Informatie

1.4: Genetische, epigentische en evolutionaire grondslagen - biologie


1.4 Genetische, epigenetische en evolutionaire grondslagen

De ontwikkeling van complexe biologische organismen op onze planeet is ontstaan ​​door het evolutionaire mechanisme van: natuurlijke selectie. De Britse natuuronderzoeker Charles Darwin stelde de theorie van biologische evolutie door natuurlijke selectie voor in zijn boek, 'Over de oorsprong van soorten' dat werd gepubliceerd in 1859. Darwin definieerde evolutie als 'afstamming met modificatie', het idee dat soorten in de loop van de tijd veranderen, aanleiding geven tot nieuwe soorten en een gemeenschappelijke voorouder delen. Het mechanisme dat Darwin voorstelde voor evolutie is: natuurlijke selectie. Natuurlijke selectie zorgt er dus voor dat populaties aangepast, of in de loop van de tijd steeds beter geschikt zijn voor hun omgeving. Natuurlijke selectie is afhankelijk van de omgeving en vereist bestaande erfelijke variatie in een groep.

Natuurlijke selectie werkt in op de fenotypeof fysieke kenmerken. fenotype wordt bepaald door de genetische samenstelling van een organisme (genotype) en de omgeving waarin het organisme leeft. Wanneer verschillende organismen in een populatie verschillende versies van een gen voor een bepaalde eigenschap bezitten, staat elk van deze versies bekend als an allel. Het is vooral deze genetische variatie die ten grondslag ligt aan verschillen in fenotype. Sommige eigenschappen worden beheerst door slechts een enkel gen, maar de meeste eigenschappen worden beïnvloed door de interactie van vele genen. Een variatie in een van de vele genen die bijdraagt ​​aan een eigenschap heeft mogelijk maar een klein effect op het fenotype; samen kunnen deze genen een continuüm van mogelijke fenotypische waarden produceren.

Zo bepalen interacties tussen verschillende vachtkleurgenen van paarden de vachtkleur van een paard. Er zijn veel kleuren mogelijk, maar alle variaties worden geproduceerd door veranderingen in slechts enkele genen. Verlenging en agouti zijn bijzonder bekende genen met dramatische effecten. Bijvoorbeeld verschillen bij de agouti-gen kan helpen bepalen of een paard bruin of zwart van kleur is, en een verandering in de extensie gen kan op zijn beurt in plaats daarvan een paardenkastanje gekleurd maken (Figuur 1.30). Weer andere genvarianten zijn verantwoordelijk voor de talloze andere vachtkleurmogelijkheden, waaronder palomino-, buckskin- en cremello-paarden.

Figuur 1.30 Genotypevariaties als determinanten van de kleur van de paardenvacht. Paarden die in staat zijn om het zwarte pigment, eumelanine, te produceren, hebben ten minste één kopie van het dominante extensie gen (E/E of E/e). Interessant is dat de eenjicht gen regelt de beperking van echt zwart pigment (eumelanine) in de vacht. Paarden die an . uitdrukken extensie dominant gen, en recessief zijn aan de agouti-genlocus (a/a) zal zwart van kleur zijn, zoals weergegeven in (een). Terwijl paarden die dominant zijn voor verlenging (E/E of E/a) maar zijn ook dominant voor de agouti genotype (A/A of een/een), zal nooit helemaal zwart zijn. Afhankelijk van andere genloci zullen ze in plaats daarvan kleurpatronen vertonen zoals laurier, zoals weergegeven in (b). Afbeelding (a) verzorgd door: Serendipiteitblauw; Afbeelding (b) verzorgd door: CMSportpaarden


Het primaire moleculaire mechanisme dat natuurlijke selectie aandrijft, wordt dus gecontroleerd door de erfelijkheid en veranderlijkheid van genetische eigenschappen die zijn ondergebracht in het belangrijkste macromolecuul, deoxyribonucleïnezuur (DNA). In hoofdstuk 4 leer je over de structurele kenmerken van DNA, terwijl hoofdstuk 9 zich richt op de biochemische mechanismen die betrokken zijn bij DNA-replicatie en ook op het belang van het DNA-herstelproces en moleculaire mechanismen van evolutie op genetisch niveau.

Met name de fenotypische eigenschappen die worden bepaald door de genetische samenstelling van een organisme, worden niet rechtstreeks gecontroleerd door het genetische materiaal, DNA, maar door de eiwitten die worden geproduceerd op basis van de informatie die zich in het gen bevindt. In 1945, geneticus George Beadle stelde de één gen-één enzymhypothese voor die suggereert dat genen zeer specifiek zijn wanneer ze coderen voor een eiwitsequentie. Het zou echter nog 16 jaar duren voordat de biochemische aard van dit proces werd afgeleid. Pogingen om te begrijpen hoe eiwitten worden gecodeerd, begonnen nadat de structuur van DNA in 1953 werd ontdekt. George Gamow gepostuleerd dat sets van drie basen moeten worden gebruikt om te coderen voor de 20 standaard aminozuren die door levende cellen worden gebruikt om eiwitten te bouwen, wat een maximum van 43 = 64 aminozuren.

De Crick, Brenner, Barnett en Watts-Tobin-experiment toonde eerst aan dat codons uit drie DNA-basen bestaan ​​(Figuur 1.31). Maarschalk Nirenberg en Heinrich J. Matthaei waren de eersten die de aard van een codon in 1961 onthulden.

Figuur 1.31 Codons bestaan ​​uit sets van drie basen. Een reeks codons in een deel van een boodschapper-RNA-molecuul (mRNA). Elk codon bestaat uit drie nucleotiden, meestal overeenkomend met een enkel aminozuur. De nucleotiden worden afgekort met de letters A, U, G, C. Dit is mRNA dat U (uracil) gebruikt. DNA gebruikt in plaats daarvan T (thymine). Dit mRNA-molecuul zal een ribosoom instrueren om een ​​eiwit te synthetiseren volgens deze code.

Afbeelding door Sverdrup

Ze gebruikten een celvrij systeem om een ​​poly-uracil-RNA-sequentie te vertalen (d.w.z. UUUUU...) en ontdekten dat het polypeptide dat ze hadden gesynthetiseerd alleen uit het aminozuur fenylalanine bestond. Ze leidden daaruit af dat het codon UUU het aminozuur fenylalanine specificeerde.

Dit werd gevolgd door experimenten in Severo Ochoa's laboratorium dat aantoonde dat de poly-adenine-RNA-sequentie (AAAAA...) codeerde voor het polypeptide poly-lysine en dat de poly-cytosine RNA-sequentie (CCCCC...) codeerde voor het polypeptide poly-proline. Daarom specificeerde het codon AAA het aminozuur lysine en specificeerde het codon CCC het aminozuur proline. Met behulp van verschillende copolymeren werden vervolgens de meeste van de resterende codons bepaald.

Later werk van Har Gobind Khorana identificeerde de rest van de genetische code. Kort daarna, Robert W. Holley bepaalde de structuur van transfer-RNA (tRNA), het adaptermolecuul dat het proces van het vertalen van RNA naar eiwit vergemakkelijkt. Dit werk was gebaseerd op Ochoa's eerdere studies, wat de laatste in 1959 de Nobelprijs voor Fysiologie of Geneeskunde opleverde voor werk aan de enzymologie van RNA-synthese.

Uitbreiding van dit werk, Nirenberg en Philip Leder onthulde de triplet-aard van de code en ontcijferde de codons (Figuur 1.32). In deze experimenten werden verschillende combinaties van mRNA door een filter gevoerd dat ribosomen bevatte, de componenten van cellen die RNA in eiwit vertalen. Unieke tripletten bevorderden de binding van specifieke tRNA's aan het ribosoom. Leder en Nirenberg waren in staat om de sequenties van 54 van de 64 codons in hun experimenten te bepalen. Khorana, Holley en Nirenberg ontvingen in 1968 de Nobelprijs voor hun werk.

De drie stopcodons zijn genoemd door ontdekkers Richard Epstein en Charles Steinberg. "Amber" is vernoemd naar hun vriend Harris Bernstein, wiens achternaam "amber" betekent in het Duits. De andere twee stopcodons werden "oker" en "opaal" genoemd om het thema "kleurnamen" te behouden.

Figuur 1.32 De genetische code. Afbeelding bewerkt door Seth Miller, Origineel bestand ontworpen en geproduceerd door: Kosi Gramatikoff met dank aan Abgent


Elk gen bevat een leeskader dat wordt gedefinieerd door het initiële triplet van nucleotiden van waaruit de translatie begint. Het vormt het kader voor een reeks opeenvolgende, niet-overlappende codons, die bekend staat als an open leesraam (ORF). Bijvoorbeeld, de string 5'-AAATGAACG-3', indien gelezen vanaf de eerste positie, bevat de codons AAA, TGA en ACG; indien gelezen vanaf de tweede positie, bevat het de codons AAT en GAA; en als het vanaf de derde positie wordt gelezen, bevat het de codons ATG en AAC. Elke sequentie kan dus in zijn 5′ → 3′-richting worden gelezen in drie leeskaders, die elk een mogelijk verschillende aminozuursequentie produceren: in het gegeven voorbeeld, Lys (K)-Trp (W)-Thr (T), Asn (N)-Glu (E), of Met (M)-Asn (N), respectievelijk. Wanneer DNA dubbelstrengs is, worden zes mogelijke leeskaders gedefinieerd, drie in de voorwaartse oriëntatie op één streng en drie omgekeerd op de tegenovergestelde streng. Eiwitcoderende frames worden gedefinieerd door een startcodon, gewoonlijk het eerste AUG (ATG) codon in de RNA (DNA) sequentie.

Om het vertaalproces te beëindigen, zijn er drie stopcodons met namen: UAG is amber, UGA is opaal (soms ook wel omber), en UAA is oker. Stopcodons worden ook "beëindigings-" of "onzin"-codons genoemd. Ze signaleren afgifte van het ontluikende polypeptide uit het ribosoom.

Tijdens het proces van DNA-replicatie treden af ​​en toe fouten op bij de polymerisatie van de tweede streng. Deze fouten, mutaties, kunnen het fenotype van een organisme beïnvloeden, vooral als ze voorkomen in de eiwitcoderende sequentie van een gen. Foutpercentages zijn doorgaans 1 fout op elke 10-100 miljoen basen - vanwege het "proeflezen" vermogen van DNA-polymerasen.

Missense mutaties en onzin mutatieszijn voorbeelden van puntmutaties die genetische ziekten kunnen veroorzaken, zoals respectievelijk sikkelcelziekte en thalassemie. Klinisch belangrijk missense mutatiesveranderen in het algemeen de eigenschappen van de gecodeerde aminozuurrest tussen basische, zure, polaire of niet-polaire toestanden, terwijl: onzin mutaties resulteren in een stopcodon.

Mutaties die de leesraamsequentie verstoren door indels (inserties of deleties) van een niet-veelvoud van 3 nucleotidebasen staan ​​bekend als frameshift-mutaties. Deze mutaties resulteren meestal in een compleet andere vertaling dan het origineel en veroorzaken waarschijnlijk dat een stopcodon wordt gelezen, waardoor het eiwit wordt afgekapt. Deze mutaties kunnen de functie van het eiwit aantasten en zijn daarom zeldzaam bij in vivo eiwitcoderende sequenties. Een van de redenen waarom overerving van frameshift-mutaties zeldzaam is, is dat, als het te vertalen eiwit essentieel is voor groei onder de selectieve druk waarmee het organisme wordt geconfronteerd, de afwezigheid van een functioneel eiwit de dood kan veroorzaken voordat het organisme levensvatbaar wordt. Frameshift-mutaties kunnen leiden tot ernstige genetische ziekten zoals de ziekte van Tay-Sachs.

Hoewel de meeste mutaties die eiwitsequenties veranderen schadelijk of neutraal zijn, hebben sommige mutaties voordelen. Deze mutaties kunnen het mutante organisme in staat stellen bepaalde omgevingsstress beter te weerstaan ​​dan wildtype organismen, of zich sneller voort te planten. In deze gevallen zal een mutatie door natuurlijke selectie vaker voorkomen in een populatie. Verschillende sequentievariaties van hetzelfde gen of eiwit binnen een enkel organisme, binnen een populatie of tussen verschillende soorten staan ​​bekend als: sequentie polymorfismen. Grootschalige genduplicatiegebeurtenissen kunnen ook leiden tot evolutionaire gebeurtenissen.

De evolutie van eiwitten wordt bestudeerd door de sequenties en structuren van eiwitten van veel organismen die verschillende evolutionaire clades vertegenwoordigen te vergelijken. Als de sequenties/structuren van twee eiwitten vergelijkbaar zijn, wat aangeeft dat de eiwitten van een gemeenschappelijke oorsprong afweken, worden deze eiwitten genoemd homologe eiwitten. Meer specifiek worden homologe eiwitten die in twee verschillende soorten voorkomen, as . genoemd orthologen. Terwijl homologe eiwitten die worden gecodeerd door het genoom van een enkele soort worden genoemd paralogen. Niet-verwante genen die een aparte evolutionaire oorsprong hebben, maar die elk coderen voor eiwitten die vergelijkbare functies hebben, worden genoemd analogen (Figuur 1.33).

Figuur 1.33 Genetische evolutie van eiwitsequenties. (Bovenste paneel) Een voorouderlijk gen dupliceert om twee paralogen te produceren (Gen A en B). Een soortvormingsgebeurtenis produceert orthologen in de twee dochtersoorten. In een aparte soort heeft een niet-verwant gen een vergelijkbare functie (Gen C) maar heeft een aparte evolutionaire oorsprong en is dat ook een analoog. (Onderste paneel) 3D-eiwitmodellen werden opgehaald of gemodelleerd met behulp van SWISS-MODEL: Human Histone H1.1 (Q02539), Human Histone H1.2 (P16403), E. coli HNS (P0ACF8). Histon H1.1 van de chimpansee (Pan-holbewoners XP_016810512.1) werd gemodelleerd met behulp van Human Histon H1.1 als een sjabloon. Merk op dat de E coli HNS-eiwit wordt typisch gemodelleerd als een dimeer. Slechts een enkel monomeer wordt hier getoond.

Bovenste afbeelding door Thomas Shafee


DNA-sequencingtechnieken zijn de afgelopen 15 tot 20 jaar snel verbeterd, waardoor het mogelijk is om de volledige genomen van organismen te sequensen en zo het volledige proteoom van een organisme te voorspellen, op basis van de translatie van het genoom waarvan de sequentie is bepaald, gevolgd door de annotatie van voorspelde ORF's met behulp van fylogenetische vergelijking van vergelijkbare genen/eiwitten van andere bekende organismen. Dit heeft geleid tot het gebied van Bio-informatica die computerwetenschap, wiskunde en statistische analyse gebruikt om de grote hoeveelheden biologische gegevens te analyseren die zijn gecreëerd in genoomsequencing-projecten. De fylogenetische relaties, en dus voorouderlijke relaties, van verschillende genen, eiwitten en uiteindelijk organismen kunnen worden vastgesteld door de statistische analyse van sequentie-uitlijningen. Dergelijke fylogenetische bomen hebben vastgesteld dat de sequentieovereenkomsten tussen eiwitten nauw de evolutionaire relaties tussen organismen weerspiegelen.

Eiwitevolutie beschrijft de veranderingen in de tijd in eiwitvorm, functie en samenstelling. Door kwantitatieve analyse en experimenten hebben wetenschappers ernaar gestreefd de snelheid en oorzaken van eiwitevolutie te begrijpen. Met behulp van de aminozuursequenties van hemoglobine en cytochroom c van meerdere soorten, waren wetenschappers in staat schattingen af ​​te leiden van de eiwitevolutiesnelheden. Wat ze ontdekten was dat de tarieven niet hetzelfde waren bij eiwitten. Elk eiwit heeft zijn eigen snelheid en die snelheid is constant over de fylogenieën heen (d.w.z. hemoglobine evolueert niet met dezelfde snelheid als cytochroom c, maar hemoglobines van mensen, muizen, enz. hebben vergelijkbare evolutiesnelheden.). Niet alle regio's binnen een eiwit muteren met dezelfde snelheid; functioneel belangrijke gebieden muteren langzamer en aminozuursubstituties met vergelijkbare aminozuren komen vaker voor dan ongelijke substituties. Over het algemeen lijkt het niveau van polymorfismen in eiwitten redelijk constant te zijn. Verschillende soorten (waaronder mensen, fruitvliegen en muizen) hebben vergelijkbare niveaus van eiwitpolymorfisme.

Genduplicatiegebeurtenissen gevolgd door mutatie kunnen ook aanleiding geven tot paralogen met unieke en verschillende functies binnen een organisme. Dit kan de annotatie van genomen op basis van sequentie alleen een moeilijke taak maken, omdat homologe eiwitsequenties mogelijk geen vergelijkbare functies hebben in vivo. Geschat wordt dat ongeveer 10-25% van de annotaties op sequentiehomologie onjuist zijn en experimentele validatie vereisen. Menselijke pancreasribonuclease is bijvoorbeeld een spijsverteringsenzym dat wordt gebruikt om nucleïnezuren af ​​te breken. Het angiogenine-eiwit is een paraloog van pancreasribonuclease en deelt hoge sequentiehomologie en 3D-vorm (Figuur 1.34). De functies van deze eiwitten zijn echter behoorlijk verschillend. Angiogenine induceert vascularisatie door transcriptieprocessen in endotheelcellen te activeren. Als echter de functie van slechts één van deze homologen bekend was, zou het gemakkelijk zijn om ten onrechte te veronderstellen dat het homologe eiwit qua functie vergelijkbaar zou zijn. Er moet dus op worden gelet bij het gebruik van bio-informatische hulpmiddelen om het voorspellende vermogen van sequentie-uitlijningen niet te overschatten.

Figuur 1.34 Homologe eiwitten hebben niet altijd homologe functies. In het bovenstaande voorbeeld is het spijsverteringsenzym, pancreasribonuclease, een paraloog van het angiogenine-eiwit en heeft het een voorouderlijke oorsprong. De functies van elk van deze eiwitten lopen echter nogal uiteen en zijn zodanig geëvolueerd dat ze geen homologe functie delen. 3D-eiwitmodellen werden opgehaald met behulp van SWISS-MODEL: Human Pancreatic Ribonuclease (P07998) en Human Angiogenin (P03950)


De controle van genexpressie is van cruciaal belang in alle levensprocessen, waardoor de differentiatie van cellen mogelijk wordt om verschillende lichaamsstructuren en organen te vormen, evenals kleinere, meer omkeerbare veranderingen die een organisme in staat stellen te reageren op verschillende omgevingssituaties en stimuli. In hoofdstuk 12 onderzoek je de belangrijkste biochemische mechanismen die worden gebruikt om genexpressie in cellen te regelen. Dit omvat de bespreking van een vrij nieuw en opwindend vakgebied dat bekend staat als epigenetica. Naast de erfelijkheid van eigenschappen door het doorgeven van genetische informatie, wordt het snel duidelijk dat de omgevingsfactoren waaraan een organisme gedurende zijn hele leven wordt blootgesteld, genexpressie kunnen beïnvloeden zonder de DNA-sequentie fysiek te veranderen, en dat deze veranderingen in expressiepatronen kan langdurig zijn en zelfs in de volgende generaties worden geërfd. De voorwaarde epigeneticabetekent letterlijk 'bovenop' of 'naast' genetica en richt zich op de erfelijke genexpressiepatronen die worden geïnduceerd door de blootstelling of ervaring van een organisme in zijn omgeving.

In menselijke populaties kunnen stressvolle gebeurtenissen zoals hongersnood blijvende gevolgen hebben voor kinderen die onder deze omstandigheden worden geboren. Deze kinderen hebben een hoger risico op obesitas en stofwisselingsstoornissen als volwassenen, waaronder de ontwikkeling van diabetes type II. In feite kunnen deze aanleg niet alleen worden overgedragen op de kinderen die tijdens de hongersnood zijn geboren, maar ook op hun toekomstige kinderen, wat aangeeft dat gebeurtenissen in de omgeving genexpressiepatronen kunnen beïnvloeden door meerdere generaties. In meer gecontroleerde laboratoriumexperimenten met ratten is aangetoond dat hoe meer een moederrat haar nakomelingen likt en verzorgt, hoe rustiger en meer ontspannen de nakomelingen zullen zijn als een volwassene. Moederratten die minder zorgzaam zijn en hun jongen negeren, hebben nakomelingen die opgroeien met meer angstgevoelens. Deze veranderingen worden niet veroorzaakt door genetische verschillen tussen de nakomelingen, maar eerder door verschillen in genexpressiepatronen.In feite kunnen kalme en ontspannen muizen worden veranderd om hoge angst te vertonen door ze bloot te stellen aan middelen die genexpressiepatronen veranderen. Mechanismen die dergelijke erfelijke veranderingen in genexpressiepatronen beheersen, worden behandeld in hoofdstuk xx.

Replicatie

DNA moet worden gedupliceerd in een proces dat replicatie wordt genoemd voordat een cel zich deelt. Door de replicatie van DNA kan elke dochtercel een volledig complement van chromosomen bevatten.

Animatie van replicatie

Transcriptie

Voor een bepaald gen dient slechts één streng van het DNA als sjabloon voor transcriptie. Een voorbeeld is hieronder weergegeven. De onderste (blauwe) streng in dit voorbeeld is de sjabloonstreng, die ook wel de min (-) streng of de sense streng wordt genoemd. Het is deze streng die dient als een sjabloon voor de mRNA-synthese. Het enzym RNA-polymerase synthetiseert een mRNA in de 5'- naar 3'-richting complementair aan deze matrijsstreng. De tegenovergestelde DNA-streng (rood) wordt de coderende streng, de niet-template streng, de plus (+) streng of de antisense streng genoemd.

De eenvoudigste manier om de corresponderende mRNA-sequentie te vinden (hieronder groen weergegeven) is door de coderende, niet-template-, plus (+)- of antisense-streng direct in de richting van 5' naar 3' te lezen en U voor T te vervangen.

5' T G A C C T T C G A A C G G G A T G G A A A G G 3'3' A C T G G A A G C T T G C C C T A C C T T T C C 5'
5' U G A C C U U C G A A C G G G A U G G A A A G G 3'

Naarmate we meer hebben geleerd over de structuur van DNA, RNA en eiwitten, wordt het duidelijk dat transcriptie en translatie verschillen in eukaryoten en prokaryoten. In het bijzonder hebben eukaryoten tussenliggende sequenties van DNA (introns) binnen een bepaald gen die coderende DNA-fragmenten (exons) scheiden. Een primair transcript wordt gemaakt van het DNA en de introns worden uitgesneden en exons worden samengevoegd in een aaneengesloten stuk om boodschapper-RNA te vormen dat de kern verlaat. Translatie vindt plaats in het cytoplasma. Onthoud dat prokaryoten geen kern hebben.

Animatie van transcriptie

Animatie van mRNA-splitsing

Vertaling

Als informatie in een mRNA-sequentie wordt gedecodeerd om een ​​eiwit te vormen. Daarbij heeft een triplet van nucleotiden (een codon) in het RNA de informatie van een enkel aminozuur. Translatie vindt plaats op een groot RNA-eiwitcomplex dat het ribosoom wordt genoemd. Een intermediair transfer RNA (tRNA) molecuul wordt covalent gekoppeld aan een enkel aminozuur door het enzym tRNA-acylsynthetase. Dit "geladen" tRNA bindt via een complementair anticodongebied aan het tripletcodon in het tRNA. Het ribosoom/tRNA-complex versnelt het mRNA, waardoor een nieuw "geladen" tRNA-complex op een aangrenzende plaats kan binden. De twee aangrenzende aminozuren vormen een peptidebinding in een proces dat wordt aangedreven door ATP-splitsing. Dit proces herhaalt zich totdat een "stop"-codon in de mRNA-sequentie verschijnt. De genetische code toont de relatie tussen het triplet-mRNA-codon en het aminozuur dat ermee overeenkomt in de groeiende peptideketen.

Figuur: Codon: Anticodon-interacties tussen mRNA en tRNA


Figuur: Centrale dogmaverschillen bij eukaryoten en prokaryoten

Animatie van vertaling

Zoals werd vermeld in het hoofdstuk over eiwitten (paragraaf over aminozuren) komen er af en toe twee andere aminozuren voor in eiwitten (met uitzondering van aminozuren die zijn gewijzigd door post-translationele modificatie. Het ene is selenocysteïne, dat wordt aangetroffen in Arachea, eubacteriën en dieren. onlangs gevonden is pyrrolysine, gevonden op Arachea.Deze nieuwe aminozuren zijn afgeleid van modificatie van Ser-tRNA en waarschijnlijk Lys-tRNA nadat het tRNA is geladen met het normale aminozuur, om respectievelijk selenocys-tRNA en pyrrolys-tRNA te produceren. -tRNA herkent het mRNA-codon UAG, dat gewoonlijk een stopcodon is, terwijl selenocys-tRNA UGA herkent, ook een stop-condon. Het is duidelijk dat slechts een klein deel van de stopcodons in mRNA-sequenties door dit gebruikelijke tRNA-complex zou worden herkend. Wat bepaalt die herkenning is onduidelijk.

Wat is een gen?

De definitie van een gen kan verschillen, afhankelijk van aan wie je het vraagt. Het wereldgen is letterlijk een cultureel icoon van onze tijd geworden. Kunnen onze genen verklaren wat het is om mens te zijn? De definitie van een gen is in de loop van de tijd veranderd.

Afbeelding: een overzicht van genen en hun producten: eenvoud tot complexiteit

Eukaryotische genen bevatten exons (coderende gebieden) en introns (tussenliggende sequenties) die worden getranscribeerd om een ​​primair transcript te produceren. In een post-transcriptioneel proces worden introns uitgesplitst door het splicesome, om een ​​boodschapper-RNA, mRNA, te produceren dat wordt vertaald in een eiwitsequentie. (Zie schema hierboven).

In de afgelopen 100 jaar, naarmate ons begrip van biochemie is toegenomen, is de definitie van een gen geëvolueerd van:

  • de basis van erfelijke eigenschappen
  • bepaalde regio's van chromosomen
  • een segment van een chromosoom dat één enzym produceert
  • een segment van een chromosoom dat één eiwit produceert
  • een segment van een chromosoom dat een functioneel product produceert

De laatste definitie was nodig omdat sommige genproducten die een functie hebben (structureel en katalytisch) RNA-moleculen zijn. De laatste definitie omvat ook regulerende gebieden van het chromosoom die betrokken zijn bij transcriptionele controle. Snyder en Gerstein hebben vijf criteria ontwikkeld die kunnen worden gebruikt bij genidentificatie, wat belangrijk is omdat de volledige genomen van organismen worden geanalyseerd op genen.

  1. identificatie van een open leesraam (ORF) - dit zou een reeks codons omvatten die worden begrensd door start- en stopcodons. Dit wordt steeds moeilijker om te doen als het gen een groot aantal exons heeft ingebed in lange introns.
  2. specifieke DNA-kenmerken binnen genen - deze zouden een voorkeur voor bepaalde codons in genen of splitsingsplaatsen omvatten (om intron-RNA te verwijderen)
  3. het vergelijken van vermeende gensequenties voor homologie met bekende genen van verschillende organismen, maar het vermijden van sequenties die geconserveerde regulerende regio's zouden kunnen zijn.
  4. identificatie van RNA-transcripten of tot expressie gebracht eiwit (waarvoor geen analyse van de DNA-sequentie nodig is, zoals de drie bovenste stappen doen) -
  5. het inactiveren (chemisch of door specifieke mutagenese) van een genproduct (RNA of eiwit).

Nieuwe bevindingen maken het nog ingewikkelder om een ​​gen te definiëren, vooral als de transcripten van een "genengebied" worden bestudeerd. Cheng et al bestudeerden alle transcripten van 10 verschillende menselijke chromosomen en 8 verschillende cellijnen. Ze vonden een groot aantal verschillende transcripten, waarvan er veel elkaar overlappen. Splicing komt vaak voor tussen niet-aangrenzende introns. Transcripten werden gevonden van beide strengen en waren afkomstig uit gebieden die introns en exons bevatten. Andere studies vonden dat tot 5% van de transcripten doorging tot het einde van "gen" in andere genen. 63% van het volledige muizengenoom, dat slechts voor 2% uit exons bestaat, wordt getranscribeerd.

C1. De taal van DNA

lintroductie

In dit korte hoofdstuk leer je hoe moderne moleculair biologen DNA manipuleren, de blauwdruk voor al het leven. Het vierletteralfabet (A, G, C en T) waaruit DNA bestaat, vertegenwoordigt een taal die bij transcriptie en vertaling leidt tot de talloze eiwitten die ons maken tot wie we zijn als soort en als individu. Laten we doorgaan met de metafoor dat DNA een taal is. Om die taal onder de knie te krijgen, zoals bij elke andere taal, moeten we die taal kunnen lezen, schrijven, kopiëren en bewerken. Als u een tekstverwerker zou gebruiken om één regel in een document van honderd pagina's te vinden, of één artikel uit één boek uit de Library of Congress, zou u ook een manier nodig hebben om de beschikbare grote lettertjes te doorzoeken. Misschien wilt u twee verschillende kopieën van bestanden vergelijken om te zien of ze van elkaar verschillen. Vanuit het lab en deze online discussie- en probleemset leer je hoe moderne wetenschappers de taal van het genoom lezen, schrijven, kopiëren, bewerken, zoeken en vergelijken. Deze vaardigheden, verworven in de afgelopen twintig jaar, hebben een revolutie teweeggebracht in ons begrip van het leven en hebben ons het potentieel gegeven om, ten goede of ten kwade, het leven zelf te veranderen.

DNA in menselijke chromosomen bestaat als één lang dubbelstrengs molecuul. Het is te lang om fysiek te bestuderen en te manipuleren in het lab. Met behulp van een reeks enzymen kan het DNA van chromosomen chemisch worden gesplitst in kleinere fragmenten die gemakkelijker te manipuleren zijn. (Vergelijkbare technieken worden gebruikt om eiwitten te sequensen, waarvoor overlappende polypeptidefragmenten moeten worden gemaakt.) Nadat de fragmenten zijn gemaakt, moeten ze van elkaar worden gescheiden om ze te bestuderen. DNA-fragmenten kunnen worden gescheiden op basis van een structureel kenmerk dat de fragmenten van elkaar onderscheidt. Polariteit kan niet worden gebruikt omdat alle DNA-fragmenten negatief geladen fosfaten hebben in de suiker-fosfaatruggengraat van het molecuul. Hoewel elk fragment een unieke sequentie zou hebben, zou het moeilijk zijn om alle verschillende fragmenten van elkaar te scheiden, bijvoorbeeld door een molecuul dat aan een unieke sequentie in de hoofdgroef van een bepaald fragment bindt, aan een grote kraal te hechten en die kraal te gebruiken. om dat ene unieke fragment te scheiden. Voor elk uniek fragment heb je een andere kraal nodig! De beste manier om de fragmenten van elkaar te scheiden is om de scheiding te baseren op de werkelijke grootte van het fragment door middel van elektroforese op een agarose- of polyacrylamidegel.

Een koolhydraatextract genaamd agarose wordt gemaakt van algen. Aan het extract wordt water toegevoegd, dat vervolgens wordt verwarmd. Het koolhydraatextract lost op in het water en vormt een stroperige oplossing. De agarose-oplossing wordt in een mal gegoten (zoals warme jello) en laat stollen. Een plastic kam met brede tanden werd in de agarose geplaatst toen deze nog vloeibaar was. Wanneer de agarose stevig is, kan de kam worden verwijderd, waardoor er kleine putjes op hun plaats blijven. In de putjes kan een oplossing van DNA-fragmenten worden geplaatst. De agaroseplaat met monster wordt bedekt met een bufferoplossing en aan elk uiteinde van de plaat worden elektroden geplaatst. De negatieve elektrode wordt nabij het putuiteinde van de agaroseplaat geplaatst, terwijl de positieve elektrode aan het andere uiteinde wordt geplaatst. Als er een spanning over de agaroseplaat wordt aangelegd, zullen de negatief geladen DNA-fragmenten door de agarosegel naar de positieve elektrode bewegen. Deze migratie van geladen moleculen in oplossing naar een tegengesteld geladen elektrode wordt elektroforese genoemd. Doe alsof je een van de fragmenten bent. Voor jou ziet de gel eruit als een verward spinnenweb. Je sluipt je een weg door de openingen in het web terwijl je recht vooruit naar de positieve elektrode gaat. Hoe groter het fragment, hoe langzamer je beweegt omdat het moeilijk is om door het verwarde web te komen. Omgekeerd, hoe korter het fragment, hoe sneller je beweegt. Met behulp van deze techniek en de vele modificaties ervan kunnen oligonucleotiden die slechts één nucleotide van elkaar verschillen, van elkaar worden gescheiden. Bij elektroforese van DNA-fragmenten wordt een fluorescerende, ongeladen kleurstof, ethidiumbromide, aan de bufferoplossing toegevoegd. Deze kleurstof intercaleert letterlijk tussen de basenparen van DNA, wat een fluorescerende geelgroene kleur aan het DNA geeft wanneer UV-licht op de agarosegel wordt getoond.

A. DNA lezen:

We zullen één methode bespreken om de sequentie van DNA te lezen. Deze methode, ontwikkeld door Sanger, leverde hem een ​​tweede Nobelprijs op. Om een ​​enkelstrengs stuk DNA te sequensen, wordt de complementaire streng gesynthetiseerd. Er worden vier verschillende reactiemengsels opgesteld. Elk bevat alle 4 radioactieve deoxynucleotiden (dATP, dCTP, dGTP, dTTP) die nodig zijn voor de reactie en DNA-polymerase. Bovendien wordt dideoxyATP (ddATP) aan één reactiebuis toegevoegd. De dATP en ddATP hechten willekeurig aan het groeiende 3'-uiteinde van de complementaire streng. Als ddATP wordt toegevoegd, kunnen er daarna geen nucleotiden meer worden toegevoegd, aangezien het 3'-uiteinde ervan een H heeft en geen OH. Daarom noemen ze het dideoxy. De nieuwe keten wordt beëindigd. Als dATP wordt toegevoegd, zal de keten blijven groeien totdat er een nieuwe A moet worden toegevoegd. Er zal dus een hele reeks discrete fragmenten van DNA-ketens worden gemaakt, die allemaal beëindigd werden toen ddATP werd toegevoegd. Hetzelfde scenario doet zich voor voor de andere 3 buizen, die respectievelijk dCTP en ddCTP, dTTP en ddTTP en dGTP en ddGTP bevatten. Alle fragmenten die in elke buis zijn gemaakt, worden in afzonderlijke banen geplaatst voor elektroforese, waar de fragmenten op grootte worden gescheiden.

Didexoynucleotiden

Afbeelding: Didexoynucleotiden

PROBLEEM: U doet alsof u een enkelstrengs stuk DNA sequentieert, zoals hieronder wordt weergegeven. De nieuwe nucleotiden worden door het enzym DNA-polymerase toegevoegd aan de primer, GACT, in de richting van 5' naar 3'. Je gaat 4 reageerbuisjes opzetten, elk buisje bevat alle dXTP's. Voeg daarnaast ddATP toe aan buis 1, ddTTP aan buis 2, ddCTP aan buis 3 en ddGTP aan buis 4. Bepaal voor elk afzonderlijk reactiemengsel alle mogelijke reeksen door de mogelijke reeksen op een van de onvoltooide complementaire reeksen hieronder te schrijven . Knip de voltooide sequenties van de pagina, bepaal de grootte van de gemaakte polynucleotidesequenties en plaats ze zoals ze zouden migreren (op basis van grootte) in de juiste baan van een denkbeeldige gel die u op een stuk papier hebt getekend. Baan 1 zal de nucleotiden bevatten die in buis 1 zijn gemaakt, enz. Trek vervolgens lijnen onder de posities van de uitgesneden nucleotiden om DNA-banden in de gel weer te geven. Lees de volgorde van het complementaire DNA dat is gesynthetiseerd. Schrijf vervolgens de sequentie van het ssDNA dat gesequenced moest worden.
5' T C A A C G A T C T G A 3' (STAND NAAR SEQUENTIE)

3' G A C T 5' (primer)

3' G A C T 5' (primer)

3' G A C T 5' (primer)

3' G A C T 5' (primer)

3' G A C T 5' (primer)

3' G A C T 5' (primer)

3' G A C T 5' (primer)

3' G A C T 5' (primer)

Omdat de DNA-fragmenten geen detecteerbare kleur hebben, kunnen ze niet direct in de gel worden gevisualiseerd. Er worden alternatieve methoden gebruikt. In degene die hierboven is beschreven, werden radioactief gelabelde ddXTP's gebruikt. Zodra de sequencing-gel is uitgevoerd, kan deze worden gedroogd en kunnen de banden worden gevisualiseerd door middel van radio-autografie (ook wel autoradiografie genoemd). Een plaats van röntgenfilm wordt in een donkere omgeving over de gedroogde gel geplaatst. De radioactief gelabelde banden zullen straling uitzenden die de röntgenfilm direct boven de banden zal belichten. De film kan worden ontwikkeld om de banden te detecteren. In een nieuwere techniek kan de primer worden gelabeld met een fluorescerende kleurstof. Als voor elk reactiemengsel een andere kleurstof wordt gebruikt, kunnen alle reactiemengsels in één laan van een gel worden gelopen. (Eigenlijk hoeft er maar één reactiemengsel met alle ddXTP's samen te worden uitgevoerd.) De gel kan vervolgens worden gescand door een laser, die fluorescentie van de kleurstoffen detecteert, elk op een andere golflengte.

Figuur: DNA-sequencing met verschillende fluorescerende primers voor elke ddXTP-reactie

Een recente vooruitgang in sequencing maakt real-time bepaling van een sequentie mogelijk. De vier deoxynucleotiden zijn elk gelabeld met een andere fluorofoor op het 5'-fosfaat (niet de base zoals hierboven). Een vastgebonden DNA-polymerase verlengt het DNA op een sjabloon, waardoor de fluorofoor in oplossing vrijkomt (d.w.z. de fluorofoor wordt niet in de DNA-keten opgenomen). De reactie vindt plaats in een visualisatiekamer die een golfgeleider met nulmodus wordt genoemd, een cilindrische metalen kamer met een breedte van 70 nm en een volume van 20 zeptoliter (20 x 10-21 L). Het zit op een glazen steun waardoor laserverlichting van het monster wordt bereikt. Gezien het kleine volume diffunderen niet-opgenomen fluorescent gelabelde deoxynucleotiden in en uit in de tijdschaal van microseconden. Wanneer een deoxynucleotide in het DNA wordt opgenomen, ligt de verblijftijd in de tijdschaal van milliseconden. Dit zorgt voor langdurige detectie van fluorescentie die een hoge signaal-ruisverhouding geeft. Nieuwere technologie waarbij de sequentie wordt bepaald door DNA door poriën in membranen te bewegen, zou de sequentie kunnen verlagen tot $ 1000/genoom of minder.

Animatie van Sanger-sequencing

Nanopore-sequencing

B. DNA schrijven:

Oligonucleotide kan worden gesynthetiseerd op een vaste korrel. Door één nucleotide per keer toe te voegen, kunnen de sequentie en lengte van het oligonucleotide worden gecontroleerd.

C. DNA kopiëren:

Er bestaan ​​verschillende methoden om een ​​DNA-sequentie miljoenen keren te kopiëren. De meeste methoden maken gebruik van plasmiden (die in bacteriën worden gevonden) en virussen (die elke cel kunnen infecteren). Het DNA van het plasmide of virus is zo gemanipuleerd dat het een kopie van een specifieke DNA-sequentie van belang bevat. Het plasmide of virus wordt vervolgens opnieuw in de cel geïntroduceerd waar amplificatie plaatsvindt.

Aanvankelijk wordt een DNA dat een gen of regulerende sequentie van belang bevat, op specifieke plaatsen geknipt met een enzym dat een restrictie-endonuclease wordt genoemd, of kortweg restrictie-enzym. Het enzym klieft DNA niet op een oude plaats, maar eerder op "beperkte" plaatsen in de sequentie, net zoals een endoprotease een eiwit splitst na een bepaald aminozuur in een eiwitketen. In plaats van één streng te splitsen, zoals bij eiwitten, moet het restrictie-endonuclease beide strengen van dsDNA splitsen. Het kan de strengen netjes afknippen om stompe uiteinden achter te laten, of op een verspringende manier om kleine staartjes ssDNA achter te laten. Meerdere van dergelijke sites bestaan ​​willekeurig in het genoom. Het gen van belang moet aan weerszijden worden geflankeerd door een dergelijke sequentie. Hetzelfde enzym wordt gebruikt om het plasmide of virus-DNA te splitsen.

Figuur: DNA splitsen met het restrictie-enzym EcoR1

Het vreemde fragment van DNA kan vervolgens worden toegevoegd aan het plasmide of aan het virale DNA, zoals is aangetoond, om een ​​recombinant DNA-molecuul te maken. Deze techniek van DNA-klonering is de basis voor het hele veld van de recombinant-DNA-technologie.

Afbeelding: Een restrictiefragment klonen in een plasmide

Animatie van gensplitsing

Het plasmide kan worden toegevoegd aan bacteriën, die het opnemen in een proces dat transformatie wordt genoemd. Het plasmide kan worden gerepliceerd in de bacteriën die het DNA-fragment van belang zullen kopiëren. Meestal draagt ​​het plasmide een gen dat de bacteriën resistent kan maken tegen een antibioticum. Alleen bacteriën die het plasmide (en vermoedelijk het insert) dragen, zullen groeien. Om het gewenste fragment te isoleren, worden de plasmiden uit bacteriën geïsoleerd en met hetzelfde restrictie-enzym gesplitst om het gewenste fragment te verwijderen, waarna het kan worden gezuiverd. Bovendien kunnen de bacteriën worden geïnduceerd om het eiwit van het vreemde gen tot expressie te brengen. In lab 4 zullen we bacteriën transformeren met een plasmide dat het gen bevat voor humaan adipoctye acid phosphatase beta, HAAP-B, en expressie van het gen induceren.

Een vergelijkbare methode kan worden gebruikt om DNA te kopiëren waarbij het vreemde fragment opnieuw wordt gecombineerd met het DNA van bacteriofaag, een virus dat bacteriën zoals E. Coli infecteert. Het recombinante DNA kan worden verpakt in werkelijke virussen, zoals hieronder wordt getoond. Wanneer het virus de bacteriën infecteert, instrueert het de cellen om miljoenen nieuwe virussen te maken, waardoor het vreemde fragment van belang wordt gekopieerd.

Soms is het 'klonen' of kopiëren van een DNA-fragment niet wat een onderzoeker echt wil. Als het genomische DNA bijvoorbeeld uit een menselijke cel komt, bevat het gen introns. Als je dit DNA in een plasmide of bacteriofaag stopt, gaan de introns mee. Bacteriën kunnen dit DNA repliceren, maar vaak wil men het DNA niet alleen kopiëren (amplificeren), maar ook transcriberen in RNA en het vervolgens vertalen naar eiwit.Bacteriën kunnen het intron-RNA echter niet uitsplitsen, dus volwassen mRNA kan niet worden gemaakt. Als men in het bacterie-DNA zou kunnen klonen zonder de introns, zou dit probleem niet bestaan. Er bestaat zo'n mogelijke methode waarbij je begint met het eigenlijke mRNA voor een eiwit van belang. Bij deze techniek wordt een dsDNA-kopie gemaakt van een ss-mRNA-molecuul. Dergelijk dsDNA wordt cDNA genoemd, voor complementair of kopie-DNA. Dit kan vervolgens worden gekloneerd in een plasmide- of bacteriofaagvector en worden geamplificeerd zoals hierboven beschreven.

DNA KOPIREN VAN EEN M-RNA - BOUW VAN EEN C-DNA-BIBLIOTHEEK - insert

Halverwege de jaren 80 werd een nieuwe methode ontwikkeld om DNA in een reageerbuis te kopiëren (amplificeren). Het vereist geen plasmide of een virus. Het vereist slechts een DNA-fragment, enkele primers (kleine polynucleotiden die complementair zijn aan secties van DNA op elke streng en die zich uitstrekken over de sectie van DNA die moet worden geamplificeerd. Voeg gewoon aan dit mengsel dATP, dCTP, dGTP, dTTP en een hittestabiel DNA-polymerase van het organisme Thermophilus aquaticus (dat in warmwaterbronnen leeft), en daar ga je. Het mengsel wordt eerst verwarmd tot een temperatuur die ervoor zorgt dat de DsDNA-strengen gaan scheiden. De temperatuur wordt afgekoeld waardoor een grote stoichimetrische overmaat van de primers kan uitgloeien aan de ssDNA. De hittestabiele Taq-polymerase (van Thermophilus aquaticus) polymeriseert DNA uit de primers. De temperatuur wordt weer verhoogd, waardoor de dsDNA-streng kan worden gescheiden. Bij afkoeling hechten de primers opnieuw aan het oorspronkelijke en nieuw gesynthetiseerde DNA van de laatste cyclus en synthese van DNA komt opnieuw voor. Deze cyclus wordt herhaald zoals weergegeven in het diagram. Deze kettingreactie wordt de polymerasekettingreactie (PCR) genoemd. Het gesynthetiseerde doel-DNA wordt een miljoen keer versterkt i n 20 cycli, of een miljard keer in 30 cycli, wat in een paar uur kan worden gedaan.

Figuur: DNA kopiëren in de reageerbuis - de polymerasekettingreactie (PCR)

Animatie van PCR

D. DNA bewerken

Tijdens onze studies naar de eiwitstructuur hebben we veel tijd besteed aan het bespreken hoe specifieke aminozuren covalent kunnen worden gemodificeerd om ofwel de aanwezigheid van het aminozuur te identificeren, of in een poging om de activiteit van het eiwit te wijzigen. In de afgelopen 15 jaar is een nieuwere en revolutionaire techniek ontstaan. Met behulp van recombinant-DNA-technologie kan het gen dat voor het eiwit codeert, worden gewijzigd op een of meer nucleotiden, op een manier die ofwel een of meer aminozuren zou veranderen, ofwel een of meer aminozuren zou toevoegen of verwijderen. Deze techniek, plaatsspecifieke mutagenese genoemd, wordt veelvuldig gebruikt door eiwitchemici om het belang van een bepaald aminozuur in de vouwing, structuur en activiteit van een eiwit te bepalen. De technieken worden beschreven in onderstaand schema;

Afbeelding: plaatsspecifieke mutagenese

E. DNA zoeken

Waar op een chromosoom bevindt zich het gen dat codeert voor een bepaald eiwit? Een manier om het gen te vinden is door een kleine oligonucleotide-"probe" te synthetiseren die complementair is aan een deel van de feitelijke DNA-sequentie van het gen (bepaald uit eerdere experimenten). Bevestig een fluorescerend molecuul aan de DNA-sonde. Neem dan een celpreparaat waarin de chromosomen onder de microscoop te zien zijn. Voeg aan de cel een base toe die de dubbelstrengs DNA-helix afwikkelt, voeg de fluorescerende sonde toe aan de cel en laat het dubbelstrengs DNA hervormen. De fluorescerende probe zal binden aan het chromosoom op de plaats van het gen waaraan het DNA complementair is. Hybridisatie is het proces waarbij een enkelstrengs nucleotidesequentie (het doelwit) via H-bindingen bindt aan een andere complementaire nucleotidesequentie (de probe).

Wat als je de nucleotidesequentie van het gen niet weet, maar wel de aminozuursequentie van het eiwit, zoals in het onderstaande voorbeeld? Uit de genetische codetabel zou je de mogelijke volgorde kunnen voorspellen van alle mogelijke RNA-moleculen die complementair zijn aan het DNA in het gen. Omdat sommige aminozuren meer dan één codon hebben, zijn er veel mogelijke DNA-sequenties die voor het eiwitfragment kunnen coderen. Onderstaande link toont alle mogelijke corresponderende mRNA-sequenties die zouden kunnen coderen voor een korte aminozuursequentie. De 20 - meer sequentie met minimale degeneratie in de nucleotidesequentie moet worden gebruikt als mogelijke genomische probe .

F. DNA VERGELIJKEN

De DNA-sequentie van elk individu moet anders zijn dan dat van elk ander individu in de wereld (met uitzondering van identieke tweelingen). Het verschil moet kleiner zijn dan het verschil tussen een mens en een chimpansee, die voor 98,5% identiek zijn. Laten we zeggen dat elk van hen DNA-sequenties heeft die 99,9% identiek zijn in vergelijking met sommige "normale mensen". Gezien het feit dat we ongeveer 4 miljard basenparen DNA hebben, betekent dit dat we allemaal verschillend zijn in ongeveer 0,001 x 4.000.000.000, wat ongeveer 4 miljoen basenparen anders is. Dit betekent dat we gemiddeld één nucleotide verschil hebben voor elke 1000 basenparen DNA. Sommige hiervan zitten in genen, maar de meeste zitten waarschijnlijk tussen het DNA in, en van veel is aangetoond dat ze geclusterd zijn in gebieden met zeer repetitief DNA aan de uiteinden van chromosomen (de telomeren genoemd) en in het midden (de centromeren genoemd).

Onthoud nu dat het ook restrictie-enzymplaatsen zijn die willekeurig langs het DNA zijn verspreid. Als sommige van de verschillen in het DNA tussen individuen optreden binnen de sequenties waar het DNA wordt gesplitst door restrictie-enzymen, dan zal bij sommige individuen een bepaald enzym niet op de gebruikelijke plaats splitsen, maar op een meer distale plaats. Daarom moet de grootte van de restrictie-enzymfragmenten voor elke persoon verschillen. Elk persoons-DNA zou, wanneer het door een batterij van restrictie-enzymen wordt gesneden, aanleiding moeten geven tot een unieke reeks DNA-fragmenten met afmetingen die uniek zijn voor dat individu. Elk persoons-DNA heeft een uniek Restriction Fragment Length Polymorphism (RFLP). Hoe kon je zo'n polymorfisme detecteren?

Je weet al hoe je monster-DNA moet knippen met restrictie-enzymen en de fragmenten vervolgens op een agarosegel moet scheiden. Er is echter een extra stap nodig, omdat er duizenden fragmenten op de gel kunnen verschijnen, die als één groot continu uitstrijkje zouden worden waargenomen. Als echter elk fragment zou kunnen worden gereageerd met een set kleine, radioactieve DNA-sondes die complementair zijn aan bepaalde zeer polymorfe DNA-secties (zoals teleomeer DNA) en vervolgens gevisualiseerd, zouden er slechts een paar sets discrete banden in de agarosegel worden waargenomen . Deze discrete banden zouden verschillen van de DNA-banden die worden gezien in het gen van een ander individu dat op dezelfde manier wordt behandeld. Deze techniek wordt Southern Blotting genoemd en werkt zoals hieronder weergegeven. DNA-fragmenten worden geëlektroforeerd in een agarosegel. De ds-DNA-fragmenten worden afgewikkeld door verhitting en vervolgens wordt een stuk nitrocellulosefilterpapier op de gel geplaatst. Het DNA van de gel wordt overgebracht naar het filterpapier. Vervolgens wordt een kleine radioactieve oligonucleotide-probe, complementair aan een polymorfe plaats op het DNA, aan het papier toegevoegd. Het bindt alleen aan het fragment dat DNA bevat dat complementair is aan de probe. Het filtreerpapier wordt gedroogd en een stuk röntgenfilm wordt over het vel geplaatst. Ook lopen op de gel, en overgebracht naar het vel, zijn een set van radioactieve fragmenten (die niet complementair zijn aan de sonde), die dienen als een set van markers om ervoor te zorgen dat de gelelektroforese en overdracht naar het filterpapier correct was. Deze techniek wordt getoond op de volgende pagina, samen met een RFLP-analyse van een bepaalde familie.

Wanneer deze techniek wordt gebruikt in forensische zaken (zoals het OJ Simpson-proces) of in vaderschapszaken, wordt het DNA-vingerafdrukken genoemd. Met de huidige technieken kunnen onderzoekers ondubbelzinnig stellen dat de kans dat een bepaald patroon niet aan een verdachte toebehoort, in de orde van één miljoen tot één ligt. De onderstaande röntgenfilm is een kopie van echt forensisch bewijs verkregen uit een verkrachtingszaak. Getoond worden de Southern blot-resultaten van verdachte 1, verdachte 2, het slachtoffer en het forensisch bewijs. Analyseer de gegevens.

Afbeelding: SOUTHERN BLOT/PCR FORENSIC ANALYSE - RESTRICTIEFRAGMENTLENGTE POLYMORFISM


1.4: Genetische, epigentische en evolutionaire grondslagen - biologie

In deze sectie zullen we kijken naar enkele van de manieren waarop erfelijkheid helpt om vorm te geven aan de manier waarop we zijn. Erfelijkheid omvat meer dan genetische informatie van onze ouders. Volgens de evolutionaire psychologie komt onze genetische erfenis van de meest adaptieve genen van onze voorouders. We zullen kijken naar wat er genetisch gebeurt tijdens de conceptie en een korte blik werpen op enkele genetische afwijkingen. Alvorens op deze onderwerpen in te gaan, is het echter belangrijk om de wisselwerking tussen erfelijkheid en het milieu te benadrukken. Waarom ben je zoals je bent? Als u enkele van uw kenmerken (lengte, gewicht, persoonlijkheid, gezondheid, enz.) overweegt, vraag uzelf dan af of deze kenmerken het gevolg zijn van erfelijkheid, of van omgevingsfactoren, of beide. De kans is groot dat u kunt zien op welke manieren zowel erfelijkheid als omgevingsfactoren (zoals levensstijl, voeding, enzovoort) hebben bijgedragen aan deze kenmerken.

Leerresultaten

  • Het evolutionaire psychologische perspectief van levensduurontwikkeling uitleggen
  • Beschrijf genetische componenten van conceptie
  • Beschrijf genen en hun belang bij genetische overerving
  • Beschrijf chromosomale afwijkingen
  • Leg de waarde uit van prenataal testen
  • Beschrijf de interactie tussen genetica en de omgeving
  • Vergelijk monozygote en dizygote tweelingen

Biologie (BIOL)

Introduceert eerstejaars studenten met de major en het veld van biologie en met de professionele en academische middelen die beschikbaar zijn voor studenten aan de Northeastern University laat studenten kennismaken met hun faculteit, adviseurs en medestudenten biedt een eerste oriëntatie op niet-gegradueerd onderzoek, coöperatief onderwijs en andere ervaringsgerichte leeropties helpen bij het ontwikkelen van de academische vaardigheden die nodig zijn om te slagen, zorgen voor verankering in de cultuur en waarden van de universitaire gemeenschap en helpen bij de ontwikkeling van interpersoonlijke vaardigheden - kortom, studenten vertrouwd maken met de middelen en vaardigheden die nodig zijn om een ​​succesvolle universiteitsstudent te worden.

BIOL 1107. Grondslagen van de biologie. (4 uur)

Introduceert evolutionaire principes, cellulaire structuur en functie, genetische transmissie, energiebanen en fysiologie. Behandelt actuele onderwerpen in de biologie en evalueert en bespreekt actuele wetenschappelijke literatuur. Onderzoekt de interdisciplinaire aard van de biologie. Biedt studenten de mogelijkheid om zich voor te bereiden op de actuele vragen in biologiecursussen.

Voorwaarde(n): BIOL 1108

BIOL 1108. Lab voor BIOL 1107. (1 uur)

Begeleidt BIOL1107. Bevat verschillende laboratoriumexperimenten die de nadruk leggen op evolutionaire principes, cellulaire structuur en functie, genetische transmissie, energiebanen en fysiologie.

Voorwaarde(n): BIOL 1107

BIOL 1111. Algemene biologie 1. (4 uur)

Onderzoekt de basisprincipes van de biologie met een focus op die kenmerken die door alle levende organismen worden gedeeld en gezien door de lens van de evolutietheorie. Door middel van lezingen, lezingen en discussies, biedt het studenten de mogelijkheid om te begrijpen hoe de wetenschappelijke methode is geweest en wordt gebruikt om biologische vragen aan te pakken. Centrale onderwerpen zijn recente ontwikkelingen in celanatomie en -fysiologie, waaronder de wisselwerking tussen organellen, membraantransport en celsignalerende energieoverdracht door cellen en door de biosfeer, cellulaire reproductie en erfelijkheid van kanker en menselijke genetische aandoeningen en eiwitsynthese en biotechnologie. Onderzoekt de maatschappelijke implicaties van onderwerpen als biofarmaceutica, oceaanverzuring, klimaatverandering, menselijke ziekten, epigenetica, kanker en klonen.

Attribuut(en): NUpath Natuurlijke/Ontworpen Wereld

BIOL 1112. Lab voor BIOL 1111. (1 uur)

Begeleidt BIOL 1111. Biedt studenten de mogelijkheid om kwantitatieve gegevens te verzamelen door middel van hands-on experimenten en simulaties. De gegevens worden statistisch geanalyseerd en in schriftelijke vorm gepresenteerd.

Voorwaarde(n): BIOL 1111 (kan gelijktijdig worden ingenomen) met een minimale graad van D-

Attribuut(en): NUpath Gegevens analyseren/gebruiken

BIOL 1113. Algemene biologie 2. (4 uur)

Vervolg BIOL 1111. Onderzoekt de evolutie van structurele en functionele diversiteit van organismen, de integratieve biologie van meercellige organismen en ecologische relaties op populatie-, gemeenschaps- en ecosysteemniveau.

Voorwaarde(n): BIOL 1101 met een minimum cijfer van D- of BIOL 1107 met een minimum cijfer van D- of BIOL 1111 met een minimum cijfer van D- of BIOL 1115 met een minimum cijfer van D-

Attribuut(en): NUpath Natuurlijke/Ontworpen Wereld

BIOL 1114. Lab voor BIOL 1113. (1 uur)

Begeleidt BIOL 1113. Behandelt onderwerpen uit de cursus door middel van verschillende experimenten.

Voorwaarde(n): BIOL 1113 (kan gelijktijdig worden ingenomen) met een minimale graad van D-

BIOL 1115. Algemene biologie 1 voor ingenieurs. (4 uur)

Introduceert elementaire moleculaire en cellulaire biologische principes en concepten. Biedt studenten de mogelijkheid om chemische en technische principes toe te passen om een ​​beter begrip te krijgen van geselecteerde fysiologische processen en biologische systemen. Onderwerpen zijn onder meer eiwitstructuur en -functie, cellulaire organisatie, energie, informatiebeheer, moleculair transport, signalering en beweeglijkheid.

Attribuut(en): NUpath Natuurlijke/Ontworpen Wereld

BIOL 1116. Lab voor BIOL 1115. (1 uur)

Begeleidt BIOL 1115. Behandelt onderwerpen uit de cursus door middel van verschillende experimenten.

Voorwaarde(n): BIOL 1115 (kan gelijktijdig worden ingenomen) met een minimale graad van D-

BIOL 1141. Microben en samenleving. (4 uur)

Introduceert de onzichtbare wereld van micro-organismen. Studenten analyseren hoe de groei en het gedrag van deze diverse groep organismen van invloed zijn op vele aspecten van de menselijke samenleving, waaronder landbouw en voedselbereiding, ontwikkeling van geneesmiddelen en productie van vloeibaar en vast afvalbeheer, genetische manipulatie, geochemische cycli en gezondheid en ziekte.

Attribuut(en): NUpath Natuurlijke/Ontworpen Wereld

BIOL 1143. Biologie en samenleving. (4 uur)

Biedt een overzicht van hoe biologie zich een weg baant door een breed spectrum van complexe maatschappelijke vraagstukken. Introduceert studenten in de biologische mechanismen en processen die verantwoordelijk zijn voor genetische overerving, energieoverdracht, evolutie en populatiedynamiek, en biedt een kader waarbinnen studenten belangrijke biologische informatie die in openbare fora wordt verstrekt kritisch kunnen interpreteren en bespreken. Streeft ernaar studenten in staat te stellen weloverwogen keuzes te maken op beleids- en persoonlijk niveau. Biedt studenten de mogelijkheid om inzicht te verwerven in de basisprincipes van de biologie en het wetenschappelijke proces toe te passen bij de analyse van hedendaagse vraagstukken. Met behulp van een thematische benadering wordt een breed scala aan onderwerpen bestreken, waaronder het opnieuw opduiken van plagen, biologische wapens en veiligheid, het milieu en de gezondheid en het welzijn van de mens.

Attribuut(en): NUpath Natuurlijke/Ontworpen Wereld

BIOL 1147. Het menselijk organisme. (4 uur)

Introduceert de structuur en functie van het menselijk lichaam. Benadrukt de principes van biologische en fysische wetenschap in verband met levensprocessen in gezondheid en ziekte.

Attribuut(en): NUpath Natuurlijke/Ontworpen Wereld

BIOL 1149. Biologie van menselijke voortplanting. (4 uur)

Bestudeert seksuele en reproductieve functie bij de mens, man en vrouw, dat wil zeggen seksuele ontwikkeling, coïtus, bevruchting, zwangerschap, geboorte en borstvoeding. Bespreekt de methoden voor het beheersen van vruchtbaarheid en seksueel overdraagbare aandoeningen. Analyseert factoren die van invloed zijn op reproductie en seksualiteit in de menselijke populatie.

Attribuut(en): NUpath Natuurlijke/Ontworpen Wereld

BIOL 1153. Bewerken van het menselijk genoom: wetenschap en ethiek. (4 uur)

Ontworpen om studenten vertrouwd te maken met het basisproces van het bewerken van het menselijk genoom, inclusief een overzicht van opkomende technologieën die dit proces mogelijk maken. Onderzoekt beide kanten van het lopende ethische debat, inclusief de mogelijke voordelen en beperkingen van het bewerken van het menselijk genoom, en de gevolgen voor deze klinische praktijk voor de samenleving. Introduceert de methodologie voor genetische bewerking, een historisch overzicht van de wetenschap en klinische praktijk van genbewerking, en een samenvatting van de huidige wettelijke status. Bespreekt de ethische implicaties van het gebruik van genome editing bij de mens. Biedt studenten de mogelijkheid om het gebruik van genetische bewerking te evalueren om genetisch overgeërfde ziekten uit te roeien, het potentieel om designerbaby's te creëren en de sociaaleconomische gevolgen van genbewerking.

Attribuut(en): NUpath ethisch redeneren, NUpath natuurlijke/ontworpen wereld

BIOL 1990. Keuzevak. (1-4 uur)

Biedt keuzepunten voor cursussen die aan andere academische instellingen worden gevolgd. Mag onbeperkt worden herhaald.

BIOL 2217. Geïntegreerde anatomie en fysiologie 1. (4 uur)

Introduceert studenten tot geïntegreerde menselijke anatomie en fysiologie. Richt zich op structuur en functie van cellen en weefsels. Presenteert de anatomie en fysiologie van huid, botten, spieren, bloed en het zenuwstelsel.

Voorwaarde(n): BIOL 2218

Attribuut(en): NUpath Natuurlijke/Ontworpen Wereld

BIOL 2218. Lab voor BIOL 2217. (1 uur)

Begeleidt BIOL 2217. Behandelt onderwerpen uit de cursus door middel van verschillende experimenten.

Voorwaarde(n): BIOL 2217

BIOL 2219. Geïntegreerde anatomie en fysiologie 2. (4 uur)

Vervolgt BIOL 2217. Presenteert de structuur en functie van de menselijke endocriene, reproductieve, cardiovasculaire, respiratoire, urinaire en spijsverteringssystemen, evenals de regulering van het metabolisme en de lichaamstemperatuur.

Voorwaarde(n): BIOL 1117 met minimaal D- of BIOL 2217 met minimaal D-

Voorwaarde(n): BIOL 2220

Attribuut(en): NUpath Natuurlijke/Ontworpen Wereld

BIOL 2220. Lab voor BIOL 2219. (1 uur)

Begeleidt BIOL 2219. Behandelt onderwerpen uit de cursus door middel van verschillende experimenten.

Voorwaarde(n): BIOL 2219

Attribuut(en): NUpath Gegevens analyseren/gebruiken

BIOL 2221. Grondslagen van de microbiologie. (4 uur)

Richt zich op het identificeren, beheersen en leven met bacteriën en virussen. Benadrukt de mechanismen van ziekteproductie, natuurlijke afweersystemen van de gastheer en medische interventies.

Voorwaarde(n): BIOL 2222

BIOL 2222. Lab voor BIOL 2221. (1 uur)

Begeleidt BIOL 2221. Behandelt onderwerpen uit de cursus door middel van verschillende experimenten.

Voorwaarde(n): BIOL 2221

BIOL 2299. Onderzoeken in biologische wetenschappen. (4 uur)

Gericht op de laatste ontwikkelingen in het vakgebied. Biedt studenten de mogelijkheid om zowel de wetenschappelijke praktijk als de vooruitgang te verkennen door middel van lezingen, discussies en projecten en om hun begrip van fundamentele biologische principes op cellulair en moleculair niveau uit te breiden en te verdiepen.

Voorwaarde(n): BIOL 1101 met een minimum cijfer van D- of BIOL 1107 met een minimum cijfer van D- of BIOL 1111 met een minimum cijfer van D-

Attribuut(en): NUpath Natuurlijke/Ontworpen Wereld

BIOL 2301. Genetica en moleculaire biologie. (4 uur)

Richt zich op overervingsmechanismen, gen-genoomstructuur en -functie, en ontwikkelingsgenetica en -evolutie. Voorbeelden worden getrokken uit het brede spectrum van planten, dieren, schimmels, bacteriën en virussen.Onderwerpen en analytische benaderingen omvatten transmissiegenetica, moleculaire biologie en genregulatie, moleculaire DNA-methoden, kwantitatieve en populatiegenetica, bio-informatica, genomica en proteomics.

Voorwaarde(n): (BIOL 1103 met een minimum cijfer van D- of BIOL 1113 met een minimum cijfer van D- of BIOL 1115 met een minimum cijfer van D- of BIOL 2297 met een minimum cijfer van D- of BIOL 2299 met een minimum cijfer van D- of EEMB 1105 met een minimum cijfer van D- of EEMB 2290 met een minimum cijfer van D- of ENVR 2400 met een minimum cijfer van D- of EEMB 2400 met een minimum cijfer van D-) (CHEM 1211 met een minimum cijfer van D - of CHEM 1217 met minimaal D- of CHEM 1151 met minimaal D- of CHEM 1161 met minimaal D-)

Attribuut(en): NUpath Natuurlijke/Ontworpen Wereld

BIOL 2302. Lab voor BIOL 2301. (1 uur)

Begeleidt BIOL 2301. Versterkt en breidt concepten uit die worden gepresenteerd en geoefend in de bijbehorende hoorcolleges door de toepassing van wetenschappelijke onderzoeksmethoden en data-analyse.

Voorwaarde(n): BIOL 2301 (kan gelijktijdig worden ingenomen) met een minimale graad van D-

Attribuut(en): NUpath Gegevens analyseren/gebruiken

BIOL 2309. Biologie Projectlab. (4 uur)

Biedt een op onderzoek gebaseerde, intensieve laboratoriumervaring waarin studenten de mogelijkheid hebben om onafhankelijke onderzoeksprojecten te ontwerpen en uit te voeren, waarbij benaderingen en technieken worden toegepast die worden gebruikt in cel- en moleculaire biologie. Biedt studenten de mogelijkheid om hun resultaten in professionele formaten te presenteren.

Voorwaarde(n): BIOL 2301 met een minimale graad van D-

Attribuut(en): NUpath Analyseren/gebruiken van gegevens, NUpath Creative Express/Innov, NUpath Schrijven Intensief

BIOL 2327. Menselijke parasitologie. (4 uur)

Onderzoekt de algemene biologie, levenscycli, wijzen van overdracht en pathogenese van belangrijke parasieten op de wereldwijde menselijke gezondheid. Onderzoekt een aantal belangrijke ziekten, samen met de diverse protozoën, wormen en geleedpotigen die ervoor verantwoordelijk zijn.

Voorwaarde(n): BIOL 1101 met een minimum cijfer van D- of BIOL 1107 met een minimum cijfer van D- of BIOL 1111 met een minimum cijfer van D- of BIOL 1115 met een minimum cijfer van D-

BIOL 2329. Bio-ethiek. (4 uur)

Biedt studenten de mogelijkheid om ethische kwesties te onderzoeken die voortkomen uit biologisch onderzoek en opkomende technologieën, om potentiële ethische implicaties van biologisch onderzoek te leren identificeren en kritisch te analyseren, en om op theorie gebaseerde argumenten te evalueren terwijl ze respectvol omgaan met een verscheidenheid aan perspectieven. Met behulp van hun kennis van elementaire cellulaire en moleculaire wetenschappen als basis, krijgen studenten de kans om een ​​dieper inzicht te krijgen in de biologie van genome editing en andere op moleculaire en cellulaire biologie gebaseerde technologieën. Onderzoekt de geschiedenis en ethische dialoog rond genoombewerking als een diepgaand voorbeeld van een opkomende technologie met brede toepassingen. Bestudeert aanvullende technologieën met betrekking tot onderzoeksvooruitgang, internationale perspectieven en mogelijke implicaties op het gebied van veiligheid, milieubescherming en persoonlijke gezondheid.

Voorwaarde(n): BIOL 1107 met een minimum cijfer van D- of BIOL 1111 met een minimum cijfer van D- of BIOL 2299 met een minimum cijfer van D-

Attribuut(en): NUpath Ethisch redeneren

BIOL 2990. Keuzevak. (1-4 uur)

Biedt keuzepunten voor cursussen die aan andere academische instellingen worden gevolgd. Mag onbeperkt worden herhaald.

BIOL 2991. Onderzoek in de biologie. (1-4 uur)

Biedt de mogelijkheid om inleidend onderzoek of creatieve inspanningen uit te voeren onder facultaire supervisie.

BIOL 3401. Vergelijkende anatomie van gewervelde dieren. (4 uur)

Onderzoekt de morfologie en fylogenie van de gewervelde dieren.

Voorwaarde(n): BIOL 1103 met een minimum cijfer van D- of BIOL 1113 met een minimum cijfer van D- of BIOL 2297 met een minimum cijfer van D- of BIOL 2299 met een minimum cijfer van D- of ENVR 2290 met een minimum cijfer van D- of EEMB 2290 met een minimum cijfer van D-

BIOL 3403. Dierlijk gedrag. (4 uur)

Onderzoekt de evolutie van het gedrag van dieren. Onderwerpen zijn onder meer hoe gedrag is geëvolueerd, de adaptieve functie van gedrag en de relatieve rollen van genen en de omgeving bij de ontwikkeling van gedrag. Gedragingen van voedings- en voortplantingsstrategieën tot communicatie en sociaal gedrag worden overwogen. Implicaties voor menselijk gedrag worden overwogen.

Voorwaarde(n): BIOL 2301 met een minimum van D- of PSYC 3458 met een minimum van D-

BIOL 3405. Neurobiologie. (4 uur)

Introduceert de cellulaire en moleculaire werking van het zenuwstelsel, de organisatie van neuronen in circuits, de verwerking van informatie en het genereren van motorische output.

Voorwaarde(n): BIOL 1103 met een minimum cijfer van D- of BIOL 1113 met een minimum cijfer van D- of BIOL 2297 met een minimum cijfer van D- of BIOL 2299 met een minimum cijfer van D- of ENVR 2290 met een minimum cijfer van D- of EEMB 2290 met een minimum cijfer van D- of PSYC 3458 met een minimum cijfer van D-

BIOL 3409. Actuele onderwerpen in de biologie. (4 uur)

Onderzoekt geselecteerde onderwerpen in de biologie. Onderwerpen variëren per semester. Mag onbeperkt worden herhaald.

Voorwaarde(n): BIOL 2301 met een minimum cijfer van D

BIOL 3411. Actuele onderwerpen in cel- en moleculaire biologie. (4 uur)

Onderzoekt geselecteerde onderwerpen in cel- en moleculaire biologie. Onderwerpen variëren per semester. Mag onbeperkt worden herhaald.

Voorwaarde(n): BIOL 2301 met een minimale graad van D-

BIOL 3413. Actuele onderwerpen in de organismen- en populatiebiologie. (4 uur)

Onderzoekt geselecteerde onderwerpen in organismale en populatiebiologie. Onderwerpen variëren per semester. Mag onbeperkt worden herhaald.

Voorwaarde(n): BIOL 1113 met een minimum cijfer van D- of BIOL 1115 met een minimum cijfer van D- of BIOL 2299 met een minimum cijfer van D- of EEMB 2400 met een minimum cijfer van D-

BIOL 3415. Huidige onderwerpen in gedragsneurowetenschappen. (4 uur)

Onderzoekt geselecteerde onderwerpen in gedragsneurowetenschappen. Onderwerpen variëren per semester.

Voorwaarde(n): BIOL 2301 met een minimale graad van D-

BIOL 3421. Microbiologie. (4 uur)

Introduceert morfologische, ecologische en biochemische beschouwing van representatieve groepen bacteriën. Introduceert virologie en microbiële genetica gastheer-parasiet relaties, prokaryoten van medische betekenis en fysieke en chemische controles van microbiële groei.

Voorwaarde(n): BIOL 2301 met een minimum cijfer van D- (ENGL 1111 met een minimum cijfer van C of ENGL 1102 met een minimum cijfer van C of ENGW 1111 met een minimum cijfer van C of ENGW 1102 met een minimum cijfer van C)

Voorwaarde(n): BIOL 3422

Attribuut(en): NUpath Schrijven Intensief

BIOL 3422. Lab voor BIOL 3421. (1 uur)

Begeleidt BIOL 3421. Behandelt onderwerpen uit de cursus door middel van verschillende experimenten.

Voorwaarde(n): BIOL 3421

BIOL 3601. Neurale systemen en gedrag. (4 uur)

Beoordelingen van belangrijke experimentele benaderingen en sleutelconcepten die worden gebruikt in gedragsneurobiologie. Begint met een blik op zijn geschiedenis. Onderwerpen die aan bod komen zijn onder meer ruimtelijke oriëntatie en sensorische begeleiding, neuronale controle van motorische output, neuronale verwerking van sensorische informatie, sensorimotorische integratie, neuromodulatie, circadiane ritmes en biologische klokken, gedragsfysiologie van grootschalige navigatie, neurobiologie van communicatie en cellulaire mechanismen van leren en geheugen.

Voorwaarde(n): BIOL 3405 met een minimum cijfer van D- of PSYC 3458 met een minimum cijfer van D-

BIOL 3603. Fysiologie van zoogdiersystemen. (4 uur)

Ontworpen om studenten vertrouwd te maken met fundamentele principes in de fysiologie van zoogdieren. Benadrukt de integratie van belangrijke orgaansystemen. Waar van toepassing, onderzoekt en gebruikt menselijke fysiologie om principes in de fysiologie te versterken en voort te bouwen op deze principes door te analyseren hoe belangrijke orgaansystemen effectief netwerken voor een goede organismale functie. Behandelt in eerste instantie de fysiologische principes van energie en metabolisme bij zoogdieren, inclusief menselijke aanpassing aan elementaire energiebehoeften, en duikt vervolgens in de basisprincipes van membraantransport. Evalueert rollen voor de integratie van orgaansystemen in de ademhalings-, cardiovasculaire, gastro-intestinale, hemopoëtische, renale en reproductieve systemen.

Voorwaarde(n): BIOL 2301 (kan gelijktijdig worden ingenomen) met een minimale graad van D-

BIOL 3605. Ontwikkelingsneurobiologie. (4 uur)

Behandelt de cellulaire, moleculaire en genetische processen die de neurale ontwikkeling sturen. Richt zich op hoe zenuwcellen worden gegenereerd, gevormd en met elkaar verbonden om het gedrag van dieren te reguleren. Onderwerpen zijn onder meer celdifferentiatie, weefselpatronen, neurale plasticiteit en cognitieve ontwikkeling.

Voorwaarde(n): BIOL 2301 (kan gelijktijdig worden ingenomen) met een minimale graad van D-

BIOL 3607. Huidige trends in reproductieve wetenschappen. (4 uur)

Introduceert huidige trends op het gebied van reproductieve wetenschappen, die zich uitstrekken over basale menselijke voortplanting, onvruchtbaarheid en potentiële horizonten in de geneeskunde. Onderzoekt onderwerpen in fundamenteel onderzoek die de meeste belofte hebben om een ​​impact te maken op het gebied van de gezondheid van vrouwen. Benadrukt de menselijke gezondheid, maar neemt diermodellen op in de analyse.

Voorwaarde(n): BIOL 2301 (kan gelijktijdig worden ingenomen) met een minimale graad van D-

BIOL 3611. Biochemie. (4 uur)

Behandelt structuur en functie van biomoleculen, centrale concepten van bio-energetica en thermodynamica, enzymkinetiek en -regulatie, en metabole routes.

Voorwaarde(n): BIOL 2301 met een minimum cijfer van D- (CHEM 2313 met een minimum cijfer van D- of CHEM 2317 met een minimum cijfer van D-) (ENGL 1111 met een minimum cijfer van C of ENGL 1102 met een minimum cijfer van C of ENGW 1111 met een minimum cijfer van C of ENGW 1102 met een minimum cijfer van C)

Voorwaarde(n): BIOL 3612

BIOL 3612. Lab voor BIOL 3611. (1 uur)

Begeleidt BIOL 3611. Behandelt onderwerpen uit de cursus door middel van verschillende experimenten.

Voorwaarde(n): BIOL 3611

BIOL 3990. Keuzevak. (1-4 uur)

Biedt keuzepunten voor cursussen die aan andere academische instellingen worden gevolgd. Mag onbeperkt worden herhaald.

BIOL 4701. Biologie sluitsteen. (4 uur)

Integreert en beoordeelt de concepten en vaardigheden die zijn verkregen uit het gehele biologiecurriculum, inclusief ervaringsgerichte en klassikale componenten. Vereist reflectie van studenten op hun verschillende onderwijservaringen, uitgebreid onderzoek van wetenschappelijke vragen met betrekking tot deze ervaringen, en ontwikkeling van een origineel onderzoeksvoorstel. Biedt studenten de mogelijkheid om communicatieve vaardigheden aan te scherpen door middel van formele en informele presentaties, klasdiscussie en kritiek.

Voorwaarde(n): ENGW 3307 met een minimum cijfer van C of ENGW 3315 met een minimum cijfer van C

Attribuut(en): NUpath Capstone-ervaring, NUpath-schrijfintensief

BIOL 4705. Neurobiologie van cognitieve achteruitgang. (4 uur)

Introduceert de neuroanatomische en cognitieve gevolgen van hersenveroudering en neurodegeneratieve ziekten. Behandelt moleculaire en cellulaire processen die schade toebrengen aan neuronen, diermodellen en beeldvorming van de hersenen. Onderzoekt manifestaties op een hoger niveau van schade aan bijvoorbeeld geheugen, taal en beloningssystemen.

Voorwaarde(n): BIOL 3405 met een minimum cijfer van D- of PSYC 3458 met een minimum cijfer van D-

BIOL 4707. Cel- en moleculaire biologie. (4 uur)

Integreert moleculaire biologie en biochemie in de cellulaire context. Richt zich op de organisatie en functie van eukaryote cellen, inclusief de regulatie van nucleaire structuur en genexpressie, signaaltransductie, eiwitsynthese en -groei, cellulaire energie, het cytoskelet en celmotiliteit, celdeling en celdood. Benadrukt de wetenschappelijke methodologieën en benaderingen die ten grondslag liggen aan de ontdekking in de celbiologie.

Voorwaarde(n): BIOL 2323 met minimaal D- of BIOL 3611 met minimaal D-

BIOL 4709. Neurobiologie van leren en geheugen. (4 uur)

Onderzoekt de neurobiologie van leren en geheugen vanaf het niveau van de synaps tot aan de neurale systemen die ten grondslag liggen aan de opkomende geheugenfunctie. Onderwerpen zijn onder meer de synaptische mechanismen die ten grondslag liggen aan neurale plasticiteit, de moleculaire basis van mnemonische processen en de neurale circuits die verschillende geheugensystemen bedienen. Naast lesmateriaal gebruiken studenten primair onderzoek en overzichtsartikelen uit de huidige wetenschappelijke literatuur om gegevens te evalueren en hypothesen te ontwikkelen via mondelinge presentaties en actieve discussies in de klas. Het overkoepelende doel van de cursus is om een ​​neurobiologisch perspectief te bieden op hoe informatie wordt gecodeerd, geconsolideerd en later teruggevonden en de betekenis van disfunctie in deze processen die verband houden met neurologische stoornissen en ziekte.

Voorwaarde(n): PSYC 3458 met een minimum cijfer van D- of BIOL 3405 met een minimum cijfer van D-

BIOL 4900. Biologieonderzoek sluitsteen. (1 uur)

Biedt een sluitstukervaring voor biologie-majors die tegelijkertijd zijn geregistreerd voor BIOL 4991, waarin ze origineel onderzoek uitvoeren onder begeleiding van een faculteitsmentor van de biologieafdeling. Studenten voeren literatuuronderzoek uit, schrijven een onderzoeksvoorstel, voeren het voorgestelde onderzoek uit (in het kader van de gelijktijdige cursus BIOL 4991), geven presentaties en maken een eindonderzoeksrapport. Vereist dat studenten reflecteren op en integreren van hun eerdere leerervaringen, deelnemen aan peerfeedback en hun werk herzien als reactie op feedback van peers en docenten.

Voorwaarde(n): ENGW 3307 met een minimumklasse van D- of ENGW 3315 met een minimumklasse van D-

Voorwaarde(n): BIOL 4991

Attribuut(en): NUpath Capstone-ervaring, NUpath-schrijfintensief

BIOL 4970. Junior/Senior Honours Project 1. (4 uur)

Richt zich op een diepgaand project waarin een student onderzoek doet of een product produceert dat verband houdt met het hoofdvak van de student. Gecombineerd met Junior/Senior Project 2 of door de universiteit gedefinieerd equivalent voor 8 credit honours-project. Mag onbeperkt worden herhaald.

BIOL 4971. Junior/Senior Honours Project 2. (4 uur)

Richt zich op het tweede semester van een diepgaand project waarin een student onderzoek doet of een product produceert dat verband houdt met het hoofdvak van de student.

Voorwaarde(n): ENGW 3307 met een minimum cijfer van D- (BIOL 4970 met een minimum cijfer van D- of BIOL 4991 met een minimum cijfer van D- of BIOL 4992 met een minimum cijfer van D-)

Attribuut(en): NUpath Capstone-ervaring, NUpath-integratie-ervaring, NUpath-schrijfintensief

BIOL 4990. Keuzevak. (1-4 uur)

Biedt keuzepunten voor cursussen die aan andere academische instellingen worden gevolgd. Mag onbeperkt worden herhaald.

BIOL 4991. Onderzoek. (4 uur)

Biedt onafhankelijk laboratoriumonderzoek aan over een gekozen onderwerp onder leiding van leden van de afdeling. De inhoud van de cursus is afhankelijk van de instructeur. Mag onbeperkt worden herhaald.

Attribuut(en): NUpath-integratie-ervaring

BIOL 4994. Stage. (4 uur)

Biedt studenten de mogelijkheid om stage te lopen.

Attribuut(en): NUpath-integratie-ervaring

BIOL 5100. Biologie Colloquium. (1 uur)

Biedt een reeks colloquia in biologisch onderzoek door uitgenodigde experts over actuele onderwerpen. Mag onbeperkt worden herhaald.

BIOL 5301. Klinische embryologie. (4 uur)

Ontworpen om studenten vertrouwd te maken met biologische kernprocessen die verband houden met bevruchting en vroege embryogenese bij mensen, met de nadruk op klinische relevantie. Behandelt fundamentele aspecten van vrouwelijke vruchtbaarheid en embryo-ontwikkeling, waaronder hormonale controle van de groei en ovulatie van follikels in de eierstokken, bevruchting, pre-implantatie embryonale ontwikkeling, implantatie en postimplantatie embryonale ontwikkeling door middel van gastrulatie. Onderzoekt huidige parameters voor het bepalen van ei- en embryokwaliteit. Bespreekt bovendien evoluerende op stamcellen gebaseerde strategieën voor de behandeling van reproductief falen bij vrouwen.

Voorwaarde(n): BIOL 2301 met een minimale graad van toelating tot D- of graduate programma

BIOL 5303. Klinische Embryologie II. (4 uur)

Breidt materiaal en concepten uit BIOL 5301 uit door studenten vertrouwd te maken met de ontwikkeling van de orgaansystemen, met als hoogtepunt het einde van de foetale periode en de geboorte. Onderzoekt fundamentele aspecten van ontwikkeling voor elk belangrijk orgaansysteem, met inbegrip van de integumentaire, skeletale en musculaire systemen ledemaatontwikkeling het zenuwstelsel neurale topontwikkeling zintuigen hoofd en nek, spijsverterings- en urogenitale systemen en het cardiovasculaire systeem. Evalueert parameters voor het bepalen van de voortgang van de foetale ontwikkeling.

Voorwaarde(n): BIOL 5301 met een minimale graad van toelating tot D- of graduate programma

BIOL 5306. Biologische klokken. (4 uur)

Onderzoekt de expressie van endogeen gegenereerde vierentwintig uurs (circadiaanse) ritmes in het eukaryote leven, met de nadruk op theoretische grondslagen en huidige onderzoeksstrategieën om te begrijpen hoe biologische klokken werken. Presenteert analytische principes die essentieel zijn voor het begrijpen van biologische ritmiek in elk organisme op elk organisatieniveau. Benadrukt strategieën die worden gebruikt om de concrete mechanismen die ten grondslag liggen aan biologische ritmiek te begrijpen.

Voorwaarde(n): BIOL 2301 met een minimale graad van toelating tot D- of graduate programma

BIOL 5307. Biologische elektronenmicroscopie. (4 uur)

Presenteert technieken van elektronenmicroscopie toegepast op biologische materialen. Bespreekt monstervoorbereiding, fixatie, dunne coupes, kleuring, bediening van de microscopen, fotografische technieken en interpretatie van elektronenmicrofoto's. Vereist seminars en projecten van studenten.

Voorwaarde(n): BIOL 5308

BIOL 5308. Lab voor BIOL 5307. (1 uur)

Ontworpen voor afgestudeerde en gevorderde niet-gegradueerde studenten zonder formele opleiding in elektronenmicroscopie. Biedt studenten de mogelijkheid om een ​​grondige praktische kennis te verwerven van transmissie- en scanning-elektronenmicroscopie door elke student specimens van levend weefsel te laten verwerken door de productie van elektronenmicrofoto's. Dit omvat standaard protocollen voor monstervoorbereiding, waaronder fixatie, inbedding, ultramicrotomie, kleuring, droging van kritische punten en sputtercoating, evenals de onafhankelijke werking van ultramoderne elektronenmicroscopie-apparatuur.

Voorwaarde(n): BIOL 5307

BIOL 5541. Endocrinologie. (4 uur)

Onderzoekt de endocriene regulatie van fysiologische systemen, met de nadruk op huidig ​​onderzoek. Lezingen bieden achtergrondinformatie, gevolgd door analyse van primaire literatuur en casestudies. Onderwerpen zijn onder meer groei, voortplanting, nutriëntengebruik, stress en verstoring van de hormoonhuishouding. Benadrukt mensen, maar bevat materiaal over andere dieren, inclusief ongewervelde dieren.

Voorwaarde(n): BIOL 2319 met een minimum cijfer van D- of BIOL 2323 met een minimum cijfer van D- of BIOL 3405 met een minimum cijfer van D- of BIOL 3611 met een minimum cijfer van D- of BIOL 4707 met een minimum cijfer van D- of toelating tot het afstuderen

BIOL 5543. Stamcellen en regeneratie. (4 uur)

Onderzoekt de biologische basis van embryonale, volwassen en geïnduceerde pluripotente stamcellen om inzicht te krijgen in hun rol in ontwikkeling, homeostase en regeneratie, evenals hun therapeutisch potentieel. De studie van stamcellen is een snel evoluerend gebied in de biologie en de biogeneeskunde. Hoewel de biologische basis van stamcellen een belangrijk aandachtspunt is, wil de cursus deze kennis in een biomedische context plaatsen.

Voorwaarde(n): BIOL 2301 met een minimale graad van toelating tot D- of graduate programma

BIOL 5549. Uitvindingen in microbiële biotechnologie. (4 uur)

Biedt lezingen en seminar-achtige discussies uit de huidige literatuur over belangrijke uitvindingen en praktische toepassingen in de biotechnologie, met een focus op het ontdekken van geneesmiddelen.

Voorwaarde(n): BIOL 2301 met een minimale graad van toelating tot D- of graduate programma

BIOL 5569. Geavanceerde microbiologie. (4 uur)

Richt zich op hoe micro-organismen genen ontwikkelen, uitwisselen en reguleren en hoe ze in verschillende omgevingen overleven. Benadrukt experimenteel ontwerp en bewijs, met name met betrekking tot genetische uitwisseling, genregulatie, enkelvoudige en meercellige ontwikkeling en cel-celcommunicatie.

Voorwaarde(n): BIOL 2321 met een minimumcijfer van D- of BIOL 2323 met een minimumcijfer van D- of toelating tot een graduaatprogramma

BIOL 5573. Medische Microbiologie. (4 uur)

Benadrukt interacties tussen gastheer en parasiet: virulentie, toxines, natuurlijke flora en immunologische responskenmerken van de algemene bacteriële, rickettsiale en protozoaire infecties bij mensen en epidemiologie, pathologie, vaccins en chemotherapie.

Voorwaarde(n): BIOL 2301 met een minimale graad van toelating tot D- of graduate programma

BIOL 5581. Biologische beeldvorming. (4 uur)

Illustreert beeldvormingsprincipes en -technieken en hun toepassing op biologische problemen. Onderwerpen variëren en kunnen microscopische en macroscopische benaderingen omvatten op gebieden zoals cellulaire en neurobiologie, ecologie en biochemie.

Voorwaarde(n): BIOL 2301 met een minimale graad van toelating tot D- of graduate programma

BIOL 5583. Immunologie. (4 uur)

Geeft een overzicht van de structuur en functie van genen, eiwitten en cellen die betrokken zijn bij het genereren van de immuunrespons. De nadruk ligt op moleculaire immunologie en immunogenetica.

Voorwaarde(n): BIOL 2323 met een minimumcijfer van D- of BIOL 3611 met een minimumcijfer van D- of toelating tot een graduaatprogramma

BIOL 5585. Evolutie. (4 uur)

Bespreekt de geschiedenis van de evolutietheorie en bewijslijnen. De nadruk ligt op mechanismen van soortvorming. Introduceert en bespreekt actuele evolutionaire onderwerpen.

Voorwaarde(n): BIOL 2301 met een minimale graad van toelating tot D- of graduate programma

BIOL 5587. Vergelijkende neurobiologie. (4 uur)

Presenteert een cellulaire benadering van de structuur en functie van het zenuwstelsel. Onderwerpen zijn onder meer neuronale anatomie, fylogenie van zenuwstelsels, elektrofysiologie van membraangeleidingen, synaptische transmissie, integratie in zenuwcellen, neuronale netwerken, sensorische systemen, motorsystemen, sensorisch-motorische integratie, ontwikkeling en regeneratie van neuronale connectiviteit, en grondbeginselen van neurotechnologie voor biomedici . Richt zich op de ontwikkeling van deze concepten uit de primaire onderzoeksliteratuur. Een termijnproject omvat het ontwerp van een eenvoudig zenuwstelsel voor een hypothetisch dier.

Attribuut(en): NUpath Creative Express/Innov

BIOL 5591. Geavanceerde genomica. (4 uur)

Bedoeld voor diegenen die bekend zijn met de basis van genetica, moleculaire en cellulaire biologie en biochemie, die allemaal nodig zijn om de schoonheid, kracht en het belang van moderne genomische benaderingen te waarderen. Introduceert de nieuwste sequencing-methoden, array-technologie, genomische databases, analyse van het hele genoom, functionele genomica en meer.

Voorwaarde(n): BIOL 2301 met een minimale graad van toelating tot D- of graduate programma

BIOL 5593. Cel- en moleculaire biologie van veroudering. (4 uur)

Behandelt de recente wetenschappelijke ontdekkingen die ons begrip van het verouderingsproces hebben veranderd. Onderzoekt diepgaand het huidige begrip van de moleculaire mechanismen die de levensduur bepalen in modelorganismen, waaronder gist, wormen, vliegen en muizen. Bespreekt voedingsinterventies en farmacologische benaderingen die de levensduur verlengen en het ontstaan ​​van ouderdomsziekten vertragen. Behandelt mogelijke toepassingen van de nieuwe wetenschap van veroudering om de menselijke gezondheid te verbeteren. Vereist dat studenten primaire onderzoekspapers uit de literatuur lezen, bespreken, presenteren en erover rapporteren.

Voorwaarde(n): BIOL 2301 met een minimale graad van toelating tot D- of graduate programma

BIOL 5595. Cel- en moleculaire neurowetenschappen. (4 uur)

Combineert moleculaire biologie, celbiologie, farmacologie en genetica om de fundamentele moleculaire eigenschappen van neuronen en neuronale netwerken aan te pakken. In de kern worden de principes die de communicatie tussen cellen van het zenuwstelsel regelen bepaald door hun moleculaire componenten. Het moleculaire landschap definieert de individuele eigenschappen van een neuron en de functie van neuronale netwerken als geheel. Richt zich op neuronale signalering door de functie van ionkanalen en receptoren, supramoleculaire mechanismen zoals synaptische transmissie en axonaal transport, en de moleculaire mechanismen die ten grondslag liggen aan biologische netwerken en neurale codering van informatie. Gebruikt het fundamentele begrip van moleculaire netwerken als een raamwerk om de mechanismen te onderzoeken die ten grondslag liggen aan neurologische ziekten en aandoeningen. Bespreekt huidige behandelingen en therapieën die afhankelijk zijn van het moduleren van neuronale signalering door middel van moleculaire interacties.

Voorwaarde(n): (BIOL 2301 met een minimum cijfer van D- (PSYC 3458 met een minimum cijfer van D- of BIOL 3405 met een minimum cijfer van D-)) of toelating tot een graduate programma

BIOL 5597. Immunotherapieën van kanker en infectieziekten. (4 uur)

Beschrijft de basisprincipes en de huidige beloften en teleurstellingen met immuuntherapieën van kanker. Geeft een historisch overzicht van de belangrijkste barrières tussen tumoren en antitumorkillercellen. De verenigende focus van de lezingen is de rol van immunologische en fysiologische negatieve regulatoren, d.w.z. "remmen" van de antitumorimmuunrespons. Een belangrijk deel van de cursus is gewijd aan de retrospectieve evaluatie van de laatste drie decennia van de immunologische en biochemische studies die culmineerden in de identificatie van het "hoofd van tumorverdedigingsoperaties", d.w.z. een hypoxie-adenosinerge route in de micro-omgeving van de tumor.

Voorwaarde(n): BIOL 2301 met een minimale graad van toelating tot D- of graduate programma

BIOL 5599. Principes van gegevensbeheer en peer review in de biologie. (4 uur)

Ontworpen om studenten vertrouwd te maken met de basisprincipes van alle aspecten van gegevensbeheer binnen een academische setting. Onderwerpen zijn onder meer data-acquisitie, documentatie en opslag, intellectueel eigendom en patenten, eigendomsoverdracht, identificatie van belangenconflicten en het peer review-proces voor het indienen van manuscripten en subsidies. De opleiding Verantwoord Onderzoek (RCR) is een belangrijk onderdeel van deze opleiding. Biedt studenten de kans om vertrouwd te raken met en een volledige, fundamentele training te volgen met behulp van nationaal aanvaarde standaardcertificeringen, waaronder RCR-training, met betrekking tot gegevensbeheer. Studenten analyseren octrooivoorbereiding en manuscript en verlenen peer review. Daarnaast nemen studenten deel aan een beoordelingspanel voor studieonderdelen.

Voorwaarde(n): BIOL 4701 met een minimale graad van D-

BIOL 5601. Multidisciplinaire benaderingen in motorische controle. (4 uur)

Bestudeert het gebied van menselijke motorische controle, of motorneurowetenschappen. Biedt studenten de mogelijkheid om een ​​fundamenteel begrip te verwerven van de processen die ten grondslag liggen aan de verwerving en controle van sensomotorisch gedrag. De systeembenadering verbindt een verscheidenheid aan disciplines, variërend van neurofysiologie tot engineering en neurorevalidatie. Herziet een selectie van benaderingen met de nadruk op motorisch leren. Richt zich op vroege gedragsbenaderingen, meer recente neurofysiologische en beeldvormende benaderingen en revalidatie. Bespreekt geselecteerde representatieve papers, waaronder baanbrekende historische papers en recentere studies die de huidige discussie in het veld weerspiegelen.

BIOL 6299. Moleculaire celbiologie voor biotechnologie. (3 uur)

Integreert biochemie en moleculaire biologie in de cellulaire context. Omvat de organisatie en replicatie van genomen, principes en methoden voor genetische manipulatie, de regulatie van genexpressie en de structuur en functie van organellen. Benadrukt eiwitsynthese, inclusief translatie, post-translationele modificaties en translocaties van eiwitten in de cellen en secretie.

BIOL 6300. Biochemie. (4 uur)

Bestudeert de structuur en functie van biomoleculen, met de nadruk op eiwitten, enzymkatalyse en cellulair metabolisme, met de nadruk op bio-energetica en koolhydraten/lipiden.

BIOL 6301. Moleculaire celbiologie. (4 uur)

Integreert biochemie en moleculaire biologie in de cellulaire context. Benadrukt de organisatie en replicatie van genomen, de regulatie van genexpressie, de structuur en functie van organellen, en de mechanismen van signaaltransductie.

Voorwaarde(n): BIOL 6300 met een minimum cijfer van C-

BIOL 6303. Neurobiologie en gedrag. (4 uur)

Biedt een hoorcollege dat tot doel heeft een uitgebreid overzicht te geven van gedragsneurobiologie, met speciale nadruk op een neuro-ethologische benadering. Aan het einde van de cursus moet de succesvolle student een hedendaags begrip hebben van de historische ontwikkeling van de gedragswetenschappen, de belangrijkste ethologische en neurobiologische concepten en de belangrijkste mechanismen die het gedrag van dieren en mensen bepalen. Vereist toestemming van de instructeur voor die studenten die niet zijn ingeschreven voor bio-informatica, biologie of mariene biologie.

BIOL 6381. Ethiek in biologisch onderzoek. (twee uur)

Bespreekt ethische vraagstukken die relevant zijn voor onderzoek in de biologische wetenschappen. Vereist presentaties van studenten.

BIOL 6399. Dynamiek van microbiële ecologie. (4 uur)

Verkent state-of-the-art onderzoek naar microbiële biologie van het milieu en het menselijk lichaam. Richt zich op moleculaire diversiteit van microbiële soorten en microbiële ontdekking, microbiële dynamiek in tijd en ruimte, microbiologie van extreme omgevingen, microbiële ecologie in het genomics-tijdperk, gastheer-microbe-interacties in het menselijk lichaam en vertaling van elementaire microbiologie naar de praktijk. Benadrukt hoe nieuwe concepten in de microbiële biologie, zoals signaalgebaseerde regulatie en celindividualiteit, de huidige opvattingen over organisatie en functie van microbiële gemeenschappen in de natuur kunnen veranderen. Vereist toestemming van de instructeur voor die studenten die niet zijn ingeschreven voor bio-informatica, biologie of mariene biologie.

BIOL 6401. Onderzoeksmethoden en kritische analyse in moleculaire celbiologie. (4 uur)

Omvat biochemische en celbiologische benaderingen voor het begrijpen van celstructuur en -functie, inclusief membranen, organellen, vesikelhandel, cytoskelet, celcyclus en signalering. Gestructureerde activiteiten integreren kritische analyse van recent gepubliceerde literatuur en methoden. Biedt studenten de kans om zich voor te bereiden op de beroepspraktijk van de moleculaire celbiologie. Toestemming van de instructeur vereist voor die studenten die niet zijn ingeschreven voor biologie.

BIOL 6405. Prokaryotische cel- en moleculaire biologie. (4 uur)

Biedt een diepgaande discussie over fundamenteel belangrijke cellulaire processen in prokaryotische systemen, zoals replicatie, transcriptie en translatie, en de bijbehorende regulerende mechanismen. Bespreekt ook moleculaire mechanismen van genregulatie en bacteriële pathogenese, met behulp van geselecteerde voorbeelden en mechanismen van prokaryotische celsignalering, en geavanceerde en high-throughput-technieken die worden gebruikt in prokaryotische moleculaire en celbiologie.

BIOL 6407. Biochemie voor moleculaire biologen. (4 uur)

Richt zich op het raakvlak tussen moleculaire biologie, moleculaire genetica en biochemie. Concentreert zich op biochemische problemen die moleculair biologen in hun onderzoek zullen tegenkomen. Bevat voorbeelden van prokaryotische en eukaryote (indien beschikbaar) systemen. Experimentele benaderingen worden besproken voor alle onderwerpen. Streeft ernaar studenten in staat te stellen een diep begrip van concepten in biologische systemen te ontwikkelen door het lezen en bespreken van de primaire literatuur.

BIOL 6962. Keuzevak. (1-4 uur)

Biedt keuzepunten voor cursussen die aan andere academische instellingen worden gevolgd. Mag onbeperkt worden herhaald.

BIOL 7399. Onderzoeksproblemen oplossen, ethiek en communicatieve vaardigheden. (4 uur)

Richt zich op onderzoeksprobleemoplossende vaardigheden, waaronder het formuleren van hypothesen, experimenteel ontwerp, uitvoering en analyse en onderzoeksethiek. Biedt instructie in wetenschappelijk schrijven, inclusief dagelijkse registratie, beurzen en papers, en mondelinge communicatieve vaardigheden. Bespreekt het gebruik en misbruik van statistieken en bespreekt de verantwoordelijkheid voor het publiek. Vereist toestemming van de instructeur voor die studenten die niet zijn ingeschreven voor biologie.

BIOL 7962. Keuzevak. (1-4 uur)

Biedt keuzepunten voor cursussen die aan andere academische instellingen worden gevolgd. Mag onbeperkt worden herhaald.

BIOL 7990. Proefschrift. (1-4 uur)

Biedt scriptiebegeleiding door leden van de afdeling. Mag onbeperkt worden herhaald.

BIOL 7996. Vervolg proefschrift. (0 uur)

Biedt voortdurende scriptiebegeleiding door leden van de afdeling.

BIOL 8420. Biologische laboratoriumrotatie 1. (4 uur)

Biedt ervaring in biologieonderzoek in een facultair onderzoekslaboratorium. Alleen bedoeld voor studenten die nog geen lab hebben gekozen om scriptie/scriptiewerk uit te voeren.

BIOL 8421. Biologische laboratoriumrotatie 2. (4 uur)

Biedt een tweede semester onderzoekservaring in een ander laboratorium dan dat voor BIOL 8420. Alleen bedoeld voor studenten die nog geen laboratorium hebben gekozen om scriptiewerk uit te voeren.

BIOL 8960. Examenvoorbereiding—Doctoraal. (0 uur)

Biedt de student de mogelijkheid om zich onder facultaire begeleiding voor te bereiden op het promotie-examen.

BIOL 8982. Lezingen. (1-4 uur)

Biedt lezingen uit de huidige literatuur over een interessegebied voor studenten en docenten. Mag onbeperkt worden herhaald.

BIOL 8984. Onderzoek. (1-4 uur)

Richt zich op onderzoeksmethoden en hun toepassing op een specifiek probleem onder leiding van een afgestudeerd faculteitslid. Mag onbeperkt worden herhaald.

BIOL 8986. Onderzoek. (0 uur)

Biedt de student de mogelijkheid om voltijds onderzoek te doen. Mag onbeperkt worden herhaald.

BIOL 9000. Promovendi behaald. (0 uur)

Geeft de succesvolle afronding van het uitgebreide doctoraatsexamen aan.

BIOL 9984. Onderzoek. (1-4 uur)

Richt zich op onderzoeksmethoden en hun toepassing op een specifiek probleem onder leiding van een afgestudeerd faculteitslid. Mag onbeperkt worden herhaald.

BIOL 9990. Proefschrift Termijn 1. (0 uur)

Biedt theoretisch en experimenteel onderzoek voor de PhD-graad.

Voorwaarde(n): BIOL 9000 met een minimum cijfer van S

BIOL 9991. Proefschrift Termijn 2. (0 uur)

Biedt scriptiebegeleiding door leden van de afdeling.

Voorwaarde(n): BIOL 9990 met een minimum cijfer van S

BIOL 9996. Vervolg proefschrift. (0 uur)

Biedt scriptiebegeleiding door leden van de afdeling.

Voorwaarde(n): BIOL 9991 met een minimum cijfer van S of Dissertatie Check met een score van REQ


Bladluisvoeding induceert de ontspanning van epigenetische controle en de bijbehorende regulatie van de afweerreactie in Arabidopsis

Door de omgeving veroorzaakte veranderingen in het epigenoom helpen individuen om zich snel aan te passen aan fluctuaties in de omstandigheden van hun leefgebieden. We onderzochten die veranderingen in Arabidopsis thaliana-planten die werden blootgesteld aan meerdere biotische en abiotische stress, en identificeerden activering van transponeerbare elementen (TE) in planten die besmet waren met de groene perzikluis, Myzus persicae. We hebben een genoombrede analyse van mRNA-expressie, kleine RNA-accumulatie en DNA-methylatie uitgevoerd. Onze resultaten tonen aan dat bladluisvoeding verlies van methylering van honderden loci, voornamelijk TE's, veroorzaakt. Dit verlies van methylering heeft het potentieel om genexpressie te reguleren en we hebben bewijs gevonden dat het betrokken is bij de controle van plantenimmuniteitsgenen. Dienovereenkomstig vertoonden mutante planten met een tekort aan DNA en H3K9-methylering (kyp) verhoogde resistentie tegen M. persicae-besmetting. Gezamenlijk laten onze resultaten zien dat veranderingen in DNA-methylatie een significante rol spelen bij de regulatie van de transcriptionele respons van planten en inductie van de verdedigingsrespons tegen bladluisvoeding.

trefwoorden: Arabidopsis bladluizen verdedigingsreactie epigenetica transcriptionele regulatie transponeerbare elementen.


Referenties

Pigliucci, M. & Müller, G. B. Evolutie: de uitgebreide synthese (MIT Pers, 2010).

Noble, D. et al. J. Fysiol. 592, 2237–2244 (2014).

Arthur, W. Bevooroordeelde embryo's en evolutie (Cambridge Univ. Press, 2004).

Brakefield, P.M. Trends Ecol. Evol. 21, 362–368 (2006).

West-Eberhard, M.J. Ontwikkelingsplasticiteit en evolutie (Oxford Univ. Press, 2003).

Pfennig, D.W. et al. Trends Ecol. Evol. 25, 459–467 (2010).

Odling-Smee, F.J., Laland, K.N. & Feldman, M.W. Nicheconstructie: het verwaarloosde proces in evolutie (Princeton Univ. Press, 2003).

Jablonka, E. & Lamb, M. Evolutie in vier dimensies: genetische, epigenetische, gedrags- en symbolische variatie in de geschiedenis van het leven (MIT Pers, 2014).

Hoppitt, W. & Laland, K.N. Sociaal leren: een inleiding tot mechanismen, methoden en modellen (Princeton Univ. Press, 2013).

Erwin, D.H. & Valentine J, W. De Cambrische Explosie: De Constructie van Dierlijke Biodiversiteit (Robert, 2013).

Darwin, C. De vorming van groenteschimmel, door de acties van wormen (John Murray, 1881).

Alcock, J. De triomf van de sociobiologie (Oxford Univ. Press, 2001).

Bailey, N.W. Trends Ecol. Evol. 27, 561–569 (2012).

Waddington, C.H. Natuur 150, 563–565 (1942).

Callebaut, W. in Evolutie: de uitgebreide synthese (Pigliucci, M. & Müller, G. B. eds) 443-482 (MIT Press, 2010).

Browne, J. Charles Darwin: The Power of Place Vol. II 479 (Jonathan Kaap, 2003).


Monsterverzameling en schatting van de leeftijd

De bomen die in dit onderzoek werden gebruikt, bevonden zich in Hood River Ranger District [Horse Thief Meadows area], Mount Hood National Forest, 1 km ten zuiden van Nottingham Campground bij OR-35 op ongemarkeerde parkeerplaats, 500′ ten westen van East Fork Trail #650 over de rivier, ca. 45.355313, − 121.574284 (Extra bestand 1: Fig. S1).

De kernen werden oorspronkelijk verzameld van de hoofdstam en vijf takken van elk van de vijf bomen in april 2015 op borsthoogte (∼ 1,5 m) voor staande boomleeftijd met behulp van een roestvrijstalen incrementele boormachine (5 mm in diameter en tot 28 cm lang) ).Kernen werden gemonteerd op gegroefde houtafwerking, gedroogd bij kamertemperatuur, geschuurd en gekleurd met 1% floroglucinol volgens de instructies van de fabrikant (https://www.forestry-suppliers.com/Documents/1568_msds.pdf). Jaarlijkse jaarringen werden geteld om de leeftijd te schatten. Voor kernen waarvan uit de collectie van 2015 geen nauwkeurige schattingen konden worden gemaakt, zijn in het voorjaar van 2016 aanvullende collecties gedaan. Door de moeilijkheid bij het verzamelen door klimmen bereikten veel van de kernen echter niet het midden van de stengel of takken (merg) en/of de monsters leden aan hartrot. Gecombineerd met de moeilijkheid om ringen af ​​te bakenen in poreuze houtsoorten zoals populier Populus [57, 58], nauwkeurige metingen van boomleeftijd of takleeftijd waren een uitdaging (aanvullend bestand 1: Fig. S2).

Gelijktijdig met het uitboren van de stengel werden bladmonsters verzameld van de toppen van elk van de takken van de geselecteerde vijf bomen. Takken 9.1, 9.5, 13.4, 14.1, 15.1 en 15.5 waren te beschadigd om redelijke leeftijdsschattingen vast te stellen en zijn uit de analyse verwijderd. Tak 14.4 en de stengels van 13.1 en 13.2 werden geschat door eenvoudigweg de diameter van alle takken en stengels die door ontkern oud zouden kunnen worden te verkleinen.

Nuclei-voorbereiding voor DNA-extractie

Populierbladeren die bij −80 °C ingevroren waren gehouden, werden voorzichtig vermalen met vloeibare stikstof en geïncubeerd met NIB-buffer (10 mM Tris-HCL, PH8.0, 10 mM EDTA PH8.0, 100 mM KCL, 0,5 M sucrose, 4 mM spermidine, 1 mM spermine) op ijs gedurende 15 minuten. Na filtratie door miracloth werd Triton x-100 (Sigma) toegevoegd aan buizen in een verhouding van 1:20, 15 minuten op ijs geplaatst en gecentrifugeerd om kernen te verzamelen. Kernen werden gewassen met NIB-buffer (die Triton x-100 bevat) en opnieuw gesuspendeerd in een kleine hoeveelheid NIB-buffer (die Triton x-100 bevat), waarna het volume van elke buis op 40 ml werd gebracht en opnieuw werd gecentrifugeerd. Na zorgvuldige verwijdering van alle vloeistof werd 10 ml Qiagen G2-buffer toegevoegd, gevolgd door voorzichtig opnieuw suspenderen van kernen en vervolgens werd 30 ml G2-buffer met RNase A (tot een eindconcentratie van 50 mg/ml) toegevoegd. Buizen werden gedurende 30 minuten bij 37 ° C geïncubeerd. Proteïnase K (Invitrogen), 30 mg, werd toegevoegd en buizen werden gedurende 2 uur bij 50 ° C geïncubeerd, gevolgd door 15 minuten centrifugeren bij 8000 rpm, bij 4 ° C, en de vloeistof werd voorzichtig in een nieuwe buis gegoten. Na zachte extractie met chloroform tot isoamylalcohol (24: 1), vervolgens centrifugeren en overbrengen van de bovenste fase naar een verse buis, werd HMW-DNA geprecipiteerd door toevoeging van 2/3 volume isopropanol en opnieuw centrifugeren om het DNA te verzamelen . Nadat DNA was gewassen met 70% ethanol, werd het 20 minuten aan de lucht gedroogd en grondig opgelost in 1 x TE.

Gehele genoomsequencing

we hebben gesequenced Populus trichocarpa var. Stettler met behulp van een shotgun-sequencingstrategie voor het hele genoom en standaard sequencing-protocollen. Sequentiemetingen werden verzameld met behulp van Illumina en PacBio. Zowel de Illumina- als PacBio-lezingen werden gesequenced bij het Department of Energy (DOE) Joint Genome Institute (JGI) in Walnut Creek, Californië, en het HudsonAlpha Institute in Huntsville, Alabama. Illumina-lezingen werden gesequenced met behulp van het Illumina HISeq-platform, terwijl de PacBio-lezingen werden gesequenced met behulp van het RS-platform. Eén insertie van 400 bp van 2 x 150 Illumina-fragmentbibliotheek werd verkregen voor in totaal

349× dekking (Aanvullend bestand 2: Tabel S11). Voorafgaand aan de montage werden alle Illumina-metingen gescreend op mitochondriën, chloroplast en phix-besmetting. Lezingen die zijn samengesteld uit > 95% eenvoudige sequentie zijn verwijderd. Illumina leest minder dan 75 bp na trimmen voor adapter en kwaliteit (Q < 20) zijn verwijderd. De uiteindelijke Illumina-leesset bestaat uit 906.280916 leest voor een totaal van

349× hoogwaardige Illumina-bases. Voor de PacBio-sequencing werden in totaal 69 chips (P6C4-chemie) gesequenced met een totale opbrengst van 59,29 Gb (118,58×) met 56,2 Gb > 5 kb (Aanvullend bestand 2: Tabel S12), en na foutcorrectie in totaal 37,3 Gb (53,4 ×) werd gebruikt in de assemblage.

Genoomassemblage en constructie van pseudomolecuulchromosomen

De huidige release is versie 1.0 die begon met het samenstellen van de 37,3 Gb gecorrigeerde PacBio-reads (53,4× sequentiedekking) met behulp van de MECAT CANU v.1.4 assembler [39] en vervolgens gepolijst met behulp van QUIVER v.2.3.3 [40]. Dit produceerde 3693 steigers (3693 contigs), met een steiger N50 van 1,9 Mb, 955 steigers groter dan 100 kb en een totale genoomgrootte van 693,8 Mb (aanvullend bestand 2: Tabel S13). Alternatieve haplotypes werden geïdentificeerd in de initiële assemblage met behulp van een interne Python-pijplijn, wat resulteerde in 2972 ​​contigs (232,3 Mb) die werden gelabeld als alternatieve haplotypes, waardoor 745 contigs (461,5 Mb) in de enkele haplotype-assemblage achterbleven. Een set van 64.840 unieke, niet-repetitieve, niet-overlappende syntenische sequenties van 1,0 kb vanaf versie 4.0 P. trichocarpa var. Nisqually montage uitgelijnd met de MECAT CANU v.1.4 montage en gebruikt om misjoins te identificeren in de P. trichocarpa var. Stettler samenkomst. In totaal werden 22 misjoins geïdentificeerd en verbroken. Steigers werden vervolgens georiënteerd, geordend en samengevoegd tot 19 chromosomen. In het syntenic marker FASTA-bestand bevatte elke record-ID informatie met betrekking tot de Nisqually chromosoom waar de sequentie werd geëxtraheerd, evenals de positie in het chromosoom. Deze markers, samen met de geannoteerde primaire transcripten van Nisqually, werden uitgelijnd met de Poplar var. 14.5 montage met BLAT. De chromosoom / positie-informatie werd gebruikt om misjoins in de assemblage te identificeren. Nadat de misjoins waren gecorrigeerd, werden de scaffolds geordend en georiënteerd met behulp van de positionele informatie in de syntenische markers / genen. Tijdens dit proces werden in totaal 117 verbindingen gemaakt en de chromosoomverbindingen werden opgevuld met 10.000 Ns [59]. Kleine aangrenzende alternatieve haplotypes werden geïdentificeerd op de samengevoegde contig-set. Alternatieve haplotype (Althap) regio's werden samengevouwen met behulp van de langste gemeenschappelijke substring tussen de twee haplotypes. Een totaal van 14 aangrenzende alternatieve haplotypes waren ingestort.

Het resulterende samenstel werd vervolgens gescreend op verontreiniging. Homozygote single nucleotide polymorphisms (SNP's) en insertie/deleties (InDels) werden gecorrigeerd in de afgiftevolgorde met behulp van

100× Illumina-lezingen (2 x 150, 400-bp insert) door de metingen uit te lijnen met behulp van bwa-0.7.17 mem [60] en homozygote SNP's en InDels te identificeren met de UnifiedGenotyper-tool van GATK v3.6 [61]. Een totaal van 206 homozygote SNP's en 11.220 homozygote InDels werden gecorrigeerd in de release. Heterozygote SNP / indel-faseringsfouten werden gecorrigeerd in de consensus met behulp van de 118.58 × onbewerkte PacBio-gegevens [59]. In totaal werden 66.124 (1,98%) van de heterozygote SNP/InDels gecorrigeerd. De verbeterde versie van versie 1.0 bevat 391,2 Mb sequentie, bestaande uit 25 scaffolds (128 contigs) met een contig N50 van 7,5 Mb en in totaal 99,8% van de geassembleerde basen in chromosomen. Percelen van de Nisqually markerplaatsingen voor de 19 chromosomen worden getoond in aanvullend bestand 1: Fig. S9.

Genoomannotatie

Transcriptie-assemblages zijn gemaakt van

1,4 miljard paren van 2 × 150 gestrande Illumina RNA-seq GeneAtlas P. trichocarpa var. Nisqually leest,

1,2 miljard paren van 2 × 100 gepaarde Illumina RNA-seq P. trichocarpa var. Nisqually leest voor van Dr. Pankaj Jaiswal, en

430 M paren van 2 × 75 gestrande, gepaarde uiteinden Illumina var. Stettler leest met PERTRAN [41] on P. trichocarpa var. Stettler genoom. Wat betreft

3 M PacBio Iso-Seq circulaire consensussequenties werden gecorrigeerd en samengevouwen door genoomgeleide correctiepijplijn op P. trichocarpa var. Stettler genoom te verkrijgen

0,5 miljoen vermeende volledige transcripties. Een totaal van 293.637 transcriptassemblages werden geconstrueerd met behulp van PASA [62] van RNA-seq transcriptassemblages hierboven. Loci werden bepaald door transcriptie-assemblage-uitlijningen en / of EXONERATE-uitlijningen van eiwitten van A. thalianasojaboon, perzik, kitaake rijst, Setaria viridis, tomaat, cassave, druif en Swiss-Prot-proteomen om zacht gemaskeerd te herhalen P. trichocarpa var. Stettler genoom met behulp van RepeatMasker [63] met een extensie van maximaal 2 kb aan beide uiteinden, tenzij het zich uitbreidt naar een andere locus op dezelfde streng. Genmodellen werden voorspeld door op homologie gebaseerde voorspellers, FGENESH+ [64] FGENESH_EST (vergelijkbaar met FGENESH+, EST als splitsingsplaats en introninvoer in plaats van eiwit/vertaald ORF), EXONERATE [65], PASA-assemblage-ORF's (in-house homologie-beperkte ORF vinder), en vanaf AUGUSTUS via BRAKER1 [66]. De best gescoorde voorspellingen voor elke locus worden geselecteerd met behulp van meerdere positieve factoren, waaronder EST en eiwitondersteuning, en één negatieve factor: overlap met herhalingen. De geselecteerde genvoorspellingen werden verbeterd door PASA. Verbetering omvat het toevoegen van UTR's, splitsingscorrectie en het toevoegen van alternatieve transcripties. PASA-verbeterde genmodeleiwitten werden onderworpen aan eiwithomologieanalyse met de bovengenoemde proteomen om C-score en eiwitdekking te verkrijgen. Cscore is een eiwit BLASTP-scoreverhouding tot MBH (wederzijds beste hit) BLASTP-score, en eiwitdekking is het hoogste percentage eiwit dat overeenkomt met de beste homologen. PASA-verbeterde transcripten werden geselecteerd op basis van Cscore, eiwitdekking, EST-dekking en de CDS die overlapt met herhalingen. De transcripten werden geselecteerd als de C-score groter is dan of gelijk aan 0,5 en de eiwitdekking groter dan of gelijk aan 0,5, of als het EST-dekking heeft, maar de CDS die overlapt met herhalingen minder dan 20% is. Voor genmodellen waarvan de CDS meer dan 20% overlapt met herhalingen, moet de Cscore minimaal 0,9 zijn en de homologiedekking minimaal 70% om te worden geselecteerd. De geselecteerde genmodellen werden onderworpen aan Pfam-analyse en genmodellen waarvan het eiwit meer dan 30% in Pfam TE-domeinen is, werden verwijderd en zwakke genmodellen. Onvolledige genmodellen, lage homologie ondersteund zonder volledig door transcriptoom ondersteunde genmodellen en korte enkelvoudige exon (< 300-bp CDS) zonder eiwitdomein of genmodellen met goede expressie, werden handmatig uitgefilterd.

SNP-oproepmethoden

Illumina HiSeq2500 gepaarde eindaflezingen (2 × 150) werden toegewezen aan het referentiegenoom met behulp van bwa-mem [60]. Picard-toolkit werd gebruikt om de bam-bestanden te sorteren en te indexeren. GATK [61] werd verder gebruikt om regio's rond InDels uit te lijnen. Samtools v1.9 [67] werd gebruikt om een ​​multi-sample-mpile-up voor elke boom afzonderlijk te maken. Voorlopige SNP's werden aangeroepen met behulp van Varscan v2.4.0 [68] met een minimale dekking van 21.

Bij deze SNP's hebben we voor elke tak de voorwaardelijke waarschijnlijkheid van elk potentieel genotype (RR, RA, AA) berekend, gegeven de leestellingen van elk allel, volgens SeqEM [69], met behulp van een geschat sequentiefoutpercentage van 0, 01. We identificeerden genotype-oproepen met een hoge betrouwbaarheid als die met een voorwaardelijke kans die 10.000 × groter is dan de kansen van de andere mogelijke genotypen. We identificeerden potentiële somatische SNP's als die met zowel een zeer betrouwbaar homozygoot als een zeer betrouwbaar heterozygoot genotype over de takken.

We merken op dat de standaard SNP-aanroepparameters de neiging hebben om homozygote referentie-allelengenotypen te boven te komen en dat verschillen in sequentiediepte het relatieve aantal gedetecteerde heterozygote SNP's kunnen beïnvloeden. Om deze problemen te verhelpen, hebben we genotypen opnieuw genoemd met behulp van voorwaardelijke kansen met behulp van gedownsamplede alleltellingen. Om dit te doen, hebben we eerst willekeurig een bepaald aantal sequentielezingen geselecteerd voor elke bibliotheek bij elke potentiële somatische SNP, zodat alle bibliotheken dezelfde sequentiediepte hebben bij alle SNP's. Met behulp van de down-sampled reads, berekenen we de relatieve voorwaardelijke kans van elk genotypen door de voorwaardelijke kansen te delen door de som van de voorwaardelijke kansen van alle drie de potentiële genotypen. Deze relatieve kansen worden vervolgens vermenigvuldigd met de dosering die is toegewezen aan hun respectievelijke genotype (0 voor RR, 1 voor RA, 2 voor AA), en het doseringsgenotype is de som van deze waarden voor alle 3 mogelijke genotypen. Discrete genotypen werden toegewezen aan de hand van de volgende doseringswaarden: RR = dosering < 0,1 RA = 0,9 < dosering < 1,1 AA = dosering > 1,9. Doseringen buiten die bereiken krijgen een NA-discreet genotype toegewezen. SNP's met een NA discreet genotype of diepte onder het down-sampling-niveau in een tak van een boom werden uit verdere analyse verwijderd. We hebben drie herhalingen van deze procedure uitgevoerd voor diepten van 20, 25, 30, 35, 40 en 45 leest.

PacBio-bibliotheken voor elke tak werden gesequenced met behulp van het PacBio Sequel-platform, fastq-bestanden uitgelijnd met de P. trichocarpa var. Stettler14 referentiegenoom met behulp van ngmlr [70], en multi-sample mpileup-bestanden gegenereerd met behulp van Samtools v1.9 [67] om de alleltellingen bij de potentiële somatische SNP's te kwantificeren. We gebruikten een minimale sequentiediepte per monster van 20 aflezingen en gebruikten een alternatieve alleldrempel van 0,1 om een ​​heterozygoot genotype in de PacBio-gegevens aan te roepen.

Om somatische SNP's met een hoge betrouwbaarheid te identificeren, identificeerden we potentiële somatische SNP's met dezelfde genotypen in alle takken met behulp van beide op Illumina gebaseerde PacBio-gebaseerde genotypen, waarbij alleen SNP's met volledige gegevens in alle takken voor beide soorten genotypen werden gebruikt. Hiervan hebben we alleen SNP's behouden die homozygoot zijn in een enkele vertakking of een enkele homozygoot-naar-heterozygote overgang (en geen omkering) hebben van de laagste naar de hoogste takken.

Somatische nucleotide-mutatiesnelheid schatten

Voortbouwend op het analytisch kader ontwikkeld in van der Graaf et al. (2015) en Shahryary et al. 2019 (mede-indiening), we ontwikkelden mutSOMA (https://github.com/jlab-code/mutSOMA), een statistische methode voor het schatten van genetische mutatiesnelheden in langlevende vaste planten zoals bomen. De methode behandelt de boomvertakkingsstructuur als een stamboom van somatische lijnen en maakt gebruik van het feit dat deze cellijnen informatie bevatten over de mutatiegeschiedenis van elke tak. Een gedetailleerde wiskundige beschrijving van de methode is te vinden in Aanvullend bestand 3: Aanvullende tekst. Maar kort, uitgaande van de .vcf*-bestanden van S monsters die verschillende takken van de boom vertegenwoordigen, laten we Gik het waargenomen genotype zijn aan de kde enkele nucleotide (k = 1, …, N) in de lhet monster, waar? N is de effectieve genoomgrootte (d.w.z. het totale aantal basen met voldoende dekking). Met vier mogelijke nucleotiden (A, C, T, G), Gik kan 16 mogelijke genotypen hebben in een diploïde genoom, 4 homozygoot (A|A, T|T, C|C, G|G) en 12 heterozygoot (A|G, A|T, …, G|C). Met behulp van deze codering berekenen we de genetische divergentie, NS, tussen twee willekeurige monsters l en J als volgt:

waar l(Gik, Gjk) is een indicatorfunctie, zodanig dat, l(Gik, Gjk) = 1 als de twee monsters geen allelen op locus delen k, 0,5 als ze één allelen delen en 0 als ze beide allelen delen. We veronderstellen dat NSij is gerelateerd aan de ontwikkelingsdivergentietijd van monsters l en J via een somatisch mutatiemodel mΘ. De divergentietijden kunnen worden berekend uit de boorgegevens (Aanvullend bestand 2: Tabel S14). We modelleren de genetische divergentie met behulp van

waar εijN(0, σ 2) is het normaal verdeelde residu, C is het snijpunt, en ( _^<ullet>links(_ ight) ) is de verwachte divergentie als functie van het mutatiemodel m met parametervector . Parametervector ϴ bevat de onbekende mutatiesnelheid δ en de onbekende proportie γ heterozygote loci van de meest recente gemeenschappelijke "stichter" cellen van monsters l en J. De theoretische afleiding van ( _^<ullet>links(_ ight) ) en details met betrekking tot modelschatting zijn te vinden in Aanvullend bestand 3: Aanvullende tekst. De schatting van de resterende variantie in het model maakt het mogelijk dat een deel van de waargenomen genetische divergentie tussen twee monsters wordt aangedreven door zowel genotyperingsfouten als door somatische genetische drift, aangezien meristeemcellen door knelpunten gaan bij het genereren van de zijtakken .

Methoden voor structurele variantanalyse

Voor analyse van de structurele variant (SV) werden PacBio-bibliotheken gegenereerd voor vier takken van boom 13 en vier takken van boom 14 met vier sequencing-cellen die per tak werden gesequenced met behulp van het PacBio Sequel-platform. PacBio fastq-bestanden werden uitgelijnd met de P. trichocarpa var. Stettler referentiegenoom met behulp van ngmlr v.0.2.6 [70] met een waarde van 0,01 voor de vlag "-R". SV's werden ontdekt en aangeroepen met pbsv (pbsv v2.2.0, https://github.com/PacificBiosciences/pbsv). SV-handtekeningen werden voor elk monster geïdentificeerd met behulp van "pbsv Discover" met behulp van de vlag "--tandem-repeats" en een tandem-repeat-BED-bestand gegenereerd met trf v4.09 [71] voor de P. trichocarpa var. Stettler genoom. SV's werden gezamenlijk opgeroepen voor alle 8 vestigingen met behulp van "pbsv-oproep". De uitvoer van gezamenlijke SV-oproep verandert enigszins, afhankelijk van de volgorde van de voorbeelden die worden gebruikt voor de invoer in 'pbsv-oproep', dus er zijn vier sets SV's gegenereerd met vier verschillende voorbeeldbestellingen als invoer. We gebruikten een aangepast R-script om de SV-uitvoer van pbsv [59] te filteren. We verwijderen inserties of deleties met een lage complexiteit met een sequentie die > 80% van een mononucleotide 8-meer, 50% van een enkel type binucleotide 8-meer of 60% van twee soorten binucleotide 8-meren bevat. We eisten een minimale afstand van 1 kb tussen SV's. We hebben SV's verwijderd met sequencing-dekking van meer dan drie standaarddeviaties boven de gemiddelde dekking over een steekproef. Na het aanroepen van genotypen werden alle SV's met ontbrekende genotypegegevens verwijderd.

Genotypes werden aangeroepen op basis van de uitvoer van pbsv met behulp van een aangepast R-script [59]. We vereisten een minimale dekking van 10 reads in alle samples en voor één sample moest er minimaal 20 reads zijn. We hadden een minimale penetrantie (leesratio) van 0,25 nodig en ten minste 2 metingen die het kleine allel bevatten voor een heterozygoot genotype. We hebben een maximale penetrantie van 0,05 toegestaan ​​voor homozygote genotypen. Voor elk genotype hebben we een kwaliteitsscore toegekend op basis van de binominale distributiegerelateerde relatieve waarschijnlijkheid van de 3 genotypeklassen (RR, AR, AA) op basis van A:R-leesratio, met een geschatte sequencingfout van 0,032 en een geschat minimum allelpenetrantie van 0,35. Voor een genotype met een score lager dan 0,9 maar met hetzelfde genotype op de SV als een ander monster met een score hoger dan 0,98, werd de score aangepast door te vermenigvuldigen met 1,67. Alle genotypen met aangepaste scores onder 0,9 werden omgezet in NA. Voor deleties, duplicaties en invoegingen werden 10 vertegenwoordigers in verschillende grootteklassen willekeurig geselecteerd en de toewijzingspatronen van uitlezingen werden visueel geïnspecteerd met behulp van IGV v2.5.3 [72] om scores toe te wijzen die aangeven hoe goed de visuele toewijzingspatronen de SV-aanduiding ondersteunen.Scores werden als volgt gedefinieerd: "sterk", meerdere uitlezingen komen overeen met dezelfde locaties in het referentiegenoom die het SV-type en -grootte ondersteunen "gematigd", meerdere uitlezingen komen uit op dezelfde referentielocatie voor één kant van de SV, maar komen overeen met verschillende of meerdere locaties in de regio voor de andere kant van de SV en "zwakke", leest uitgelijnd met referentielocaties die een ander SV-type of veel verschillende SV-grootte aangeven.

Het percentage gensequentie en tandemherhalingssequentie in deleties en duplicaties werden berekend met behulp van de P. trichocarpa var. Stettler annotatie en tandemherhaling BED van bovenaf, respectievelijk. Genoombrede verwachtingen werden afgeleid door het genoom te scheiden in vensters van 10 kb en het percentage gen- en tandemherhalingssequentie in elk venster te berekenen. De verdeling van gen- en tandem-herhalingssequenties in deleties en duplicaties werd vergeleken met genoombrede verwachtingen met behulp van de Kolmogorov-Smirnov two-sample-test (eenzijdig, Nnul = 39,151, Ndel = 10,433, Ndup = 630).

SV's die variatie tussen takken vertonen en in alle 4 replica's zijn geïdentificeerd, zijn mogelijke gevallen van somatische SV-mutaties of genconversies met verlies van heterozygotie, en de mappingposities van sequencing-uitlezingen werden visueel geïnspecteerd met IGV [72] om de variatie bij deze SV's te bevestigen.

MethylC-seq-sequencing en analyse

Voor elke tak van bladweefsel werd een enkele MethylC-seq-bibliotheek gemaakt. Bibliotheken werden opgesteld volgens het protocol beschreven in Urich et al. [73]. Bibliotheken werden gesequenced tot 150 bp per gelezen in de Georgia Genomics & Bioinformatics Core (GGBC) op een NextSeq500-platform (Illumina). Gemiddelde sequentiediepte was

41,1 × onder monsters (aanvullend bestand 2: tabel S8).

MethylC-seq-uitlezingen werden verwerkt en uitgelijnd met Methylpy v1.3.2 [74]. Standaardparameters werden gebruikt, behalve het volgende: klonale aflezingen werden verwijderd, lambda-DNA werd gebruikt als de niet-gemethyleerde controle en binominale test werd uitgevoerd voor alle cytosines met ten minste drie in kaart gebrachte aflezingen. De methylatieniveaus werden bepaald met behulp van gewogen methylatieniveau, als mC / (mC + uC) waarbij mC en uC het aantal aflezingen zijn die respectievelijk een gemethyleerd cytosine en niet-gemethyleerd cytosine ondersteunen (C / C + T) [44]. De omzettingssnelheden van natriumbisulfiet werden vergeleken met verrijkt lambda-DNA (dat niet-gemethyleerd was). Alle percentages lagen ruim boven de 99% (aanvullend bestand 2: tabel S8).

Identificatie van differentieel gemethyleerde regio's

Identificatie van differentieel gemethyleerde regio's (DMR's) werd uitgevoerd met behulp van Methylpy v1.3.2 [74]. Alle methylome-monsters werden samen geanalyseerd om een ​​ongerichte identificatie van DMR's uit te voeren over alle monsters in de CNN-context (N = A, C, G, T). Er werden standaardparameters gebruikt. Regio's met ten minste drie differentieel gemethyleerde cytosines (DMS) werden gecombineerd tot ruwe DMR's. DMS met verschillende directionaliteit (hyper vs hypo) werden niet gecombineerd. Alleen DMR's die ten minste 40 bp lang zijn met vijf of meer cytosines (waarvan drie differentieel gemethyleerd) met ten minste één uitlezing werden gebruikt voor daaropvolgende analyse. Voor elke DMR werd het gewogen methyleringsniveau berekend als mC / (mC + uC) waarbij mC en uC het aantal uitlezingen zijn die respectievelijk een gemethyleerd cytosine en niet-gemethyleerd cytosine ondersteunen [44].

Om epigenetische varianten in deze monsters te identificeren, gebruikten we een eenzijdige z-test om te testen op een significant verschil in methyleringsniveau van DMR's paarsgewijs tussen takken [59]. Voor elk paar werden alleen DMR's met ten minste 5% verschil in methyleringsniveau gebruikt, ongeacht de onderliggende context. Resulterend P waarden werden aangepast met behulp van Benjamini-Hochberg-correctie (N = 383.600) met FDR = 0,05 [75], en DMR's worden gedefinieerd door aangepast P waarde ≤ 0,05.

Identificatie van gemethyleerde regio's

Voor elk monster werd een niet-gemethyleerd methyloom gegenereerd door het aantal gemethyleerde aflezingen op nul te zetten terwijl het totale aantal aflezingen werd gehandhaafd. Methylpy DMR-identificatieprogramma [74] werd op elk monster toegepast met behulp van het originele methyloom en niet-gemethyleerd methyloom met dezelfde parameters als gebruikt voor DMR-identificatie. Regio's van minder dan 40 bp lang, minder dan drie DMS en minder dan vijf cytosines met ten minste één uitlezing werden verwijderd. Resterende regio's van alle monsters werden samengevoegd met behulp van BEDtools v2.27.1 [76].

Genomische kenmerken toewijzen aan DMR's

Er werd een genomische kenmerkkaart gemaakt zodat elk basenpaar van het genoom een ​​enkel kenmerktype (transponeerbaar element / herhaling, promotor, niet-vertaalde regio, coderende sequentie en intron) kreeg toegewezen op basis van de eerder beschreven annotatie. Promoters werden gedefinieerd als 2 kb stroomopwaarts van de transcriptiestartplaats van eiwitcoderende genen. Op posities waar meerdere kenmerktypen toepasbaar zouden kunnen zijn, zoals een transposon in een intron of een promotor die overlapt met een aangrenzend gen, werd prioriteit gegeven aan transponeerbare elementen, niet-vertaalde gebieden, introns, coderende sequenties en promotors. Posities zonder opdracht werden als intergenisch beschouwd. De inhoud van het genomische kenmerk van elke DMR en gemethyleerde regio werd proportioneel toegewezen op basis van het aantal basen in elke categorie.

GO-verrijkingsanalyse van promotor-DMR's werd uitgevoerd met behulp van topGo v2.34.0 met nodeSize = 10 en gewogen Fisher's exact voor BP-, CC- en MF-ontologieën [77]. Betekenis werd bepaald voor P waarde < 0,001.

Identificatie van pseudo-allel-methylering

We wilden de DMR's indelen in drie pseudo-allele toestanden: homozygoot gemethyleerd, heterozygoot en homozygoot niet-gemethyleerd. Eerst werden DMR's gefilterd op de volgende criteria: (i) ten minste 25% verandering in gewogen CG-methyleringsniveau tussen het hoogste en laagste methyleringsniveau van de monsters (ii) ten minste één monster had een CG-methyleringsniveau van ten minste 75% en (iii) ten minste twee "gedekte" CG-posities. Een "bedekt" CG wordt gedefinieerd als het hebben van ten minste één aflezing voor beide symmetrische cytosines in alle monsters. Na filtering werden 4488 regio's gebruikt voor analyse.

Voor elke regio in elk monster categoriseren we vervolgens de uitgelijnde waarden die de regio overlappen [59]. Als ten minste 35% van de "bedekte" CG-sites gemethyleerd zijn, wordt de uitlezing gecategoriseerd als gemethyleerd. Anders is het een niet-gemethyleerde read. Ten slotte definiëren we de pseudo-alleltoestand door het deel van gemethyleerd leest homozygoot niet-gemethyleerd: ≤ 25%, heterozygoot: > 25% en < 75%, en homozygoot gemethyleerd: ≥ 75%.

De nulverdeling is gemaakt door de gefilterde DMR's in het genoom willekeurig te shuffelen, zodat elke gesimuleerde regio dezelfde lengte heeft als het origineel en ten minste twee "bedekte" CG's heeft. De bovenstaande procedure werd toegepast en het aantal epigenotypeveranderingen werd bepaald. Dit werd in totaal 10 keer herhaald.

De volgende speciale klassen van DMR's werden geïdentificeerd: zeer variabel, enkelvoudig verlies, enkelvoudige winst en boomspecifiek. Een DMR is zeer variabel als er pseudo-allelveranderingen zijn tussen alle aangrenzende takken. Een DMR is enkelvoudig verlies als op één na alle vertakkingen homozygoot gemethyleerd waren en één vertakking homozygoot niet-gemethyleerd. Evenzo is een DMR enkelvoudige winst als op één na alle vertakkingen homozygoot niet-gemethyleerd waren en één vertakking homozygoot gemethyleerd was. Ten slotte is een DMR "boomspecifiek" als alle takken van boom 13 homozygoot niet-gemethyleerd waren en alle takken van boom 14 homozygoot gemethyleerd waren of vice versa.

Somatische epimutatiesnelheid schatten

We hebben eerder een methode ontwikkeld voor het schatten van "kiemlijn"-epimutatiesnelheden in A. thaliana gebaseerd op multi-generationele methyleringsgegevens van mutatieaccumulatielijnen [34]. In een begeleidend methodedocument bij de huidige studie (Shahryary et al. 2019, co-indiening), hebben we deze benadering uitgebreid tot het schatten van somatische epimutatiesnelheden in langlevende vaste planten zoals bomen met behulp van bladmethylomen en kerngegevens als invoer. Deze nieuwe inferentiemethode, die we Alpha Beta, behandelt de boomvertakkingsstructuur als een stamboom van somatische lijnen, gebruikmakend van het feit dat deze cellijnen informatie bevatten over de epimutationele geschiedenis van elke tak. Alpha Beta is geïmplementeerd als een bioconductor R-pakket (http://bioconductor.org/packages/devel/bioc/html/AlphaBeta.html). De resultaten die de betekenis van epimutatieaccumulatie beschrijven, zoals beschreven in Shahryary et al. (2019) zijn opgenomen in het aanvullende bestand 2: Tabel S9. Met behulp van deze benadering schatten we de somatische epimutatiesnelheden voor individuele CG-, CHG- en CHH-sites onafhankelijk, maar ook voor regio's. Voor de analyse op regioniveau gebruiken we eerst de differentieel gemethyleerde regio's (DMR's) die hierboven zijn geïdentificeerd. Op basis van de verdeling van DMR-groottes splitsten we vervolgens de rest van het genoom op in regio's, die we 'niet-DMR's' noemen. Per monster aggregeren we het totale aantal gemethyleerde C's en niet-gemethyleerde C's in elke regio die overeenkomen met een DMR of een niet-DMR en gebruikten deze tellingen als invoer voor Alpha Beta.

In een replicatie-experiment voor boom 13 en boom 14 hebben we de methylomen van bladeren gesequenced van zeven takken die uit dezelfde takken waren bemonsterd (3 monsters van boom 14 en 4 monsters van boom 13). Uit de eerste kwaliteitscontrole van de methylome-gegevens bleek dat vijf van de zeven monsters (14–3.1, 13–1.1, 13–2.1, 13–3.1, 13–5.1) goed geclusterd waren met hun vertakkings-gematchte replica's. Twee van de monsters van boom 14 (14–4.1 en 14–5.1) vertoonden echter verontreiniging waardoor ze onbruikbaar waren. Daarom werden ze uitgesloten van verdere analyse. Met behulp van de resterende vijf replica's hebben we de genoombrede winst- en verliespercentages opnieuw geschat en vastgesteld dat ze erg vergelijkbaar waren met die verkregen met de originele monsters (aanvullend bestand 1: Fig. S6a-d). Naast een "volledige" boomanalyse (met monsters van zowel boom 13 als boom 14), hebben we ook epimutatie-accumulatie in boom 13 alleen onderzocht (aanvullend bestand 1: Fig. S6e). Net als bij de trends die we met de originele monsters hebben waargenomen (aanvullend bestand 1: Fig. S6e-h), nam de 5mC-divergentie toe als een functie van de leeftijd in de replicagegevens, hoewel deze accumulatiepatronen niet significant zijn vanwege de kleine steekproefomvang (N = 4).

MRNA-seq-sequencing en analyse

Totaal RNA werd geëxtraheerd uit bladweefsel in elke tak met behulp van de Direct-zol RNA MiniPrep Plus-kit (Zymo Research) met Invitrogen's Plant RNA-reagens. De totale RNA-kwaliteit en -kwantiteit werden beoordeeld vóór de bouw van de bibliotheek. Strand-specifieke RNA-seq-bibliotheken werden geconstrueerd met behulp van de TruSeq Stranded mRNA LT-kit (Illumina) volgens de instructies van de fabrikant. Voor elk monster werden drie onafhankelijke bibliotheken (technische replicaten) geconstrueerd. Bibliotheken werden gesequenced naar gepaarde 75-bp-uitlezingen bij de GGBC op een NextSeq500-platform (Illumina). Samenvattende statistieken zijn opgenomen in het Aanvullend bestand 2: Tabel S10.

Voor analyse werden eerst gepaarde uitlezingen bijgesneden met behulp van Trimmomatic v0.36 [78]. Trimmen omvatte het verwijderen van TruSeq3-adapters, basissen met een kwaliteitsscore van minder dan 10 en alle leeswaarden van minder dan 50 bp lang. Ten tweede werden de resterende uitlezingen toegewezen aan de Stettler genoom met HiSAT2 [79] met gebruik van standaardparameters, behalve voor het rapporteren van uitlijningen voor transcript-assemblers (--dta). De HiSAT2-transcriptoomindex is gemaakt met behulp van geëxtraheerde splitsingsplaatsen en exons uit de genannotatie zoals aanbevolen. Als laatste werden transcriptionele abundanties voor genen in de referentieannotatie berekend voor elk monster met behulp van StringTie v1.3.4d [80]. Standaardparameters werden gebruikt, behalve om schattingen te beperken tot referentietranscripten. TPM-waarden (transcripties per miljoen) werden uitgevoerd om transcriptionele overvloed weer te geven.

Identificatie van differentieel tot expressie gebrachte genen

Differentieel tot expressie gebrachte genen (DEG's) werden geïdentificeerd met behulp van DeSeq2 v1.22.2 [49]. De telmatrix werd geëxtraheerd uit StringTie-uitvoerbestanden en de analyse werd uitgevoerd met behulp van het protocol (ccb.jhu.edu/software/stringtie/index.shtml?t = manual#deseq). Overvloeden voor alle monsters werden samengevoegd tot één DESeq-dataset met α = 0,01. De overvloed aan genen werd paarsgewijs vergeleken tussen alle monsters. In elk paar werd een gen als differentieel tot expressie gebracht beschouwd als de aangepaste P waarde ≤ 0,01 en de log2-voudige verandering ≥ 1. Genen die differentieel tot expressie werden gebracht in elk paar werden opgenomen voor daaropvolgende analyse.

Overlap van DMR's en DEG's

We identificeerden DMR's die het promotorgebied overlapten (2 kb stroomopwaarts van de transcriptiestartplaats) en het genlichaam van geannoteerde genen. Voor elk DMR-genenpaar hebben we Pearson's productmomentcorrelatiecoëfficiënt berekend tussen het gewogen methylatieniveau van de DMR en de gemiddelde genovervloed onder replica's in TPM. Vervolgens hebben we, alleen kijkend naar genen waarvan eerder werd vastgesteld dat ze anders tot expressie werden gebracht, de tweezijdige Pearson's correlatietest voor elk DMR-DEG-paar uitgevoerd om te testen op statistisch significante correlaties. Resulterend P waarden werden gecorrigeerd voor meerdere tests met Benjamini-Hochberg-correctie (N = 382, ​​FDR = 0,05) [75]. Bijgestelde P waarden ≤ 0,05 werden als significant gecorreleerd beschouwd.


Epigenetische effecten op fenotypische variantie

Kwantitatieve genetische studies zijn gebaseerd op het begrijpen van componenten van variantie binnen het raamwerk VP = VG + VE, waar VP is de totale fenotypische variantie in een eigenschap in een populatie, VG is de fenotypische variantie toegeschreven aan genetische variantie, en VE verwijst naar alle andere bronnen van fenotypische variantie die niet de genetische variantie zijn (Falconer en Mackay 1996). In deze eenvoudige, dichotome verdeling, VE wordt vaak misleidend de 'omgevingsvariantie' genoemd, ook al bevat deze meer dan alleen omgevingsvariantie. Maar VE kan ook worden gedefinieerd sensu stricto als de fenotypische variantie die alleen wordt toegeschreven aan omgevingsvariantie (Scheiner en Goodnight 1984). Wanneer de definitie van VE beperkt is tot de fenotypische variantie die wordt toegeschreven aan echte omgevingsvariantie, zijn twee extra termen opgedeeld in de fenotypische variantievergelijking: VGxE, de fenotypische variantie toegeschreven aan genotype-per-omgevingsinteractie, en Vɛ, de rest- of foutvariantie die niet wordt verklaard door een van de andere bronnen van variatie (d.w.z. niet verklaard door VG, VE, of VGxE) (Scheiner en Welterusten 1984). We stellen dat elk onderdeel van de vergelijking VP = VG + VE + VGxE + Vɛ kan worden beïnvloed door epigenetica, en een extra partitie, COVGE, kan ook worden beïnvloed door epigenetica. We laten ook zien hoe elk van de variantiecomponenten uit de uitgebreide fenotypische variantievergelijking de evolutie kan beïnvloeden. Daarom kunnen de invloeden van epigenetica op een van de variantiecomponenten niet veilig terzijde worden geschoven en genegeerd bij het nadenken over evolutionaire processen en evolutionaire resultaten.

Epigenetica, V Gen evolutie

Het genetische variantiegedeelte van fenotypische variantie, VG, kan worden ontleed in: VEEN + VNS + Vl + VG, waar VEEN is de additieve genetische variantie, dat wil zeggen het deel van de totale genetische variantie dat op een additieve manier wordt overgeërfd. VNS (dominantie variantie), Vl (gen-gen interactie), en VG (resterende genetische variantie) zijn andere delen van de totale genetische variantie (Falconer en Mackay 1996). VEEN is het deel van de fenotypische variantie dat nodig is voor evolutionaire verandering, en wanneer gestandaardiseerd door de totale fenotypische variantie (VP) wordt gedefinieerd als de enge zin erfelijkheid (H 2 ). Overerfbaarheid met beperkte zin is belangrijk in zowel landbouwfokkerij als in evolutietheorie, omdat het variatie beschrijft die nodig is om eigenschappen te laten evolueren (Lopez-Fanjul en Garcia-Dorado 2011). Het belang van eng-zintuiglijke erfelijkheid voor evolutie wordt weergegeven door de "fokkersvergelijking", R = H 2 S, waar R is de reactie op selectie op een eigenschap, H 2 is de erfelijkheidsgraad van het kenmerk en S is de sterkte van selectie op het kenmerk (Falconer en Mackay 1996). In deze vergelijking is evolutie de reactie op selectie.

Voor zover epigenetische mechanismen additief bijdragen aan het fenotype, kan epigenetische variantie worden gevonden in de additieve genetische variantiecomponent, VEEN, van de totale genetische variantie. Het kan mogelijk zijn om epigenetische variantie te scheiden van VEEN (zie het gedeelte hieronder met de titel, Epigenetische effecten opnemen in kwantitatieve genetische studies Spencer 2002 Santure en Spencer 2006, 2011 Tal et al. 2010 Macdonald 2012 Varona et al. 2015). Maar epigenetische mechanismen kunnen ook bijdragen aan dominantieafwijkingen, omdat er geen reden is om aan te nemen dat epigenetische re-patterning van chromosomen puur additieve effecten op het fenotype zou hebben. Daarom kan epigenetica ook bijdragen aan de variantie in dominantieafwijkingen (VNS) deel van de totale genetische variantie. De bijdrage van epigenetica aan dominantieafwijkingen is voor zover wij weten niet grondig onderzocht, maar het zou nuttig zijn om meer te weten te komen over hoeveel epigenetische mechanismen bijdragen aan VNS.

Epigenetisch opnieuw gevormde genen kunnen de expressie van andere genen en hun effecten op het fenotype beïnvloeden, en dus kan epigenetica de epistatische variantie beïnvloeden, Vl, ook een deel van de totale genetische variantie. Shivaprasad et al. (2012) bestudeerden genexpressiepatronen in de F1 nageslacht van een kruising tussen gecultiveerde tomaat (Solanum lycopersicum) en een wild familielid (Solanum pennellii) en ontdekte dat micro- of kleine interfererende (si) RNA's overvloediger waren in hybriden dan in beide ouders, en dat accumulatie van dergelijke transgressieve sRNA's correleerde met onderdrukking van de overeenkomstige doelwitgenen. In één geval was dit effect geassocieerd met hypermethylering van het overeenkomstige genomische DNA. Smith en Weigel (2012) wezen erop dat veel sRNA's worden geproduceerd uit niet-coderende regio's of transponeerbare elementen, die sneller divergeren dan eiwitcoderende genen en dus meer kans bieden op onverwachte genetische interacties. Voor zover genexpressieveranderingen epistatisch worden gemedieerd door epigenetische veranderingen (zoals in Shivaprasad et al. 2012), kan epigenetica van invloed zijn Vl.

Epigenetische effecten op VG kunnen de evolutie het duidelijkst beïnvloeden via hun effecten op VEEN (de additieve component van de totale genetische variantie), aangezien de respons op selectie (evolutie) in de fokkersvergelijking gedeeltelijk afhangt van H 2 , wat een gestandaardiseerde maat is voor VEEN. Maar epigenetische effecten op Vl (de epistatische component van de totale genetische variantie) kan ook worden omgezet in additieve genetische variantie door de werking van genetische drift en genetische knelpunten die ervoor zorgen dat sommige loci vast komen te zitten, waardoor de interactie-effecten tussen loci worden geëlimineerd (Cheverud en Routman 1995 Hill 2017). De epigenetische effecten die mogelijk betrokken zijn bij epistatische interacties kunnen evolutionair belangrijk zijn tijdens soortvorming, wanneer oprichters worden geïsoleerd in kleinere populaties en de genetische diversiteit wordt verminderd. Epigenetische variatie wordt geherprogrammeerd door hybridisatie tussen soorten in het wild en in agrarische contexten (Salmon et al. 2005 Salmon et al. 2008), en kan reproductieve barrières tussen soorten versterken (Smith en Weigel 2012). Samenvattend, epigenetische invloeden op VG kunnen de evolutie beïnvloeden, via hun effecten op Vl evenals via hun effecten op VEEN de niet-additieve component van VG mag niet worden genegeerd als rekening wordt gehouden met epigenetische invloeden op fenotypische variantie en evolutie.

Epigenetica, V E sensu strictoen evolutie

Fenotypische plasticiteit is het vermogen van een genotype om verschillende fenotypes te produceren als reactie op verschillende omgevingscondities (Pigliucci 2001). Het kan worden gekwantificeerd voor een enkel individu, of voor meerdere replica's van hetzelfde genotype, in verschillende omgevingen. Een "genotype" kan in dit geval verwijzen naar individuen met specifieke configuraties van allelen op een locus. Het kan ook verwijzen naar klonale kopieën van een persoon (bijv. Fallopie spp. Richards et al. 2008 Parepa et al. 2014), apomictische nakomelingen (bijv. Taraxicum Verhoeven en van Gurp 2012) of een ingeteelde stam van een soort zoals de Landsberg erecta stam van Arabidopsis thaliana (Koornneef en Meinke 2010) of de Sprague-Dawley-stam van de rat Bruine rat (Hsu en Lai 2007). Plasticiteit wordt typisch gemeten door het fenotype in de ene omgeving minus het fenotype in de andere omgeving, en wordt in een grafiek gevisualiseerd als een "reactienorm" (Pigliucci 2001 Fig. 1). Hoe groter het verschil in fenotype tussen de twee omgevingen, hoe groter de plasticiteit. Fenotypische plasticiteit kan ook worden beschreven als de fenotypische variantie in een dataset die te wijten is aan verschillen in het fenotype tussen twee of meer verschillende omgevingen. Op deze manier begrepen, wordt plasticiteit weergegeven door de term VE sensu stricto in de verdeling van fenotypische variantie (Scheiner en Goodnight 1984).

Het fenotype (ja-as) van dezelfde individuele/inteeltstam/genotype in twee verschillende omgevingen (x-as) als reactienorm. Het fenotype in Omgeving 2 minus het fenotype in Omgeving 1 geeft aan hoeveel fenotypische plasticiteit (VE) er is

Voor zover veranderingen in het fenotype in verschillende omgevingen voortkomen uit veranderingen in genexpressie, kunnen epigenetische modificaties bijdragen aan die veranderingen in genexpressie (Duncan et al. 2014). Er zijn voorbeelden van epigenetisch gemedieerde plasticiteit in veel taxa, waaronder bloeiende planten (Geng et al. 2013 Zhang et al. 2013 Herman en Sultan 2016), gist (Herrera et al. 2012), honingbijen (Kucharski et al. 2008), mieren (Bonasio et al. 2012 Simola et al. 2013), zoogdieren (Oberlander et al. 2008 Godfrey et al. 2011 Lim et al. 2012 Hunter et al. 2015), en vogels (Lindqvist et al. 2007 Natt et al. 2009 Goerlich et al. 2012 Nätt et al. 2012). Over het algemeen zijn epigenetische modificaties waarschijnlijk een veelvoorkomend mechanisme van fenotypische plasticiteit (Nicotra et al. 2010 Richards et al. 2010 Geng et al. 2013 Herman et al. 2014 Herman en Sultan 2016), en kunnen een deel van de fenotypische variantie verklaren via hun effecten op de reactie op de omgeving (VE).

Een relevant voorbeeld van fenotypische plasticiteit gemedieerd door epigenetische veranderingen komt van Thorson et al. (2017). Ze onderzochten morfologische divergentie en epigenetische variatie in aseksuele zoetwaterslakkenpopulaties van de soort Potamopyrgus antipodarum van contrasterende meren en rivieren. Ze ontdekten dat populaties habitatspecifieke verschillen in schelpvorm vertonen die adaptief zijn gezien de waterstroomsnelheden van hun omgeving. Deze verschillen waren geassocieerd met significante genoombrede DNA-methylatieverschillen tussen slakken uit verschillende habitats, en de verschillende methylatiepatronen werden herhaald in replicaathabitats. Omdat deze slakken weinig moleculair genetische verschillen bevatten, hebben Thorson et al. (2017) veronderstellen dat de verschillen in de schaalmorfologie tussen habitats te wijten zijn aan adaptieve fenotypische plasticiteit die wordt gemedieerd door epigenetische mechanismen, met name DNA-methylatie door het hele genoom. Het is mogelijk dat de waargenomen verschillen in methylering tussen habitats niet alleen door het milieu worden veroorzaakt, maar ook erfelijk zijn, maar deze extra mogelijkheid is niet getest.

Hoewel epigenetische modificaties inzicht kunnen geven in de moleculaire details van fenotypische plasticiteit (Nicotra et al. 2010), zijn de twee niet helemaal uitwisselbaar. Zoals hierboven beschreven, wordt epigenetica ook gevonden in de VG onderdeel van de dissectie van fenotypische variantie, die geen plastische reactie op de omgeving is. Bovendien kan fenotypische plasticiteit te wijten zijn aan veel biochemische mechanismen (besproken in Kelly et al. 2012), en niet al deze mechanismen hebben betrekking op epigenetica. Fenotypische plasticiteit kan bijvoorbeeld te wijten zijn aan de kinetische beperkingen van enzymfuncties als reactie op temperatuur. Dit type plasticiteit is te zien in planten, die optimale temperatuurbereiken hebben voor fotosynthese, aangedreven door de kinetische eigenschappen van de enzymen en andere betrokken mechanismen (Yamasaki et al. 2002). Daarom kunnen fotosynthetische reacties langzamer of sneller verlopen, afhankelijk van het temperatuurregime dat door de plant wordt ervaren, en een verhoogde groei van een plant bij matig hogere temperaturen kan te wijten zijn aan verhoogde snelheden van enzymatische reacties en niet noodzakelijk aan epigenetische mechanismen. Optimale omgevingsbereiken voor enzymen zijn een fundamenteel aspect van cellulaire fysiologie in alle domeinen van het leven (Geueke en Kohler 2010), dus dit voorbeeld is generaliseerbaar naar elk taxon. Evenzo, in de mate dat een organisme groter wordt als reactie op voedingsstoffen, simpelweg omdat het meer materialen heeft om meer cellen en meer structuren te bouwen, hoeft dit niet noodzakelijkerwijs het gevolg te zijn van een epigenetisch mechanisme dat de plastische respons van de organismegrootte op nutriëntenniveaus bemiddelt. Samengevat kan enige fenotypische variantie worden toegeschreven aan epigenetische modificaties die geen plasticiteit zijn (zoals epigenetica die VG) en sommige fenotypische variantie is te wijten aan plasticiteit die niet het resultaat is van epigenetische modificaties.

Epigenetische effecten op VE sensu stricto heeft mogelijk geen duidelijke gevolgen voor evolutie, aangezien omgevingsvariatie geen erfelijke component heeft. Maar epigenetische toestanden verschillen van DNA-sequentievariatie doordat epigenetische toestanden door de omgeving kunnen worden geïnduceerd en vervolgens in de kiemlijn kunnen worden geërfd (Morgan et al. 1999 Waterland en Jirtle 2003 Verhoeven et al. 2010 Richards et al. 2012 Frésard et al. 2013 en beoordeeld in Richards et al. 2017). Epigenetische mechanismen kunnen dus verantwoordelijk zijn voor een deel van de plastische respons van een eigenschap op de omgeving (dat wil zeggen: VE sensu stricto) die vervolgens wordt omgezet in additieve genetische variantie. Hoe verrassend het op het eerste gezicht ook lijkt, epigenetische invloeden op VE sensu stricto evolutionaire implicaties hebben voor de berekening van VEEN, en dus epigenetische invloeden op VE sensu stricto kan mogelijk de evolutie beïnvloeden.

Epigenetica, V GxEen evolutie

De effecten van de omgeving op het fenotype kunnen per genotype verschillen (Fig. 2). Met andere woorden, de expressie en functie van genen kan veranderen afhankelijk van de specifieke allelen waaruit een genotype bestaat (Gillespie en Turelli 1989). Dit wijdverbreide fenomeen (Baye et al. 2011 De Marais et al. 2013 Rauw en Gomez-Raya 2015), genaamd de "genotype-by-omgeving interactie", wordt gescheiden van de totale fenotypische variantie (Scheiner en Goodnight 1984). Alle genotypen in Fig. 2 die hellingen hebben die niet nul zijn, vertonen plasticiteit (Pigliucci 2001), en het feit dat verschillende genotypen verschillende hellingen hebben, geeft aan dat er genetische variatie is voor plasticiteit (Scheiner en Lyman 1989). Er zijn dus omgevings- en genetische componenten in VGxE.

Het fenotype (ja-as) van drie verschillende individuen/inteeltstammen/genotypen in twee verschillende omgevingen (x-as) als reactienorm. Elke individuele/inteeltstam/genotype wordt aangegeven met een ander symbool + kleur. Het feit dat de drie genotypen verschillende waarden hebben voor het fenotype in Omgeving 2 minus het fenotype in Omgeving 1 geeft aan dat er genetische variatie is voor plasticiteit (VGxE)

Net zoals er epigenetische bijdragen kunnen zijn aan het milieu (VE) en genetisch (VG) componenten van fenotypische variantie, kunnen er ook epigenetische bijdragen zijn aan de genotype-per-omgeving interactie (VGxE). Neem bijvoorbeeld de genotypen in Fig. 2 in omgeving 1. Binnen die omgeving is er genetische variantie in het fenotype - de drie genotypen hebben verschillende genotypische gemiddelden. Zoals hierboven beschreven, kan epigenetica bijdragen aan de genetische variantie. Neem op dezelfde manier dezelfde genotypen in Fig. 2 in omgeving 2. Binnen die omgeving is er ook genetische variatie in het fenotype en daarom kunnen epigenetische mechanismen bijdragen aan de genetische variantie binnen die omgeving. Neem nu genotype 1 en onderzoek hoe het fenotype verandert in verschillende omgevingen. Dit is fenotypische plasticiteit en epigenetische mechanismen kunnen bijdragen aan fenotypische plasticiteit, zoals hierboven beschreven.

De handtekening van epigenetische effecten op VGxE is gedocumenteerd in enkele onderzoeken. Bosdorf et al. (2010) behandelden een reeks natuurlijke inteeltlijnen van Arabidopsis thaliana met het demethyleringsmiddel 5-azacytidine en onderzochten de gevolgen van deze behandeling voor de plasticiteit van planteigenschappen voor nutriëntenniveaus. Door te kijken hoe demethylering de plastische reacties van de inteeltlijnen beïnvloedde in vergelijking met hun controle-tegenhangers, ontdekten ze dat het effect van epigenetische re-patterning op plastische reacties varieert tussen inteeltlijnen (Fig. 3). Maar de veranderingen in de plastische reacties kwamen slechts zwak overeen met wat zou worden verwacht door de verwantschap van de lijnen met elkaar. Dit suggereert dat de inteeltlijnen verschilden in hun methyleringspatronen op manieren die op zijn minst gedeeltelijk losgekoppeld zijn van hun DNA-sequentieovereenkomst. Zo ook Tatra et al. (2000) onderzochten de reactie van DNA-methylatie op door straling gemedieerde plasticiteit van stengelverlenging in twee ecotypes van Stellaria longipes, met behulp van een multifactorieel ontwerp van licht en 5-azacytidine. Ze ontdekten dat de plastische reacties op licht verschillend werden veranderd door demethylering tussen de twee verschillende ecotypes. In een andere studie gebruikten Herman en Sultan (2016) demethylering in Polygonum persicaria om aan te tonen dat de overerving van adaptieve respons bij nakomelingen van aan droogte blootgestelde planten werd gemedieerd door DNA-methylatie. Het effect van demethylering op de overerving van de adaptieve respons varieerde tussen inteeltlijnen. Deze studies tonen empirisch aan dat epigenetische modificaties enkele van de verschillen in plastische reacties tussen genotypen kunnen verklaren. Voor zover epigenetische verschillen worden overgeërfd, kunnen epigenetische mechanismen enkele van de overgeërfde verschillen in plasticiteit tussen verschillende genotypen verklaren.

Genotypische variatie in de effecten van experimentele demethylering op fenotypische plasticiteit van planten. De reactienormen illustreren hoe behandeling met 5-azacytidine de fenologische respons op nutriëntentoevoegingen verandert in 22 genotypen van Arabidopsis thaliana. Twee genotypen met contrasterende reacties zijn vetgedrukt. Overgenomen van Bossdorf et al. (2010) met toestemming

De genotype-per-omgeving interactie kan worden gezien als genetische variantie voor plasticiteit, en kan worden opgesplitst in additieve en dominante variantiecomponenten. Dit maakt het mogelijk om de erfelijkheid (in de enge zin) van plasticiteit te berekenen, die kan evolueren (Scheiner en Lyman 1989). Er zijn veel voorbeelden van de evolutie van plastic reacties op het milieu (Dudley en Schmitt 1995 Gotthard en Nylin 1995 Pigliucci 2001 ). Als zodanig zijn epigenetische invloeden op VGxE evolutie kan beïnvloeden, omdat VGxE bevat erfelijke genetische variatie voor plasticiteit en een deel van deze erfelijke variatie kan te wijten zijn aan epigenetische mechanismen.

Een andere manier waarop VGxE evolutie kan beïnvloeden is door genetische assimilatie. Genetische assimilatie is het proces waarbij een fenotype dat oorspronkelijk is geproduceerd als reactie op een omgevingsstimulus, later genetisch wordt gecodeerd via selectie, en de plastische respons verloren gaat als gevolg van een gerichte verschuiving in de omgeving (Waddington 1956 Pigliucci en Murren 2003 Crispo 2007). Fenotypische plasticiteit kan dus dienen als een brug voor populaties om zich aan te passen aan veranderende omgevingen, en evolutie via genetische assimilatie kan later de geïnduceerde plastische reacties in de ontwikkeling hard maken. In een scenario van genetische assimilatie werkt selectie eerst op genetische variatie voor plasticiteit (VGxE), waarbij de voorkeur wordt gegeven aan individuen die hun fenotype kunnen veranderen op manieren die beter passen bij de nieuwe omgeving als de voorouderlijke omgeving later verloren gaat, zal selectie vervolgens de constitutieve inductie van het nieuwe fenotype begunstigen, vanwege de kosten die gepaard gaan met het in stand houden van de metabole/ontwikkelingsmachinerie voor een plastic reactie op het milieu (Pigliucci en Murren 2003). In de mate dat epigenetische variatie tussen individuen verantwoordelijk is voor enkele van de VGxE als reactie op een nieuwe omgeving bieden epigenetische mechanismen een deel van de genetische variantie in plasticiteit waarop selectie in de nieuwe omgeving kan inwerken. Deze plasticiteit kan later genetisch gecodeerd en constitutief worden via evolutie door genetische assimilatie.

Epigenetica, COVGEen evolutie

Wanneer het optreden van specifieke omgevingscondities afhankelijk is van het genotype van een organisme, of vice versa, is er sprake van een genotype-omgevingscovariantie (COVGE Falconer en Mackay 1996). De covariantie genotype-omgeving combineert de genetische variantie met de omgevingsvariantie (Falconer en Mackay 1996). Een gestandaardiseerde versie van deze covariantie wordt in de literatuur vaak gepresenteerd als een genotype-omgevingscorrelatie (RGE Jaffee en Prijs 2007). Omdat epigenetische mechanismen een rol kunnen spelen bij genetische variantie, kunnen epigenetische mechanismen ook een rol spelen bij COVGE, die gedeeltelijk gebaseerd is op genetische variantie. Zoals met elk van de andere componenten van de fenotypische variantieformule, is de epigenetische bijdrage aan COVGE moet worden verklaard, hetzij door cross-factoriële experimenten waarbij elk genotype elke omgeving gelijk ervaart, hetzij door expliciete schatting van COVGE als onderdeel van de verdeling van fenotypische variantie. Als COVGE niet wordt verantwoord, dan kan de fenotypische variantie die het introduceert de schattingen van VG of VGxE (Falconer en Mackay 1996 Jaffee en Price 2007). Een covariantie tussen genotype en omgeving is met name waarschijnlijk wanneer epigenetische mechanismen van fenotypische variantie worden overwogen, omdat epigenetische veranderingen door de omgeving kunnen worden geïnduceerd en vervolgens kunnen worden geërfd (Morgan et al. 1999 Waterland en Jirtle 2003 Verhoeven et al. 2010 Richards et al. 2012 Frésard et al. 2013 en beoordeeld in Richards et al. 2017). Aangezien organismen de neiging hebben om hun omgeving van hun ouders te erven (Oyama et al. 2001), betekent de omgevingsinductie van epigenotypes, gecombineerd met de overerving van ouderlijke omgevingen, dat de prevalentie van verschillende epigenotypes in het bijzonder niet willekeurig moet zijn met betrekking tot de omgevingen in waarin de epigenotypes worden gevonden. Zonder de COVGE term in de fenotypische variantieformule, is de wiskundige aanname dat de (epi)genetische variantie en omgevingsvariantie niet gerelateerd zijn, dus de toevoeging van deze term is belangrijk voor het goed verdelen van fenotypische variantie wanneer de veronderstelling van (epi)gentype-omgevingsonafhankelijkheid wordt geschonden .

Onjuiste schatting van VG en VGxE kan leiden tot een onjuiste schatting van de erfelijkheidsgraad van een eigenschap of eigenschapplasticiteit, en de respons van een eigenschap op selectie (d.w.z. evolutie) kan verkeerd worden berekend. De genotype-omgeving-covariantie wordt vaak genegeerd in kwantitatieve genetische studies, omdat wordt aangenomen dat deze van verwaarloosbaar belang zijn (Falconer en Mackay 1996). Echter, COVGE zou een groot deel van de totale fenotypische variantie kunnen zijn wanneer epigenetische effecten een rol spelen, vanwege de inductie van epigenetische veranderingen door de omgeving en de daaropvolgende overerving van die epigenetische veranderingen (Bonduriansky en Day 2009 Slatkin 2009 Geoghegan en Spencer 2012, 2013 Richards et al. 2017). We stellen voor dat het verklaren van de epigenotype-omgevingscovariantie kan worden bereikt door eerst individuen te clusteren op basis van hun overeenkomsten in moleculaire epigenetische markers (met behulp van een Bayesiaans clusteringalgoritme, bijvoorbeeld Pritchard et al. 2000), en vervolgens de epigenotype-omgevingscovariantie te berekenen door te combineren de informatie over de omgevingen die de individuen hebben ervaren, de fenotypes van de individuen en de epigenetische clusters waaraan de individuen waren toegewezen. De ontwikkeling van deze of soortgelijke benaderingen valt buiten het bestek van dit artikel, maar er zijn methoden nodig voor het ontleden van de epigenotype-omgevingscovariantie om de fenotypische variantie in de verschillende bestanddelen ervan op de juiste manier te ontleden. Het moet mogelijk zijn om de epigenetische bijdrage aan COV . te berekenenGE, maar de methoden daarvoor zijn nog niet uitgewerkt.

Epigenetica, V ɛen evolutie

De rest- of foutvariantie, Vɛ, zoals gedefinieerd door Scheiner en Goodnight (1984), omvat alleen meetfouten, micro-omgevingsvariantie en ontwikkelingsstochasticiteit. Micro-omgevingsvariantie verwijst naar omgevingsvariantie waarmee niet expliciet rekening werd gehouden in het onderzoeksontwerp. Als er een groot aantal milieueffecten is die niet expliciet worden verklaard door VE sensu stricto in de onderzoeksopzet, dan kan de micro-omgevingsvariantie zelfs groter zijn dan VE sensu stricto (Mulder et al. 2013). Toch is de micro-omgevingsvariantie een onzichtbaar bestanddeel van Vɛ in de fenotypische variantiepartitionering, omdat deze per definitie niet werd gemeten.Aangezien epigenetische veranderingen de omgevingsvariantie van het fenotype kunnen beïnvloeden, zoals hierboven beschreven, kunnen epigenetische veranderingen ook de micro-omgevingsvariantie van het fenotype beïnvloeden, omdat micro-omgevingsvariantie slechts fenotypische variantie is die kan worden toegeschreven aan omgevingsassen die niet werden gemeten. Dit betekent ook dat epigenetische effecten op micro-omgevingsvariantie de evolutie kunnen beïnvloeden, terwijl epigenetische effecten op omgevingsvariantie de evolutie kunnen beïnvloeden, zoals hierboven beschreven.


Semestervolgorde

Plan van studierooster
Eerste jaar
herfst semesterUren
LSC 101 Kritisch en creatief denken in de levenswetenschappen 2
BIO 181 Inleidende biologie: ecologie, evolutie en biodiversiteit 4
CH 101 Chemie - Een Moleculaire Wetenschap 1 3
CH 102 Algemeen Chemisch Laboratorium 1 1
MA 131 Calculus voor levens- en managementwetenschappen A 1 3
LSC 103 Mogelijkheden in de levenswetenschappen verkennen 1
GEP Gezondheids- en bewegingsstudies 1
Uren15
Lente semester
BIO 183 Inleidende biologie: cellulaire en moleculaire biologie 4
CH 221 Organische chemie I 1 3
CH 222 Organische chemie I Lab 1 1
NL 101 Academisch schrijven en onderzoek 1 4
MA 231 Calculus voor levens- en managementwetenschappen B 1 3
Uren15
Tweede jaar
herfst semester
Fysiologische vereiste: 3
CH 223 Organische chemie II 1 3
CH 224 Organische chemie II Lab 1 1
Gratis keuzevak of ecologie 3
GEP Sociale Wetenschappen 3
GEP Geesteswetenschappen 3
Uren16
Lente semester
GN 311 Principes van genetica 4
GN 312 Elementair Genetica Laboratorium 1 1
CH 201 Chemie - een kwantitatieve wetenschap 3
CH 202 Kwantitatief Chemisch Laboratorium 1 1
Gratis keuzevak of ecologie 4
GEP Sociale Wetenschappen 3
Uren16
Derde jaar
herfst semester
AEC 460 Veldecologie en methoden 4
Geavanceerde schrijfvereiste 3
PY 211 Hogeschool Natuurkunde I 1 4
ST 311 Inleiding tot statistiek 1 3
GEP Gezondheids- en bewegingsstudies 1
Uren15
Lente semester
Leerervaring keuzevak 3
PY 212 Hogeschool Natuurkunde II 1 4
BIO 330 Evolutionaire biologie 3
EEG keuzevak 3
Organismale biologie keuzevak 3
Uren16
Vierde jaar
herfst semester
NR 406 Behoud van biologische diversiteit 3
EEG keuzevak 3
EEG keuzevak 3
GEP Geesteswetenschappen 3
gratis keuzevak 3
Uren15
Lente semester
EEG keuzevak 3
EEG keuzevak 3
EEG keuzevak 3
GEP Extra Breedte (Geesteswetenschappen/Sociale wetenschappen/Beeldende en uitvoerende kunsten) 3
Uren12
Uren in totaal120

Een graad van C- of hoger is vereist.


Toxine-aangepaste vissen geven epigenetische mutaties door aan zoetwaternakomelingen

PULLMAN, Wash. Je kunt een vis uit giftig water halen, maar zijn epigenetische mutaties blijven minstens twee generaties bestaan.

Een onderzoeksteam onder leiding van wetenschappers van de Washington State University analyseerde de epigenetica - moleculaire factoren en processen die bepalen of genen aan of uit staan ​​- van een groep Poecilia mexicana-vissen, of Atlantische molly's, die leven in bronnen die van nature rijk zijn aan waterstofsulfide , die normaal giftig is voor de meeste organismen.

De onderzoekers haalden een monster vis uit het giftige water en kweekten ze in zoet water. Ze ontdekten dat de kleinkinderen van de sulfidisch aangepaste vis meer epigenetische kenmerken gemeen hadden met hun in het wild levende, giftige waterlevende grootouders dan andere Atlantische molly's die altijd in zoet water hadden geleefd.

"Na twee generaties in laboratoriumomstandigheden behielden de vissen over het algemeen dezelfde epigenetische kenmerken, wat echt onverwacht was", zegt Joanna Kelley, universitair hoofddocent evolutionaire genomica aan de WSU en een corresponderende auteur van de studie gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences. "In een evolutionaire context toont de studie aan dat deze epigenetische kenmerken redelijk stabiel zijn."

Waterstofsulfide wordt in de natuur aangetroffen en als bijproduct dat wordt gegenereerd door veel menselijke activiteiten, zoals papierfabricage, rioolwaterzuivering en gasexploratie. Voor de meeste dieren, inclusief de mens, is het gewoonlijk giftig bij relatief lage concentraties en dodelijk bij hoge concentraties. Toch hebben sommige populaties van Atlantische molly's zich aangepast aan het leven in bronnen met een hoog gehalte aan waterstofsulfide, terwijl andere groepen van dezelfde soort in zoet water zijn gebleven. Voor Kelley en haar collega's presenteerden deze vissen een natuurlijk experiment om vragen te beantwoorden over hoe evolutionaire aanpassingen plaatsvinden.

Voor deze studie werkte Kelley samen met WSU-milieu-epigenetica en reproductiebioloog Michael Skinner om de epigenetische analyse uit te voeren. De onderzoekers hebben een monster van sulfidische en niet-sulfidische vissen grootgebracht in zoetwateromgevingen. Toen de vissen twee generaties nakomelingen voortbrachten, maten ze hun epigenetische overeenkomsten, met name regio's van DNA-methylatie, een soort chemische modificatie die genexpressie kan reguleren, een gen aan of uit kan zetten, zonder de DNA-sequentiereeks zelf te veranderen.

Ze ontdekten dat de kleinkinderen van de sulfidische vis 80% overlap hadden in DNA-methylatiegebieden met de grootoudervis, ook al waren ze grootgebracht in zoet water. Dit in vergelijking met slechts 20% overlap met de niet-sulfidische vissen die altijd in zoet water hebben geleefd.

"Het is echt een van de eerste voorbeelden waarin we een organisme uit zijn normale omgeving hebben gehaald en in een andere omgeving hebben geplaatst en hebben aangetoond dat de epigenetica in de toekomst blijft worden geërfd", zegt Skinner, ook een corresponderende auteur op het papier.

De studie voegt ook bewijs toe uit eerder dieronderzoek dat aantoont dat blootstelling aan toxines epigenetische effecten heeft die generaties lang kunnen aanhouden. Skinner's lab heeft studies uitgevoerd naar andere wilde soorten, waaronder Darwin Finch in de Galapagos en de Nieuw-Zeelandse modderslak, evenals laboratoriumdieren, waaruit blijkt dat epigenetische veranderingen als gevolg van milieutoxische stoffen worden doorgegeven.

"Dit is geen eenmalige, unieke soortgebeurtenis. Dit heeft een impact op alles, inclusief de mens", zei Skinner. "Hoewel dit een diermodel is, is het een demonstratie van hoe een milieutoxisch middel de epigenetica daadwerkelijk kan veranderen, en het wordt geprogrammeerd voor volgende generaties."

Vrijwaring: AAAS en EurekAlert! zijn niet verantwoordelijk voor de juistheid van persberichten die op EurekAlert! door bijdragende instellingen of voor het gebruik van informatie via het EurekAlert-systeem.


Niet-genetische overerving en de evolutie van kostbare vrouwelijke voorkeur

Bij soorten waar mannetjes noch directe voordelen noch vaderlijke zorg bieden, wordt doorgaans aangenomen dat vrouwelijke voorkeuren worden gehandhaafd door indirecte selectie die genetische voordelen weerspiegelt voor nakomelingen van voorkeursmannetjes. Het blijft echter onduidelijk of populaties voldoende genetische variatie in fitness herbergen om dure vrouwelijke voorkeuren te ondersteunen - een probleem dat de 'lek-paradox' wordt genoemd. Hier vragen we of indirecte selectie op vrouwelijke voorkeuren kan worden gehandhaafd door niet-genetische overerving. We construeren een algemeen model dat kan worden gebruikt om genetische of niet-genetische overerving weer te geven, afhankelijk van de keuze van parameterwaarden. Interessant is dat we ontdekken dat dure voorkeuren het meest waarschijnlijk evolueren en aanhouden wanneer fitness afhangt van een omgevingsfactor die slechts over een enkele generatie kan worden overgedragen, zoals een omgevingsafhankelijk vaderlijk effect. Dure voorkeur kan ook worden ondersteund wanneer fitness afhankelijk is van een sterk veranderlijke factor die over meerdere generaties kan voortduren, zoals een epigenetisch kenmerk, maar de noodzakelijke voorwaarden zijn meer beperkend. Onze bevindingen tonen aan dat niet-genetische overerving een plausibele hypothese biedt voor het behoud van kostbare vrouwelijke voorkeuren bij soorten waar mannetjes geen directe voordelen bieden aan vrouwtjes. Niet-genetische vaderlijke overerving van fitness kan voorkomen bij soorten die conventionele vormen van vaderlijke zorg missen. Het is inderdaad waarschijnlijker dat de overdracht van vaderlijke aandoening via door sperma overgedragen niet-genetische factoren zich ontwikkelt dan conventionele vormen van vaderlijke investering, omdat effecten van sperma worden beschermd tegen cuckoldry. Onze resultaten leveren een nieuw voorbeeld van een interactie tussen genetische en niet-genetische overerving die kan leiden tot anders onverwachte evolutionaire resultaten.


Bekijk de video: DNA-Methylierung + Histonmodifikation Epigenetische Regulation von Genen - Biologie, Oberstufe (Januari- 2022).

1