Maar misschien moet ik het nog even aanpassen.

ALISON TAKEMURA: Oh, dat kun je later doen.

DAN UDWARY: Ik weet niet eens waar ik het snel kan vinden. [LACHT] Maar antiSMASH neemt er veel van. Ik weet dat het ongeveer 200 verschillende genenfamilies gebruikt waarnaar het zoekt en een op regels gebaseerd systeem gebruikt dat de dingen die het vindt classificeert in welke biosynthetische genclusterfamilie. Dus het zal al je polyketiden vinden, al je niet-ribosomale peptiden. Het vindt al je terpenen en RiPP's en allerlei andere dingen die nog duisterder zijn.

ALISON TAKEMURA: Dus ja. Dus het brengt al die dingen samen. Dat is best opmerkelijk. Het klinkt zeker als een enorme service aan de secundaire metabolietengemeenschap. Welke andere technieken zijn er om deze biosynthetische genclusters te vinden?

DAN UDWARY: Nou, er is echt niet veel anders. Dus antiSMASH is een soort goede aggregator geweest van verschillende methoden die mensen gebruiken wanneer ze homologie-zoekopdrachten uitvoeren. Maar het is een op regels gebaseerde methode, en dus zul je alleen het soort dingen vinden waarvan je weet.

Dus er zijn een paar andere inspanningen die je soms ziet. Zo vrij recent heeft Merck software uitgebracht met de naam DeepBGC , een machine learning-tool die via een genoom naar patronen van Pfams probeert te kijken en te voorspellen waar regio's van secundair metabolisme zouden moeten zijn. Dat is nog steeds grotendeels gebaseerd op homologie, maar dan gebruik je een soort zwarte doos voor de regelset.

En dus dat brengt wel naar voren dat het dingen vindt waarvan je misschien niet verwacht dat ze secundair metabolisme zijn en misschien ook een paar valse positieven. Maar het is een goede poging, als volgende stap.

En ik moet ook wijzen op een tool genaamd evomining , die een verzameling sequenties nodig heeft en probeert te identificeren om te zoeken naar dingen die een beetje uniek zijn voor de genomen, in plaats van specifiek biosynthetische routes. Het is dus een andere interessante benadering. Waarschijnlijk zullen andere mensen veel dingen doen om nieuwe manieren te vinden om dit probleem aan te pakken.

Evoming is ook beschikbaar als downloadbare code, of als Docker-container.

ALISON TAKEMURA: Het doet me denken aan een onderzoek waar ik bij JGI over heb gehoord, met betrekking tot: kun je verder uitweiden over misschien een intuïtieve manier om dat te begrijpen?

DAN UDWARY: Nou, ik denk dat het een heel lastig probleem is omdat secundaire metabolismegenen duplicaties zijn van primaire metabolismegenen. Ze zijn samen geëvolueerd of zijn modificaties en duplicaties van het primaire metabolisme geweest. Dus dingen kunnen onderscheiden die primair metabolisme versus secundair metabolisme zijn wanneer de genen vergelijkbaar zijn, is een grote vage grijze lijn.

En dus, de dingen die we weten, de dingen die we zeker kunnen identificeren omdat we er veel voorbeelden van hebben, zijn de dingen die we het meest vinden. En dan zijn er waarschijnlijk tientallen, honderden voorbeelden van secundair metabolisme in veel voorkomende genomen die we nog niet hebben geïdentificeerd omdat ze te veel lijken op andere bekende primaire metabolismeroutes, of we hebben geen moleculen gevonden die door de dingen worden geproduceerd.

En dus weten we niet naar welke specifieke genenpatronen we moeten zoeken. En dat is dus vooral problematisch in een geval waarin we alle sequentiegegevens hebben, maar geen van de chemische gegevens. Dus in metagenomische sequenties hebben we niet eens de organismen. En dus heb je geen scheikunde en geen hoop om bij de scheikunde te komen. En dus proberen om al het secundaire metabolisme daar echt uit te identificeren, is echt lastig.

ALISON TAKEMURA: Juist, ik begrijp het. Ik heb nu een beter idee van de vorm van het probleem, en dan hoe machine learning, omdat het zich voedt met zoveel gegevens, juist, om interessante functies te leren. En dus, omdat het zo'n vage grijze lijn is over welke genen er in een biosynthetisch genencluster zitten of alleen de originele genen voor het primaire metabolisme, zou machine learning echt helpen om nieuwe genclusters te onderscheiden en te voorspellen.

DAN UDWARY: Ja, dat zou zeker kunnen. Je kunt je veel verschillende benaderingen voorstellen om dit soort problemen aan te pakken die er niet bij betrokken zijn, ik weet het niet. doodsbang voor dingen [lacht en probeert te zien wat eruit komt.

Ja, het is een gebied dat zeker meer werk zou kunnen gebruiken, maar het zal ook alleen werken als je de resultaten valideert. En we zouden hier waarschijnlijk eens iemand moeten halen om over isolatie te praten. Isolatie van natuurlijke producten is geen triviale onderneming.Het is helemaal geen gemakkelijke taak om die moleculen die door een bepaald organisme worden geproduceerd in zuivere vorm in een buis te krijgen.

Je kunt dus alle voorspellingen ter wereld doen die je wilt, maar totdat je die voorspellingen hebt gevalideerd, is het echt moeilijk om daadwerkelijk voort te bouwen op voorspellingen als invoerbron. Vuilnis erin, afval eruit. Dus als we voorspellingen alleen gebruiken om onze voorspellingen te verfijnen, komen we niet echt ergens.

ALISON TAKEMURA: Mm-hmm, ja. Gesproken als een goede wetenschapper.

DAN UDWARY: [lacht] Nou, er is realisme. En dit brengt me eigenlijk op het idee van wat we deden bij het bedrijf waar ik voor werkte voordat ik bij JGI werkte. En dat bedrijf heette WarpDrive, dat niet meer bestaat, maar de meeste delen ervan waren gekocht door Gingko. En ik hoop dat we een paar van die mensen hier hebben.

Maar wat we bij WarpDrive deden, was precies in dit soort ader. We hebben uiteindelijk ongeveer 150.000 genomen gesequenced, gewoon om te zoeken naar een zeer specifieke klasse van natuurlijk product. Dus we hebben veel dingen gevonden, veel voorbeelden. Maar dan die dingen in een buis stoppen, en dan, zelfs daarbuiten, die dingen laten doen wat we hoopten dat ze zouden doen, [lacht] biologie werkt niet altijd zo.

ALISON TAKEMURA: Ik zeg altijd tegen mijn partner dat we niets over biologie weten. Biologie haat ons. Het is een beetje donker, maar. [lacht]

ALISON TAKEMURA: Het is heel mysterieus.

DAN UDWARY: Zelfs als we denken dat we precies weten wat er aan de hand is, weten we dat zeker niet. Ja, dus dat is echt de truc, je kunt de dingen vinden. En genoommining is nu, in plaats van het ding dat de chemie verduidelijkt, een soort van leidende post om te begrijpen hoe de chemie er waarschijnlijk uitziet. De reeks vertelt je veel, maar het vertelt je niet bijna alles.

Waar veel mensen op hopen, denk ik, is dat er op een gegeven moment een keerpunt zal zijn. Op dit moment hebben we heel veel biosynthetische genclusters. Dus in de ABC-portal hier bij JGI, waarbij ABC de Atlas of Biosynthetic Clusters is, een subsectie van de IMG-dataportal, een grotere portal voor microbiële genomica. IMG staat voor Integrated Microbial Genomics. Het is een van de big data-portals hier bij JGI.

Dus binnen ABC hebben we iets in de buurt van 400.000, laatst gecontroleerde, biosynthetische genclusters. En dat zijn veel biosynthetische genclusters, dus dat zou veel chemische informatie moeten zijn, toch? Nou, niet zozeer omdat we eigenlijk niet weten wat de overgrote meerderheid daarvan doet.

Er is nog een dataportaal dat niet JGI is. Het heet MIBiG, de database met de "minimale informatie over een biosynthetisch genencluster". En MIBiG heeft alle experimenteel gekarakteriseerde genclusters met alle informatie die ze erover weten. En dus zijn er slechts ongeveer 2.000 inzendingen daarin. Dus we weten duidelijk, ondubbelzinnig ongeveer 2.000 biosynthetische genclusters uit ABC's 400.000. Dat is dus geen enorm aandeel. Dat is, wat, een half procent. En dus is er nog veel meer werk te doen om genenclusters terug te koppelen aan chemische producten.

Maar hoe meer we begrijpen, hoe meer we in staat zullen zijn om betere voorspellingen te doen. En dus denk ik dat veel mensen hopen dat we op een gegeven moment genoeg weten dat er een buigpunt zal zijn, en we in staat zullen zijn om naar een genencluster te kijken en precies te begrijpen wat het zou doen in zijn biosynthetische paden, of in ieder geval, naar een betere foutmarge en om dit vast te kunnen leggen, is dit de keerzijde. Hier hebben we het met Roger over gehad.

Roger Linington heeft de NP Atlas die hij begeleidt. Het is een gemeenschapsinspanning om de bekende natuurlijke productstructuren samen te stellen. Ik ben vergeten hoeveel bouwwerken er in NP Atlas zijn, maar het is een aanzienlijk aantal van duizenden. En als we een paar honderdduizend biosynthetische genclusters hebben, zullen we op een gegeven moment genoeg weten over hoe dingen in beide richtingen werken in termen van hoe een biosynthetisch cluster een product maakt en hoe een product moet worden gesynthetiseerd op basis van zijn structuur, dat we die dingen met elkaar moeten kunnen verbinden.

En als we dat eenmaal kunnen doen, denk ik dat de dingen heel snel van start gaan. Dat we de biochemie beter zullen begrijpen, omdat je ernaar kunt kijken, op dezelfde manier waarop je een biosynthetisch genencluster kunt identificeren op basis van kennis over een bepaald deel ervan, als je eenmaal naar de rest van de biosynthetische cluster, vaak, die je vertelt over de rest van de chemie. Het zou hetzelfde zijn als we een molecuul aan een cluster zouden kunnen binden.

We weten misschien het meeste van wat de biosynthese zou moeten zijn, maar dan zullen er een paar genen zijn waar de gloeilamp uitgaat, en je zult begrijpen, oh, die dingen doen dit. En dan zullen er analogieën zijn met die dingen die in andere biosynthetische clusters zijn, en dat helpt je die beter te begrijpen. En het bouwt op. En daarom zeg ik steeds "buigpunt". Op een gegeven moment hebben we genoeg informatie om dat allemaal aan elkaar te knopen en alle stukjes op een betere, meer begrijpelijke manier samen te voegen.

Ik weet niet hoe snel dat gaat. Dat kan over een paar decennia zijn. Maar de dingen gaan steeds sneller. En een klassiek voorbeeld van wanneer dit gebeurde, was toen mensen NRPS A-domeinen begonnen te begrijpen.

En dus spraken we een minuut geleden over niet-ribosomale peptiden. Onthoud dat niet-ribosomale peptiden grote, gecompliceerde enzymsystemen zijn die eigenlijk alleen maar bestaan ​​om een ​​aminozuur uit de oplossing te trekken en er een ander aminozuur of meerdere andere aminozuren op te plakken om een ​​klein peptide te creëren.

Dus op een gegeven moment merkten een paar verschillende groepen dat ze al deze adenylatiedomeinen konden nemen. En adenylatiedomeinen zijn het deel van de NRPS dat het aminozuur herkent dat het gaat opnemen, en het ding dat het daadwerkelijk uit de oplossing haalt en het in de rest van het enzym brengt.

Die A-domeinen, je kon ze op een rij zetten, en je kon zien dat er bepaalde patronen van aminozuren in de actieve plaats van het eiwit waren die je ertoe zouden brengen deze dingen in feite in verschillende groepen te plaatsen. En dus, als je eenmaal genoeg NRPS'en kent –, moet je weten welk aminozuur er is ingebouwd –, je zou weten hoe dat patroon van aminozuren in de actieve site eruitziet, en dan zou je het kunnen karakteriseren.

Structuur van een adenylatiedomein bindende pocket

En dus kun je voorspellingen doen over NRPS'8217's waarop je nog geen chemische experimenten hebt gedaan. En dus nu, tegenwoordig, wanneer we een aminozuur krijgen [Dan misspoke. Hij bedoelde te zeggen "NRPS"], kun je in principe met een zekere mate van zekerheid voorspellen welk peptide precies wordt geproduceerd door een niet-ribosomaal peptide. Het punt is dus dat we dat hopelijk kunnen doen met meer klassen van natuurlijke productgenclusters in de loop van de tijd. Dat we al deze situaties beter begrijpen en betere voorspellingen kunnen doen. Ja.

ALISON TAKEMURA: Ja, ik denk dat het logisch is. Het is alsof je een honkbalhandschoen of een soort handschoen hebt, en je vergelijkt verschillende handschoenen. En als je dan genoeg handschoenen krijgt, kun je zien, oh ja, ze vallen in verschillende categorieën, en ze coderen voor verschillende vormen die je in de handschoen kunt houden. En dat zijn je aminozuursequenties. En dus, dan, als je alleen kijkt naar het ding dat de handschoenen codeert, de volgorde, dan kun je beginnen af ​​te leiden wat dat ultieme aminozuur is waarvan de sequentie is bepaald in het niet-ribosomale peptide.

DAN UDWARY: Mm-hmm, dat is een heel goede metafoor, ja.

ALISON TAKEMURA: Bedankt. [lacht] Het is lastig. Waar komen de handschoenen vandaan? Nou, ze komen van sommige nucleotiden, wat DNA.

DAN UDWARY: Ja, nee, dat is eigenlijk heel erg passend.

ALISON TAKEMURA: Dus, Dan, ik heb gehoord dat er een grote krant uitkomt, of misschien komt die pas uit tegen de tijd dat deze uitkomt. En dat je wat genoommining moet doen voor dat papier. Kun je me vertellen over de krant en wat je hebt gedaan?

Waar we het hier over hebben is een paper gepubliceerd in Nature Biotechnology, getiteld ‘Een genomische catalogus van het microbioom van de aarde’. (Citaat: Nayfach S et al. Een genomische catalogus van de microbiomen van de aarde. Natuur Biotechnologie. 2020 nov 9. doi: 10.1038/s41587-020-0718-6)

De GEM-catalogus breidt de bacteriële en archaeale ordes uit zoals te zien op de fylogenetische boom, met nieuwe lijnen van niet-gecultiveerde genomen uit de GEM-catalogus (in groen) en eerder bestaande referentiegenomen (in grijs). Rond de fylogenetische boom geven de stripkaarten aan of een bestelling niet-gecultiveerd is (blauw alleen weergegeven door metagenoom-geassembleerde genomen of MAG's) of gekweekt (grijs weergegeven door een geïsoleerd genoom). De volgende vier stripgrafieken geven de milieuverdeling aan, terwijl de staafgrafiek het aantal genomen uit de GEM-catalogus aangeeft dat van elke bestelling is hersteld. (Stephen Nayfach)

DAN UDWARY: Ja, ik denk dat dat misschien een goed voorbeeld is van wat we doen, tenminste wat ik hier bij de JGI doe en wat er tegenwoordig kan worden gedaan. We noemen dit dus het GEM-papier. GEM is de genomische catalogus van de microbiomen van de aarde.

En wat dit is, is een dataset van bacteriële en archaeale genomen die zijn gemaakt - dit zijn Metagenome Associated Genomes of MAG's. Dus dit zijn genomen die zijn samengesteld uit metagenomische sequenties, waarbij metagenomische sequenties een monster van een omgeving nemen en al het DNA dat je ervan kunt krijgen, sequentiëren, toch?

En dit zijn dus microbiële genomen die we konden verzamelen uit die echt grotere set gegevens. En dan is dit, voor zover ik weet, de grootste set MAG's tot nu toe. Hier, bij JGI, hebben we meer dan 10.000 metanomen genomen, waarvan er vele werden gesequenced bij JGI, en sommige waren openbare gegevens, en we hebben die allemaal samengevoegd om 52.000 microbiële genomen of MAG's te produceren.

En dus is het een heel groot papier. Er zijn veel mensen die eraan hebben gewerkt. Het was echt een grote inspanning. Maar ik moet een deel van de secundaire stofwisselingsanalyse hierover doen. En–

ALISON TAKEMURA: Misschien voordat we zover zijn, kun je?

ALISON TAKEMURA: 'Geef me een paar voorbeelden van waar deze metagenomen vandaan komen?

DAN UDWARY: Oh, ja. Deze dingen komen overal vandaan. Dus veel verschillende omgevingen, veel verschillende geografische locaties. Dat is een van de leuke dingen van deze data, dat we precies weten uit welke omgevingen ze afkomstig zijn. Dus daarom kun je een specifiek microbieel genoom associëren [als] geïsoleerd uit deze specifieke bron.

We hebben dus zeer gedetailleerde milieu-informatie, vaak tot op de lengte- en breedtegraad, waar het werd bemonsterd. En ze komen uit allerlei verschillende omgevingen. Er is wat marinier. Er zijn wat bodemmonsters. Er zijn menselijke darmmonsters. Er zijn heel veel dieren geassocieerd, plant geassocieerd, eigenlijk elke omgeving waarvan je je kunt voorstellen dat we de sequentie ervan hebben gemaakt, maakt deel uit van deze dataset.

ALISON TAKEMURA: Zelfs de gebouwde omgeving?

DAN UDWARY: Ja, daar zijn er ook veel van. Mm-hmm, zeker. En dus, toen we begonnen met het secundaire metabolismegedeelte ervan, hoopte ik dat we zouden kunnen doen, misschien proberen om enig begrip te krijgen van welke soorten biosynthetische genclusters gevonden kunnen worden in bepaalde soorten omgevingen of bepaalde soorten soorten of wat dan ook.

Dus als je bijvoorbeeld een ongewone biosynthetische genencluster zou willen vinden, als je een omgeving zou kunnen lokaliseren waar het gebruikelijker was om het te vinden, dan zou je een goede plek hebben om monsters te nemen. Dus ja. Dus we hebben er een heleboel van gemaakt.

En het blijkt dat, zoals te verwachten was, deze dingen niet in alle gevallen perfecte genomen zijn. En de biosynthetische genclusters van het secundaire metabolisme zijn vaak de dingen die het eerst lijden als het gaat om genoomassemblage. Sommige van de gebruikelijke biosynthetische systemen - zoals een polyketidesynthase of een niet-ribosomale peptidesynthase - zijn een beetje repetitief. En dus worden ze uiteindelijk niet goed of zelfs helemaal niet in een genoom geassembleerd. Dus dat soort systemen raken erg gefragmenteerd.

Een ander probleem kan zijn dat om deze genomen te assembleren, je door een binning-proces gaat. Dus je kijkt naar het DNA zelf en probeert wat aannames te doen over tot wat voor soort organismen het zou kunnen behoren en stopt ze in aparte bakken en assembleert die stukjes dan, een beetje alsof je je LEGO-stukken op kleur sorteert, toch? Je gaat LEGO-stukken bij elkaar zetten, je sorteert eerst op kleur, en dan bevestig je ze op kleur.

En dus proberen ze dat te doen met genomen. En dat werkt niet altijd voor secundair metabolisme omdat veel secundair metabolisme horizontaal wordt overgedragen. Dingen verschuiven zelfs tussen verschillende geslachten. En zo vaak lijken secundaire metabolismegenen niet op de genen in hun gastheer. En dus gaan dat soort dingen soms verloren in het binning-proces. En dus eindigt het secundaire metabolisme opnieuw gefragmenteerd.

Maar dat gezegd hebbende, we hebben veel spullen. Gemiddeld hadden we iets. Ik denk dat we twee biosynthetische clusters per MAG hadden, wat best goed is, aangezien veel mensen en bepaalde omgevingen gewoon geen organismen lijken te hebben die veel secundair metabolisme hebben. Veel ervan was gefragmenteerd, maar we kunnen nog steeds redelijk redelijke veronderstellingen maken over wat voor soort genenclusterfamilies zijn in welke soorten orgasmen.

En dus hebben we al die informatie. We hebben 100.000 of eigenlijk ongeveer 87.000 wat leek op nieuwe biosynthetische genclusters, zoals compleet nieuwe dingen die we nog niet eerder hebben gezien. En dat is dus echt spannend.

ALISON TAKEMURA: Ja, dat is geweldig. 87.000?

DAN UDWARY: Ja, 87.000 dingen die we niet meteen konden zeggen, waren hetzelfde als een ander biosynthetisch genencluster, tenminste een bekende waarvan de sequentie al eerder was bepaald. Ja.

ALISON TAKEMURA: Ik probeer gewoon te bedenken of er iets is in mijn normale dagelijkse leven waar er 87.000 soorten zijn. Van welk deel van die dingen ben ik me bewust? En ik weet het niet, misschien boeken in een bibliotheek. En ja, misschien ken ik 1%, of.

DAN UDWARY: Ja, ik bedoel, het is een groot deel. Als je teruggaat naar de ABC-nummers waar we 400.000 hadden, gaan we er nog eens 87.000 aan toevoegen. Dus dat is, wat, een stijging van 20%, 30%?

Dan invoegen: Het is een stijging van 21,75%.

ALISON TAKEMURA: Mm-hmm. Oké, dus wat heb je gedaan toen je die allemaal had gevonden?

DAN UDWARY: Nou, dus toen begonnen we die informatie te nemen en te kijken wat voor soort genclusters werden gevonden in wat voor soort omgevingen. En de verrassing voor mij was dat er niet veel was om echt op te wijzen. We ontdekten dus dat veel van de menselijke en dierlijke genomen meer ribosomaal verwerkte peptiden of RiPP's lijken te hebben. Dat komt overeen met wat we in het verleden hebben gezien bij mensen die metagenomische studies hebben gedaan naar bijvoorbeeld de menselijke darm of wat dan ook.

Maar afgezien daarvan was er niet echt veel differentiatie per omgeving. Dus het lijkt erop dat je de meeste dingen op de meeste plaatsen kunt vinden als je het hebt over brede biosynthetische groepen. We hebben het niet echt opgesplitst in specifieke genenclusterfamilies. We hadden op dat moment niet echt de technologie om dat te doen. En dat is misschien iets dat we nog steeds onderzoeken. Maar vooral, ja, wat we ontdekken is dat alles overal is, wat echt een rare verrassing is.

ALISON TAKEMURA: Ja, dat is raar. Waarom denk je dat dat zou kunnen zijn?

DAN UDWARY: Waarschijnlijk is de beste verklaring die ik ervoor kan bedenken dat het secundaire metabolisme oud is en daarom wijdverbreid. Dus als secundair metabolisme er was toen... en dat was het ook. Het moest zo zijn, toch? Er zijn altijd al zolang er eiwitten zijn geweest, er zijn duplicaties en modificaties van die eiwitten geweest om een ​​soort van enigszins nieuwe chemie te doen. Dat is precies hoe evolutie werkt.

Dus als secundair metabolisme echt oud is en de meeste grote families er al heel vroeg waren in termen van het bestaan ​​van leven op aarde, misschien toen het allemaal waterwereld was, zwemt alles overal rond en allemaal door elkaar, toch? [lacht] En zo komt alles overal terecht.

Alleen omdat er een genencluster is, betekent niet dat er een genencluster actief is. En dus kunnen de genen voor dingen overal zijn, maar nogmaals, dat zegt niets over de chemie die overal aanwezig is. Er kunnen zeer specifieke omgevingsomstandigheden van de chemie zijn. Je zet paden alleen aan als je ze nodig hebt of als je in bepaalde omgevingen bent. En dus kunnen we niet echt zeggen dat alle chemie overal is. We kunnen alleen zeggen dat alle genen overal zijn.

ALISON TAKEMURA: Hmm. Wel, ik denk, ik bedoel vanuit een evolutionair perspectief, ik zou denken dat genen die niet langer nodig zijn, uiteindelijk uit populaties zouden worden verwijderd. En dat geldt ook voor scheikunde.

DAN UDWARY: Ja, dat lijkt zeker het geval te zijn.

ALISON TAKEMURA: En dus kan het zijn dat sommige van deze genen die je ziet, misschien aan het afnemen zijn in de populatie.

DAN UDWARY: Dat zou ook kunnen. Ik bedoel, dat zou een goede reden kunnen zijn waarom we veel fragmentatie zien. In een echt algemenere populatie die niet is geselecteerd voor interessante chemie, zul je meer gefragmenteerde biosynthetische genclusters vinden. En daar kunnen we ook niet echt over praten.

ALISON TAKEMURA: En dan is een andere hypothese, denk ik, dat de genclusters zich kunnen specialiseren, maar op subtiele manieren die de fitness beïnvloeden. En dus, als je een analyse op hoog niveau uitvoert, kun je die verschillen misschien niet vangen. Alles kan overal zijn, maar alleen op een bepaalde grove schaal.

DAN UDWARY: Ja, ik denk dat dat klopt. Daarom zeg ik dat we niet te diep zijn gegaan in specifieke biosynthetische genclusterfamilies. Ik had het gevoel dat met de fragmentatie zoals die was, het echt reikend zou zijn om dat een beetje te proberen te analyseren. Maar dat is zeker denk ik vrij waarschijnlijk. Maar ja, nog steeds niet bewezen. Er is nog veel meer werk te doen aan al deze dingen.

ALISON TAKEMURA: Ja, en als ik een afgestudeerde student of een vroege wetenschapper was die meer betrokken wilde raken bij secundair metabolisme of zelfs maar net begon, wat zou je dan aanraden?

DAN UDWARY: Man, dat is een hele grote vraag en een hele leuke vraag hoe komen mensen erbij? Dus ik denk dat ik altijd de perceptie heb gehad dat secundair metabolisme zo breed is als biologie. Ik denk dat iedereen met enige expertise er vanuit een andere hoek in kan komen.

Dus we hebben DNA-mensen en eiwitmensen en scheikundemensen en alle verschillende soorten mensen waarmee we al hebben gesproken. Dat er oneindig veel meer mensen zijn met uiteenlopende expertise in biologie en scheikunde die echt zouden kunnen deelnemen aan secundair metabolisme [onderzoek]. En het zou zeer welkom zijn, want ik denk dat het veld vooruit gaat als er verschillende perspectieven komen.

Dus ik denk dat wetenschap kennen en bekwaam zijn in een bepaald wetenschapsgebied bijna altijd kan worden toegepast op secundair metabolisme, wat dat ook is. Bijna altijd. Hoe doen mensen dat? Ik denk dat je, net als elk ander aspect van wetenschap, een probleem vindt, en je begint eraan te werken vanuit jouw specifieke perspectief, en praat met andere wetenschappers, en raakt betrokken. Dat is hoe we het doen.

ALISON TAKEMURA: Nou, bedankt, Dan.

DAN UDWARY: Ik bedoel, is dat een te gek antwoord?

ALISON TAKEMURA: Nee, ik denk dat dat een goed antwoord is. En ik denk dat er veel ruimte overblijft voor iemand die nieuwsgierig is om mee te doen op welke manier dan ook, zodat ze een kans kunnen vinden.

DAN UDWARY: Ja, het is daarbuiten.

Ik ben Dan Udwary. Je hebt geluisterd naar Natural Prodcast, een podcast geproduceerd door het US Department of Energy Joint Genome Institute, een DOE-kantoor van wetenschappelijke gebruikersfaciliteit in het Lawrence Berkeley National Lab. U kunt links naar transcripties, meer informatie over deze aflevering en onze andere afleveringen vinden op naturalprodcast.com. Speciale dank, zoals altijd, aan mijn mede-gastheer, Alison Takemura.

DAN UDWARY: Als je Alison leuk vindt, wil je meer wetenschap van haar horen, bekijk dan haar podcast, Genome Insider. Ze praat met veel geweldige wetenschappers buiten het secundaire metabolisme. En als je het leuk vindt wat we hier doen, zul je waarschijnlijk ook genieten van Genome Insider. Dus bekijk het eens.

Mijn intro en outro muziek zijn van Jahzzar. Help mee het woord te verspreiden door een recensie van Natural Prodcast achter te laten op Apple Podcasts, Google, Spotify of waar je de podcast ook vandaan hebt.


Principes van evolutie, ecologie en gedrag

Hoofdstuk 1. Inleiding [00:00:00]

Professor Stephen Stearns: Heel goed. Dus vandaag gaan we het hebben over fylogenetica en systematiek, en de lezing heeft een dergelijke structuur. Ik zal je eraan herinneren hoe de Tree of Life eruit ziet. Dan zal ik de lezing in wezen motiveren door u enkele verrassende recente resultaten van moleculaire systematiek te geven, en dan zal ik in wezen ingaan op wat fylogenetische concepten zijn en hoe een fylogenetische boom te bouwen. Ik zal dit niet tot in detail doen, maar ik hoop dat ik er genoeg van doe, zodat je in ieder geval een goed gevoel hebt voor de zaken die daarbij komen kijken.

Dit is dus dezelfde foto van de Tree of Life die ik eerder in de cursus heb gebruikt, en in feite laat het je zien dat er sinds ongeveer 3,5 miljard jaar geleden drie grote clades zijn ontstaan. [Technische aanpassingen] Neem even de tijd en kijk naar deze foto, en kijk naar de volgende, die een is, deze volgende is in wezen een uitvergroting van wat er sinds ongeveer hier is gebeurd en bedenk hoeveel dat ons vertelt over biologie.

Het biedt een heel basale structuur, de structuur van relaties. Het vertelt je welke dingen gemeenschappelijke voorouders hebben en waarom we zouden verwachten dat ze op de ene manier zijn in plaats van op de andere manier. Het zorgt voor duizenden vergelijkingen in onze geest over vragen die we zouden kunnen stellen. Het biedt een uiterst bruikbare, overkoepelende structuur. Maar de vraag is, hoe kwamen fylogenetische biologen eigenlijk aan dit beeld, en veranderen ze het nog steeds? En het antwoord is: ze hebben het gekregen met de inferentiemethoden die ik vandaag ga schetsen, en ze zijn het nog steeds aan het veranderen.

Het is niet in steen geschreven en het is veranderd sinds de eerste keer dat iemand het probeerde op te schrijven. Dit zijn dus werkhypothesen en we kunnen ze steeds beter verfijnen als er nieuwe informatie binnenkomt, maar er zijn belangrijke veranderingen.

Dit is wat Darwin te zeggen had in de... Oorsprong over de levensboom. Het is een werkelijk wonderbaarlijk feit, waarvan we het wonder uit vertrouwdheid geneigd zijn over het hoofd te zien, dat alle dieren en alle planten, in alle tijd en ruimte, in groepen aan elkaar verwant zouden zijn. En hij gaat verder over hoe deze groepen hiërarchisch zijn. Hij zei: "De affiniteiten van alle wezens van dezelfde klasse zijn soms voorgesteld door een grote boom. Ik geloof dat deze vergelijking grotendeels de waarheid is.”

Dus in dit prachtige Victoriaanse proza ​​vertelt Darwin een beetje over de Tree of Life, en het was de enige foto die hij in zijn boek had. Oke? Dus hij dacht dat het heel belangrijk was. Hij maakte er een schets van en daarmee bedoelde hij met deze schets aan te geven dat veel dingen uitgestorven waren en dat je door middel van voorouders en gedeelde gemeenschappelijke voorouders relaties kon definiëren.

Nu kon hij meteen zien dat de boom niet gegeven is, hij zou ontdekt moeten worden. Hij zei: "Onze classificaties zullen, voor zover ze zo gemaakt kunnen worden, genealogieën worden." Dus ze zullen weerspiegelen wat er feitelijk is gebeurd in termen van evolutionaire geschiedenis om relaties te genereren "en dan zullen ze echt geven wat het plan genoemd kan worden van de schepping. De regels voor classificatie zullen ongetwijfeld eenvoudiger worden als we een bepaald object voor ogen hebben. We hebben geen stamboom of wapenschilden.” Oke? Dat is een code uit het midden van de negentiende eeuw, want er staat geen streepjescode op de soort. Oke? Ze dragen hun naam niet op het voorhoofd en ze vertellen je niet met wie ze verwant zijn. We moeten deze divergerende lijnen dus ontdekken en traceren.

Hoofdstuk 2. Groepering op gemeenschappelijke voorouders [00:04:30]

Nou, het heeft echt lang geduurd voordat de fylogenetica genoegen nam met duidelijke logica en duidelijke methoden. Tot ongeveer oh ergens rond de jaren 19 waren de ideeën er, maar ze werden pas echt geïmplementeerd tussen 1965 en 1970, en er volgde een enorme controverse die ongeveer twintig jaar duurde. En nu al het stof is neergedaald en dat lijkt tot het verleden te behoren, maar veel mensen van mijn leeftijd worden er nog steeds door getekend, omdat we er getuige van waren.

En ik ga nu min of meer samenvatten wat er uit voortkwam, maar ik wil u alleen maar aangeven dat dit in het niet zo verre verleden een uiterst controversieel wetenschapsgebied was, en dat het zowel door de komst van DNA-sequentiegegevens, en door de ontwikkeling van krachtige wiskundige en computermethoden voor het bepalen van relaties en er was een discussie over welke we moesten gebruiken.

Dus de eerste stap daarin wordt genomen door een man genaamd Zimmermann, en het is hier net geschetst, en het lijkt heel eenvoudig: het delen van een recentere gemeenschappelijke voorouder definieert een relatie. Dus magnolia's en appelbomen zijn nauwer aan elkaar verwant dan aan een gingko, omdat dit punt op de boom later in de tijd is, en ze verbindt, dan dit punt op de boom, dat ze met gingko's verbindt. Het lijkt een heel eenvoudig idee. Het was niet echt duidelijk verwoord totdat Zimmermann het in 1931 als principe vastlegde.

Sommige van deze concepten heb je al meegemaakt. Dus ik ga deze namen gewoon nog een keer noemen, zodat ze worden herhaald en deel gaan uitmaken van je eigen vocabulaire. Monofyletisch is een groep die alle afstammelingen van een enkele gemeenschappelijke voorouder bevat en niets dat niet afstamt van die gemeenschappelijke voorouder parafyletische groepen zijn groepen die niet alle soorten bevatten die afstammen van de meest recente gemeenschappelijke voorouder en polyfyletische groepen zijn echt een mengelmoes van dingen die niet in zo'n bak zouden moeten zitten, helemaal niet in die categorie, omdat ze in wezen onafhankelijke evolutionaire lijnen ten onrechte op één hoop hebben gegooid.

De basis van veel van deze gevolgtrekkingen is het concept van homologie, en homologie en analogie zal ik zo meteen herhalen als we bij enkele dia's komen die ze illustreren, maar ze werden gedefinieerd door Richard Owen in het begin van de negentiende eeuw, voor Darwin's8217s Oorsprong der soorten. Hij was een groot morfoloog in Londen, en in wezen is het idee van homologie dat een eigenschap identiek is in twee of meer soorten omdat ze afstammen van een gemeenschappelijke voorouder. Dus ze kregen het omdat hun voorouder het had.

En homoplasie, of convergentie, is gelijkenis om een ​​andere reden dan gemeenschappelijke voorouders. Dus convergentie in morfologische kenmerken, mutatie naar dezelfde sequentie, in DNA, zal leiden tot homoplasie. Dus homologie is nuttig, en homoplasie is verwarrend bij het bepalen van fylogenieën.

Dus hier is een goede monofyletische groep. Oke? Dit zijn de honden. En hier zijn de honden. Hier zijn Canis en Lycaon, dus de Lycaon is de Afrikaanse jachthond en hun naaste verwanten zijn de Zuid-Amerikaanse wolven. Canis, trouwens, de houtwolf van Canis behoort tot het geslacht Canis, en alle huishonden stammen af ​​van wolven, wat een mooi voorbeeld is van een heel snelle evolutie. Neem een ​​wolf, verander hem in een Sint Bernard en een Chihuahua. Ik geef je 5000 jaar. Kun jij het? Nou, het vergt een behoorlijk zware fokkerij om dat te doen, maar het kan.

En trouwens, ik had een collega, Armand Kuris, die in Santa Barbara woont, besloot dat hij zijn eigen ras ging creëren, hij wilde de lelijkste hond ter wereld maken. Hij zou het de Louisiana Swamp Dog noemen. Het kostte hem zes generaties. Ik bedoel, deze hond is echt lelijk. [Gelach] Maar het is geregistreerd bij de American Kennel Club. Je kunt dus snel fokken met honden. Dat is natuurlijk op een tijdschaal hier boven dat je niet eens op dat kleine witte lijntje bovenaan de foto zou passen. Interessant is dat al dit spul hier uitgestorven is.

Er zijn een paar kleine merktekens die interessant zijn. Hier, op de tak die omhoog gaat naar de Caninae, is digitaligrady, wat betekent dat ze op dat moment begonnen te jagen op dingen die snel liepen, en de evolutie, net als bij paarden, begon ervoor te zorgen dat ze werden geselecteerd om te rennen op hun tenen. Ze kregen dus langere benen door op hun teenpunten te rennen, in plaats van rechtstreeks op de voetzolen. En hier kwam botkraak binnen, zodat ze het merg uit de botten konden halen.

Dat is een goede monofyletische groep. Je kunt het daar waarschijnlijk niet zien. Ik zal je een klein beetje tijdlijn geven. De hele zaak begint ongeveer 40.000.000 jaar geleden, in het Eoceen, van de grond te komen. En Canis, het hondengeslacht zelf, is ongeveer 5.000.000 jaar oud en ongeveer zo oud als Homo.

Oké, hier zijn wat parafyletische groepen. Reptielen zijn parafyletisch. Oke? Er zitten schildpadden, hagedissen en krokodillen in, maar er zitten geen vogels in. Reptielen is dus een onnauwkeurige term. Dit is de monofyletische groep hagedissen, krokodillen en vogels en we hebben er geen alledaagse term voor. Krokodillen bouwen trouwens nesten en bewaken ze, en als de babykrokodillen uitkomen, piepen ze als vogels: "piep, piep." Dus deze relatie tussen krokodillen en vogels is goed ingeburgerd.

Hier is een polyfyletische groep. Als we een groep definiëren die de homeothermische tetrapoden worden genoemd, bevat deze de vogels en de zoogdieren. Maar kijk naar alle dingen die nauwer verwant zijn aan de vogels dan de zoogdieren. Dus als we de vogels en de zoogdieren als een groep zouden definiëren, zou het een valse groep zijn, omdat de vogels fylogenetisch veel dingen hebben die nauwer verwant zijn aan hen dan de zoogdieren. En deze groep is polyfyletisch. Oke? Het heeft bijdragen uit twee verschillende bronnen.

Een ander goed voorbeeld van een polyfyletische groep zou zijn als je zou besluiten om alle dingen die op cactussen lijken in Afrika en Zuid-Amerika met elkaar te verbinden. Die in Zuid-Amerika zijn cactussen, maar die in Afrika zijn euforen, ze zien er net uit als cactussen. In het Peabody Museum staat een mooi exemplaar. Je kunt ze naast elkaar zien zitten. Oke? Dat is een polyfyletische groep. Ze zijn convergent, ze kwamen samen.

Evenzo is de homeothermie bij vogels en zoogdieren convergerend. De voorouder hier had geen warm bloed. Het evolueerde twee keer, één keer in de lijn naar zoogdieren en één keer in de lijn naar vogels. Ik weet dat er warmbloedige dinosaurussen waren, maar dat was later. Warmbloedigheid kwam waarschijnlijk binnen, in deze rij, ongeveer hier ergens weet ik het niet precies.

Dan dit centrale concept, homologie. Hier zijn de voorpoten van schildpadden, mensen, paarden, vogels, vleermuizen en zeehonden. Dus we hebben hier wat materiaal dat een groot deel van de gewervelde tetrapoden omvat die op het land leven. En je kunt zien dat het mogelijk is om delen van deze structuren helemaal op elkaar af te stemmen. Als je dat bestudeert, en je realiseert je dat ze allemaal samen in een voorouderlijke toestand verkeerden, kun je zien hoe de evolutie hun proporties heeft veranderd, hun dikte heeft veranderd, maar het heeft hun ruimtelijke relaties met elkaar niet veranderd.

En in feite, als je door de ontwikkeling gaat, zul je ontdekken dat dezelfde zenuwen die uit de ruggengraat komen naar dezelfde delen van de ledemaat lopen, en al die aandoeningen zijn gedurende de evolutionaire tijd bij elkaar gehouden. En als je kijkt naar de HOX-genen die hun ontwikkeling sturen, kun je zien, zoals je iets eerder in een lezing hebt gezien, dat de DNA-sequenties in de HOX-genen, die bepalen of je een opperarmbeen, een straal , een ellepijp of cijfers, zijn eigenlijk ook homoloog in hun DNA-sequentie. Er is dus een moleculaire homologie die ten grondslag ligt aan de morfologische homologie.

En als je kijkt naar moleculaire sequenties, hier is een gen genaamd aniridie bij mensen, en een gen dat oogloos wordt genoemd in fruitvliegen, en slechts zes: dit zijn geen DNA-sequenties, dit is een eiwitsequentie, dus dit zijn alleen aminozuren. zes van de zestig aminozuren zijn verschillend. De twee sequenties zijn voor 90% identiek. Er zijn zoekalgoritmen, zoals BLAST, die op zoek gaan naar dit soort overeenkomsten. Dus als je een kandidaat-gen of een kandidaat-eiwitsequentie krijgt, is het mogelijk om eenvoudig een zoekterm in te voeren in een zoekmachine en andere genen van andere soorten te laten verschijnen. Op die manier kun je dus naar moleculaire homologie zoeken.

Een goede moleculaire homologie is het fruitvlieg-homeobox-complex en het menselijke HOX-complex waar de sequentie van de genen langs het chromosoom, en de delen van het lichaam die door die genen worden aangestuurd, qua ontwikkeling vergelijkbaar zijn. mensen en in fruitvliegen, en verenigt eigenlijk alles wat je hier ziet. Dus dit soort dingen is een signaal van gedeelde voorouders, en het is het soort moleculaire informatie dat wordt gebruikt om de bredere levensboom te construeren. Dit is dus iets dat geleedpotigen, ringwormen, weekdieren, stekelhuidigen en chordaten met elkaar verbindt.

Hoofdstuk 3. Misleidende analogieën [00:15:11]

Nu analogie. Analogie of convergentie is een misleidend soort informatie, want dat betekent dat natuurlijke selectie dingen heeft genomen die evolutionair onafhankelijk waren, en die zustergroepen hebben, verwanten hebben, die er niet zo uitzien, en vervolgens beide dingen hebben gevormd om samenkomen tot een gemeenschappelijke vorm. Dus de dolfijn en de ichthyosaurus hebben een zeer gelijkaardig spoelvormig lichaam, en dit komt door de sterke selectie om snel in de oceaan te zwemmen en vissen en inktvissen op te jagen, wat ze allebei deden.

En de analogie gaat dieper dan dat. Zoals je waarschijnlijk weet, wordt de dolfijn levend geboren, hij is levendbarend. Zo ook de ichthyosaurus. Als je naar een opvallend museum gaat, net ten zuiden van Tübingen, in Duitsland, en kijkt naar 's werelds grootste verzameling zwangere ichthyosaurussen, kun je een ichthyosaurus zien die aan het bevallen was op het moment dat hij gefossiliseerd werd. En ze kregen vaak een tweeling of drieling.

Dus de definitie van analogie is twee dingen die erg op elkaar lijken, ook al hebben ze veel familieleden die er heel anders uitzien en ver in de boom staan. Dus de dolfijn is nauwer verwant aan een kangoeroe dan aan een ichthyosaurus, en een ichthyosaurus is nauwer verwant aan een kolibrie dan aan een dolfijn, maar toch lijken ze op elkaar. Dus dat is een analogie.

Dus toen mensen hun DNA-sequenties en hun logica onder controle hadden, en ze begonnen veel moleculaire systematiek te doen, ontdekten ze een aantal relaties die nogal verrassend waren, omdat analogie, convergentie, relaties hadden verdoezeld, of omdat evolutie zo radicaal was geweest. veranderde het uiterlijk van deze wezens, dat het erg moeilijk was om te zien met wie ze verwant waren.

Hier zijn een paar van deze inzichten. Ik durf te wedden dat als ik Alex of Jeremy of Katie of de andere docenten vraag of ze een favoriet hebben, ze waarschijnlijk ook met andere zullen komen. Misschien doe ik dat zo, dus begin maar na te denken. Oke?

Pentastomiden waren een mysterieuze groep wezens en ze blijken nauw verwant te zijn aan visluizen. Ik zal je zo een pentastomide laten zien. Vroeger was er een groep genaamd vleesetende planten, de bekerplanten en de zonnedauw, en mensen dachten dat de bekerplanten en de zonnedauw verwant waren. Dit zijn planten die zijn aangepast om onder zeer lage stikstofomstandigheden te leven, en ze hebben stikstof nodig om al hun eiwitten te maken, en ze krijgen het door insecten en andere dingen te doden. Sommigen van hen kunnen zelfs een kleine kikker doden. Dus men dacht dat het waarschijnlijk was dat dit een natuurlijke groep was en dat ze allemaal deze capaciteiten hadden ontwikkeld in een voorouderlijke toestand, en dat ze allemaal aan elkaar verwant waren. Maar dat zijn ze niet. Het is meerdere keren gebeurd.

Het was niet echt duidelijk waar de walvissen vandaan kwamen. Je zou kunnen denken dat walvissen misschien verwant zijn aan zeehonden, of misschien zijn ze verwant aan andere waterzoogdieren, zoals otters. Maar zeehonden en otters zijn carnivoren, en het blijkt dat walvissen, waaronder de tandwalvissen, de actieve vleesetende dolfijnen en potvissen, hoefdieren zijn. Oke? Er was dus een hoefdier dat vroeger planten at en het water in ging en allerlei andere dingen begon te eten. Oke? Het stopte met het eten van planten en het begon met het eten van vis, inktvis en sommigen van hen eten veel schaaldieren, als ze voer filteren.

platanen.Sycomoren, of platanen, zijn de klassieke boom die wordt gebruikt om het Europese plein te versieren. Oke? Als je in de zomer, in Italië of Frankrijk, graag buiten zit en naar de mensen kijkt, zit je waarschijnlijk onder een plataan. En ze hebben een blad dat eruitziet als een esdoornblad, en als je alleen maar naar een plataan kijkt, en trouwens, het heeft een soort vlekkerige bast, dus het heeft een soort witte bast maar met vlekken erop, als je gewoon naar een plataan en je kijkt alleen maar naar de vorm van het blad, je zou kunnen denken: "Oh, deze zijn gerelateerd aan esdoorns." Dat zijn ze helemaal niet. Ze zijn namelijk nauwer verwant aan waterlelies.

Dat zijn nogal radicale verrassingen. Dat zijn dingen die in de DNA-sequenties waren begraven, die niet zichtbaar waren in de morfologie, en ze zijn niet alleen een getuigenis van de kracht van moleculaire systematiek, ze zijn een getuigenis van de kracht van natuurlijke selectie om de vorm van dingen te veranderen op manieren die veranderen ingrijpend en creëren allerlei is-indrukken over relaties.

Dus hier zijn enkele pentastomiden. Deze set pentastomide-wormen kruipt eigenlijk over het dak van de bek van een krokodil. Ze hebben de neiging om in de neuzen van krokodillen en honden te leven. Ze hebben niet de neiging om in mensen te leven, dit is een van die vieze, griezelige beestjes waar je je zelf niet al te veel zorgen over hoeft te maken. Maar het ziet er eigenlijk uit als een keverlarve, of zoiets, het lijkt een beetje op een meelworm. Maar kijk, er zitten segmenten in en er zit een soort grappige structuur in.

Het blijkt dat het hier het nauwst mee te maken heeft. Hier zit een visluis aan de buitenkant van een trekkervis, en dit is een isopod. Pentastomiden zijn verwant aan visluizen. Ze zijn niet verwant aan kevers, of aan nematodenwormen, of aan een heleboel andere dingen. En in feite zijn ze genest in de visluizen. Dus de evolutie nam iets dat er zo uitzag en veranderde het in dat. En zoals veel dingen, werd dit waarschijnlijk bereikt door dingen als krokodillen die dingen als vis aten. En toen de parasiet die op de vis leefde door de krokodil werd ingenomen, was het min of meer: ​​"Oh mijn hemel, hoe ga ik me aanpassen aan de krokodil?" Welnu, als het van de vis kan vallen en in de bek van de krokodil kan blijven en in zijn neus kan kruipen, kan het overleven, wat in wezen is wat deze dingen deden.

Hier zijn twee vleesetende planten. Oke? Ze zijn polyfyletisch. Bekerplanten zijn onafhankelijk van elkaar geëvolueerd, minstens vijf keer van vliegenvangers. Er zijn twee groepen bekerplanten die zustergroepen zijn van twee clades van vliegenvangers, maar andere hebben andere zustergroepen. Dit zijn dus eigenlijk diep koele planten.

De wereldhotspot van bekerplanten, als je een diep verlangen hebt om veel bekerplanten te gaan verzamelen, is Borneo, en het is geen toeval dat Borneo een eiland is met een zeer, zeer stikstofarme grond, en de bomen en al het andere struiken die op Borneo leven, hebben veel van hen speciale aanpassingen om met deze lage nutriëntenomgeving om te gaan.

Dingen zoals vliegenpapier en de zonnedauw, de vliegenpapiervallen, ze leven vaak in moerassen, die ook extreem arm aan voedingsstoffen zijn. Als je hier naar Bethany Bog gaat, zul je deze in Bethany Bog vinden. Het is een ketelmeer dat is overgebleven nadat de gletsjers zich terugtrokken. Er groeit een mat van vegetatie overheen, wat betekent dat in het midden ervan de planten recht boven het water leven. Het water is arm aan voedingsstoffen en er zijn vliegenvallen die vliegen vangen om hun eiwitten binnen te krijgen.

Dit is een brok van de levensboom die je de uitstraling van de hoefdieren laat zien. En je kunt zien dat zowel de tandwalvissen als de baleinwalvissen genest zijn binnen de hoefdieren, en hun naaste verwanten zijn de nijlpaarden. Dus je zou moeten denken dat de voorouder van het nijlpaard in de oceaan ging, waarschijnlijk ongeveer 35.000.000 jaar geleden, en hier, gemarkeerd op de boom, zijn enkele van de genen die langs deze specifieke lijnen zijn veranderd en die signalen zijn van die relaties.

Het uitgangspunt is dus dat schijn bedriegt en speurwerk nodig is. Hoe doe je nu het detectivewerk? Hoe bouw je een fylogenetische boom? Voordat ik dat doe, hebben jullie een favoriete soort fylogenetica? Je hebt Jeremy, wat is van jou?

Leerkracht: Ja, gnetales, niet gerelateerd aan bloeiende planten, voor mij persoonlijk. Omdat gnetales dubbele bemesting hebben, wat een zeer interessante innovatie van planten is, of bloeiende planten hebben. En eigenlijk zijn ginkgo's gnetales in de gymnospermen, de pijnbomen. Dat hebben we persoonlijk geleerd van Burleigh en Mathews [een paper gepubliceerd in 2004].

Professor Stephen Stearns: Dus hoe recent is dat ontdekt?

Leerkracht: Zoals drie jaar geleden, drie of vier jaar geleden.

Hoofdstuk 4. Het proces van fylogenetische groepering [00:24:43]

Professor Stephen Stearns: Oké, kijk, de boom blijft veranderen. Het is een bewegend doelwit. Het wordt beter. De basistakken bewegen niet te veel, maar daarbuiten op de tips is er nog veel actie. Dus hoe kom je eraan? Hoe bouw je een fylogenetische boom?

Wel, dit is een belangrijk punt. Je moet een aantal karakters hebben, dus dat zijn toestanden van eigenschappen. Het kunnen nucleotidesequenties zijn. Het kan zijn of het ding schubben of vacht heeft, of het kan een hart met drie of vier kamers hebben. Het kunnen veel dingen zijn. Dus je hebt karakters nodig, en ze moeten verschillende statussen hebben. En de karakters die informatief zijn, zijn gedeelde afgeleide karakters. Ik zal op deze kwestie ingaan met een volledige dia, omdat dit een belangrijk punt is. De karakters die je fylogenetische informatie geven, zijn degenen die alles in een groep met elkaar deelt, en het is anders dan de voorouder.

Welnu, je kunt afgeleid alleen definiëren door te vergelijken met primitief. Oke? Dus primitief is zoals het was, en afgeleid is wat het nu is, ergens in de boom, en dat kan niet zonder een boom. Er is dus een soort paradox. Je hebt geen boom, en als je die niet hebt, heb je geen manier om te bepalen wat er eerst was, en daarom weet je niets van karakterpolarisatie. Karakterpolarisatie betekent weten welke toestand primitief is en welke is afgeleid die die reeks eigenschapstoestanden polariseert. Er zijn dus een aantal manieren om uit dit logische dilemma te komen.

Een daarvan is dat je naar alle mogelijke bomen kijkt. Dit is trouwens een enorm rekenprobleem, zoals je aan het eind zult zien, en je kiest degene die het eenvoudigst is. Dus dat is het principe van spaarzaamheid. En het is een logisch principe, het is geen empirisch principe, en het is niet noodzakelijk de manier waarop evolutie werkt. Maar aangezien er heel veel mogelijke bomen zijn, is het kiezen van de eenvoudigste een manier om te zeggen: "Dit is hoe we omgaan met onze onwetendheid."

Of je zou de boom kunnen kiezen die het meest waarschijnlijk maakt dat je de karaktergegevens zou hebben waargenomen die je daadwerkelijk hebt waargenomen, het principe van maximale waarschijnlijkheid. En in feite zijn dit in de computerprogramma's en in de theoretische argumenten die in de fylogenetica voorkomen, twee van de hoofdthema's, en veel van de methoden combineren ze op verschillende manieren.

Oké, dus een beetje over gedeelde afgeleide karakters. Weet je nog die foto met de verschillende kleuren, met de verschillende delen van de voorpoot? Het hebben van een voorpoot met een opperarmbeen, een straal, een ellepijp, handwortelbeentjes en middenhandsbeentjes, in die volgorde, helpt ons echt niet om vleermuizen van schildpadden te onderscheiden. Oke? Die eigenschap werd gedeeld door alle tetrapoden. Dus het feit dat je naar iets kijkt, dat die onderdelen bevat, helpt je niet om vleermuizen van schildpadden te onderscheiden van walvissen van zeehonden. Natuurlijk hebben ze het allemaal, maar dat zegt niet of ze nauw verwant zijn aan elkaar of niet, want ze hebben het allemaal van een gemeenschappelijke voorouder die het niet is afgeleid.

Die structuur onderscheidt de tetrapoden echter van de vissen met lobvin. Dus op dat punt in de boom wordt het nuttig als een gedeelde afgeleide markering van een groep. Daarom, een van de redenen waarom, we er vrij zeker van zijn dat de tetrapoden een goede groep zijn, en dat dingen niet- dat de gewervelde dieren niet meerdere keren uit het water kwamen. In deze context markeert het een eigenschap die ooit in hun gemeenschappelijke voorouder is ontstaan, het wordt door hen allemaal gedeeld en het wordt niet gevonden bij hun naaste verwanten.

Het jargon is afgeleid van het Grieks. Dit ding wordt een synapomorfie genoemd. Syn betekent gedeeld apo betekent afgeleid enmorph eigenschap betekent. Dus een gedeelde afgeleide eigenschap is een synapomorfie.

Nu zijn er een heleboel belangrijke dingen hier. Er hetzelfde uitzien is niet erg nuttig. De informatieve eigenschappen zijn degenen die worden gedeeld en afgeleid. En wat wordt gedeeld en wat wordt afgeleid, en dus wat informatief is, hangt af van de context, het hangt af van het deel van de boom waarin je zit.

Oké, nu een beetje over het bouwen van bomen. Je kunt denken dat de evolutie heel complex is en dat er van alles aan de hand is. Maar laten we aannemen dat A de voorouderlijke staat van een eigenschap heeft, en dat tussen A en B en C een nieuwe staat van de eigenschap evolueert. Dus Ancestral is blauw en New is rood. En dit markeert het punt waarop die eigenschap begon te veranderen, en toen verspreidde het zich door de populatie en op dit punt was het opgelost.

Nou, dit is een tekenfilm, en dit is een tekenfilm van een tekenfilm. Oke? We markeren gewoon waar dat gebeurde, en het enige belangrijke aan dit merkteken is dat het tussen dit punt en dit andere punt is, we weten niet echt precies waar het is. Oke?

Nu zouden A, B en C normaal gesproken soorten zijn. Oke? Maar het kunnen ook andere dingen zijn. Het kunnen genen zijn, of het kunnen geslachten of families zijn of iets dergelijks. En 1, 2 en 3 zijn karakters. Ze kunnen morfologisch zijn, ze kunnen moleculair zijn. En, als een conventie, zal de voorouderlijke staat van dat karakter worden aangeduid met 0, en de afgeleide staat zal worden aangeduid met 1 en de pijl geeft aan dat u van voorouderlijk naar afgeleid gaat. En wat deze foto je eigenlijk vertelt, is dat eigenschap 1 veranderde van voorouderlijk in afgeleid, tussen A en B, en toen B zich afsplitste van C, veranderden er nog twee dingen in C. Oké, dus dat is de informatie die die foto is proberen te geven.

En als je een echt interessante fylogenie van gewervelde dieren neerzet, zoals deze, een fylogenie van gewervelde dieren die een paar ongelukkige namen heeft, voor bepaalde groepen, is het dan oké? zoals reptielen zijn niet echt en we gebruiken deze karakters, een wervelkolom hebben, longen hebben, een vruchtwater hebben, borstvoeding geven, geen eierschaal, chorioallantoïsche placenta, hoeven op distale vingerkootjes, een petrosale bulla, in de schedel, wat dan? we kunnen zien aan het plotten van die langs de lijn, in feite is welke karakters hier onderscheiden welke groepen wat er gebeurt als je naar de hoefdieren, de paarden en de koeien gaat.

De wervelkolom is een synapomorfie van de gewervelde dieren, van dit hele stel hier. Maar als we alleen naar de zoogdieren kijken, die er vanaf nu zijn, is het een voorouderlijke eigenschap, het is geen afgeleide eigenschap, het is een gedeelde primitieve eigenschap, en dat is een symplesiomorfie, geen synapomorfie. De longen, die hier binnenkomen, op 2, zijn een synapomorfie van de tetrapoden, maar ze zijn een voorouderlijke eigenschap, een symplesiomorfie van de amnioten oké, dus de amniotes zijn hier terug. Excuseer me, de amniotes zijn hier. Dus of je een eigenschap het een of het ander noemt, hangt af van waar het in de boom zit en wat je ermee kunt doen.

Dit is een beetje de relatie tussen bomen en namen. Idealiter zouden we willen dat die relatie helemaal duidelijk en ondubbelzinnig is, zodat als ik je een naam geef, je weet waar dat ding in de boom zit. Dit is moeilijk om te doen. Het is zo moeilijk om te doen dat er nu een volledige omkering van het Linnaeaanse classificatiesysteem gaande is. Het wordt geleid door een paar jongens hier, Michael Donoghue en Jacques Gauthier. Michael zit op onze afdeling, en hij is ook vice-president van de universiteit, en Jacques Gauthier is een prof in G&G - in paleontologie.

En ze hebben veel gewerkt om een ​​manier te vinden om dingen te benoemen die je hun volledige positie op de Boom des Levens vertellen. Oke? Het wordt een grote computercode. Het wordt niet zoiets moois als Homo sapiens. Oke? Homo sapiens is de naam van Linnaeus. De nieuwe methode zal veel meer informatie bevatten en zal waarschijnlijk alleen iets zijn dat je op je iPhone kunt opslaan, of wat dan ook dat je gebruikt om je geheugen te vervangen.

Maar idealiter zouden deze termen overeenkomen met natuurlijke relaties en deze termen komen ook overeen met deze natuurlijke relaties. Oke? Dus dit zijn de primaten, en dit zijn de hoefdieren, en ze zijn genest in de eutherische zoogdieren. De therian-zoogdieren omvatten de buideldieren en de zoogdieren omvatten de monotremes, de stekelige mierenegel en het vogelbekdier. En tussen hen en de buideldieren is het vrouwelijke voortplantingsstelsel geëvolueerd, omdat de monotremes nog steeds eieren leggen. En dan zouden de amniotes de zogenaamde reptielen omvatten die eigenlijk krokodillen, hagedissen, slangen, schildpadden zouden zijn. De tetrapoden omvatten de amfibieën, en dan de gewervelde dieren ook de vissen. Dit is dus een natuurlijke classificatie, en dat is de manier waarop alle taxonomische nomenclatuur gerelateerd moet zijn aan alle goede systematiek.

Hoofdstuk 5. De logica van groeperen op gedeelde kenmerken [00:35:04]

Hoe leid je nu eigenlijk een boom af uit een karaktermatrix? Dus hier proberen we er gewoon achter te komen of dingen met elkaar te maken hebben of niet. We hebben nog geen boom. Oke? En we hebben drie soorten en we hebben drie karakters en in dit geval wordt de voorouder 0 en wordt 1 afgeleid.

Welnu, deze specifieke karaktermatrix komt overeen met het op deze manier tekenen van een boom en dan de overgangen hier markeren. Dus toen 1 van voorouderlijk naar afgeleid ging, veranderde het hier in zowel B als C, en toen 2 en 3 van voorouderlijk naar afgeleid gingen, veranderde het alleen in C. Kun je zien hoe de boom zich verhoudt tot de matrix? Oke? Heb je daar op dit moment een vraag over? Ik heb de eenvoudigste gemaakt die ik kon.

Als we het nu met algemene gelijkenis deden, delen A en B vijf voorouderlijke tellingen. Oke? In drie eigenschappen, 1, 2 en 3, heeft A de voorouderlijke staat. In twee eigenschappen, twee daarvan, in B'8211B heeft ook de voorouderlijke eigenschap in 2 en 3, en dat zou deze boom suggereren. Maar als we afgaan op afgeleide gelijkenis, dan krijgen we deze boom. En je kunt zien wat het met de boom doet. Dit is dus algemene gelijkenis, wat misleidend is, en dit is een gedeelde afgeleide eigenschap fylogenetica, die deze boom oplevert, en het verschuift de zuster van B van A naar C.

Als het leven nu maar zo simpel was. Het leven is nooit eenvoudig. Eigenschappen kunnen met elkaar conflicteren in de informatie die ze je geven, en dat is vaak zo. Dus hier is een karaktermatrix zonder conflict, en hier is een karaktermatrix met conflict. Oke? Dus alles zag er redelijk goed uit, zolang we hier alleen eigenschap 1 en 2 hebben gemeten. Maar toen hebben we eigenschap 3 gemeten, en eigenschap 3 leek erop te wijzen dat C deze voorouderlijke eigenschap hier had. Het begon erop te lijken dat C een sterk afgeleide soort zou worden. Maar toen hebben we naar een andere eigenschap gekeken en dat was niet zo. Wat doe jij? Rechts? Wat doe jij?

Nou, je kunt de eenvoudigste boom kiezen. U kunt degene kiezen die de minste verandering inhoudt. Dus hier zijn alle bomen die consistent zijn met deze karaktermatrix. En als je teruggaat en het probeert, denk ik dat je zult zien dat je al deze veranderingen hier kunt plotten. Dus eigenlijk zegt deze boom dat derde kenmerk hier beneden, het veranderde twee keer, het veranderde één keer in A en het veranderde één keer in B. Dus het ging van een voorouderlijke staat naar een afgeleide staat, langs deze takken. En deze eigenschappen hier, 1 en 2, veranderden tussen A aan de ene kant en B en C aan de andere kant hier. Dus je zou dat ook kunnen doen, en je zou ontdekken dat al deze bomen eigenlijk consistent zijn met die karaktermatrix, maar deze vereist vijf veranderingen en deze nemen slechts 4: 1, 2, 3, 4 1, 2, 3, 4 , 5.

Daarom komen we tot de conclusie dat een van deze eigenschappen, een van deze bomen, waarschijnlijk juist is, alleen al door het principe van spaarzaamheid. En de enige manier waarop we dit soort problemen echt kunnen oplossen, is door meer gegevens te verzamelen. Hoe meer gegevens u krijgt, hoe groter de kans dat deze samenkomen op de echte boom. Ik wil erop wijzen dat er waarschijnlijk niet genoeg gegevens in de wereld zijn om dat te doen, voor alle wezens op de planeet. Met andere woorden, aan het einde van het proces zullen er nog wat onopgeloste zaken zijn.

Hoe zit het met 'laat ik dat er gewoon in' hoe zit het met dit? Waar komt de wortel vandaan? Nou, dit zijn onbewortelde bomen, hier, en de keuze van waar je de voorouderlijke staat bepaalt, maakt eigenlijk nogal wat uit voor de boom. Het spijt me dat dit bij het vertalen een beetje in de war is geraakt. Dit is eigenlijk A hier, en dan wordt het D, B, C hier. Door dit als de wortel te kiezen, in plaats van dit, verandert de relatie van B en D naar B en C dit is B en dit is C, dit is B en dit is D. Dus waar krijg je de outgroup, hoe bepaal je waar de wortel zou moeten zijn?

Welnu, die kwestie kan alleen worden beslist in de context van een grotere boom. U moet dus een ander soort informatie hebben om te suggereren wat uw out-groep zou kunnen zijn. En als dit daadwerkelijk wordt gedaan, zien mensen soms of de keuze voor een outgroup de vorm van hun boom echt zal veranderen. Ze zullen rapporteren: "We hebben dit en dit en dit geprobeerd als de out-groep, en dit waren de resultaten, voor onze boom." Oke?

Nu, je krijgt je eigenschappenmatrix, je wilt de eenvoudigste boom vinden. Een daarvan is om uitgebreid te zoeken. Dus hier zijn twee terminale taxa, B en C. Oké? We hebben A gekozen als de voorouderlijke voorwaarde, het is nu geen bestaande soort. A, zeggen we, zal de out-groep zijn die een link zal zijn naar de voorouders. Slechts één boom mogelijk. Als we drie terminale taxa hebben, kunnen we ofwel B hebben als de naaste verwant van D C als de naaste verwant van D of B en C als hun naaste verwant. Er zijn dus drie mogelijkheden.

Als we vier terminale taxa hebben, oh mijn god, dan hebben we er ineens zoveel. Oh dat is verwarrend. Als we 500 terminale taxa hebben, hebben we 1 keer 10 1280 mogelijkheden. Dit is een combinatorische explosie van mogelijkheden.En ongeveer, zeg maar 2003, 2004, het kostte negen maanden runtime op een supercomputer om alle mogelijke bomen voor een redelijk aantal tekens voor zoiets als dit uit te zoeken. Dus als je 500 soorten hebt en je zou willen en je had een redelijk aantal karakters, dan zou je maar een heel klein deel van die bomen bedekken en zou je negen maanden wachten om je antwoord te krijgen. Het is de laatste tijd iets beter geworden, maar niet veel. Oke?

Er zijn dus manieren om dit probleem te omzeilen. Er zijn allerlei heuristische manieren om dit te omzeilen. Er zijn manieren om in de boomruimte te springen en lokale benaderingen te doen en vervolgens dingen samen te vertakken. Zodat, bijvoorbeeld, wanneer de New York Times meldde vorige week, op de verjaardag van Darwin, dat biologen onlangs een boom van 11.000 plantensoorten hadden kunnen publiceren, wat hier is gedaan door de groep van Stephen Smith en Michael Donoghue, hij deed dat als een superboom, met behulp van deze benaderingstechnieken om veel kleinere bomen aan elkaar te plakken. En er zijn allerlei criteria die worden toegepast op hoe goed dat is. Trouwens, een van de dingen die Stephen opdook, is dat de varens nog steeds snel evolueren, wat best netjes is. Daar zitten veel andere dingen in.

Hoofdstuk 6. Samenvatting [00:42:56]

De Boom des Levens wordt dus niet gegeven. We moeten het ontdekken. De informatieve karakters in de Tree of Life zijn degenen die worden gedeeld en afgeleid. Dus schijn bedriegt. Alleen op elkaar lijken is onvoldoende informatie. Je kunt veel bomen maken met dezelfde karaktermatrix. U geeft de voorkeur aan ofwel de eenvoudigste, wat de minste verandering inhoudt, ofwel de boom die de kans maximaliseert om waar te nemen wat u werkelijk ziet, of een combinatie van die criteria. Oke? De volgende keer zullen we deze methoden gebruiken en kijken hoe we er geschiedenis mee kunnen afleiden.


Ik word over het algemeen ZEER sceptisch als ik uitspraken hoor die beginnen met "mannen doen x" of "vrouwen doen y". Hetzelfde geldt voor rassen of nationaliteiten of leeftijdsgroepen of andere sociale groepen.
Ik vind zulke uitspraken pijnlijk generaliserend. Ik weet zeker dat veel mannen graag beschermen. maar is het een meerderheid? En hoe zouden we dit überhaupt kunnen meten? Welke acties definiëren we als "verzorgen" of "beschermen" of "geen van beide"? En wat als ik het leuk vind om BEIDE te doen, afhankelijk van mijn humeur en mijn algemene situatie?

Neem mij. Ik hou van het gevoel mijn vrouw te 'beschermen', maar het is niet zo dat ik ooit de kans krijg om het ook echt te doen. We leven in een van de veiligste, meest vreedzame landen ter wereld. Het is normaal dat 5-jarige kinderen alleen naar de kleuterschool lopen en dat jonge vrouwen 's avonds alleen naar huis lopen. Waarvan ga ik mijn vrouw beschermen? Misschien af ​​en toe een spin op de muur van onze woonkamer? Behalve dat ze het eigenlijk niet erg vindt om ze te doden. Alle dingen die in feite een gevaar voor mijn meisje kunnen vormen, zijn dingen die ze zelf moet regelen. Stel, ze heeft misschien een ongeluk met haar fiets, maar daar kan ik haar zeker niet tegen beschermen. Ik weet ook niet zeker of ik het moet proberen. Ik bedoel. ze is volwassen en ze moet zelf beslissen welke risico's ze wil nemen. Ik ben niet haar oppas en ik weet zeker dat ze niet zou willen dat ik zo zou zijn.
Aan de andere kant is mijn vrouw de afgelopen dagen ziek geweest en heb ik haar met dingen geholpen. Ik zette thee voor haar, kookte voor haar. kleine dingen. Maakt mij dat een minder man? En als dat zo is, waarom zou ik me er dan nog druk om maken?

Over het algemeen voel ik me erg ongemakkelijk bij deze "mannen doen dit, vrouwen doen dat"-claims. Ik vind ze eerlijk gezegd erg dom. Voor mij komen ze over als een echt, echt wanhopige manier om mannen en vrouwen in een soort ouderwetse geslachtsrollen te dwingen.

Ik vind dat we niet eens zoveel aan het geslacht van mensen moeten denken. Je hebt een vagina. Ik heb een penis. En dan. Dat betekent letterlijk niets. Er zijn vrouwen die zich graag kleden als een prinses en romantische komedies kijken. En er zijn vrouwen die soldaten of FBI-agenten of bouwvakkers zijn.

Ik zou willen dat mensen andere mensen gewoon als "mensen" zouden benaderen, in plaats van allerlei bevooroordeelde oordelen te vellen op basis van hun geslachtsdelen. Dat is wat ik dagelijks probeer te doen. Ik ontmoet iemand, ik luister naar wat ze zeggen, ik probeer te begrijpen wie ze zijn en hoe ze tikken en op basis daarvan bouw ik mezelf een beeld van hen op. Ik geloof dat dat een manier is om oprechte interesse in andere mensen te tonen.