معلومة

ما الفائدة التطورية من حصر الهيموجلوبين بالخلايا؟

ما الفائدة التطورية من حصر الهيموجلوبين بالخلايا؟



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

يكون محلول الأسلاف لنقل الأكسجين مع الهيموغلوبين (أو بروتينات مماثلة) مذابة في الدم (أو "الدملمف" ، ولكن بشكل أساسي مذاب في الماء.) ما هي ميزة إحاطة الخلايا ببروتينات نقل الأكسجين؟


إذا قمت بتضمين الغلوبين في خلية ، يمكنك تحقيق تركيز عالٍ من الغلوبين ، مما يجعله متاحًا بشكل أسرع ، وسهل الاستخدام ، ولا يخضع للتحلل (عن طريق البروتياز ، أو آليات أخرى) كما لو كان قد تم حله للتو. . بالإضافة إلى ذلك ، سيتم التحكم بشكل أكثر إحكامًا في جميع الوظائف الأخرى للجلوبينات (تنظيم الأس الهيدروجيني ، استقلاب ثاني أكسيد الكربون ، إلخ) إذا كان الغلوبين موجودًا في نفس الموقع (أي داخل الخلية) ، بدلاً من خلطه في بيئة. ربما يكون كل ذلك متعلقًا بتطور نظام الدورة الدموية بأكمله ، ككل ، وبالتتابع فقط باعتباره "غلافًا" للجلوبينات في الخلايا المتخصصة. يمكنك العثور على مزيد من التفاصيل هنا.


كما أن إخفاء الحديد من غزو البكتيريا أمر جيد. الحديد الحر هو عامل مقيد لنمو البكتيريا.


الفائدة التكيفية من الزيادات المتطورة في الهيموجلوبين O 2 تقارب يتوقف على الأنسجة O 2 قدرة الانتشار في فئران الغزلان على ارتفاعات عالية

خلفية: غالبًا ما تكون الصفات العضوية المعقدة نتيجة لتفاعل جينات متعددة وأنماط ظاهرية للكائنات الفرعية ، ولكن كيف تشكل هذه التفاعلات المسارات التطورية للسمات التكيفية غير مفهومة جيدًا. درسنا كيف تساهم التفاعلات الوظيفية بين السمات القلبية التنفسية في الزيادات التكيفية في القدرة على التوليد الحراري الهوائي (الحد الأقصى O2 الاستهلاك ، V̇O2الحد الأقصى ، أثناء التعرض للبرد الحاد) في فئران الغزلان على ارتفاعات عالية (Peromyscus maniculatus). عبرنا فئران الأيل في المرتفعات والأراضي المنخفضة لإنتاج ف2 الهجينة بين السكان ، والتي تعبر عن الاختلاف الجيني في الهيموغلوبين (Hb) O2 تقارب على خلفية وراثية مختلطة. ثم قمنا بدمج التجارب الفسيولوجية والنمذجة الرياضية لـ O2 مسار النقل لفحص الروابط بين الصفات القلبية التنفسية و V̇O2الأعلى.

نتائج: كشفت التجارب الفسيولوجية أن الزيادات في Hb-O2 أدى تقارب خلايا الدم الحمراء إلى تحسين أكسجة الدم في نقص الأكسجة ولكنها لم ترتبط بتحسين في V̇O2الأعلى. أظهرت تحليلات الحساسية التي أجريت باستخدام النمذجة الرياضية أن تأثير Hb-O2 تقارب على V̇O2ماكس في نقص الأكسجة كان متوقفًا على قدرة O2 الانتشار في الأنسجة النشطة.

الاستنتاجات: تشير هذه النتائج إلى أن الزيادات في Hb-O2 سيكون للألفة قيمة تكيفية فقط في ظروف نقص الأكسجين إذا كانت متزامنة مع أو مسبوقة بزيادات في الأنسجة O2 قدرة الانتشار. في الفئران التي تعيش على ارتفاعات عالية ، تكون الفائدة التكيفية لزيادة Hb-O2 تقارب يتوقف على القدرة على استخراج O2 من الدم ، مما يساعد على حل الخلافات حول الدور العام لوظيفة الهيموجلوبين في تحمل نقص الأكسجة.

الكلمات الدالة: تطور السمات المعقدة علم وظائف الأعضاء التطوري التكيف الهيموغلوبين التكيف مع الارتفاعات العالية مسار نقل O2.


الفائدة التكيفية من الزيادات المتطورة في الهيموجلوبين O2 تقارب يتوقف على الأنسجة O2 قدرة الانتشار في فئران الغزلان على ارتفاعات عالية

خلفية غالبًا ما تكون الصفات العضوية المعقدة نتيجة لتفاعل جينات متعددة وأنماط ظاهرية للكائنات الفرعية ، ولكن كيف تشكل هذه التفاعلات المسارات التطورية للسمات التكيفية غير مفهومة جيدًا. درسنا كيف تساهم التفاعلات الوظيفية بين السمات القلبية التنفسية في الزيادات التكيفية في القدرة على التوليد الحراري الهوائي (الحد الأقصى O2 الاستهلاك ، V◻O2الحد الأقصى ، أثناء التعرض للبرد الحاد) في فئران الغزلان على ارتفاعات عالية (Peromyscus maniculatus). عبرنا فئران الأيل في المرتفعات والأراضي المنخفضة لإنتاج ف2 الهجينة بين السكان ، والتي تعبر عن الاختلاف الجيني في الهيموغلوبين (Hb) O2 تقارب على خلفية وراثية مختلطة. ثم قمنا بدمج التجارب الفسيولوجية والنمذجة الرياضية لـ O2 مسار النقل لفحص الروابط بين الصفات القلبية التنفسية و V◻O2الأعلى.

نتائج كشفت التجارب الفسيولوجية أن الزيادات في Hb-O2 أدى تقارب خلايا الدم الحمراء إلى تحسين أكسجة الدم في نقص الأكسجة ، ولكنها لم ترتبط بتحسين في V◻O2الأعلى. أظهرت تحليلات الحساسية التي أجريت باستخدام النمذجة الرياضية أن تأثير Hb-O2 تقارب على V◻O2كان الحد الأقصى في نقص الأكسجة متوقفًا على قدرة O2 الانتشار في الأنسجة النشطة.

الاستنتاجات تشير هذه النتائج إلى أن الزيادات في Hb-O2 سيكون للألفة قيمة تكيفية فقط في ظروف نقص الأكسجين إذا كانت متزامنة مع أو مسبوقة بزيادات في الأنسجة O2 قدرة الانتشار. في الفئران التي تعيش على ارتفاعات عالية ، تكون الفائدة التكيفية لزيادة Hb-O2 تقارب يتوقف على القدرة على استخراج O2 من الدم ، مما يساعد على حل الخلافات حول الدور العام لوظيفة الهيموجلوبين في تحمل نقص الأكسجة.


الهيموجلوبين المنجلي

يوجد هيموغلوبين الخلايا المنجلية (HbS) في البشر منذ آلاف السنين. أفاد الدكتور كونوتي أهولو ، الطبيب الغاني ، أنه من بين قبائل غرب إفريقيا ، تم تعيين أسماء محددة لمتلازمات إكلينيكية يمكن تحديدها على أنها فقر الدم المنجلي (7). ومع ذلك ، تم وصف الخلايا المنجلية لأول مرة في الدم المحيطي لمريض فقر الدم من جزر الهند الغربية من قبل طبيب شيكاغو روبرت هيريك في عام 1910 (8). في حين أن فقر الدم المنجلي متماثل الزيجوت هو الشكل الأكثر شيوعًا وشدة لمرض الخلايا المنجلية (SCD) ، إلا أن الاضطرابات المنجلية الأخرى التي تجمع بين HbS مع الثلاسيميا بيتا أو ألفا ، والهيموغلوبين C ، والهيموغلوبين D ، والهيموغلوبين الآخر يشترك في نفس الفيزيولوجيا المرضية مع المشتركة وكذلك التمييز. المظاهر السريرية.

ينتج HbS من طفرة زوج قاعدة واحدة في الجين لسلسلة بيتا غلوبين من الهيموغلوبين البالغ. استبدال الأدينين إلى الثايمين في الكودون السادس يستبدل حمض الجلوتاميك بالفالين في موضع الأحماض الأمينية السادس في سلسلة بيتا غلوبين (9 ، 10). ينتج عن هذا الاستبدال الهيموجلوبين المتميز كهربائيًا الذي وصفه لينوس بولينج في عام 1949 (11). في الشكل غير المؤكسج من HbS ، يتم دفن بيتا 6 فالين في جيب كاره للماء على سلسلة بيتا غلوبين مجاورة ، وربط الجزيئات معًا لتشكيل بوليمرات غير قابلة للذوبان (9). في التركيز الكافي ، تؤدي هذه البوليمرات غير القابلة للذوبان إلى ظهور الشكل المنجلي الكلاسيكي. تسبب هذه العملية أضرارًا بالغة في غشاء الخلية الحمراء. قد تتجمع الخلايا الحمراء المنجلية بعد ذلك وتتسبب في انسداد الأوعية الدموية الدقيقة. أيضًا ، تلتصق هذه الخلايا الحمراء غير الطبيعية بالخلايا البطانية (12) ويمكن أن تتفاعل مع السيتوكينات المختلفة (13).

عملية التجلط المجهري والانصمام المجهري هي أساس علم أمراض داء الكريّات المنجلية. يتسبب انسداد الأوعية الدموية الدقيقة بواسطة كريات الدم الحمراء المنجلية في حدوث أزمات مؤلمة ، والقساح ، والصمات الرئوية ، ونخر العظم ، وفي النهاية يضر كل جهاز عضو بما في ذلك الشبكية والطحال والكبد والكلى. يعاني العديد من المرضى الذين يعانون من داء الكريّات المنجلية من نسبة 20٪ إلى 35٪ وكثرة الشبكية المزمنة. يمكن أن تتسبب الأعراض السريرية في الإصابة بالحمى والعدوى والتمارين المفرطة وتغيرات درجة الحرارة ونقص الأكسجة والمحاليل مفرطة التوتر. ترتبط شدة الأعراض السريرية بتركيز HbS في خلايا الدم الحمراء والتعبير عن الهيموجلوبين الآخر والعوامل البطانية وأكسيد النيتريك وعوامل أخرى. أيضا ، المرضى الذين يعانون من داء الكريّات المنجلية لديهم نسبة أعلى من كريات الدم الحمراء الكثيفة المجففة (14).

في حوالي 11٪ من مرضى فقر الدم المنجلي تحت سن 20 عامًا ، تحدث السكتة الدماغية بسبب آفات الشريان القحفي الضيقة ، والتي يمكن إثباتها عن طريق الموجات فوق الصوتية الدوبلرية عبر الجمجمة. برنامج منتظم لنقل الدم يهدف إلى تقليل عدد الخلايا المنجلية إلى & # x0003c50٪ يمنع حوالي 90٪ من حالات السكتة الدماغية. لسوء الحظ ، يعود الخطر المرتفع للسكتة الدماغية بعد توقف نقل الدم (15).

يتكون سطح HbS بشكل أساسي من سلاسل جانبية من الأحماض الأمينية المحبة للماء جنبًا إلى جنب مع بعض السلاسل الجانبية الصغيرة الكارهة للماء. نظرًا لأن الهيموغلوبين البالغ موجود بتركيز عالٍ جدًا داخل الخلية الحمراء ومع ذلك يبدو أنه لا يزال خاليًا من التجمع على جميع مستويات التشبع بالأكسجين ، يجب ترتيب الأحماض الأمينية الموجودة على سطح الجزيء لتجنب التجاذب بين الجزيئات المجاورة . من بين غالبية متغيرات الهيموغلوبين مع بدائل الأحماض الأمينية السطحية ، ترتبط أقلية فقط بأي تشوهات سريرية كبيرة. باستثناء HbS ، لا يرتبط أي من الهيموغلوبين الأكثر شيوعًا الموجود في الحالة المتماثلة اللواقح ، مثل الهيموغلوبين C و D و E ، بأي خلل أكبر من فقر الدم الخفيف. وبالتالي ، فإن سطح الهيموغلوبين أ قادر على استيعاب مجموعة متنوعة من تغيرات الأحماض الأمينية المختلفة دون أن تتأثر بنيته أو وظيفته (16).

استبدال حمض الفالين مقابل الجلوتاميك له تأثير ضئيل للغاية على الشكل المؤكسج لـ HbS (17). ومع ذلك ، عندما يصبح تركيز HbS غير المؤكسج كبيرًا بدرجة كافية ، تختلف خصائصه بشكل ملحوظ عن خصائص الهيموجلوبين A غير المؤكسج ، مما يتسبب في تكوين ألياف وحزم غير قابلة للذوبان ، مما يؤدي إلى تشويه خلايا الدم الحمراء في شكل المنجل.

منذ اكتشاف HbS ، تم توضيح الأعراض السريرية والفيزيولوجيا المرضية المرتبطة بها تدريجياً (18). يتميز داء الكريّات المنجلية بفقر الدم وأربعة أنواع من الأزمات: مؤلمة (وعائية) ، تنحية ، انحلالية ، وأزمات اللاتنسجي. يؤدي تلف غشاء خلايا الدم الحمراء إلى انخفاض بقاء الخلايا وفقر الدم الانحلالي المزمن. إذا كانت شديدة بما فيه الكفاية ، فإن هذا الضرر يزيد من خطر تكوين حصوة البيليروبين والسكتة الدماغية وفشل القلب. أيضًا ، يتفاقم فقر الدم بسبب المقاومة الميكانيكية لتدفق الدم التي تسببها خلايا الدم الحمراء المنجلية ، مما يؤدي إلى مضاعفات واسعة الانتشار في الأوعية الدموية. ومن المثير للاهتمام ، أن فقر الدم يمكن إلى حد ما أن يكون وقائيًا من المضاعفات المكوّنة للأوعية ، لأنه يخفف من الزيادة في اللزوجة المرتبطة بالمنجل في دوران الأوعية الدقيقة. ومن ثم ، يشار إلى العلاج بنقل الدم بالتبادل الحكيم ونقل الدم للوقاية من أزمات الألم والسكتة الدماغية وارتفاع ضغط الدم الرئوي والحالات الأخرى ذات الصلة (19).

لا يؤدي نقل الدم إلى زيادة قدرة الدم على حمل الأكسجين فحسب ، بل يقلل أيضًا من نسبة الخلايا القادرة على التنميل. من المستحسن أن يتم إجراء نقل الدم باستخدام خلايا الدم المنجلية المتوافقة مع النمط الظاهري ، والمخففة بالبيض ، والدم السلبي # x02013 من أجل الوصول إلى نسبة الهيماتوكريت بعد نقل الدم بنسبة حوالي 36 ٪. (20). إن مضاعفات نقل الدم معروفة جيدًا وتشمل التمنيع الذاتي والتحصين الذاتي ، والحمل الزائد للحديد ، وانتقال الأمراض المعدية مثل التهاب الكبد وفيروس نقص المناعة البشرية. أيضًا ، خضع عدد كبير من مرضى فقر الدم المنجلي في جميع أنحاء العالم لعملية زرع نخاع عظم ناجحة (21). المرضى الذين تم اختيارهم فقط هم المؤهلون لهذا الإجراء. حتى ذلك الحين ، ارتبط زرع نخاع العظم بوفاة 5٪ إلى 10٪ ، معظمها بسبب مرض الكسب غير المشروع مقابل المضيف.

هناك طريقة أخرى لتقليل تأثير تكوين بوليمر HbS وهي زيادة إنتاج الهيموجلوبين الجنيني (HbF). من خلال المراقبة السكانية والسريرية ، من المعروف منذ فترة طويلة أن ارتفاع مستويات HbF في الدم يرتبط بعدد أقل من المظاهر السريرية لفقر الدم المنجلي. تم اقتراح التلاعب الدوائي بـ HbF في علاج الاضطرابات المنجلية منذ منتصف الخمسينيات من القرن الماضي. حتى الآن ، تمت تجربة العديد من العوامل ، ولكن ثبت أن هيدروكسي يوريا هو الأكثر أمانًا وفعالية (22). آلية زيادة إنتاج HbF بواسطة هيدروكسي يوريا ليست مفهومة تمامًا. أيضًا ، وجدت الدراسات الحديثة أن هيدروكسي يوريا يساهم في إنتاج حمض النيتريك ، وهو عامل استرخاء بطاني قوي (23).

العديد من علامات الالتهاب المرتبطة بالأسطح البطانية وخلايا الدم البيضاء مرتفعة في داء الكريّات المنجلية ، بما في ذلك بروتين سي التفاعلي. غالبًا ما يتم زيادة تعداد الخلايا المحببة الأساسية. كثرة الكريات البيضاء نفسها هي عامل خطر لزيادة معدل الوفيات (24). أخيرًا ، يتم التعبير عن اللامينين ، وهو أحد مكونات المصفوفة البطانية التي ترتبط بالمستضد اللوثري على الخلايا الحمراء ، في خلايا الدم الحمراء المنجلية بكميات أكبر من خلايا الدم الحمراء الطبيعية (25).

تم وصف كل جانب من جوانب الإرقاء الذي يميل إلى فرط تخثر الدم تقريبًا في SCD (26). ومع ذلك ، من غير المعروف ما إذا كان فرط التخثر هو السبب أو نتيجة انسداد الأوعية. يعود سبب كثرة الصفيحات إلى نقص الطحال ، ويزداد تراكم الصفائح الدموية (27). قد تكون الأجسام المضادة للفوسفوليبيد مرتفعة ، وتنخفض مستويات البروتين C و S (28). أيضا ، يمكن العثور على مستويات عالية من عامل فون ويلبراند والعامل الثامن (29). كانت التجارب العلاجية للهيبارين والكومدين والعوامل المضادة للصفيحات محدودة ، مما أسفر عن معلومات غير حاسمة ، لكنها مستمرة.


المواد والأساليب

جمع العينات

العمل مع الحيوانات نهدف دائمًا إلى الحد من تأثير أبحاثنا على السكان والأفراد. كلما أمكن ، نتعاون مع مصادر أخرى ، مثل المصايد التجارية أو المتاحف. بهذه الطريقة ، لا حاجة للقتل الرحيم للحيوانات لخدمة هدفنا العلمي وحده. عينات الأنسجة المستخدمة في هذه الدراسة هي إما من عينات متحف أو أفراد تم صيدهم تجاريًا بغرض الاستهلاك البشري. أصيبت الأسماك التي يتم صيدها تجاريا بالذهول على الفور بسبب النزيف ، باتباع الإجراءات المعيارية من قبل صياد محلي. لا يندرج أخذ العينات بهذه الطريقة ضمن أي تشريع محدد في النرويج ، ولكنه يتوافق مع الإرشادات التي وضعتها "منصة الإجماع النرويجية لاستبدال وتقليل وصقل التجارب على الحيوانات" (www.norecopa.no). لمزيد من المعلومات حول العينات انظر 9.

تسلسل الجينوم الكامل

اخترنا 27 نوعًا تمثل معظم السلالات في ترتيب الجاديفورم ، بالإضافة إلى أقرب أقربائها الأحياء ، Stylephorus chordatus, زيوس فابر و بيركوبسيس ترانسمونتانتا 9 ، 55. قمنا بترتيب مكتبات نهاية مقترنة بمتوسط ​​حجم إدخال يبلغ 350 نقطة أساس (2 × 150 نقطة أساس للقراءة على Illumina HiSeq. 2000) مع تغطية تتراوح من 18 إلى 40x (متوسط ​​التغطية 28x). تعطي إستراتيجية التسلسل هذه contigs الممتد لمتوسط ​​طول الجين المتوسط ​​56 ، مما يجعلها مثالية للعثور على الجينات وتحديدها ، ولكن بدون معلومات كبيرة عن ترتيب الجينات (synteny). تم استخدام مُجمّع Celera 57 لتجميع الجينومات ، حيث تتراوح contig N50 من 3.1 إلى 8.1 كيلو بايت بمتوسط ​​4.1 كيلو بايت. تم استخدام CEGMA 58 و BUSCO 59 لتقييم اكتمال الجينات ، أعطى CEGMA ، في المتوسط ​​، نتائج كاملة أو جزئية لـ 69 ٪ من الجينات حقيقية النواة المحفوظة المدرجة في تحليل CEGMA وأعطت BUSCO ، في المتوسط ​​، 68 ٪ من الجينات المحفوظة التي تنتمي إلى كليد Actinopterygii في تحليل BUSCO. ترد قائمة بالأنواع ذات إحصاءات الجينوم ذات الصلة في الجدول التكميلي 1. لمزيد من المعلومات بشأن التسلسل ، انظر 9 ، 55.

التعدين الجيني والشرح

خضاب تم شرح الجينات بواسطة tBLASTn 60 عملية بحث معروفة خضاب متواليات من جادوس مورهوا, لاتيبس اوريزيا, تتراودون نيجروفيريديس, Oreochromis niloticus, Gasterosteus aculeatus، Salmo salar و دانيو ريريو (الشرح والتسمية التالية 11). بالنسبة للجينات المماثلة التي تم تكرارها مؤخرًا أو متشابهة بسبب التحويل الجيني ، يمكن أن تنهار نسخ الجينات في عملية التجميع. في المقابل ، مع الجينات متعددة الأشكال يمكن أن يساء تقدير الأليلات كنُسخ. ومع ذلك ، من خلال فحص محاذاة تسلسل intronic يدويًا ، كان من الممكن التمييز بين نسخ الجينات المتماثلة من الأليلات.

بناء شجرة النشوء والتطور

لتحديد المتعامد خضاب تم إنشاء تسلسل أشجار الجينات الوراثية ، وتم تحليل تسلسل α و بشكل منفصل. تمت محاذاة تسلسل الأحماض الأمينية باستخدام ClustalW 61 كما تم تنفيذه في MEGA7 62 مع الإعدادات الافتراضية لجميع الأنواع (محاذاة متواليات α و موجودة في البيانات التكميلية 1). باستخدام أداة اختيار النموذج في MEGA7 ، قررنا أن أفضل نموذج (أي الحصول على أدنى درجة AIC) للتطور الجزيئي هو TN93 + G + I لتسلسلات α و GTR + G + I لتسلسلات. تم بناء أشجار التطور الوراثي بناءً على ثلاثة توائم من الكودون باستخدام أقصى احتمال (ML) تم تنفيذه في MEGA7 وطريقة بايزي في MrBayes 3.2.2 63. تم إنشاء شجرة ML بناءً على نماذج التطور الجزيئي المذكورة أعلاه ، مع 1000 مكرر من التمهيد. تم تشغيل أشجار Bayesian باستخدام أدوات سابقة قياسية ، مع أربع سلاسل من المحاكاة لأجيال 1 × 10 7 لأخذ العينات كل 1 × 10 3 جيل. تم استخدام نموذج GTR + G + I لكل من α و لأن TN93 + G + I غير متوفر في هذا البرنامج. تم اعتبار أن تشغيلًا معينًا قد وصل إلى نقطة التقارب عندما استقرت درجات الاحتمالية بشكل مقارب. تم التخلص من جميع الأشجار التي تم أخذ عينات منها قبل التقارب وتم حساب الدعم (الاحتمال الخلفي) بناءً على إجماع آخر 2250 شجرة. العمل السابق على teleost خضابيظهر ذلك خضاب من الضفدع Xenopus Tropicalis من الواضح خارج الكليد الذي يشكل teleost خضابق 11 ، لذلك تم اختياره كنوع خارجي.

تم بعد ذلك تعيين الجينات α و المحددة على شجرة الأنواع التطورية بناءً على 567 exons من 111 جينًا ، تم اختيارها بعد التصفية الصارمة للعلامات المتعامدة أحادية النسخة. تم تقدير أوقات التفرع في BEAST v.2.2 64 باستخدام نموذج ساعة مريح و 17 قيودًا أحفورية. هذا التطور هو نسخة معدلة من 9 ، والتي تصف الإجراءات بمزيد من التفصيل.

إعادة بناء الأجداد لعدد Hbs

إعادة بناء الأجداد من عدد Hbs في gadiformes تم تقديرها باستخدام الوظيفة ace المطبقة في حزمة R APE 65. بيركوبسيس ترانسونتانا, زيوس فابر و Stylephorus chordatus لم يتم تضمينها مثل العديد من Hbs وجدت في هذه الأنواع ليست 1: 1 تقويم العظام مع gadiform Hbs. استخدمنا الحد الأقصى لتقدير الاحتمالية لحالة الأجداد للأحرف المنفصلة مع ثلاثة نماذج مختلفة ، ونموذج معدلات متساوية (ER) ، ونموذج مختلف لجميع المعدلات (ARD) ونموذج متماثل (SYM) ، وتم تقدير ملاءمة الملاءمة باستخدام Chi- اختبار مربع. تم إجراء جميع الإحصائيات في R v3.1.3 66.

التحليلات المقارنة الوراثية

استخدمنا طريقة مقارنة نسجية تسمى SLOUCH (نماذج Stochastic Linear Ornstein-Uhlenbeck للفرضيات المقارنة) 24 ، 67،68،69،70 مطبقة في R v3.1.3 66 ، للتحقق مما إذا كان عدد خضاب تطورت الجينات كاستجابة للتغيرات في الحد الأقصى للعمق وخطوط العرض ، على التوالي (تم الحصول على بيانات للأنواع المختلفة في نظام المعلومات العالمي FishBase 6). النموذج المفترض لتطور السمات (السمة هنا هي عدد خضاب الجينات) هي عملية Ornstein-Uhlenbeck (OU) ، حيث تتطور السمة نحو القيمة المثلى التي يُفترض أنها دالة خطية للتنبؤ x، مثل ( ثيتا = أ +_x ) ، تُفيد معلمات الانحدار بالعلاقة بين السمة والأمثل. يمكن قياس الشد الحتمي للسمة نحو الحد الأمثل بنصف عمر النشوء والتطور ، (_ <1/2> = فارك < mathrm، 2> < alpha>، ، ، ) متوسط ​​الوقت الذي يستغرقه النوع للانتقال إلى نصف الطريق من حالة الأجداد إلى الحالة المثلى الجديدة ، أي أن نصف العمر فوق الصفر يشير إلى أن التكيف ليس فوريًا. تقوم SLOUCH بإرجاع "الانحدار الأمثل" ، والذي يمثل أفضل ملاءمة لـ 67 on خضاب رقم النسخ. بمعنى آخر ، يصف هذا الانحدار الأمثل العلاقة المتوقعة بين عدد خضاب الجينات والتنبؤ في النموذج إذا كان التكيف فوريًا (أي لا توجد قيود على تطور عدد خضاب الجينات نحو الحالة المثلى). يمكن مقارنة النموذج الذي يشتمل على متغير توقع مع نموذج اعتراض فقط حيث لا يتم تضمين متغيرات توقع. التأثير الوراثي هو مقياس لمدى جودة تفسير السلالة وحده لتوزيع السمة (عدد خضاب الجينات). تتم مقارنات النماذج باستخدام النسخة المصححة بحجم العينة الصغير لمعيار معلومات Akaike (AICc).

تحليلات الانتقاء الطبيعي

لكل جين Hb تمت محاذاة تسلسل الأحماض الأمينية المترجمة من جميع الأنواع المتاحة لهذا الجين في مجموعة البيانات باتباع نفس الإجراء كما هو موضح أعلاه (المحاذاة المقدمة في البيانات التكميلية 1). لاختبار تنويع وتنقية الاختيار ، استخدمنا تحليلات SLAC و FEL و REL 22 كما تم تنفيذها في حزمة برامج Hyphy على خادم Datamonkey (www.datamonkey.org) وباستخدام الأنساب في الشكل 1 (يشار إليها باسم شجرة الأنواع ) ، والشكلان 2 و 3 (يشار إليهما بأشجار الجينات).

بناء نموذج التنادد

تم إنشاء نموذج بروتين ثلاثي الأبعاد باستخدام SWISS-MODEL Workspace وبرنامج DeepView 71 لـ جادوس مورهوا Hb-I (α1 و β1) على أساس التماثل. تم إجراء بحث عن قالب في مساحة عمل SWISS-MODEL ، لتحديد الهيموغلوبين من تريماتوموس بيرناتشي (رمز بنك بيانات البروتين (PDB) 1HBH) كأفضل قالب. جادوس مورهوا تمت محاذاة α1 و α2 و α3 و α4 و β1 ، على التوالي مع القالب في DeepView ، ثم تم إرسال المحاذاة إلى SWISS-MODEL Workspace ضمن وضع المشروع. أعطى إجراء النمذجة الآلي نموذجًا واحدًا بجودة عالية (QMEAN4 = 1.34) من رباعي Hb مع وحدتين β1 ووحدتين ألفا من α1 أو α2 أو α3 أو α4. أعطى هذا أربعة أشكال مختلفة من Hb tetramers في المجموع ، والتي تظهر جميعها في البيانات التكميلية 2.


توقعات الاختيار

للتنبؤ بالتطور ، نحتاج إلى المضي قدمًا إلى الأمام وربط الأنماط الظاهرية باللياقة البدنية. في المستوى الأكثر خشونة ، قد يستلزم ذلك وصفًا إحصائيًا للتباين بين النمط الظاهري واللياقة (على سبيل المثال ، بالنسبة إلى معادلة السعر السعر 1972 ، Queller 2017) ، أو بين التركيب الوراثي واللياقة. حاليًا ، لدينا الأدوات الإحصائية لهذا النهج. على الرغم من أن هذا قد يكون كافياً لعمل تنبؤات على فترات زمنية قصيرة للغاية ، إلا أن الافتقار إلى الفهم الآلي في هذا النهج يحد من التوقعات المستقبلية في السياقات البيئية المتغيرة. يتطلب الإسقاط في المستقبل فهمًا وظيفيًا لكيفية تأثير السمات على اللياقة البدنية ، والاعتماد على الميكانيكا الحيوية ، والسلوك ، والبيئة ، وما إلى ذلك. نحن نفتقر إلى القدرة ، في الوقت الحاضر ، لنمذجة كيف أن السمات الحالية ، دعنا نطلق على سمات واحدة غير موجودة بعد ، تنوعًا في اللياقة البدنية في البيئات التي لم تتم ملاحظتها بعد. ومع ذلك ، مع النماذج المفاهيمية المحسنة وبيانات الجودة يمكننا البدء في معالجة هذه الأسئلة.

عندما نكتسب فهمًا أفضل للعملية الجينية والاختيار ، يمكننا استخدام الأدوات الحالية للوراثة الكمية أو السكانية للتنبؤ بمسار التطور. يمكن تبسيط هذه المعرفة الجينية في بعض الحالات عن طريق حذف التفاصيل الآلية واتباع نهج وراثي كمي (على سبيل المثال ، معادلة المربي) ، أو علم الوراثة السكانية للحالة النادرة لسمات الجين الفردي البسيطة (Walsh and Lynch 2018). هذا نهج راسخ يعمل جيدًا على مدى فترات زمنية قصيرة ، ولكنه سينقسم على نطاقات زمنية أطول لأننا ما زلنا نعمل على تحسين نماذجنا الآلية لكيفية تطور مصفوفات التباين الجيني نفسها (نعلم أنها تتطور بالفعل Roff 2000) ، ومدى انتقائية ستتغير الضغوط. لذلك ، فإن النهج الأكثر آلية الموضح في النمط الجيني أعلاه لتنبؤات النمط الظاهري يوفر إطارًا قويًا محتملًا ، ولكن من الصعب تحديد المعلمات (إن أمكن على الإطلاق). سواء كان المرء يتبع نهجًا ميكانيكيًا أو كميًا أو علمًا وراثيًا ، فإن المفتاح هو دمج المعرفة حول التباين الجيني المتاح ، وكيف يؤثر ذلك على اللياقة ، وكيف يتم تقييد الاستجابة للاختيار الناتج.

يعمل التنبؤ بالاستجابات التطورية للضغوط الانتقائية المعروفة جيدًا عندما يمكن الوثوق بالبيئة الحالية بأمان لتبقى ثابتة. ومع ذلك ، يعتمد الاختيار على الأنواع البؤرية على الظروف اللاأحيائية والتفاعلات الحيوية ، وكلاهما يتغير بمرور الوقت ويجب علينا التنبؤ بالتنبؤ التطوري. للقيام بذلك ، سنحتاج إلى الاعتماد على مجالات تتراوح من علم الأرصاد الجوية (تغير المناخ باعتباره المحرك الرئيسي للتطور خلال الأنثروبوسين) ، إلى علم السموم (من التلوث البشري) ، إلى علم الأوبئة والبيئة بشكل عام. لذلك نحتاج إلى بيانات مفصلة عن الحالة الحالية للعوامل البيئية والإيكولوجية متعددة المتغيرات (على سبيل المثال ، كثافة الأنواع من الحيوانات المفترسة والطفيليات والفرائس والمنافسين والمتبادلين) ، وقواعد كيفية تغير هذه العوامل عبر الزمن (على سبيل المثال ، كيف تتفاعل الأنواع مع تدفع الكثافات السكانية المتغيرة لبعضها البعض).

مع وجود نماذج للظروف البيئية المتغيرة (على سبيل المثال ، نماذج نظام الأرض التي تستخدمها الهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ للتغيرات البيئية IPCC 2014) ، نحتاج إلى استخلاص استنتاجات حول ضغوط الاختيار المتغيرة. للقيام بذلك ، نحتاج إلى إعادة النظر في النمط الظاهري ليعمل على رسم خرائط اللياقة البدنية من خلال وصف كيف يتغير هذا التعيين (خاصة وظيفة اللياقة البدنية) اعتمادًا على البيئات المستقبلية (بما في ذلك المجتمعات والتفاعلات المستقبلية المحتملة). سيسمح لنا ذلك بالتنبؤ بكيفية تحول مشهد اللياقة البدنية بمرور الوقت لتفضيل قيم السمات المختلفة ، ومجموعات السمات ، والأنماط الجينية في نقاط مختلفة في المستقبل.

أخيرًا ، قد تعتمد الضغوط الانتقائية التي تعمل على الأنواع البؤرية على الأنماط الجينية للأنواع الأخرى ، وليس فقط وجودها أو غيابها أو وفرتها. لذلك ، قد يؤدي التطور بواسطة الأنواع الأخرى إلى تعديل اتجاه تطور الأنواع المحورية لدينا (أي بنك داروين المتشابك). على العكس من ذلك ، يمكن أن يكون للتطور من خلال الأنواع البؤرية الخاصة بنا آثار متبادلة على وفرة ، والأنماط الجينية ، والأنماط الظاهرية ، وملاءمة جميع الأنواع الأخرى التي تتفاعل معها بشكل مباشر (أو ربما بشكل غير مباشر Whitham et al. 2003 ، Johnson and Stinchcombe 2007). لذلك ، قد تحتاج التنبؤات التطورية الفعالة أيضًا إلى مراعاة مجتمعات متعددة الأنواع بأكملها في وقت واحد في حلقات التغذية المرتدة للتطور البيئي هذه.

المعلومات الواردة أعلاه التي نحتاج إلى معرفتها للتنبؤ بالتطور هي معلومات واقعية. ومن المحتمل أننا لن نعرف أبدًا ما يكفي للتنبؤ بفعالية بالتطور بمستويات عالية من الدقة والآلية على مدى فترات زمنية طويلة وفي البيئات الطبيعية. هذا يعكس كلاً من القيود المفروضة على بيانات الإدخال لدينا ، والعشوائية الأساسية للعمليات البيولوجية على جميع مستويات التنظيم. ومع ذلك ، في كثير من الحالات لا نحتاج إلى الدقة المطلقة للنتائج التنبؤية العملية. بالعودة إلى موضوع ما نسعى للتنبؤ به ، قد يكون كافياً التنبؤ بحدوث التكيف (نظرية فيشر الأساسية) ، أو أن سمة معينة ستزداد أو تنقص. على سبيل المثال ، تُستخدم النماذج التطورية التنبؤية لتحديد لقاحات سلالة الأنفلونزا سنويًا. على الرغم من وجود قيود على دقة النماذج الحالية المستخدمة ولا يمكن التنبؤ تمامًا بتطور الفيروس ، إلا أن المستوى الجزئي من الدقة لا يزال يوفر لقاحًا سنويًا فعالًا (Agor and Ozaltin 2018). وبالمثل ، في جهود الحفظ ، يمكننا أن نتوقع أنه في حالات الإنقاذ الجيني ، إذا أدخلنا أليلات جديدة إلى مجموعة صغيرة جدًا من السكان المعرضين للخطر ، فيمكن تحسين المشكلات التي تنطوي على اكتئاب الأقارب. قد تكون هذه هي كل المعلومات اللازمة لسكان معرضين لخطر الانقراض ، ولكن المعرفة الأكثر تقدمًا حول التكيفات على مستوى السكان في تجمعات الجينات عبر نطاق الأنواع ستساعد في تحسين النماذج للتنبؤ بعواقب اكتئاب التزاوج الخارجي المحتمل إذا تم إدخال الأليلات الضارة في مجموعة سكانية مهددة بالفعل (فرانكهام) وآخرون. 2011) أو مساعدة عالم أحياء الحفظ في تقييم المخاطر النسبية لتزاوج الأقارب أو التزاوج الخارجي في كائن حي مهدد معين (Edmands 2007). على الرغم من أن التنبؤ الدقيق بالتطور هو هدف مهم لبيولوجيا التطور ، إلا أن حالتنا الحالية للتنبؤ التطوري لا تزال تتيح العديد من النتائج العملية المهمة.


كيف يمكن لعلم الأحياء التطوري أن يفسر سبب إصابتنا بالسرطان؟

سيتم استبدال أكثر من 500 مليار خلية في أجسامنا يوميًا ، لكن الانتقاء الطبيعي مكننا من تطوير دفاعات ضد الطفرات الخلوية التي يمكن أن تسبب السرطان. هذه هي العلاقة بين التطور ومحاربة الجسم للسرطان التي تم استكشافها في عدد خاص جديد من مجلة الوصول المفتوح تطبيقات تطورية.

قالت الدكتورة أثينا أكتيبيس ، مديرة التطور البشري والاجتماعي ، مركز التطور والسرطان في جامعة كاليفورنيا ، سان فرانسيسكو: "السرطان بعيد عن كونه مرضًا واحدًا محددًا جيدًا يمكننا تحديده والقضاء عليه". "إنه متنوع للغاية وتسمح لنا النظرية التطورية بالنظر إلى السرطان كنظام بيئي شديد التعقيد ومتطور. يمكن لهذا النهج تحسين فهم عدد من أنواع السرطان المختلفة وعلاجها والوقاية منها."

من خلال تطبيق مبادئ ورقات علم الأحياء التطوري في العدد الخاص ، اسأل: لماذا نصاب بالسرطان ، على الرغم من آليات قمع السرطان القوية في الجسم؟ كيف تعمل المبادئ التطورية مثل الانتقاء الطبيعي والطفرة والانحراف الجيني في النظام البيئي للسرطان؟ كيف يمكننا استخدام النظرية التطورية لتقليل معدل الإصابة بالسرطان في جميع أنحاء العالم؟

قال الدكتور أكتيبيس: "لا يوجد مكان يظهر فيه تنوع السرطان أفضل من الأسباب العديدة التي تجعلنا نبقى عرضة له". "الطب التطوري يسمح لنا برؤية تفسيرات للسمات التي تترك الكائنات الحية عرضة للإصابة بالأمراض."

تتضمن هذه التفسيرات التطورية دور العوامل البيئية ، مثل العلاقة بين توافر التبغ والتطور المشترك لسرطان الرئة مع قيود مسببات الأمراض سريعة التطور بشأن ما يمكن أن يفعله الاختيار من المفاضلات ، مثل القدرة على إصلاح الأنسجة مقابل خطر الإصابة بالسرطان التناسلي. النجاح على حساب الدفاعات الصحية مع التكاليف وكذلك الفوائد ، مثل الالتهابات.

وخلص الدكتور أكتيبيس إلى أن "النهج التطوري يمكن أن يوحد ويشرح الطرق العديدة لأبحاث السرطان من خلال السماح لنا برؤية السرطان كنظام بيئي". "مثلما تعتمد الغابة على الخصائص الفردية للأشجار بالإضافة إلى تفاعلات كل شجرة مع بيئتها ، يمكن أن تتكون الأورام بالمثل من خلايا متميزة وراثيًا ، والتي تعتمد على التفاعلات من خلية إلى خلية داخل الورم ، وكذلك على تفاعلات الورم نفسه مع الجسم ".

الأوراق في العدد الخاص تشمل:

من الغابات والنظم الإيكولوجية الزراعية إلى النظم الإيكولوجية الدقيقة لجسم الإنسان: ما الذي يمكن أن تخبرنا به بيئة المناظر الطبيعية عن نمو الورم ، والورم الخبيث ، وخيارات العلاج؟
سيمون بي داوست ، لينور فريج ، أماندا إي مارتن وفريديريك توماس ، DOI: 10.1111 / eva.12031

الخلايا الجذعية السرطانية كوحدات اختيار
ميل جريفز ، DOI: 10.1111 / eva.12017

الحرب الحقيقية على السرطان: الديناميكيات التطورية لقمع السرطان
ليونارد نوني ، DOI: 10.1111 / eva.12018

السرطان كهدف متحرك: فهم تركيبة وحركية نمو الأورام المتكررة
ياسمين فو وكيفن ليدر وشانون مومينتالر ، DOI: 10.1111 / eva.12019


كان أصل الخلايا أهم خطوة في تطور الحياة على الأرض. تميز ولادة الخلية بالمرور من الكيمياء ما قبل الحيوية إلى الوحدات المقسمة التي تشبه الخلايا الحديثة. اعتمد الانتقال النهائي للكيانات الحية التي تفي بجميع تعريفات الخلايا الحديثة على القدرة على التطور بشكل فعال عن طريق الانتقاء الطبيعي. سمي هذا التحول بالانتقال الدارويني.

إذا تم النظر إلى الحياة من وجهة نظر جزيئات المضاعف ، فإن الخلايا تفي بشرطين أساسيين: الحماية من البيئة الخارجية وحصر النشاط الكيميائي الحيوي. الشرط الأول ضروري للحفاظ على استقرار الجزيئات المعقدة في بيئة متغيرة وأحيانًا عدوانية ، والأخيرة أساسية لتطور المركبات الحيوية. If the freely floating molecules that code for enzymes are not enclosed in cells, the enzymes will automatically benefit the neighbouring replicator molecules. The consequences of diffusion in non-partitioned life forms might be viewed as "parasitism by default." Therefore, the selection pressure on replicator molecules will be lower, as the 'lucky' molecule that produces the better enzyme has no definitive advantage over its close neighbors. If the molecule is enclosed in a cell membrane, then the enzymes coded will be available only to the replicator molecule itself. That molecule will uniquely benefit from the enzymes it codes for, increasing individuality and thus accelerating natural selection.

Partitioning may have begun from cell-like spheroids formed by proteinoids, which are observed by heating amino acids with phosphoric acid as a catalyst. They bear much of the basic features provided by cell membranes. Proteinoid-based protocells enclosing RNA molecules could have been the first cellular life forms on Earth. [5]

Another possibility is that the shores of the ancient coastal waters may have served as a mammoth laboratory, aiding in the countless experiments necessary to bring about the first cell. Waves breaking on the shore create a delicate foam composed of bubbles. Shallow coastal waters also tend to be warmer, further concentrating the molecules through evaporation. While bubbles made mostly of water tend to burst quickly, oily bubbles are much more stable, lending more time to the particular bubble to perform these crucial experiments. The phospholipid is a good example of a common oily compound prevalent in the prebiotic seas. [6]

Both of these options require the presence of a massive amount of chemicals and organic material in order to form cells. This large gathering of materials most likely came from what scientists now call the prebiotic soup. The prebiotic soup refers to the collection of every organic compound that appeared on earth after it was formed. This soup would have most likely contained the compounds necessary to form early cells. [7]

Phospholipids are composed of a hydrophilic head on one end, and a hydrophobic tail on the other. They possess an important characteristic for the construction of cell membranes they can come together to form a bilayer membrane. A lipid monolayer bubble can only contain oil, and is not conducive to harbouring water-soluble organic molecules, but a lipid bilayer bubble [1] can contain water, and was a likely precursor to the modern cell membrane. [ بحاجة لمصدر ] If a protein came along that increased the integrity of its parent bubble, then that bubble had an advantage. [ بحاجة لمصدر ] Primitive reproduction may have occurred when the bubbles burst, releasing the results of the experiment into the surrounding medium. Once enough of the right compounds were released into the medium, the development of the first prokaryotes, eukaryotes, and multi-cellular organisms could be achieved. [8] [ بحاجة لمصدر ]

The common ancestor of the now existing cellular lineages (eukaryotes, bacteria, and archaea) may have been a community of organisms that readily exchanged components and genes. It would have contained:

    that produced organic compounds from CO2, either photosynthetically or by inorganic chemical reactions that obtained organics by leakage from other organisms that absorbed nutrients from decaying organisms
  • Phagotrophs that were sufficiently complex to envelop and digest particulate nutrients, including other organisms.

The eukaryotic cell seems to have evolved from a symbiotic community of prokaryotic cells. DNA-bearing organelles like mitochondria and chloroplasts are remnants of ancient symbiotic oxygen-breathing bacteria and cyanobacteria, respectively, where at least part of the rest of the cell may have been derived from an ancestral archaean prokaryote cell. This concept is often termed the endosymbiotic theory. There is still debate about whether organelles like the hydrogenosome predated the origin of mitochondria, or والعكس صحيح: see the hydrogen hypothesis for the origin of eukaryotic cells.

How the current lineages of microbes evolved from this postulated community is currently unsolved but subject to intense research by biologists, stimulated by the great flow of new discoveries in genome science. [9]

Modern evidence suggests that early cellular evolution occurred in a biological realm radically distinct from modern biology. It is thought that in this ancient realm, the current genetic role of DNA was largely filled by RNA, and catalysis also was largely mediated by RNA (that is, by ribozyme counterparts of enzymes). This concept is known as the RNA world hypothesis.

According to this hypothesis, the ancient RNA world transitioned into the modern cellular world via the evolution of protein synthesis, followed by replacement of many cellular ribozyme catalysts by protein-based enzymes. Proteins are much more flexible in catalysis than RNA due to the existence of diverse amino acid side chains with distinct chemical characteristics. The RNA record in existing cells appears to preserve some 'molecular fossils' from this RNA world. These RNA fossils include the ribosome itself (in which RNA catalyses peptide-bond formation), the modern ribozyme catalyst RNase P, and RNAs. [10] [11] [12] [13]

The nearly universal genetic code preserves some evidence for the RNA world. For instance, recent studies of transfer RNAs, the enzymes that charge them with amino acids (the first step in protein synthesis) and the way these components recognise and exploit the genetic code, have been used to suggest that the universal genetic code emerged before the evolution of the modern amino acid activation method for protein synthesis. [10] [11] [14] [15] [16]

The evolution of sexual reproduction may be a primordial and fundamental characteristic of the eukaryotes, including single cell eukaryotes. Based on a phylogenetic analysis, Dacks and Roger [17] proposed that facultative sex was present in the common ancestor of all eukaryotes. Hofstatter and Lehr [18] reviewed evidence supporting the hypothesis that all eukaryotes can be regarded as sexual, unless proven otherwise. Sexual reproduction may have arisen in early protocells with RNA genomes (RNA world). [19] Initially, each protocell would likely have contained one RNA genome (rather than more than one) since this maximizes the growth rate. However, the occurrence of damages to the RNA which block RNA replication or interfere with ribozyme function would make it advantageous to fuse periodically with another protocell to restore reproductive ability. This early, simple form of genetic recovery is similar to that occurring in extant segmented single-stranded RNA viruses (see influenza A virus). As duplex DNA became the predominant form of the genetic material, the mechanism of genetic recovery evolved into the more complex process of meiotic recombination, found today in most species. It thus appears likely that sexual reproduction arose early in the evolution of cells and has had a continuous evolutionary history.

Although the evolutionary origins of the major lineages of modern cells are disputed, the primary distinctions between the three major lineages of cellular life (called domains) are firmly established.

In each of these three domains, DNA replication, transcription, and translation all display distinctive features. There are three versions of ribosomal RNAs, and generally three versions of each ribosomal protein, one for each domain of life. These three versions of the protein synthesis apparatus are called the canonical patterns, and the existence of these canonical patterns provides the basis for a definition of the three domains - بكتيريا, العتيقة، و حقيقيات النوى (أو حقيقيات النوى) - of currently existing cells. [20]

Instead of relying a single gene such as the small-subunit ribosomal RNA (SSU rRNA) gene to reconstruct early evolution, or a few genes, scientific effort has shifted to analyzing complete genome sequences. [21]

Evolutionary trees based only on SSU rRNA alone do not capture the events of early eukaryote evolution accurately, and the progenitors of the first nucleated cells are still uncertain. For instance, analysis of the complete genome of the eukaryote yeast shows that many of its genes are more closely related to bacterial genes than they are to archaea, and it is now clear that archaea were not the simple progenitors of the eukaryotes, in contradiction to earlier findings based on SSU rRNA and limited samples of other genes. [22]

One hypothesis is that the first nucleated cell arose from two distinctly different ancient prokaryotic (non-nucleated) species that had formed a symbiotic relationship with one another to carry out different aspects of metabolism. One partner of this symbiosis is proposed to be a bacterial cell, and the other an archaeal cell. It is postulated that this symbiotic partnership progressed via the cellular fusion of the partners to generate a chimeric or hybrid cell with a membrane bound internal structure that was the forerunner of the nucleus. The next stage in this scheme was transfer of both partner genomes into the nucleus and their fusion with one another. Several variations of this hypothesis for the origin of nucleated cells have been suggested. [23] Other biologists dispute this conception [9] and emphasize the community metabolism theme, the idea that early living communities would comprise many different entities to extant cells, and would have shared their genetic material more extensively than current microbes. [24]

"The First Cell arose in the previously pre-biotic world with the coming together of several entities that gave a single vesicle the unique chance to carry out three essential and quite different life processes. These were: (a) to copy informational macromolecules, (b) to carry out specific catalytic functions, and (c) to couple energy from the environment into usable chemical forms. These would foster subsequent cellular evolution and metabolism. Each of these three essential processes probably originated and was lost many times prior to The First Cell, but only when these three occurred together was life jump-started and Darwinian evolution of organisms began." (Koch and Silver, 2005) [25]

"The evolution of modern cells is arguably the most challenging and important problem the field of Biology has ever faced. In Darwin's day the problem could hardly be imagined. For much of the 20th century it was intractable. In any case, the problem lay buried in the catch-all rubric "origin of life"---where, because it is a biological not a (bio)chemical problem, it was effectively ignored. Scientific interest in cellular evolution started to pick up once the universal phylogenetic tree, the framework within which the problem had to be addressed, was determined . But it was not until microbial genomics arrived on the scene that biologists could actually do much about the problem of cellular evolution." (Carl Woese, 2002) [26]

  1. ^ Schopf, JW, Kudryavtsev, AB, Czaja, AD, and Tripathi, AB. (2007). Evidence of Archean life: Stromatolites and microfossils. Precambrian Research 158:141-155.
  2. ^ Schopf, JW (2006). Fossil evidence of Archaean life. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 29361(1470):869-85.
  3. ^ Peter Hamilton Raven George Brooks Johnson (2002). مادة الاحياء . McGraw-Hill Education. ص. 68. ISBN978-0-07-112261-0 . Retrieved 7 July 2013 .
  4. ^
  5. Cooper, Geoffrey M. (2000). The Origin and Evolution of Cells. The Cell: A Molecular Approach (2nd ed.).
  6. ^
  7. Fox, Sidney W. Dose, Klaus (1972). Molecular evolution and the origin of life. San Francisco: W.H. Freeman. ISBN978-0-7167-0163-7 . OCLC759538.
  8. ^
  9. "Big Picture". Big Picture . Retrieved 1 October 2019 .
  10. ^
  11. "The Prebiotic Soup". earthguide.ucsd.edu . Retrieved 1 October 2019 .
  12. ^ This theory is expanded upon in The Cell: Evolution of the First Organism by Joseph Panno
  13. ^ أب
  14. Kurland, CG Collins, LJ Penny, D (2006). "Genomics and the irreducible nature of eukaryote cells". علم. 312 (5776): 1011–4. Bibcode:2006Sci. 312.1011K. doi:10.1126/science.1121674. PMID16709776. S2CID30768101.
  15. ^ أب
  16. Poole AM, Jeffares DC, Penny D (1998). "The path from the RNA world". J Mol Evol. 46 (1): 1–17. Bibcode:1998JMolE..46. 1P. doi:10.1007/PL00006275. PMID9419221. S2CID17968659.
  17. ^ أب
  18. Jeffares DC, Poole AM, Penny D (1998). "Relics from the RNA world". J Mol Evol. 46 (1): 18–36. Bibcode:1998JMolE..46. 18J. doi:10.1007/PL00006280. PMID9419222. S2CID2029318.
  19. ^
  20. Orgel LE (2004). "Prebiotic chemistry and the origin of the RNA world". Crit Rev Biochem Mol Biol. 39 (2): 99–123. CiteSeerX10.1.1.537.7679 . doi:10.1080/10409230490460765. PMID15217990.
  21. ^
  22. Benner SA, Ellington AD, Tauer A (1989). "Modern metabolism as a palimpsest of the RNA world". Proc Natl Acad Sci U S A. 86 (18): 7054–8. Bibcode:1989PNAS. 86.7054B. doi:10.1073/pnas.86.18.7054. PMC297992 . PMID2476811.
  23. ^
  24. Hohn MJ, Park HS, O'Donoghue P, Schnitzbauer M, Söll D (2006). "Emergence of the universal genetic code imprinted in an RNA record". Proc Natl Acad Sci U S A. 103 (48): 18095–100. Bibcode:2006PNAS..10318095H. doi:10.1073/pnas.0608762103. PMC1838712 . PMID17110438.
  25. ^
  26. O'Donoghue P, Luthey-Schulten Z (2003). "On the Evolution of Structure in Aminoacyl-tRNA Synthetases". Microbiol Mol Biol Rev. 67 (4): 550–73. doi:10.1128/MMBR.67.4.550-573.2003. PMC309052 . PMID14665676.
  27. ^ Gesteland, RF وآخرون. eds.(2006) The RNA World: The Nature of Modern RNA Suggests a Prebiotic RNA (2006) (Cold Spring Harbor Lab Press, Cold Spring Harbor, NY,).
  28. ^ Dacks J, Roger AJ (June 1999). "The first sexual lineage and the relevance of facultative sex". Journal of Molecular Evolution. 48 (6): 779–783. Bibcode:1999JMolE..48..779D. doi:10.1007/PL00013156. 10229582. S2CID 9441768
  29. ^ Hofstatter PG, Lahr DJG. All Eukaryotes Are Sexual, unless Proven Otherwise: Many So-Called Asexuals Present Meiotic Machinery and Might Be Able to Have Sex. بيوسيس. 2019 Jun41(6):e1800246. doi: 10.1002/bies.201800246. Epub 2019 May 14. 31087693
  30. ^ Bernstein H, Byerly HC, Hopf FA, Michod RE. Origin of sex. J ثور بيول. 1984 Oct 5110(3):323-51. doi: 10.1016/s0022-5193(84)80178-2. 6209512
  31. ^
  32. Olsen, GJ Woese, CR Ibba, M. Soll, D. (1997). "Archaeal genomics: an overview". زنزانة. 89 (7): 991–4. doi:10.1016/S0092-8674(00)80284-6. PMID9215619. S2CID7576095.
  33. ^
  34. Daubin, V Moran, NA Ochman, H (2003). "Phylogenetics and the cohesion of bacterial genomes". علم. 301 (5634): 829–32. Bibcode:2003Sci. 301..829D. doi:10.1126/science.1086568. PMID12907801. S2CID11268678.
    • Eisen, JA Fraser, CM (2003). "Viewpoint phylogenomics: intersection of evolution and genomics". علم. 300 (5626): 1706–7. Bibcode:2003Sci. 300.1706E. doi:10.1126/science.1086292. PMID12805538. S2CID42394233.
    • Henz, SR Huson, DH Auch, AF Nieselt-Struwe, K Schuster, SC (2005). "Whole-genome prokaryotic phylogeny". المعلوماتية الحيوية. 21 (10): 2329–35. doi: 10.1093/bioinformatics/bth324 . PMID15166018.
  35. ^
  36. Esser, C Ahmadinejad, N Wiegand, C Rotte, C Sebastiani, F Gelius-Dietrich, G Henze, K Kretschmann, E et al. (2004). "A genome phylogeny for mitochondria among alpha-proteobacteria and a predominantly eubacterial ancestry of yeast nuclear genes". علم الأحياء الجزيئي والتطور. 21 (9): 1643–60. doi: 10.1093/molbev/msh160 . PMID15155797.
  37. ^
  38. Esser, C Ahmadinejad, N Wiegand, C Rotte, C Sebastiani, F Gelius-Dietrich, G Henze, K Kretschmann, E et al. (2004). "A genome phylogeny for mitochondria among alpha-proteobacteria and a preedominantly eubacterial ancestry of yeast nuclear genes". Mol Biol Evol. 21 (9): 1643–50. doi: 10.1093/molbev/msh160 . PMID15155797.
  39. ^
  40. Woese, C (2002). "On the evolution of cells". بروك ناتل أكاد علوم الولايات المتحدة الأمريكية. 99 (13): 8742–7. Bibcode:2002PNAS. 99.8742W. doi:10.1073/pnas.132266999. PMC124369 . PMID12077305.
  41. ^
  42. Koch, AL Silver, S (2005). The first cell. Advances in Microbial Physiology. 50. pp. 227–59. doi:10.1016/S0065-2911(05)50006-7. ISBN9780120277506 . PMID16221582.
  43. ^
  44. Woese, CR (2002). "On the evolution of cells". وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم بالولايات المتحدة الأمريكية. 99 (13): 8742–7. Bibcode:2002PNAS. 99.8742W. doi:10.1073/pnas.132266999. PMC124369 . PMID12077305.

This article incorporates material from the Citizendium article "Evolution of cells", which is licensed under the Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Unported License but not under the GFDL.


HbA2 : biology, clinical relevance and a possible target for ameliorating sickle cell disease

HbA2 , a tetramer of α- and δ-globin chains, provides a diagnostic clue to the presence of β-thalassaemia trait. This minor haemoglobin, which forms about 2-3% of the total, has no known physiological role, but has the interesting property of preventing polymerization of deoxy-sickle haemoglobin. If it were possible to increase the level of HbA2 sufficiently it could have a benefit in sickle cell disease similar to that of foetal haemoglobin. Moreover, HbA2 is present in all erythrocytes, an advantage not found with foetal haemoglobin, which is heterocellularly expressed. The molecular basis of HbA2 gene (HBD) expression is partially understood, and with new molecular tools, it might be possible to induce levels of HbA2 that could be clinically important. However, high concentrations of this positively charged haemoglobin might damage the erythrocyte membrane also, the reciprocal relationship of δ- and γ-globin gene (HBD and HBG1/2, respectively) expression might negate any benefit of increasing transcription of the former.

الكلمات الدالة: HbS polymer delta-globin gene foetal haemoglobin haemoglobin switching sickle haemoglobin.


Why is hemoglobin bound in red blood cells?

Why isn't hemoglobin directly synthesized and released into the blood plasma? Producing it only contained in red blood cells seems like a lot of wasted energy to me.

To keep it safe and separate from all the other nasty stuff in your blood. Primarily proteases that would chop up hemoglobin. Cell biology is all about compartmentalizing relevant reactions and processes. It's basically the same reason that the cell has organelles like the lysosome or the nucleus, to keep things that need to be separate

To add to this, carbonic anhydrase is another factor in blood chemistry and it is highly active in red blood cells. Carbonic anhydrase maintains the pH balance, which is impacted by CO2/O2 balance (carbon dioxide is more acidic, so carbonic anhydrase generates the buffer H2CO3). Carbonic anhydrase is commonly cited as the fastest working enzyme, but part of the reason for its speed is that it is contained within red blood cells, the area where its reactant (carbon dioxide) is at highest concentration.

A red cell provides a host of services to the hemoglobin it contains. Red cells produce diphosphoglycerate, shunting it off the glycolytic pathway. Without proper DPG levels, oxygen would be too strongly bound for release in the tissues. Red cells also have high levels of glutathione an essential redox buffer necessary that maintains the proper disulfide-sulfhydral balance of the protein portions of hemoglobin among other functions to do with oxidative stress. However, I wouldn't be surprised if the original evolutionary advantage of packaging hemoglobin in erythrocytes were about protecting iron from infective microorganisms.

If we want to jump back some in our evolutionary timeline, lots of more primitive species of arthropods use hemolymph, where the pigments are not bound in cells, but there are hemocytes that function as a rudimentary immune system.

Jumping forward into more complex organisms, the next level you can look at would be Deuterostomes, but they also contain a dissolved pigment, not a cell bound one (and not very much of it, really). Tunicates also don't have cell bound respiratory pigments. I think the first place erythrocytes show up is in Craniata? Hagfishes have them.

I'm inclined to believe it has more to do with immune function and keeping oxygen sequestered away. All blood cells come off of the hematopoietic stem cell, which evolved before red blood cells. Keeping oxygen sequestered has a twofold benefit: First, without the cells, the maximum oxygen carrying capacity of the blood is limited by the amount of oxygen that can be dissolved in it - sequestering that in cells means the blood can essentially دائما dissolve more. Second, it prevents the hemoglobin from being attacked by rogue adaptive immune cells (which would very quickly prove to be fatal) and keeps it from being available to bacterial infections, for the same reasons.


شاهد الفيديو: ما الفرق بين الهيموغلوبين والمايوغلوبين Hemoglobin Vs Myoglobin (أغسطس 2022).