Informatie

Kunnen twee verschillende paren mensen hetzelfde kind voortbrengen?


Wat ik bedoel is dit. Neem man A, vrouw A, man B, vrouw B. Is het mogelijk dat het paar man A x vrouw A een kind genereert dat genetisch identiek is aan een kind uit de mogelijke kinderen uit het paar man B x vrouw B? Ervan uitgaande dat geen van de vier op enigerlei wijze verwant is. In eenvoudige bewoordingen, neem mij bijvoorbeeld: kan mijn genetische code worden gegenereerd door een andere moeder en een andere vader dan mijn moeder en vader? Zou het antwoord veranderen als een van de ouders hetzelfde is (zeg, man A x vrouw A versus man A x vrouw B)?


Forensische DNA-analyse is in wezen gebaseerd op het feit dat een dergelijk toeval niet kan gebeuren.

Om precies te zijn, de vergelijking tussen het DNA wordt gedaan op meerdere genetische locaties en de kansen worden geëvalueerd dat zo'n toeval toevallig is. Het standaardgebruik omvat 13 locaties, wat voldoende is om de identiteit te bevestigen buiten redelijke twijfel:

Na verzameling wordt het DNA van de cellen geëxtraheerd en 13 genomische locaties die van persoon tot persoon verschillen, worden beoordeeld om verdachten te bevestigen of onschuldigen vrij te pleiten.

Dit wil zeggen dat er altijd een kans is die niet nul is dat het DNA van twee verschillende personen (zelfs afkomstig van hetzelfde paar ouders) identiek is op alle 13 loci, maar het is onredelijk om aan te nemen dat een dergelijke gebeurtenis plaatsvindt, gezien de omvang van de menselijke populatie.


Ja, u kunt twee sleutels de . laten genereren hetzelfde adres.

Er zijn 2^160 mogelijke adressen en 2^256 mogelijke privésleutels, dus elk adres komt ongeveer overeen met 2^(256-160)=2^96 privésleutels. Elk van deze zal hetzelfde adres genereren en dus het geld van dat adres kunnen uitgeven. Omdat 2^160 echter zo groot is, zou het bijna een eeuwigheid duren om eventuele botsingen te vinden.

Of twee privésleutels de . kunnen genereren dezelfde publieke sleutel is een andere vraag. Ik denk dat het antwoord ja is, maar dat weet ik niet zeker. De openbare sleutel in ongecomprimeerde vorm bestaat uit twee 256-bits getallen, die X- en Y-coördinaten zijn op een elliptische curve. De gecomprimeerde vorm is echter slechts de X-coördinaat plus een bit, waaruit u de hele openbare sleutel kunt berekenen. Dit betekent dat de ruimte (maximaal) 2 ^ 257 is. Tenzij er een één-op-één-toewijzing is vanwege de wiskundige eigenschappen van de gebruikte cryptografie, komt elke gecomprimeerde openbare sleutel overeen met ongeveer 0,5 privésleutels (met dezelfde verdeling die u zou krijgen als u een willekeurig getal van 1 tot 2 ^ 257 kiest , 2^256 keer), dus sommige privésleutels zullen botsen, terwijl andere dat niet doen.

Eigenlijk vinden elk paar verschillende privésleutels die dezelfde openbare sleutel of hetzelfde adres genereren, zou behoorlijk moeilijk zijn. Ofwel zou het een enorme hoeveelheid rekenwerk en/of geluk vergen, ofwel zou het te wijten zijn aan het vinden van een ernstige kwetsbaarheid in de gebruikte algoritme(n).


Wetenschappers kunnen nu meerdere genoomfragmenten tegelijk bewerken

Wetenschappers kunnen nu meerdere sites in het genoom tegelijkertijd bewerken om te leren hoe verschillende DNA-trajecten samenwerken bij gezondheid en ziekte.

Op CRISPR gebaseerde DNA-bewerking heeft een revolutie teweeggebracht in de studie van het menselijk genoom door nauwkeurige verwijdering van elk menselijk gen mogelijk te maken om inzicht te krijgen in de functie ervan. Maar één functie bleef een uitdaging: het vermogen om tegelijkertijd meerdere genen of genfragmenten in dezelfde cel te verwijderen. Toch is dit type genoomchirurgie essentieel voor wetenschappers om te begrijpen hoe verschillende delen van het genoom samenwerken in de context van zowel normale fysiologie als ziekte.

Nu bestaat zo'n tool dankzij de teams van Benjamin Blencowe en Jason Moffat, beide professoren moleculaire genetica aan het Donnelly Center for Cellular and Biomolecular Research. De methode, genaamd 'CHyMErA', voor Cas Hybrid voor Multiplexed Editing and Screening Applications, kan worden toegepast op elk type zoogdiercel om het DNA systematisch op meerdere posities tegelijk te richten, zoals beschreven in een studie gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Biotechnologie.

CRISPR wordt vaak beschreven als een genoomschaar en werkt door een DNA-knippend enzym naar de gewenste plaatsen in het genoom te sturen via geleide-RNA-moleculen, die zijn ontworpen om aan de doelplaats te hechten. Het meest gebruikte DNA-knippende enzym is Cas9.

Sinds Cas9 voor het eerst aan het licht kwam, zijn er andere Cas-enzymen met verschillende eigenschappen geïdentificeerd door wetenschappers die de toepassingen van de technologie willen verbeteren en uitbreiden. In tegenstelling tot de CRISPR-Cas9-technologie, combineert CHyMErA twee verschillende DNA-knippende enzymen, Cas9 en Cas12a, om meer veelzijdige toepassingen mogelijk te maken. Cas12a is een enzym dat kan worden gebruikt om meerdere gids-RNA-moleculen in dezelfde cel te genereren, wat essentieel is voor gelijktijdige DNA-bewerking.

Thomas Gonatopoulos-Pournatzis, een onderzoeksmedewerker in de groep van Blencowe, had een aantal jaren geprobeerd om combinatorische genbewerking te ontwikkelen door zelf de Cas9- en Cas12a-enzymen te testen. Hij had toen het idee om deze enzymen te combineren om het CHyMErA-systeem te genereren.

"We hadden een aantal benaderingen geprobeerd om genetische fragmentdeleties te induceren en niets werkte zo goed als CHyMErA", zegt hij. "Ik was opgetogen toen we samen met Shaghayegh Farhangmehr, een PhD-student in het Blencowe-lab, het eerste bewijs zagen dat CHyMErA succesvol was in het verwijderen van gensegmenten. We kregen deze resultaten op tweede kerstdag en het was het beste kerstcadeau dat ik me had kunnen wensen voor."

De volgende stap was om CHyMErA in grootschalige schermen te gebruiken om systematisch te analyseren hoe genen samenwerken, evenals de functies van afzonderlijke delen van genen. Het team van Blencowe, dat de regulatie en functie bestudeert van gensegmenten die bekend staan ​​als exons, benaderde Moffat, wiens groep uitgebreide ervaring had opgedaan met CRISPR-technologie.

"Met CHyMErA kun je het beste van de twee enzymen gebruiken", zegt Michael Aregger, een onderzoeksmedewerker in het Moffat-lab, die een sleutelrol speelde bij de ontwikkeling van de schermgebaseerde toepassingen van CHyMErA. "Cas9 is door de gemeenschap verbeterd om een ​​zeer hoge bewerkingsefficiëntie te hebben, terwijl Cas12a multiplexing van gids-RNA's mogelijk maakt en daarom veel meer flexibiliteit biedt bij het vinden van sites in het genoom die we kunnen knippen."

In één toepassing van CHyMErA richtten de onderzoekers zich op genenparen die bekend staan ​​als paralogen, die een vergelijkbare DNA-code hebben maar slecht bestudeerd blijven omdat ze moeilijk te onderzoeken waren. Omdat paralogen ontstonden door duplicatie van een voorouderlijk gen, werd aangenomen dat ze grotendeels vergelijkbare rollen zouden hebben. Maar hun functie kon niet worden onthuld door de bestaande methoden voor targeting op één gen die doorgaans worden gebruikt in genetische screenings, vooral omdat de andere paraloog de ontbrekende zou compenseren.

"Met CHyMErA kunnen we beide paralogen in paren uitschakelen om te zien of die voorouderlijke functie belangrijk is voor de cel om te overleven", zegt Kevin Brown, senior onderzoeksmedewerker in het Moffat-lab en co-hoofdauteur van het onderzoek samen met Aregger en Gonatopoulos-Pournatzis. "We zijn nu in staat om een ​​klasse genen te ondervragen die voorheen werd gemist."

700 paraloge paren, bijna alle die in het menselijk genoom bestaan, bevestigde de analyse dat veel van deze genenparen inderdaad vergelijkbare rollen vervullen in celoverleving, terwijl andere verschillende functies hebben.

Een ander kenmerk van CHyMErA is dat zowel Cas9 als Cas12a kunnen worden ingezet op nabijgelegen genoomsites om genfragmenten zoals exons uit te snijden. Hierdoor kon het team individueel duizenden exons verwijderen die zijn gekoppeld aan kanker en hersenfunctie, maar die niet geschikt waren om alleen met Cas9 te worden gericht. Exons worden variabel opgenomen in de transcripten van genen en kunnen de functie van de gecodeerde eiwitten wijzigen, hoewel hoe individuele exons bijdragen aan cellulaire processen grotendeels onbekend blijft. Van de 2.000 exons die door CHyMErA werden geanalyseerd, bleken er meer dan 100 van cruciaal belang te zijn voor de overleving van cellen, waardoor toekomstig onderzoek zich nu kan richten op het schijnen van licht op hun mogelijke rol bij ziekte.

"Zodra we exons hebben geïdentificeerd die een cruciale rol spelen bij ziekte, kunnen we deze informatie gebruiken om nieuwe therapieën te ontwikkelen", zegt Gonatopoulos-Pournatzis.

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.


Voor een reeks van zelfs miljarden activa, de kans op willekeurige botsingen is verwaarloosbaar klein -- niets waar u zich zorgen over hoeft te maken. Gezien de verjaardagsparadox, gegeven een set van 2^64 (of 18.446.744.073.709.551.616) activa, is de kans op een MD5-botsing binnen deze set is 50%. Op deze schaal zou je waarschijnlijk Google verslaan in termen van opslagcapaciteit.

Omdat de MD5-hashfunctie echter is verbroken (deze is kwetsbaar voor een botsingsaanval), kan elke vastberaden aanvaller kan 2 botsende activa produceren in een kwestie van seconden aan CPU-kracht. Dus als je MD5 wilt gebruiken, zorg er dan voor dat zo'n aanvaller de beveiliging van je applicatie niet in gevaar brengt!

Overweeg ook de gevolgen als een aanvaller kan een botsing met een bestaand activum smeden in uw databank. Hoewel dergelijke aanvallen (preimage-aanvallen) tegen MD5 (vanaf 2011) niet bekend zijn, zou dit mogelijk kunnen worden door het huidige onderzoek naar collision-aanvallen uit te breiden.

Als deze een probleem blijken te zijn, raad ik aan te kijken naar de SHA-2-reeks hashfuncties (SHA-256, SHA-384 en SHA-512). Het nadeel is dat het iets langzamer is en een langere hash-output heeft.

MD5 is een hash-functie - dus ja, twee verschillende strings kunnen absoluut botsende MD5-codes genereren.

Houd er in het bijzonder rekening mee dat MD5-codes een vaste lengte hebben, zodat het mogelijke aantal MD5-codes beperkt is. Het aantal strings (van elke lengte) is echter absoluut onbeperkt, dus het is logisch dat er moeten botsingen zijn.

Ja, het is mogelijk. Dit is in feite een verjaardagsprobleem. De kans dat twee willekeurig gekozen strings dezelfde MD5-hash hebben, is echter erg klein.

Zie deze en deze vragen voor voorbeelden.

Ja, natuurlijk: MD5-hashes hebben een eindige lengte, maar er is een oneindig aantal mogelijke tekenreeksen die MD5-gehasht kunnen worden.

Ja, het is mogelijk dat twee verschillende strings dezelfde MD5-hashcode kunnen genereren.

Hier is een eenvoudige test met een zeer vergelijkbaar binair bericht in hex-tekenreeks:

Ze genereren verschillende SHA-1-som, maar dezelfde MD5-hashwaarde. Ten tweede lijken de snaren erg op elkaar, dus het is moeilijk om het verschil ertussen te vinden.

Het verschil kan worden gevonden door het volgende commando:

Bovenstaand botsingsvoorbeeld is overgenomen van Marc Stevens: Single-block botsing voor MD5, 2012 legt hij zijn methode uit, met broncode (alternatieve link naar de krant).

Verschillende SHA-1-som, dezelfde MD5-hash.

Het verschil zit in één byte:

Bovenstaand voorbeeld is een bewerking van Tao Xie en Dengguo Feng: Construeer MD5-botsingen met slechts een enkel berichtblok, 2010.

Ja, het is mogelijk. Dit wordt een Hash-botsing genoemd.

Dat gezegd hebbende, zijn algoritmen zoals MD5 ontworpen om de kans op een botsing te minimaliseren.

In het Wikipedia-artikel over MD5 worden enkele kwetsbaarheden in MD5 uitgelegd, waarvan u op de hoogte moet zijn.

Gewoon om wat informatiever te zijn. Vanuit wiskundig oogpunt zijn hash-functies dat niet injectief.
Het betekent dat er geen 1 op 1 (maar eenrichtings) relatie is tussen de startset en de resulterende set.

EDIT: om compleet te zijn, bestaan ​​er injectieve hash-functies: het wordt Perfect hashing genoemd.

Jazeker! Botsing zullen een mogelijkheid zijn (hoewel het risico erg klein is). Zo niet, dan zou je een behoorlijk effectieve compressiemethode hebben!

BEWERKING: Zoals Konrad Rudolph zegt: een potentieel onbeperkte set invoer geconverteerd naar een eindige set uitvoer (32 hexadecimale tekens) zullen resulteert in een eindeloos aantal botsingen.

Zoals andere mensen al hebben gezegd, ja, er kunnen botsingen zijn tussen twee verschillende ingangen. In jouw geval zie ik dat echter niet als een probleem. Ik betwijfel ten zeerste of u botsingen zult tegenkomen - ik heb MD5 gebruikt voor het vingerafdrukken van honderdduizenden afbeeldingsbestanden van een aantal afbeeldingsindelingen (JPG, bitmap, PNG, onbewerkt) bij een vorige taak en ik had geen botsing .

Als u echter een soort van gegevens probeert te vingerafdrukken, kunt u misschien twee hash-algoritmen gebruiken - de kans dat één invoer resulteert in dezelfde uitvoer van twee verschillende algoritmen is bijna onmogelijk.

Ik denk dat we voorzichtig moeten zijn bij het kiezen van het hash-algoritme volgens onze vereisten, aangezien hash-botsingen niet zo zeldzaam zijn als ik had verwacht. Ik heb onlangs een heel eenvoudig geval van hashbotsing in mijn project gevonden. Ik gebruik Python-wrapper van xxhash voor hashing. Link: https://github.com/ewencp/pyhashxx

Het veroorzaakte een zeer lastig caching-probleem in het systeem, en toen ontdekte ik dat het een hash-botsing was.

Ik realiseer me dat dit oud is, maar dacht dat ik mijn oplossing zou bijdragen. Er zijn 2^128 mogelijke hash-combinaties. En dus een 2^64 kans op een verjaardagsparadox. Hoewel de onderstaande oplossing de mogelijkheid van botsingen niet uitsluit, zal het het risico zeker aanzienlijk verminderen.

Wat ik heb gedaan, is dat ik een paar hashes bij elkaar heb gezet op basis van de invoerreeks om een ​​veel langere resulterende reeks te krijgen die u als uw hash beschouwt.

Dus mijn pseudo-code hiervoor is:

Dat is de praktische onwaarschijnlijkheid van een aanrijding. Maar als je super paranoïde wilt zijn en het niet kunt laten gebeuren, en opslagruimte is geen probleem (en computercycli ook niet).

Oké, niet de schoonste oplossing, maar hierdoor speel je nu veel meer met hoe zelden je een aanrijding zult tegenkomen. Tot op het punt dat ik zou kunnen veronderstellen dat het onmogelijk is in alle realistische betekenissen van het woord.

Voor mijn bestwil, denk ik dat de mogelijkheid van een botsing zeldzaam genoeg is dat ik dit niet "trefzeker" beschouw, maar zo onwaarschijnlijk dat het zal gebeuren dat het aan de behoefte voldoet.

Nu gaan de mogelijke combinaties aanzienlijk omhoog. Hoewel je lang zou kunnen besteden aan het aantal combinaties dat dit je zou kunnen opleveren, zal ik zeggen dat het je in theorie BELANGRIJK meer oplevert dan het hierboven vermelde aantal

Waarschijnlijk met nog een honderdtal cijfers of zo. Het theoretische maximum dat dit je zou kunnen geven, zou zijn:


Discussie

Power cascade groei wordt niet verklaard door bestaande modellen van tandgroei

Er zijn momenteel twee algemene modellen die elk streven naar het beschrijven of verklaren van verschillende aspecten van tandontwikkeling. Emailknopen produceren remmende signalen die voorkomen dat nieuwe emailknopen dicht bij een bestaande knoop ontstaan ​​[17]. Het 'patterning cascade'-model beschrijft hoe deze remming, samen met het vouwen van de epitheliale-mesenchym-interface, beperkingen creëert voor de grootte en positie van opeenvolgende knobbels tijdens de ontwikkeling [33]. Het patroonvormende cascademodel, dat voor het eerst werd beschreven in de postcanine-tanden van zeehonden, is sindsdien uitgebreid tot kiezen van primaten [34, 35]. Het tweede model, de 'remmende cascade', beschrijft de relatieve grootte van opeenvolgend geproduceerde tanden, zoals kiezen, als een lineaire verandering in grootte langs een tandenrij [2, 36]. Geen van deze modellen heeft betrekking op de vorm van knobbels.

Het hier voorgestelde vermogenscascademodel is een derde algemeen model van tandontwikkeling dat complementair is aan de twee bestaande modellen en aangeeft hoe de vormen van unicuspid tanden en individuele knobbels worden gegenereerd. Na bepaling van de vorm van de knobbel door het power cascade-model, postuleren we dat de afstand tussen de knobbels wordt bepaald door inhibitie van glazuurknopen volgens de patrooncascade [33], en het aantal knobbels wordt bepaald door het aantal glazuurknopen dat in het totaal kan passen. gebied van de tand. De grootte van opeenvolgende tanden wordt vervolgens bepaald door de remmende cascade [2, 36]. Daarom kunnen knobbelvorm, knobbelnummer en tandgrootte worden gesimuleerd volgens dit drietal modellen om de belangrijkste kenmerken van een hele tandenrij te genereren.

De krachtfunctie is in eerdere onderzoeken gebruikt om een ​​beperkt aantal tanden weer te geven of te meten, inclusief de punten van vormen die zijn ontworpen voor mechanische penetratietesten [37], met behulp van een gemiddelde Helling van 0,5. Felid-hondenprofielen gemeten met krachtfuncties [38] toonden aan dat ze over het algemeen een Helling van

0,55. Beide onderzoeken zijn consistent met de huidige bevindingen bij veel hoektanden van zoogdieren, maar ze generaliseerden dit patroon niet naar alle tanden of knobbels.

Gedetailleerde ontwikkelingscomputersimulaties van tandmorfogenese hebben gebruik gemaakt van een 3D-reactie-diffusie-achtig model dat buigspanningen berekent om knobbels en tanden te vormen [39, 40]. Dit model produceert cuspposities die morfologische variatie kunnen hebben die vergelijkbaar is met biologische tanden [39, 41]. Hier hebben we getest of de cusp-vormen die door dat model worden geproduceerd, voldoen aan het power cascade-model. Het variëren van vijf parameters van het model dat de ontwikkeling van gebitselementen van ringelrobben simuleert [41] laat zien dat de meeste geproduceerde knobbelvormen niet sterk lijken op de verwachte vermogenscascade, met R 2 tussen 0,59 en 0,97 (Extra bestand 1: Afbeelding S6). Daarom beschrijft het vermogenscascademodel de cuspvorm (of het dwarsdoorsnedeprofiel) aanzienlijk beter dan de complexe in silico-modellen, hoewel dit een gevolg kan zijn van het beperkte aantal cellen in de simulaties.

Gezien de kracht van dit nieuwe model om de grenzen van de tandvorm bij dieren te definiëren, hebben we onze focus uitgebreid om het te vergelijken met bestaande groeimodellen in andere morfologische systemen. Wrens [19]-model van schelpen die groeien als een kegel die buigt om een ​​logaritmische spiraal te vormen, is sindsdien gebruikt om schelpen en tanden te modelleren [6, 7, 20]. Beginnend met een kegel, wordt een logaritmische spiraal gegenereerd wanneer de ene kant sneller groeit dan de andere, waardoor de kegel naar één kant buigt (Fig. 1b Aanvullend bestand 1: Figuur S7d). Een mechanisme om een ​​logaritmische spiraal te genereren is de ongelijke groeisnelheid van de twee zijden A en B. Logaritmische spiralen hebben een formule in poolcoördinaten S = een e b , waar θ is de rotatiehoek rond de oorsprong, S is de resulterende straal van de logaritmische spiraal, en een en B zijn parameters die respectievelijk de grootte en de uitzettingssnelheid van de spiraal beïnvloeden (aanvullend bestand 1: figuur S7a). De straal van de schaalopening breidt zich lineair uit met de rotatiehoek (Straal = c, waar C is een parameter die de groeisnelheid van de schaalopening beïnvloedt), waardoor een kegel ontstaat die spiraalsgewijs rond de centrale as draait (aanvullend bestand 1: figuur S7b). Dit model werd gebruikt om schaalvormen van vele soorten te genereren door de relatieve groeisnelheden te wijzigen [7, 42, 43].

De schelpvergelijking van Raup [7] beschrijft schelpgroei met behulp van een kegel, de vorm waarin Helling = 1 in onze Log afstand-straal plots (Fig. 6 Extra bestand 1: Figuur S2). Als dit model de schelpgroei nauwkeurig beschrijft, zouden alle schelpen op de rechterrand van de morforuimte in Fig. 6 moeten vallen. De schelpen van weekdieren (scaphopod tandheelkunde sp. en buikpotige Bembicium auratum) en koppotigen (nautilus Nautilus pompilius en ramskop inktvis Spirula spirula) elk schijnbaar logaritmische spiralen vormen, maar volg de stroomcascade met Helling tussen 0,37 en 0,88 (afb. 6). Dit laat zien dat krachtkegels kunnen buigen om logaritmische spiralen te vormen op een analoge manier als die voor het eerst werd voorgesteld door Wren [19] voor kegels (een specifieke krachtkegel figuur 1d). Het stelt ook vast dat niet alle schaalvormen kunnen worden gegenereerd door het bestaande ontwikkelingsmodel [7]. Om dergelijke vormen te kunnen accommoderen, moet het Raup [7]-model de Helling parameter toegevoegd, zodat Straal = c Helling . In de eerste beschrijving van het schaalgroeimodel gaat Raup [44] ervan uit dat ‘de expansiesnelheid van de genererende curve ongeveer constant is’, d.w.z. Helling = 1, en dus werd deze parameter niet opgenomen in zijn model. Daarentegen suggereerde Thompson [6] dat de groei in sommige schelpen misschien niet constant is, maar in feite varieert 'in overeenstemming met een eenvoudige wet', en Ackerly [45] toonde aan dat er voor sommige schelpen een allometrische component is voor de verandering in straal. Ons power-cascademodel is goed voor dit belangrijke kenmerk van groei.

Puntige structuren bij gewervelde dieren, ongewervelde dieren en planten volgen het power cascade-model. een Logboek Afstand vs log Straal voor structuren gevonden in dieren- en plantenklassen. B Bezetting van niet-tandstructuren in Helling-beeldverhouding morforuimte. Merk op dat geen van de constructies, inclusief schelpen, valt op Helling = 1 waarbij de vorm een ​​kegel is. Labels van vogelsnavel- en buikpotige schelpen geven verschillende exemplaren aan in de twee grafieken

De lange as van elke tand groeit als een logaritmische spiraal [6, 46], die in extreme vorm te zien is in de gebogen bovenste slagtanden van de babirusa Babyrousa celebensis. We vinden echter dat de Helling van deze slagtanden (0,25) is aanzienlijk kleiner dan 1, en daarom zijn ze niet conisch (Fig. 5): hun hoge Beeldverhouding kunnen ze meer conisch lijken. Dit betekent dat tanden niet kunnen worden gemodelleerd met de Raup [7]-schaalvergelijking. De straal van de cirkel moet logaritmisch veranderen met de rotatiehoek om een ​​krachtkegel te vormen, in plaats van een rechte kegel met Helling = 1.

Een algemeen groeimodel voor hoorns, klauwen, stekels, snavels en doornen

Thompson [6] verwachtte dat puntige en spiraalvormige structuren zoals hoorns en klauwen hetzelfde groeipatroon zouden volgen als schelpen, wat is gebruikt om sommige hoornachtige structuren te modelleren [47]. Als hoorns volgens het schelpmodel groeien en spiraalvormige kegels zijn, dan Helling parameter zal zijn 1. Uit metingen van benige hoornkernen van gewervelde dieren, waaronder zoogdieren, niet-vogeldinosaurussen (hier aangeduid als dinosaurussen) en reptielen, hebben we gevonden dat Log afstand-straal plots zijn lineair en de Helling ligt typisch tussen 0,4 en 0,8 (Fig. 6 Aanvullend bestand 1: Figuur S8), wat aantoont dat ze de stroomcascade volgen, maar niet groeien volgens het originele conische schaalmodel.

Andere structuren in alle gewervelde dieren vertonen ook een krachtige cascadegroei, waaronder klauw- en hoefbeenderen van zoogdieren, vogels en dinosauriërs (unguals), de benige snavels van vogels en dinosaurussen en stekels van vissen (Fig. 6). Buiten gewervelde dieren wordt het power-cascademodel ook gevolgd bij geleedpotige tanden en koppotige snavels. Naast dieren wordt het gevonden in doornen en stekels in planten (Fig. 6).

De rozenstekel (in het algemeen een doorn genoemd) vormt een interessante uitzondering. Terwijl de concave vorm van een volwassen stekel de voorspelling van de vermogenscascade niet volgt, doet een jonge stekel dat wel (aanvullend bestand 1: figuur S9). Het lijkt erop dat de prikkel aanvankelijk wordt gegenereerd na de groei van de stroomcascade met Helling = 0,6, maar als de stengel waaraan hij is vastgemaakt groeit, wordt de basis van de stekel uitgerekt langs de lengteas van de tak. Het resultaat is de typische concave vorm van een rozenstekel, waarbij alleen de bovenste helft de stroomcascade volgt, niet de uitgerekte basale helft (Aanvullend bestand 1: Figuur S9). Over het algemeen lijkt het erop dat afwijkingen van de vermogenscascade waarschijnlijker zijn in puntige structuren die worden gecontroleerd door meerdere groeiprocessen.

Het vermogenscascademodel kan worden toegevoegd aan het logaritmische spiraalmodel om een ​​‘vermogensspiraal’ te genereren die realistische vormen van puntige, gebogen structuren kan simuleren (Aanvullend bestand 1: Figuur S7c). Afbeelding 7 toont enkele vergelijkingen tussen modellen met echte tanden en krachtspiraal, waarbij zowel cirkelvormige doorsneden die zouden worden gegenereerd in omwentelingsoppervlakken als andere doorsnedevormen (elliptisch, lenticulair, afgeknotte cirkel) gebruikt in een Mathematica-notebook (v. 12.0) worden gebruikt. , Wolfram Research Inc., Champaign, IL) beschikbaar in de aanvullende informatie (zie ook aanvullend bestand 1: figuur S10).

Krachtspiraal (krachtcascade met een centrale as van een logaritmische spiraal) kan echte tanden van alle gewervelde groepen nauw nabootsen. 3D-scanmodellen (grijs) en gesimuleerde tanden (oranje) in twee weergaven voor megalodonhaai Carcharocles megalodon (NMV P28786), mosasaurus Globidens alabamensis (USNM 54078), tyrannosaurid Tyrannosaurus rex (UWBM 99000), Afrikaanse olifant Loxodonta africana (NMV C30765), babirusa varken Babyrousa celebensis (ZMB MAM033677), en sabeltandkat Smilodon fatalis (LACM HC2000R43)

De meeste structuren die nauw worden nagebootst door de stroomcascade, groeien van punt tot basis, inclusief tanden, hoorns, doornen en stekels. Deze vormen worden vermoedelijk gevormd omdat elke toevoeging van materiaal de straal met een constante verhouding vergroot voor een evenredige toename in lengte. Bijvoorbeeld, runderhoorns groeien van punt tot basis, nemen toe in straal langs de hoorn, en ze volgen over het algemeen het power-cascademodel. Het hertachtige gewei daarentegen groeit van de basis tot de punt, waarbij het groeiende gewei vertakt en de geweipunten de laatste structuren zijn die zich vormen. Ondanks dit richtingsverschil in groei - en het gewei dat begint met een bredere basis en smaller wordt naar de punt - volgen de geweipunten ook de krachtcascade (Fig. 6). Dit toont aan dat het proportionele groeipatroon zowel kan werken bij het vergroten van de straal van de constructie als deze naar beneden loopt van de punt naar de basis, als ook bij het verkleinen van de straal om omhoog te lopen van de basis naar de punt. Het blijkt dat alleen de richting van radiale groei verschilt tussen deze twee scenario's.

Aangezien veel van de hier onderzochte structuren (inclusief tanden en klauwen) worden gebruikt om voedsel of andere materialen binnen te dringen, kan worden gesteld dat selectie om het penetratievermogen of de structurele sterkte te maximaliseren de oorzaak is van de onderliggende vormovereenkomst zoals beschreven door de stroomcascade model. Veel structuren die niet voor penetratie zijn (zoals schelpen, afgeronde tanden of naar achteren gebogen hoorns) volgen echter nog steeds het stroomcascadepatroon. Aangezien structuren die voldoen aan de krachtkegel kunnen variëren van scherp en lang tot bot en kort, stellen we dat de meest zuinige verklaring voor de modelfit een onderliggend biofysisch of ontwikkelingsmechanisme is in plaats van een sterke selectie voor vormen die toevallig in een stroomcascade passen -achtig patroon. De krachtcascade genereert een basisset van toegestane variaties (Fig. 5), en selectie kiest uit deze vormen, zoals gebeurt bij de selectie van relatieve tandgrootte bij mensachtigen volgens de remmende cascade [36].

Mechanisme en algemeenheid van vermogenscascade

Het log-log lineaire patroon van de vermogenscascade kan worden vergeleken met allometrische grafieken van de relatieve afmetingen van lichaamscomponenten tijdens de groei [20], zoals hoofdgrootte versus lichaamsgrootte bij mensen. Een lineaire allometrische relatie wordt geproduceerd wanneer twee componenten exponentieel groeien met verschillende snelheden. De machtscascaderelatie laat zien dat er een allometrische relatie is binnen dezelfde structuur als gevolg van differentiële groeisnelheden van Straal en Afstand.

We kunnen dit groeiproces aantonen door de groei van de machtsfunctie te onderzoeken in Afstand en Straal na verloop van tijd (Fig. 8a): AfstandTijd rD en StraalTijd rR , waar rD en rR zijn de groeipercentages voor Afstand en Straal, respectievelijk. Groei van de machtsfunctie is heel gebruikelijk in de biologie, ook voor menselijke lengte [48] en slagtanden van olifanten (figuur 4b). Wanneer beide assen van de groei in de tijd worden gelogd, wordt de plot log(Afstand) versus logboek(Tijd) is lineair met helling rD (vergelijkbaar voor Straal en rR Afb. 8b). Door het logboek op te lossen (Afstand) vergelijking voor log(Tijd) en substitueren in de log(Straal) vergelijking, de relatie tussen log(Afstand) en log (Straal) door de tijd wordt duidelijk (Fig. 8c). Indien rD en rR gelijk zijn, dan Straal neemt lineair toe met Afstand (Fig. 8d) en produceert een conische vorm (met Log afstand-straal stroomcascade: Helling van 1). Als in plaats daarvan de groeipercentages van Afstand en Straal verschillen (bijv. rD = 2rR), dan zal de log-log groei in de tijd niet evenwijdig zijn (Fig. 8e-f), en het resultaat zal een krachtkegel zijn zoals een paraboloïde (Fig. 8h). De Log afstand-straal stroomcascade: Helling van een dergelijke structuur zal rR/rD = 0,5 (afb. 8g).

Opwekking van krachtkegels door allometrische groei van Afstand en Straal. Van machtsfunctie groei van beide Afstand en Straal (met groeipercentages) rD en rR, respectievelijk) door de tijd (een, B, e, F), wordt de vorm van de structuur bepaald door de verhouding van de groeisnelheden (C, G). Waar rD = rR, wordt een kegel gevormd (NS), terwijl waar? rD > rR, wordt een gebogen machtsconus gegenereerd (H). De algemene vergelijkingen worden aan de linkerkant getoond, terwijl voorbeeldparameters worden getoond in de grafieken en bijbehorende vergelijkingen. Zie Aanvullend bestand 1: Aanvullende vergelijkingen voor wiskundige afleiding

Daarom is de machtscascade een uitdrukking van allometrie als vorm: machtskegels vertonen ongelijke machtsgroei binnen dezelfde structuur, of 'constante differentiële groeiratio's' in de terminologie van Huxley [20]. De kegel wordt geproduceerd door isometrische groei tussen Afstand en Straal, terwijl een machtskegel het resultaat is van allometrische groei (rDrR). Dezelfde vormen kunnen ook worden gegenereerd door exponentiële (in tegenstelling tot kracht) groei van lichaamsdelen, hoewel dit niet vaak wordt aangetroffen in organismen. Constante differentiële groei van de twee zijden van een structuur moet een logaritmische spiraal genereren ([20] Fig. 1b). Op dezelfde manier, differentiële vermogensgroei van Afstand en Straal moet een stroomconus genereren (Fig. 1c). Beide mechanismen zouden tegelijkertijd kunnen werken en een krachtkegel vormen op een logaritmische spiraal of een krachtspiraal (figuur 1d).

De stroomcascade, en ook de logaritmische spiraal, kan worden gezien als 'dynamische patroonmodules' [49] die patronen en structuren genereren in metazoën en planten. Ondanks meer dan drie eeuwen onderzoek [19], zijn de specifieke moleculen die de groei van logaritmische spiralen aansturen niet bekend (hoewel recent werk is begonnen om enkele componenten in buikpotige schelpen te onthullen [50]). Evenzo moet de identiteit van signaalmoleculen en genen die de differentiële groei van de vermogenscascade beïnvloeden, zeer waarschijnlijk sterk variëren tussen dieren en planten. Hier laten we zien dat veelvoorkomende groeipatronen bij dieren en planten krachtkegels genereren. Deze vormen kunnen worden beschouwd als de standaardfamilie van vormen voor puntige structuren, wat betekent dat ze meer kans hebben om onafhankelijk meerdere keren te evolueren en een waarschijnlijke bron van homoplasie in de evolutie zullen zijn.


Kunnen twee verschillende paren mensen hetzelfde kind voortbrengen - Biologie

Mitochondriën zijn subcellulaire organellen die een metabool compartiment vormen dat van het algemene cytoplasma is gescheiden door een dubbellaags membraan. Het buitenmembraan dient om de toegang van eiwitten en metabolieten tot het mitochondriale compartiment te reguleren, en het ingewikkelde binnenste mitochondriale membraan is de plaats van verschillende multicomponent-enzymsystemen. Deze omvatten de ademhalingsketencomplexen, die de vitale ATP genereren via een reeks oxidatiereacties. Andere enzymsystemen die in de mitochondriën aanwezig zijn, zijn die van de Krebs-cyclus (tricarbonzuurcyclus), die betrokken bij een deel van de ureumcyclus en veel van de enzymen die nodig zijn voor de oxidatie van vetzuren en aminozuren.

Een voordeel van de scheiding van dit metabolische compartiment van de rest van de cel kan de bescherming zijn van andere celsystemen, waaronder nucleair DNA, tegen oxidatieve schade door hydroxylradicalen die tijdens oxidatieve fosforylering worden gegenereerd. Dit kan de veel grotere mutatiesnelheid in het mitochondriale genoom verklaren dan in de celkern, wat leidt tot puntmutaties of herschikkingen zoals grote deleties. De bescherming tegen deze die door mitochondriën aan de cel wordt verleend, kan niet alleen hun evolutionaire oorsprong als endosymbionten verklaren, maar ook hun persistentie als afzonderlijke organellen binnen eukaryoten.

In hogere organismen zijn veel van de genen die coderen voor enzymatische eiwitten opgenomen in het nucleaire genoom, maar een minimale set genen blijft bestaan ​​in het zeer kleine mitochondriale genoom van zoogdieren dat nauwelijks verder zou kunnen worden verminderd zonder het volledige verlies van het mitochondriale compartiment. Het menselijke mitochondriale genoom bestaat uit 16 569 nucleotide-basenparen die coderen voor de minimale set genen die nodig is voor mitochondriale eiwitsynthese - de bacterieel-achtige ribosomale RNA-genen en de kleine set mitochondria-specifieke tRNA-genen - en enkele van de eiwitcomponenten van de ademhalingsketen .

Disorders of mitochondrial function can result from mutations in the nuclear genome, usually inherited as autosomal recessive traits, but defects in the mitochondrial genome display a particularly interesting set of characteristics. When transmitted in a family, such disorders are always inherited maternally—it is the oocyte which contributes effectively all of the mitochondria present in the zygote. When several members of a family are affected by the same mitochondrial DNA mutation, the clinical consequences may vary substantially.

One factor contributing to this variation is the proportion of mitochondrial DNA which is present in the mutant form. Some mutations of mitochondrial DNA can only be present in a proportion of the individual's mitochondrial genomes (heteroplasmy) because they would be incompatible with survival in the absence of at least some intact copies of the mtDNA. Other mutations may affect virtually all copies of the mtDNA (homoplasmy). Heteroplasmy for a point mutation in the mtDNA may be extensive but asymptomatic—with a clinical phenotype developing only when the proportion of mutated copies of the mtDNA is sufficient to interfere with cellular biochemistry, often at a proportion of mutated copies of at least 85%. Additional complexity is present in that the proportion of abnormal copies of mtDNA may vary between tissues in the same person and also with age. The same mutation may therefore be associated in different patients, even members of the same family, with very different clinical manifestations. The mutated copies of the mitochondrial genome may even have a replicative advantage, not just because a deleted mitochondrial chromosome may replicate more rapidly than a full length copy, but also—perhaps—because metabolic stress is more likely in the vicinity of abnormal mitochondria and such stress can trigger mitochondrial replication. There is thought to be an intracellular process of Darwinian selection between mitochondria within the same cell (or syncytium), and a similar competitive process between cells within a tissue. The propoprtion of mutant DNA will often be substantially greater in terminally differentiated, post-mitotic cell types (for example, neurones, muscle fibres) than in actively dividing cells (for example, lymphocytes). The broad range of phenotypes that can be associated with the same mitochondrial mutation also complicates the recognition of any genotype–phenotype correlations, so that the recognised “symptom clusters” such as MERRF (myoclonic epilepsy and ragged red fibres), MELAS (mitochondrial encephalomyopathy with lactic acidosis), NARP (neurogenic weakness ataxia with retinitis pigmentosa), or LHON (Leber's hereditary optic neuropathy) are just that—clusters of symptoms that can be caused by a range of different mutations and which overlap with each other clinically.

The A3243G mutation in the mtDNA is renowned for the very wide range of clinical phenotypes with which it has been associated. In this issue, Koga and colleagues report careful studies of this mutation in five separate families ascertained through individuals with contrasting presentations—from Leigh's syndrome with hypertrophic cardiomyopathy presenting in early childhood to chronic progressive external ophthalmoplegia presenting in middle life.1 The investigators set out to document the clinical histories of the presenting individuals and their relatives and to determine the degree of heteroplasmy for the A3243G mutation in at least two tissues in each participating family member. Previous reports have correlated the level of heteroplasmy in muscle with clinical severity, and shown that this is a better guide than the level of the mutation in blood lymphocytes, but Koga and colleagues have also examined the DNA from hair follicles and have included many other members of the five families in the study. The results are gratifying—there is indeed a gradient of clinical severity that corresponds both to the proportion of mutant mtDNA and to the results of the other pathological investigations.

While these results are not unexpected, it is important to know that such thorough investigations are compatible with the current model of mitochondrial disease. Further work will be required if the risks of transmission of such mitochondrial disorders are to be clarified and if predictive testing for at risk family members is to give useful results. The proportion of mutant mtDNA in a mother's lymphocytes is also a poor guide to the level of heteroplasmy in her children—apparently because oocytes derive their 100 000 mitochondria from a very small group of progenitors, a bottleneck. Genetic counselling is difficult because there are few data to guide predictions about the likely severity of disease in a fetus, child, or adult to whom a mitochondrial mutation is transmitted at any given level of heteroplasmy. Furthermore, new approaches to mitochondrial genetic disease will be required if we are to intervene successfully and modify the progression of those mitochondrial disorders. What therapeutic agents could reverse the replicative advantage of the defective mitochondria or compensate for the problems with energy metabolism in skeletal and cardiac muscle, the eyes, and the central nervous system? Laboratory work is promising but needs to be translated into clinical results.


Conclusies

In the present article, we have asked the fundamental question, is evolution predictable at all, and, if so, under which circumstances? Clearly, forecasting would help us address many applied questions needing biological solutions, such as forecasting the rapid evolution of infectious disease or preventing extinction. Forecasting also has value in many applied questions needing biological solutions including tumor growth, rapid evolution of infectious diseases such as HIV and the flu, resistance to control approaches in pathogens and pests, and changing ecosystem services. To the extent evolution is deterministic and predictable, what information and modeling capacity do we need? Will we ever have sufficient data and models? Or is evolution too fundamentally stochastic for comprehensive prediction at all levels of organization? We argue that although any inherent unpredictability is more of an issue for the precision of quantitative or molecular evolutionary processes, less precise predictions are easier. We also argue our ability to forecast precisely will always be timescale dependent. We highlight in the present article that there are many cases in which evolution does converge on the same outcome repeatedly. In situations when evolution is clearly predictable, the questions are when does this happen and why and what can we learn from these situations. We argue that distinguishing between H1 and H2 is useful to address this question and more. Furthermore, research and data generated testing H2 will provide important knowledge about the evolutionary process in general and help us improve forecasting models with greater levels of precision than we currently have. Technological and computational advances in the Biological Sciences, particularly at the genomic level, offer hope that increasing precision and accuracy will be possible moving forward. Ultimately, to apply evolutionary forecasts, we will need an integrated approach encompassing spatiotemporal dynamics and tools generated across multiple fields of biology.


Searching for the chemistry of life

In the search for the chemical origins of life, researchers have found a possible alternative path for the emergence of the characteristic DNA pattern: According to the experiments, the characteristic DNA base pairs can form by dry heating, without water or other solvents. The team led by Ivan Halasz from the Rudjer Boskovic Institute and Ernest Mestrovic from the pharmaceutical company Xellia presents its observations from DESY's X-ray source PETRA III in the journal Chemical Communications.

"One of the most intriguing questions in the search for the origin of life is how the chemical selection occurred and how the first biomolecules formed," says Tomislav Stolar from the Rudjer Boskovic Institute in Zagreb, the first author on the paper. While living cells control the production of biomolecules with their sophisticated machinery, the first molecular and supramolecular building blocks of life were likely created by pure chemistry and without enzyme catalysis. For their study, the scientists investigated the formation of nucleobase pairs that act as molecular recognition units in the Deoxyribonucleic Acid (DNA).

Our genetic code is stored in the DNA as a specific sequence spelled by the nucleobases adenine (A), cytosine (C), guanine (G) and thymine (T). The code is arranged in two long, complementary strands wound in a double-helix structure. In the strands, each nucleobase pairs with a complementary partner in the other strand: adenine with thymine and cytosine with guanine.

"Only specific pairing combinations occur in the DNA, but when nucleobases are isolated they do not like to bind to each other at all. So why did nature choose these base pairs?" says Stolar. Investigations of pairing of nucleobases surged after the discovery of the DNA double helix structure by James Watson and Francis Crick in 1953. However, it was quite surprising that there has been little success in achieving specific nucleobase pairing in conditions that could be considered as prebiotically plausible.

"We have explored a different path," reports co-author Martin Etter from DESY. "We have tried to find out whether the base pairs can be generated by mechanical energy or simply by heating." To this end, the team studied methylated nucleobases. Having a methyl group (-CH3) attached to the respective nucleobases in principle allows them to form hydrogen bonds at the Watson-Crick side of the molecule. Methylated nucleobases occur naturally in many living organisms where they fulfil a variety of biological functions.

In the lab, the scientists tried to produce nucleobase pairs by grinding. Powders of two nucleobases were loaded into a milling jar along with steel balls, which served as the grinding media, while the jars were shaken in a controlled manner. The experiment produced A:T pairs which had also been observed by other scientists before. Grinding however, could not achieve formation of G:C pairs.

In a second step, the researchers heated the ground cytosine and guanine powders. "At about 200 degrees Celsius, we could indeed observe the formation of cytosine-guanine pairs," reports Stolar. In order to test whether the bases only form the known pairs under thermal conditions, the team repeated the experiments with mixtures of three and four nucleobases at the P02.1 measuring station of DESY's X-ray source PETRA III. Here, the detailed crystal structure of the mixtures could be monitored during heating and formation of new phases could be observed.

"At about 100 degrees Celsius, we were able to observe the formation of the adenine-thymine pairs, and at about 200 degrees Celsius the formation of Watson-Crick pairs of guanine and cytosine," says Etter, head of the measuring station. "Any other base pair did not form even when heated further until melting." This proves that the thermal reaction of nucleobase pairing has the same selectivity as in the DNA.

"Our results show a possible alternative route as to how the molecular recognition patterns that we observe in the DNA could have been formed," adds Stolar. "The conditions of the experiment are plausible for the young Earth that was a hot, seething cauldron with volcanoes, earthquakes, meteorite impacts and all sorts of other events. Our results open up many new paths in the search for the chemical origins of life." The team plans to investigate this route further with follow-up experiments at P02.1.

DESY is one of the world's leading particle accelerator centres and investigates the structure and function of matter -- from the interaction of tiny elementary particles and the behaviour of novel nanomaterials and vital biomolecules to the great mysteries of the universe. The particle accelerators and detectors that DESY develops and builds at its locations in Hamburg and Zeuthen are unique research tools. They generate the most intense X-ray radiation in the world, accelerate particles to record energies and open up new windows onto the universe. DESY is a member of the Helmholtz Association, Germany's largest scientific association, and receives its funding from the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF) (90 per cent) and the German federal states of Hamburg and Brandenburg (10 per cent).


Dankbetuigingen

Financiering

This work was supported in part by the “Clinical and system–omics for the identification of the Molecular Determinants of established Chronic Kidney Disease” (iMODE-CKD, PEOPLE-ITN-GA-2013–608332) project for TP, by the French “Programme Hospitalier de Recherche Clinique” (PHRC) number N° 06 223 01–N° RCB 2007-A00854-49 for SD and the « Fondation du Rein sous égide de la Fondation pour la Recherche Médicale et ses partenaires », grant number GENZYME 2014 FDR-SdN/FRM for JK.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

The datasets during and/or analysed during the current study available from the corresponding author on reasonable request.

Bijdragen van auteurs

TP, JK and JPS conceived the study, analyzed the data and wrote the manuscript AC, CC and JB performed in-vitro experiments MB, DB, JLB and BBM performed microarray experiments DC, BAT and RLC performed animal experiments PM and EN performed statistical analysis SD, FCA and BB collected clinical data and banked human material. All authors reviewed the manuscript. Alle auteurs hebben het definitieve manuscript gelezen en goedgekeurd.

Concurrerende belangen

De auteurs verklaren dat ze geen concurrerende belangen hebben.

Consent for publication

Ethische goedkeuring en toestemming om deel te nemen

The studies were performed in accordance with the ethical principles in the Declaration of Helsinki and Good Clinical Practice and was approved by the CPP SOOM II (number DC-2008-452). Written informed consent was obtained from the parents of all child participants.

All mouse experiments were conducted in accordance with the NIH guide for the care and use of laboratory animals and were approved by the University of Virginia Animal Care and Use Committee (for the neonatal partial obstruction model) and the animal care and use committee UMS US006/INSERM, Toulouse, France (protocol number CEEA-122 2014-06/02605.01) for the complete adult obstruction model.


Scientists can now edit multiple genome fragments at a time

Toronto scientists have developed a more powerful genome editing method to allow editing of multiple genes at a time. Credit: Ernesto del Aguila III, National Human Genome Research Institute, NIH

Scientists can now edit multiple sites in the genome at the same time to learn how different DNA stretches co-operate in health and disease.

CRISPR-based DNA editing has revolutionized the study of the human genome by allowing precise deletion of any human gene to glean insights into its function. But one feature remained challenging—the ability to simultaneously remove multiple genes or gene fragments in the same cell. Yet this type of genome surgery is key for scientists to understand how different parts of the genome work together in the contexts of both normal physiology and disease.

Now such a tool exists thanks to the teams of Benjamin Blencowe and Jason Moffat, both professors of molecular genetics at the Donnelly Centre for Cellular and Biomolecular Research. Dubbed 'CHyMErA', for Cas Hybrid for Multiplexed Editing and Screening Applications, the method can be applied to any type of mammalian cell to systematically target the DNA at multiple positions at the same time, as described in a study published in the journal Natuur Biotechnologie.

Often described as genome scissors, CRISPR works by sending a DNA-cutting enzyme to desired sites in the genome via guide RNA molecules, engineered to adhere to the target site. The most widely used DNA-cutting enzyme is Cas9.

Since Cas9 first came to light, other Cas enzymes with distinct properties have been identified by scientists seeking to improve and expand the applications of the technology. Unlike the CRISPR-Cas9 technology, CHyMErA combines two different DNA-cutting enzymes, Cas9 and Cas12a, to allow more versatile applications. Cas12a is an enzyme that can be used to generate multiple guide RNA molecules in the same cell, which is key for simultaneous DNA editing.

Thomas Gonatopoulos-Pournatzis, a research associate in Blencowe's group, had spent several years trying to develop combinatorial gene editing by testing Cas9 and Cas12a enzymes on their own. He then had the idea to combine these enzymes to generate the CHyMErA system.

"We had been trying a number of approaches to induce genetic fragment deletions and nothing worked as well as CHyMErA," he says. "I was thrilled when together with Shaghayegh Farhangmehr, a Ph.D. student in the Blencowe lab, we saw the first evidence that CHyMErA was successful in deleting gene segments. We obtained these results on Boxing Day and it was the best Christmas present I could have wished for."

The next step was to harness CHyMErA in large-scale screens to systematically analyze how genes act together, as well the functions of individual parts of genes. Blencowe's team, which studies the regulation and function of gene segments known as exons, approached Moffat, whose group had developed extensive experience with CRISPR technology.

"With CHyMErA, you can use the best of the two enzymes," says Michael Aregger, a research associate in the Moffat lab, who played a key role in developing the screen-based applications of CHyMErA. "Cas9 has been improved by the community to have a very high editing efficiency, whereas Cas12a allows multiplexing of guide RNAs and therefore provides a lot more flexibility in finding sites in the genome that we can cut."

In one application of CHyMErA, the researchers targeted pairs of genes known as paralogs, which have a similar DNA code but remain poorly studied because they were difficult to research. Because paralogs arose by duplication of an ancestral gene, it had been assumed they would largely have similar roles. But their function could not be revealed by the existing single-gene targeting methods typically employed in genetic screens, mostly because the other paralog would compensate for the one that's missing.

"With CHyMErA, we can take out both paralogs in pairs to see if that ancestral function is important for the cell to survive," says Kevin Brown, senior research associate in the Moffat lab and co-lead author on the study along with Aregger and Gonatopoulos-Pournatzis. "We are able to now interrogate a class of genes that was previously missed."

700 paralog pairs, almost all that exist in the human genome, the analysis confirmed that many of these gene pairs do indeed perform similar roles in cell survival, whereas others have distinct functions.

Another feature of CHyMErA is that both Cas9 and Cas12a can be deployed to nearby genome sites to cut out gene fragments such as exons. This allowed the team to individually delete thousands of exons that have been linked to cancer and brain function but were not amenable to targeting with Cas9 alone. Exons are variably included into genes' transcripts and can modify the function of the encoded proteins, although how individual exons contribute to cellular processes remains largely unknown. Out of 2,000 exons analyzed by CHyMErA, over 100 were found to be critical for cell survival, enabling future research to now focus on shining light on their potential roles in disease.

"Once we identify exons that have a critical role in disease, we can use this information to develop new therapies," says Gonatopoulos-Pournatzis.