EduTranslator

Научные работы со всего мира

EduTranslator

Рубрика: Биология (Page 1 of 2)

Сравнительная характеристика лягушек, людей и шимпанзе

Оригинал доступен по ссылке bio.umass.edu/biology/kunkel

Лорейн М. Черри, Сьюзен М. Кейс, Джозеф Дж. Кункель и Аллан С. Уилсон
(1979, Science, Вып. 204, стр. 434-435)

Эволюционная биология нуждается в критериях или в системе, с помощью которых можно измерить морфологическую эволюцию таких разных существ, как лягушки и млекопитающие. Для измерения морфологических различий было предложено два типа критериев, один из которых основан на дискретных признаках, а другой — на количественных. Дискретные признаки — это такие признаки, характеристики которых меняются и оцениваются как 0 или 1 (наличие или отсутствие языка). Количественными признаками являются такие, характеристики которых постоянно меняются (длина ноги); в таком случае степень различия между характеристиками измеряется количественно.

Финдли (1) рекомендует использовать количественные признаки для сравнения значений морфологических различий людей и шимпанзе, а вслед за этим со значениями, присущими лягушкам. Он останавливает свой выбор на шести количественных признаках, так что характеристики  шпорцевой лягушки отличаются от характеристик бурой лягушки, тогда как у человека оно совпадает с характеристиками, присущими шимпанзе (1). Мы предлагаем встречный перечень шести количественных признаков, в отношении которых был получен противоположный результат. Согласно данным признакам шимпанзе и человек различаются, тогда как у шпорцевой и бурой лягушек эти признаки идентичны. В Таблице I приведены результаты сравнения иных пар видов по 12 признакам. Лягушки, принадлежащие к разным видам, родам или семействам, идентичны по всем 12 признакам, а это подтверждает гипотезу о том, что фенотипически шимпанзе отличаются от людей больше, чем одно семейство лягушек от другого.

Однако большинство нумерических таксономистов утверждают, что 12 дискретных признаков – этого слишком мало для того, чтобы исследование было на надлежащем уровне. Поскольку сообщается, что шимпанзе и люди различаются, по меньшей мере, по 312 количественным признакам (2), нам пришло в голову предложить Финдли придумать такое же количество дискретных признаков, по которым можно различить шпорцевых и бурых лягушек. Подобное занятие может оказаться интересным, но оно может не обладать научной ценностью. Мы не уверены в том, что есть смысл использовать дискретные признаки для оценки общей степени морфологического различия между видами. Наш скептицизм проистекает главным образом ввиду рассмотрения того вопроса, как избежать предвзятости при отборе дискретных признаков. Данный вопрос иллюстрируется противоречивыми результатами, полученными в приведенном выше примере. В зависимости от того, какой из двух комплектов, состоящих из шести признаков, был выбран, отличие человека от шимпанзе кажется либо незначительным, либо эволюционно значимым (6) по сравнению с отличиями между шпорцевой и бурой лягушками.

Мы считаем, что для определения точной величины морфологического различия количественные признаки могут оказаться более подходящими, чем дискретные. Из исследований генетики количественных признаков хорошо известно, что такие линейные признаки обычно демонстрируют непрерывные изменения в генетических исследованиях. При этом, согласно нашей собственной морфологической работе с сотнями видов (3, 4), каждая исследованная количественная характеристика отличается по длине как внутри одного вида, так и при сравнении различных видов. Таким образом, изменчивость в рамках конкретной таксономической группы не является критерием выбора количественных признаков.

Черри и др. (1) разработали систему измерения морфологической удаленности, основанную на количественных признаках всех основных частей тела. Данная система измерений однообразным образом связана с привычными зоологическими величинами фенотипического расстояния у лягушек (3). Финдли (1), похоже, упустил из виду значение этой эмпирической демонстрации пользы системы измерения, основанной на количественных признаках.

Независимо от подхода, который находится в предпочтении, из уже имеющейся информации ясно, что, в соотношении с различиями между семействами лягушек, морфологическое различие между людьми и шимпанзе является значительным. Однако, если брать во внимание лягушек, то на уровне белковой последовательности различие между шимпанзе и человеком весьма незначительно. Как указывалось ранее, виды лягушек обычно отличаются друг от друга своими белковыми последовательностями в гораздо большей степени, чем люди от шимпанзе (3, 5). Таким образом, морфологическая эволюция и эволюция белковых последовательностей могут быть противоположно направленными. Данный контраст предполагает важные последствия для нашего понимания механизма эволюции.

ЛОРЕЙН М. ЧЕРРИ
Кафедра биохимии, Калифорнийский университет,
Беркли 94720, и
Кафедра биологии, Государственный университет Сан-Диего,
Сан Диего. Калифорния 92182

СЬЮЗАН М. КЕЙС
Музей сравнительной зоологии, Гарвардский университет, Кембридж, Массачусетс 02138

ДЖОЗЕФ Г. КУНКЕЛ
Факультет зоологии, Массачусетский университет, Амхерст 01002

 АЛЛАН К. УИЛСОН
Кафедра биохимии,
Калифорнийский университет, Беркли

Ссылки и примечания

  1. Дж. С. Финдли, Science, Вып. 204, стр. 434 (1979).
  2. А. Кит, диссертация, Абердинский Университет (1894); Nature (London), Вып. 85, стр. 508 (1911).
  3. Л. М. Черри, С. М. Кейс, А. К. Уилсон, Science, Вып. 200, стр. 209 (1978).
  4. Л. М. Черри, С. М. Кейс, Дж. Г. Кункель, Дж. С. Уайлс, А. К. Уилсон, в процессе подготовки к печати.
  5. М.-К. Кинг и А. С. Уилсон, Science, Вып. 188, стр. 107 (1975).
  6. Благодарим за обсуждение Р. Л. Канна и В. М. Сарича.

 

Переносчики паразитов

Оригинал на английском доступен по ссылке www.tulane.edu

У паразитов, находящихся в крови или внутренних органах хозяина, имеются проблемы в плане заражения нового хозяина. В отличие от фекально-орального способа передачи, при котором инфекционные звенья выделяются в окружающую среду, потенциальные новые хозяева обычно не вступают в контакт с паразитом (с точки зрения эволюции передача при переливании крови оказывается весьма недавним случаем). Передача путем хищник-добыча — это одна из стратегий, используемых такими простейшими, как Toxoplasma и Sarcocystis, для преодоления указанных барьеров передачи. Как видно из названия, передача путем хищник-добыча осуществляется с помощью двух разных хозяев. Хищник инфицируется, поедая зараженную добычу. Это вызывает у хищника кишечную инфекцию и приводит к выведению инфекционных звеньев вместе с калом. Добыча — как правило, травоядное животное — заражается при употреблении инфекционных звеньев, с которыми она сталкивается в окружающей среде. После того, как подходящая добыча его проглатывает, паразит проникает через эпителий кишечника и поражает внутренние органы или ткани хозяина, где выжидает, пока свою добычу проглотит хищник.

Передача паразита — это еще одна стратегия, используемая простейшими паразитами, которые находятся в крови или внутренних тканях своего хозяина. Данная стратегия включает гематофагию (т.е. питание кровью), которая служит посредником для следующими один за другим позвоночными хозяевами. Некоторые заболевания человека, вызванные простейшими, передаются различными членистоногими переносчиками (таблица). Переносчики — это не просто «крылатые шприцы», они также являются еще одним хозяином для простейшего паразита. Таким образом, жизненный цикл трансмиссивных заболеваний также включает в себя сложные взаимодействия простейших и переносчиков, аналогичные сложным взаимодействиям человека с простейшими. Трансмиссия паразитов переносчиками, вероятно, неоднократно эволюционировала.

Простейшие, передающиеся переносчиками
Простейшие Переносчики
Паразиты Заболевание Народное название Вид
Trypanosoma gambiense, T. brucei африканский трипаносомоз муха цеце Glossina
Trypanosoma cruzi болезнь Шагаса триатомовый клоп и пр. Triatoma, Rhodnius
Leishmania лейшманиоз москит Phlebotomus, Lutzomyia
Plasmodium малярия москит Anopheles
Babesia бабезиоз клещ Ixodes

Передача переносчика также включает в себя сложные взаимодействия между людьми и переносчиками. Сюда относится характер взаимодействия человека и членистоногого, а также экологические соображения. Таким образом, у паразитов, переносимых переносчиками, наблюдаются сложные жизненные циклы, включающие взаимодействие между людьми, простейшими и членистоногими. Особенности переносчиков и их взаимодействие с людьми предусматривают средства для контроля передачи этих заболеваний.

  • Муха цеце и африканский трипаносомоз
  • Триатомовый клоп и Trypanosoma cruzi
  • Москиты и лейшманиоз
  • Anopheles и Plasmodium
  • Клещи и Babesia
  • Стратегии контроля

Муха цеце и африканский трипаносомоз

tsetse

Род Glossina, общепринятое название — «муха цеце», представлена не менее 30 видами и подвидами мух, обитающими в Африке к югу от Сахары. Взрослые мухи цеце — это мухи желтого, коричневого или черного цвета длиной 6-14 мм.

tsetse wingДиагностическим признаком рода является «клетка в виде топора», обнаруженная в центре крыльев (рисунок). Большинство видов попадают в одну из двух основных групп: palpalis и morsitans. Группа palpalis ассоциируется со средой у берегов реки и часто встречается вблизи ручьев, рек и озер в западной и центральной Африке. Группа morsitans чаще всего ассоциируется с саваннами и зонами сухого кустарника в восточной части Африки. Группы palpalis и morsitans связаны с передачей Trypanosoma gambiense и T. rhodesiense соответственно. Различия в особенностях и взаимодействии этих двух видов мухи цеце с водохранилищами способствуют различным проявлениям болезней, вызываемых двумя африканскими видами трипаносомы (см. Таблицу в примечаниях по африканским трипаносомам).

И самцы, и самки мухи цеце — прожорливые едоки, а опасные виды переносчиков склонны жить за счет крупных млекопитающих. На сечуана «цеце» означает «муха, губительная для крупного рогатого скота» (следовательно, муха цеце наличествует в изобилии). Укус мухи цеце болезненный, но обычно незначительный. Иногда образуется рубец, а у некоторых людей проявляется аллергическая реакция на слюну. Тем не менее, мухи цеце являются постоянными едоками и могут вызывать сильные раздражения у людей и животных. Цеце питаются по принципу подтока (то есть тельмофаги): разрывают кожу частями ротового аппарата, а затем поглощают кровь и лимфу, которые попадают в поверхностный очаг. Передача трипаносомы происходит через слюну, которая вводится в место укуса. Слюна содержит вещества, расширяющие кровеносные сосуды и предотвращают коагуляцию.

Жизненный цикл африканских трипаносом включает поочередный переход от позвоночного хозяина к переносчику мухе цеце и обратно. Трипомастиготы из кровотока позвоночного хозяина попадают в организм мухи цеце и превращаются в проциклические трипомастиготы, которые размножаются в кишечнике мухи цеце. Чтобы завершить жизненный цикл, эти проциклические формы должны проникнуть в слюнные железы. Точный механизм, с помощью которого паразит мигрирует из кишечника мухи цеце в слюнные железы, неизвестен. Было предложено два варианта пути: 1) классический путь, по которому паразит «возвращается» через пищеварительную систему и мигрирует вверх по протоку слюнной железы, или 2) путь напрямую, по которому паразит проникает через перитрофическую мембрану и кишечный эпителий, чтобы получить доступ к гемолимфе. Каждый маршрут представляет барьеры и иллюстрирует сложные взаимодействия между простейшим паразитом и переносчиком (рисунок).

tsetse gut

Схематическое изображение взаимодействия трипаносомы с мухой цеце. Трипомаситготы поглощаются вместе с кровяной мукой и проходят через пищевой канал (ПК) и зоб (З). Кровяная мука заключена в перитрофическую мембрану (ПМ) через желудочковый клапан (ЖК), когда она входит в среднюю кишку. Миграция проциклических трипомастигот из средней кишки в слюнные железы (СЖ) проходит двумя вероятными путями (обозначены стрелками): «классическим» и «напролом». Классический путь предполагает миграцию в направлении задней кишки (мальпигиевых сосудов, МС, и прямой кишки, ПК) и выход из перитрофической мембраны. Затем проциклический агент мигрирует вперед через эктоперитрофическое пространство, выходит из провентрикулярного клапана, проходит по пищевому каналу и входит в слюнный проток (СП), чтобы получить доступ к слюнным железам. Путь напрямую включает прямое проникновение в перитрофическую мембрану и кишечный эпителий (КЭ), чтобы проникнуть к гемоцели. Из гемоцели трипаносомы проникают в слюнные железы.

metacyclic

Схема стадий развития обнаруженных в слюнной железе мухи цеце. Согласно Тетли  и Викерман (1985) J. Cell Sci. 74: 1.

После достижения слюнной железы паразит принимает эпимастиготную форму. Эпимастигот прикрепляется к эпителиальным клеткам слюнных желез посредством жгутика (ж) и подвергается дальнейшей репликации. Дифференциация в метациклические трипомастиготы включает появление поверхностного слоя (пс) и изменения в митохондриях (м), сопровождающие миграцию кинетопласта (к) к задней части (рисунок). Данные изменения в развитии являются необходимыми для того, чтобы стать заразным для млекопитающего хозяина. Зрелый метациклический трипомастигот извлекается из эпителиальных клеток и остается в просвете слюнной железы, пока не будет удален мухой цеце во время питания.

Триатомовые клопы и Trypanosoma cruzi

Triatoma infestans

Изображение сделано на основе A.M. Rose (http://www.arose.net/triatoma/pics.htm) и используется с разрешения (© H Knüttel & AM Rose).

Существует несколько родов и видов триатомовых клопов, способных переносить Trypanosoma cruzi. Наиболее значимые переносчики это: Triatoma infestans, Panstrongylus megistas и Rhodnius prolixus. Триатомовые клопы — это, как правило, крупные насекомые размером от 5 до 30 мм. В основном это насекомые Нового Света, обитающие в Аргентине и Соединенных Штатах. Жизненный цикл состоит из пяти нимфальных возрастов, после которых появляется половозрелая взрослая особь. Только у взрослых особей есть крылья. Триатомовые клопы питаются кровью на протяжении всей жизни, и все стадии могут быть заражены T. cruzi. Распространенными именами являются «ласковый убийца», «поцелуйный клоп» (в связи с его склонностью кусать лицо) и «конусоносый жук» (из-за его заостренной головы).

Большинство триатомовых клопов не ищут определенного хозяина и питаются широким спектром млекопитающих, а также птиц и рептилий. Передача T. cruzi часто связана с местными видами, которые приспособились к жизни в человеческих жилищах. Таковыми жилищами являются, как правило, хижины из самана или соломенной крыши, которые предоставляют насекомым множество укрытий. Жуки вылезают ночью, чтобы питаться спящими людьми. Они питаются из капилляров, время приема пищи которых составляет от 3 до 30 минут. Взрослые особи могут потреблять до 0,25 мл крови за один раз, а в общей сложности в течение всей жизни триатомовый клоп может употребить 4-10 мл крови позвоночных. Укусы, как правило, безболезненные, несмотря на большой хоботок. Предполагается, что слюна содержит обезболивающее. Хотя питание триатомового клопа не вызывает сильную боль, их укусы могут вызвать неприятную сыпь в месте укуса и вызвать гиперчувствительность.

Триатомовые клопы заражаются при попадании в их кровь трипомастигот вместе с кровяной мукой. Трипомасиготы превращаются в эпимастиготы, являющиеся репликативной формой, обнаруживаемой преимущественно в средней кишке. Эпимастиготы превратятся в непролиферилующие метациклические трипомаситиготы. Метациклогенез почти исключает прямую кишку и крепится к эпителию прямой кишки. Взаимодействия типа «переносчик-паразит» важны для успешной репликации и дифференциации T. cruzi. (См. Также: Коллин и Шауб. Развитие Trypanosoma cruzi у triatominea. Parasitol. Today 16: 381; 2000.) Инфекционные метациклические трипомастиготы выделяются вместе с калом. Данный тип передачи упоминается как «передача посредством задней кишки» или «стерокальный» и является значительно менее эффективным, чем передача посредством слюны.

Москиты и лейшманиоз

Sandfly

Согласно Питерсу и Жилю (Цветной атлас тропической медицины и паразитологии)

Москиты (песчаные мухи) являются переносчиками лейшманиоза, а также некоторых бактериальных (бартонеллез) и вирусных заболеваний (москитная лихорадка). Размер взрослых москитов около 2 мм в длину, им характерны тела и крылья с волосяным покрытием (рисунок?). Есть две группы видов песчаных мух: Phlebotomus и Sergentomyia, обнаруженные в восточном полушарии (Европа, Азия, Африка, Австралия), и Lutzomyia, Brumptomyia, Warileya в западном полушарии (т. е. в Новом Свете). В общих чертах, виды песчаных мух, характерные для Старого Света живут в пустынных или полузасушливых экосистемах, а виды москитов характерные для Нового Света обитают в лесах. Некоторые виды Старого Света будут размножаться около жилищ и попадать в жилища людей, тогда как передача заболеваний в Новом Свете связана с людьми, живущими или работающими рядом с лесом.

Москиты, ответственные за передачу лейшманиоза, — это Phlebotomus и Lutzomyia в Старом и Новом Свете, соответственно. Пространственное распределение лейшманиоза и других болезней, передаваемых москитами, неоднородно из-за предельной дальности полета москита. Их полет часто описывается как «прыжок», характеризующийся короткими полетами, перемежающимися парой секунд отдыха. У москитов дальность полета небольшая и обычно это в пределах дюжины метров от места размножения.

Как правило, кровью питаются только самки москитов, и наиболее активно они питаются в сумерках или ночью, или же в условиях низкой освещенности, например в тени. У них короткие рты и они питаются по принципу подтока. При укусе образуются папулы розового цвета, окруженные эритематозной областью диаметром около 10-20 мм.

Инфицированные амастиготами макрофаги проникают с кровяной мукой и LPGпревращаются в промастиготы (см. Жизненный цикл Leishmania). Эти проциклические промастиготы прикрепляются к эпителию средней кишки москита и размножаются. Присоединение совершается при посредстве липофосфогликана (LPG). LPG — это гликоконъюгат, изобилующий клеточной мембраной, состоящий из трех основных областей: якоря гликолипидного мембранного якоря, повторяющихся дисахаридных звеньев и небольшого колпачка (рисунок). LPG претерпевает биохимические изменения по мере того, как паразиты превращаются в метациклические промастиготы. Количество дисахаридных звеньев увеличивается примерно вдвое, что приводит к удлинению LPG, а колпачок меняется с галактозы на арабинозу. Считается, что изменение структуры колпачка связано с отслаиванием от эпителия кишечника, в связи с чем считается, что это связано с галактозо-специфическими лектинами, обнаруживаемыми в эпителии кишечника москитов. Удлинение LPG связано с повышенной устойчивостью к комплементу, что предполагает роль LPG в плане эффективности заражения позвоночного хозяина (Обзор гликоконъюгатов Leishmania см.: Descoteaux and Turco, Biochem. Biophys. Acta 1455:341; 1999).

Также существуют факторы в слюне москитов, усиливающие инвазивную способность Leishmania относительно позвоночного хозяина. Некоторым из этих соединений слюнных желез характерна способность подавлять иммунитет в отношении лимфоцитов и макрофагов, что может объяснять потенцирование.

НЕСКОЛЬКО ОБЩИХ ВОПРОСОВ О КАРЬЕРЕ В СФЕРЕ МОРСКОЙ БИОЛОГИИ

Оригинал доступен по ссылке life.bio.sunysb.edu

Как сказал Сейнфельд……

Джерри: Теперь я должен сказать вам, что у нее сложилось впечатление, будто вы…
Джордж: Я что?
Джерри: Морской биолог.
Джордж: Морской биолог… почему это я морской биолог?
Джерри: Может это я обмолвился.
Джордж: Но я не морской биолог!
Джерри: Я в курсе.
Джордж: И?
Джерри: Ты не считаешь, что это хорошая работа.
Джордж: Я не считал, что это — работа.
Джерри: О. Это восхитительное поле деятельности!

Обратите внимание: это можно рассматривать как интервью морского биолога, а именно профессора Джеффри Левинтона из Университета Стоуни Брук (Стоуни Брук, Нью-Йорк, США). Я каждый день получаю много запросов на проведение интервью, и, так как я не могу ответить на очень много разных запросов по отдельности, вот мой ответ. Если у вас есть 3 (или меньше) вопроса, которые отличаются от приведенных ниже, я постараюсь на них ответить, но только по электронной почте. Я иногда бываю вне города и не всегда отвечаю быстро, но я постараюсь. Мои собственные исследования описаны здесь.

  1. Каковы, на ваш взгляд, недостатки профессии морского биолога?

Вообще не вижу никаких существенных недостатков. Не могу пожаловаться на свободу (ее достаточно) и возможности (различные — от правительства до преподавания и написания популярных книг).

  1. Каковы, на ваш взгляд, преимущества профессии морского биолога?

Из преимуществ: вы делаете то, что любите делать; путешествия, часто в потрясающие и очаровательные места; взаимодействие с интересными людьми.

  1. Если бы вы могли начать все сначала, вы бы выбрали эту сферу деятельности? Почему?

Возможно, а, возможно, и нет. Кто знает почему? Жизнь сложна. Я сначала хотеть быть писателем, но обнаружил, что я любил геологию и она была моей специализацией в колледже и аспирантуре. Именно в аспирантуре морская биология стала моим основным интересом.

  1. Я слышал, что трудно устроиться на работу морским биологом из-за небольшого числа открытых вакансий. Вам было тяжело в этом плане?

Мне повезло, поскольку в начале 1970-х годов рабочие места были относительно общедоступны, но не следует идти в эту сферу без объективного понимания рынка труда. Рабочие места в правительственных службах и в академической сфере предполагают весьма конкурентную основу, но они все же доступны. У меня было 22 студента, получивших докторскую степень, и все они трудоустроены или на пути к этому. Я настроен оптимистично.

  1. Что в этой области, по вашему мнению, приносит больше всего удовольствия?

Следование вашим интересам в качестве исследователя, обучение студентов.

  1. Какие профессии связаны с областью морской биологии?

Океанограф, инженер по охране окружающей среды, молекулярный биолог

  1. Сколько зарабатывают морские биологи?

На это непросто ответить, поскольку присутствует значительная вариация. Если бы вы были среднестатистическим доктором наук, пришедшим сейчас на работу в университет в качестве доцента, то вы бы получали около 50 000-65 000 долларов США за учебный год, а затем могли бы получать и летнюю зарплату, в основном за счет грантов. Зарплата учителей государственных школ, как правило, ниже, и разница велика. В консалтинговых фирмах ставка будет от 40 тысяч и выше. Верхний предел крайне изменчив, но в университетах зарплата морских биологов обычно соответствует средней зарплате профессоров наук. В наши дни штатный профессор в университете в течение учебного года зарабатывает 85 000-120 000 и больше.

  1. Как вы впервые заинтересовались морской биологией?

Трудно сказать, но я почти уверен, что это был просмотр знаменитого фильма Жака Кусто «В мире безмолвия». Мой отец отвез меня в центр Нью-Йорка в The Paris Theater, чтобы посмотреть эту картину, которая тогда считалась великолепным художественным фильмом, снятым великим Луи Маллем, и получившим премию Оскар. Коралловый риф был обворожительным, и меня зацепило. Кстати, должен сказать, что я очень недоволен теми морскими биологами, которые делают выпады в сторону Кусто и видят в нем оппортуниста, воспользовавшегося возможностями ученых и укравшего свет софитов; он изобрел подводное плавание и вдохновил любить морскую биологию больше людей, чем кто-либо иной из сотни морских биологов. В детстве он завернул надводную камеру в прозрачный пакет и сделал множество подводных снимков. Его одержимость принесла нам огромный прок.

  1. Что мне нужно сделать, чтобы стать морским биологом?

В эти дни учеба в колледжа важна, но не думайте, что вам необходимо идти в колледж, специализирующийся на морской биологии. Найдите колледж, первоклассный в плане естественных наук, но где также имеется хорошая гуманитарная подготовка и подготовка по связи. Убедитесь, что летом на первом или на последнем годе вашего обучения вы получите летнюю работу или пройдете курс обучения в морской лаборатории (см. ссылки на морские лаборатории и ссылки на стажировки/летние курсы на главной странице MBWEB URL). Это даст вам больше, чем какие-либо 5 курсов морской биологии в колледже. После колледжа образование в сфере морской биологии вы будет получать в магистратуре. Еще одна хорошая стратегия — стать биологом в колледже, где проводят исследования морские биологи. Если вы хотите стать техником, то степени магистра хватит, но в наши дни для того, чтобы стать независимым ученым, который может руководить исследовательскими проектами, быть хорошим должностным лицом в агентстве по охране окружающей среды и т. д. необходимо быть доктором философии.

Получение степени магистра обычно занимает около 2 лет. Важно выбрать университет, в котором программа обоснована. Вы хотите получить основное образование в области морской биологии, но, в зависимости от ваших карьерных целей, вам может понадобиться весьма специфический набор курсов и возможность провести какое-то исследование. Может быть, получится быстро закончить магистратуру, но у вас может не доставать основного образования, для подачи заявки на работу. Это особенно актуально, если вы хотите работать в определенной области, такой как марикультура моллюсков. Получение степени доктора в аспирантуре США занимает в среднем шесть лет, но во всем мире наблюдается значительный разброс. В Великобритании и Австралии, например, получение звания доктора, как правило, занимает 3-4 года, так как они, как правило, пропускают формальную курсовую работу, делая упор на исследования. В США множество программ по подготовке докторов отбирают подходящих студентов прямо из их бакалавриата, но значительное количество студентов сначала получают степень магистра, чтобы посмотреть, хотят ли они получать степень доктора философии. В таких учреждениях, как Школа морских и атмосферных наук в Стоуни Брук и Виргинский институт морских наук есть двухкомпонентные программы, позволяющие плавно переходить от магистратуры к получению статуса доктора наук.

  1. Чем вы занимаетесь как морской биолог?

Я — преподаватель университета, тратящий много времени на исследования, написание учебников и работу с прочими группами людей, интересующимися морскими проблемами. Мое исследование многим может показаться невразумительным, но оно включает понимание того, как функционирование людей может быть связано с колебаниями населения. Примером этого является изучение того, как питание и зарывание морских моллюсков, червей и других животных, питающихся отложениями, влияет на окружающую среду, помогая разложению органических веществ, перемешивая и насыщая кислородом отложения, и регулируя крупинки в отложениях. Если вы когда-либо ходили по грязной квартире — вы попали на мою территорию! Меня также очень интересовало, как устрицы и мидии, питающиеся с помощью фильтрации, влияют на свою экосистему за счет быстрой фильтрации слоя воды; фильтрация, которую совершают подобные существа, весьма эффективна, и внутренние воды могут быть очищены от частиц пищи. Я также работал над воздействием загрязнения на обитателей морского дна, особенно в плане их устойчивости к токсичным веществам. Часто токсичный загрязнитель убивает всех, кроме нескольких особей, генетически отличных и устойчивых к этому веществу. Данные особи размножаются, что приводит к генетически устойчивому штамму. Это может сказываться отрицательно, потому что такие особи могут концентрировать токсичное вещество и переносить его в пищевую цепочку, попадая иногда в конечном итоге в пищу к людям.

  1. С проблемами какого характера вы сталкиваетесь?

Основная проблема заключается в том, чтобы сбалансировать обязанности, например, время, посвященное преподаванию и время на исследования. Кроме того, для многих исследовательских грантов финансирование является существенным, но оно в значительной мере сопряжено с соперничеством. Я был достаточно успешным в получении грантовых средств, но со временем это становится все труднее.

  1. Какие действия вы предпринимаете для решения этих проблем?

Работа над исследованиями вне кампуса помогает справляться с конфликтами в плане распределения времени. Каждое лето я провожу в морской лаборатории почти в 3 000 милях от моего университета. Так проще возвращаться и посвящать время студентам, не чувствуя, будто я что-то упускаю. Подача заявки на получение гранта занимает много времени и нужно проявлять творческий подход в поиске средств из разных источников, а также участвовать в различных проектах.

  1. Требует ли эта профессия быть в разъездах?

Морская биология и морские науки, как правило, тесно связаны с международными исследованиями и совместным планированием исследовательских программ. Моя собственная работа привела меня к длительному пребыванию в Дании, Швеции, Великобритании и на юге Франции. Я провел 5 месяцев в Австралии в 1999 году, около месяца в 2009 году, и я надеюсь скоро туда  вернуться. Такие командировки не редкость для исследований морских биологов. Конечно, биологические океанографы часто находятся в круизах к глубинам океанов и курсируют в водах всех океанов. Участие в научных встречах позволяет демонстрировать результаты исследований и следить за новейшими результатами.

  1. Насколько обязанности этой работы отличались от того, чего вы ожидали?

Все ученые университета жалуются на большой объем работы, которая не является ни преподавательской, ни исследовательской; работа в комитете, заполнение множества форм, выполнение различных видов работ по техническому обслуживанию, касающихся вашей профессии. В остальном многое зависит от вас. Существует огромная свобода в плане выбора собственного пути, хотя я должен признать, что большинство преподавателей выбирают довольно скучную стезю.

  1. Каким людям вы бы порекомендовали эту профессию?

Вы должны любить пребывание на открытом воздухе, и вы должны любить монотонную работу. Вам также необходимо любить общаться и обладать умением хорошо писать и говорить. Самое главное — вы должны любить ДУМАТЬ и иметь СВЕЖИЕ ИДЕИ. Эти черты следует искать во многих типах личностей, хотя болезненно застенчивые люди должны найти зазор, где можно спрятаться, если они хотят добиться успеха. В колледжах этого достичь сложно.

  1. Насколько эта сфера деятельности является изматывающей и стрессогенной?

Как и всякая наука, она требовательна, потому что производительность легко измеряется качеством и количеством публикаций, которые вы издаете. Планирование полевых работ или круизов также вовлекает организованного человека. Я должен сказать, что потенциальный стресс при создании совместных графиков более чем компенсируется удовольствием от процесса. Это не то же самое, что организовать деловую встречу с кучкой скучных людей; это больше похоже на организацию графика для поездки способной бейсбольной команды.

  1. Что у меня за профессия и какова должность?

Я — заслуженный профессор экологии и эволюции в Университете Стоуни Брук.

  1. Какие существуют возможности карьерного роста в области морской биологии?

Это зависит от вашего жизненного пути. Если вы учитесь в университете, вы можете подняться из рядов младших сотрудников до заслуженного профессора. Если у вас что-то не ладится, то вы можете занять административную должность. Это приведет к тому, что вы станете деканом или даже проректором (вторым по званию в университете). Вы даже можете стать президентом университета (но там нет овального кабинета).

Если вы вступаете в ряды охраны окружающей среды, то там обычно пашут на ниве составления отчетов о воздействии на окружающую среду (как сотрудник частной компании, как в случае с консалтинговой компанией) или оценка таких отчетов (если в правительстве). Если вы весьма одаренные, то вы, подобно двум моим аспирантам, будете чрезвычайно влиятельным сотрудником государственного учреждения (в их случае EPA, в Австралии и Соединенных Штатах — зависит от студента), объединяя множество групп для решения важных вопросов. Еще один студент, получивший подготовку по нашей программе, работал помощником директора в Научно-техническом бюро Белого дома.

  1. Есть ли какие-либо дополнительные преимущества, связанные с вашей работой?

Мне нелегко это признать, но оплачиваемое путешествие для того, чтобы попасть на встречи, полевые работы в замечательных местах, и т.д., — это действительно заманчиво. Вы можете себе представить, что вам платят за работу в Провансе? На прекрасных островах Сан-Хуан в Вашингтоне? В Австралии? Дании? На Ямайке? Это — мой опыт, но я завидую тем, кто оказался намного успешнее. Кроме того, морская биология является весьма интернациональной сферой. Я горжусь, что у меня есть хорошие друзья по всему миру. В конце концов, должен сказать, что мое положение государственного служащего также неплохо. Я получаю очень хорошие пенсионное пособие и медицинскую страховку, у меня также есть государственная бюрократия, на которую можно ежедневно жаловаться. Это дополнительное психологическое преимущество, которое нельзя переоценить.

  1. Как проходит день в жизни морского биолога?

Как и следовало ожидать, достаточно разнообразно. Если вам действительно повезло, то вы можете делать все, что угодно. Писать, работать в лаборатории. Преподавание также обычно очень полезно… но наступает реальность. У большинства преподавателей много работы в комитетах, совещаний и встреч с бюрократами. Для меня нет ничего лучше, чем лето в морских лабораториях. Там вы много работаете, много общаетесь с коллегами (и друзьями) и можете неформально общаться.

  1. На какие профессии может претендовать морской биолог?
  • Преподаватель в университете или в старшей школе
  • Исследователь (университет, океанографическая лаборатория)
  • Лаборант в университете, океанографической лаборатории
  • Менеджер отдела кадров в органах власти, например Управление рыболовства, Госдеп по защите окружающей среды
  • Техник или выездной работник в консалтинговой компании
  • Биолог, работающий в организации по защите окружающей среды
  • Биолог, работающий в аквариуме или зоопарке
  1. Случаются ли забавные случаи?

Цензура.

  1. Поиск стажировки — это хорошая идея?

Стажировка — это идеальный способ познакомиться с исследованиями в области морской биологии. Студенты проходят стажировку во многих морских лабораториях. Стажировки для старшеклассников встречаются реже. Одна из наиболее успешных систем — это программы Research Experiences for Undergraduate под началом Национального научного фонда. Программа REU оплачивает стипендию плюс расходы на лето, посвященное исследованиям. В некоторых случаях гранты REU рассматривают морские лаборатории (например, Friday Harbor Laboratories в штате Вашингтон) или отдельные исследователи.

  1. Получаете ли вы какие-либо бонусы по месту работы?

В университетах бонусы не предоставляются, но они часто являются частью работы в частной фирме, такой как консалтинговая компания.

  1. Сколько стоит быть морским биологом?

На это нелегко ответить, потому что присутствует очень значительная вариация. Многие аспиранты (если не большинство) получая степень доктора поддерживаются университетом, в который они поступают. Обучение, как правило, бесплатное, и студент получает стипендию (денег не очень много, но достаточно, чтобы жить). На сегодня ставка будет от 16 000 до 30 000 долларов в год. Различие весьма велико, но все зависит от региона и степени, в которой университеты признают ценность и потребности своих студентов. На уровне магистратуры обычно принято, что студент платит за обучение и сумма может варьироваться от прибл. 3 000 в год в государственном университете до 30 000 в частном.

  1. Как морская биология способствует обществу?

Многие морские биологи являются академиками и поэтому вносят свой вклад в базу знаний и обучают студентов. Это вклад? Не всегда! Много других людей работает в государственных учреждениях, следя за загрязнением и рыбными запасами, а также разрабатывая политику управления рыболовством и контролем загрязнения. Кто-то работает в природоохранных организациях, стремящихся защитить морскую среду и исчезающие виды.

  1. Является ли писательский труд значительной частью работы?

Навыки письменного изложения для морских биологов КРАЙНЕ важны. В моем курсе я заставляю студентов написать три статьи. Возможность общаться в письменной форме различает тех, кто преуспевает, и тех, кто оказывается на бесперспективной работе с относительно небольшой зарплатой и продвижением (личным и финансовым). Независимо от того, являетесь ли вы консультантом или преподавателем, вы обнаружите, что пишете много отчетов и статей. Это то, как вы убеждаете общественность сохранять морскую среду, это способ получить деньги на исследования и, конечно, способ убедить своих коллег в том, что вы обнаружили кое-что интересное.

  1. Какие навыки необходимы для того, чтобы быть морским биологом?

С профессиональной точки зрения академический морской биолог обычно получает степень доктора по специальности и, как правило, у него есть как минимум 2 года постдокторской подготовки. В течение этого периода требуемых навыков очень много, включая образование в широких областях биологии и морской науки, изучение смежных областей науки и математики (высшая математика и статистика очень желательны), умение работы с компьютерами и, предпочтительно, программирование, опыт работы с по крайней мере, кое-каким оборудованием как в лаборатории, так и в полевых условиях.

С личной точки зрения наука — это предмет, который включает в себя гораздо больше навыков общения и сотрудничества, чем себе представляет большинство людей. Если вы трудный человек, то вам лучше научиться ладить со своими сверстниками и руководителями. Однако я должен признать, что один из тысячи может быть совершенно ужасным человеком и преуспеть, если он или она — гений или невероятно подлый.

  1. Если вы работаете морским биологом, то вас переводят в разные части Соединенных Штатов?

Такое может случиться, если бы вы работали в федеральном агентстве, хотя обычно переводы осуществляются на добровольной основе. Это также может произойти в отраслях, где деятельность происходит в различных местах. Когда работаешь в университете, часто бывает летняя локация для исследований — зачастую в морской лаборатории, — но такое, конечно, не постоянно.

  1. Работа морского биолога мешает вашей семейной жизни?

Существуют командировки, и это помеха. Каждый сталкивается с проблемой необходимости работать в нерабочее время, что мешает семейным обязанностям. Но это мало чем отличается от ситуаций присущих множеству других родов деятельности. Путешествие может стать настоящим удовольствием для вашей семьи, если вы возьмете ее с собой!

  1. Можете сказать, что предпочитает большинство морских биологов: работать в лаборатории или в полевых условиях?

На этот вопрос нет простого ответа, но можно быть уверенным, что многие морские биологи любят свою работу, потому что она предполагает пребывание в полевых условиях и частые поездки в очень интересные и очаровательные места.

  1. Есть ли конкретный график работы?

Единого ответа нет. Все зависит от конкретного рода деятельности.

  1. Как отношение и поведение работников влияют на климат вашего рабочего места? С какими людьми вы работаете?

Морские биологи более или менее похожи на большинство ученых. По большому счету, они относятся к среднему классу и имеют довольно среднестатистические взгляды, как правило, напоминающие взгляды сотрудников университета. С другой стороны, они по большей части увлечены охраной окружающей среды и склоняются в сторону поведения, ориентированного на избегание эксплуатации людей и природных ресурсов. Рабочее место в целом ориентировано на достижения. Академики в какой-то степени индивидуалисты, что значительно усложняет им примкнуть к группе. Массовое убеждение для такой группы маловероятно.

  1. Является ли общественная работа важной частью деятельности морского биолога?

Да. Морских биологов часто просят работать в общественных комитетах, особенно связанных с вопросами окружающей среды. Морские биологи часто дают публичные лекции. Кроме того, морские биологи часто оказываются сторонниками защиты морской среды, поскольку их опыт делает их более внимательными к опасностям развития и индустриализации.

  1. Почему важно знать химию для того, чтобы быть морским биологом?

Хотелось бы особо подчеркнуть, что морская биология требует серьезной подготовки в области биологии, а биология требует прочной базы в области естествознания. Химия, например, чрезвычайно важна, потому что невозможно понять, как функционирует жизнь, не понимая структурные единицы жизни: ДНК, РНК, белки, гормоны, сахара и многие другие соединения. Неорганическая химия также имеет решающее значение, поскольку, помимо прочего, взаимодействие ионов в клетках заставляет работать нервы и клеточные мембраны. Все это может показаться техническим, но если вы не разбираетесь в химии, вы не поймете важные аспекты жизнедеятельности. Подумайте о том, как химические вещества в атмосфере влияют на изменения глобального климата и вы скоро будете беспокоиться о чем угодно — от газообмена растений до пуканья коров! Это, мой друг, химия! Подумайте о том, как сточные воды уменьшают содержание кислорода, а также как пониженное содержание кислорода влияет на морские организмы, и вы приходите к тому же выводу. Я мог бы привести тот же аргумент в пользу физики и математики. И геномики. Я знаю! Вы хотите избежать таких штук и перейти к тому, что забавно… но когда вы станете более зрелым, вы поймете: это ЗАБАВНО!

  1. Должен ли я обладать компьютерной грамотностью?

Существует два вида компьютерной грамотности. Во-первых, есть минимальная компьютерная грамотность, включающая в себя: умение использовать текстовый процессор, вводить данные в таблицу (программа для работы с электронными таблицами, например Microsoft Excel), презентацияю своих мыслей в программе для презентаций (как Microsoft Powerpoint), и, в конце концов, умение подключаться к Интернету (через браузеры типа Google и Safari), а также использовать электронную почту. Этот набор навыков является стандартным для всех образованных студентов. Когда вы поступите в колледж, интернет будет важен для работы с библиотекой вашего колледжа, а также для поиска научных публикаций. Вы узнаете, что веб-сайты часто не содержат все, что нужно, и что научные первоисточники очень важны для изучения сферы естествознания.

Второй тип навыков работы на компьютере включает в себя традиционные расчеты: использование компьютера для написания программ, позволяющих решать проблемы, моделирования процессов, происходящих в мире природы, и использования статистики для анализа собираемых данных. Важно выучить язык программирования и научиться использовать программы (=программное обеспечение), предназначенные для решения научных задач, построения графиков и проведения собственных исследований. Студенты, хорошо разбирающиеся в компьютерах, в наши дни часто учат язык программирования в старших классах, но в колледже это часто бывает необходимостью.

Поэтому у типичного морского биолога будет свой собственный настольный или портативный компьютер и, возможно, доступ к большему главному компьютеру, где хранятся более объемные базы данных, а также различные необычные программы.

  1. Каковы гарантии работы морского биолога?

Вас ВСЕГДА могут уволить! Но, как правило, гарантии работы почти такие же, как и у ТИПА занятости. Таким образом, если вы морской биолог, преподающий в колледже, то ваши гарантии такие же, как и у преподавателей колледжа (которые стремятся к пребыванию в должности, что обеспечивает им безопасность). Если вы инженер по охране окружающей среды, работающий на федеральное правительство (например, в Агентстве по охране окружающей среды США), у вас есть федеральная классификация должностей и такие же гарантии работы, как и у других федеральных служащих вашей классификации. То же самое относится и к частной промышленности, где, я подозреваю, реакция на плохую экономическую ситуацию будет более быстрой, и, следовательно, занятость будет несколько ниже, чем в колледже или правительстве.

  1. Хорошо, я учусь в старшей школе. Какие курсы я должен пройти, чтобы стать морским биологом?

Если вы хотите стать морским биологом, то вы готовитесь к жизни в науке. Естественное образование в высшей школе является обязательным. Согласно почти всем школьные системы в США преподаются биология, химия, науки о Земле и физика. Все они необходимы для понимания мира природы. Многие школьники избегают физику, потому что считают ее слишком сложной и абстрактной. Я обещаю вам, что вы пожалеете о пренебрежении физикой, если вы серьезно относитесь к науке. Также важно выбирать математику, насколько это возможно. Если вы не начнете изучать высшую математику в старшей школе, она понадобится вам в колледже. Вы должны научиться писать, и курсы английского языка очень важны. Подводя итог, можно сказать, что в старшей школе самое время получить основательное образование. Не беспокойтесь о прохождении курсов или групп курсов по морской биологии. Если в вашей школе есть курс морской биологии, то, конечно, выберите и его. Вы также можете рассмотреть летние курсы, лагеря и стажировки в вашем районе. Например, в моем университете есть программа летних исследований для старшеклассников. У вашего местный колледжа может быть аналогичную программу. Даже если это не морская биология, она может познакомить вас с удивительным миром науки и исследований.

  1. Морские экологи работают в одиночку или в группах?

Есть место для морского биолога, который занимается исследованиями в одиночку. Многие тонкие исследования проводятся одним человеком, который часто является удивительно хорошо подготовленным универсалом. Но все больше научных проблем во всех областях, включая морскую биологию, решаются группами. Отчасти это происходит из-за все более специализированного обучения, необходимого для качественного выполнения конкретной работы. Кроме того, огромные размеры морских систем, работа на судах и Интернет — из-за всего этого совместные исследования являются выдающимся способом для достижения многого.

  1. Нужно ли мне выбирать иностранный язык, чтобы стать успешным морским биологом?

На это ответить нелегко, потому что это зависит от целей. Более того, почти вся научная литература написана на английском языке, поэтому только иностранные статьи и монографии написаны на иностранных языках. Так что основной мотивацией для изучения иностранного языка будет эффективное взаимодействие с коллегами или поездки на полевые сайты. В Новом Свете явный победитель — испанский, но французский — очень распространенный язык в Европе, Африке и некоторых частях Азии. Я бы остановился на этих вариантах, если у вас нет особого желания когда-нибудь поработать в некоторых частях Азии.

  1. Каковы примеры оборудования, находящегося в использовании у морских биологов?

Оборудование для полевого сбора: планктонные сети для отбора проб планктона, донные керны для отбора проб донных отложений морского дна, донные захваты для отбора проб дна с существами, обитающими на дне.

Оборудование для прямого отбора проб и автоматических измерений: термометры, салинометры для измерения солености, устройства iButton для непрерывной регистрации температуры окружающей среды.

Лабораторное оборудование: счетчики частиц для подсчета микроорганизмов в воде; флуорометры для измерения флуоресценции хлорофилла в воде при попадании ультрафиолетового луча; кислородные счетчики, используемые для измерения дыхания морских организмов; ДНК-экстракция и термоциклер для ПЦР.

Мне также повезло много лет преподавать студентам в Университете штата Нью-Йорк в Стоуни-Брук, где имеется специальность “Морская биология”. Как я рекомендую выше, предпочтительнее иметь прочную базу в биологии, а в Стоуни-Брук специальность “Биология” превосходна. Мне очень нравится наблюдать, как там изучают морскую среду и иногда решают начать карьеру в области морской биологии.

Если вы хотите узнать больше подробностей о моем исследовании, вы можете сделать это, перейдя по данной ссылке.

Заменяет ли глифосат в белках активно делящихся клеток млекопитающих глицин?

Оригинал на английском people.csail.mit.edu

Стефани Сенеф

Недавно была опубликована статья Антониу и соавт. со смелым названием «Глифосат не заменяет глицин в белках активно делящихся клеток млекопитающих» [1]. Статья содержала информацию о воздействии глифосата на клетки рака молочной железы человека в течение шести дней, и о дальнейшем использованием сложной техники, называемой тандемной масс-тег (ТМТ), для идентификации коротких пептидов, предположительно содержащих аномально тяжелые молекулы глицина. Белки как из обработанных, так и необработанных клеток подвергались стандартному протоколу, включающему масс-спектрометрию, частичный протеолиз и дальнейший анализ, которые подробно описано в статье.

Клетки содержались в богатой питательной среде под названием Dulbecco’s Modified Eagle Medium. Эта среда является модификацией исходной Basal Medium Eagle, которая в четыре раза более насыщена аминокислотами и витаминами. Она также обладает высокой концентрацией глюкозы — 4500 мг/л. Нет гарантии, что она не загрязнена глифосатом. Кроме того, клетки выращивались в культуре в течение некоторого неопределенного времени в прошлом, и, вероятно, накапливали значительное количество неправильно свернутых белков, загрязненных глифосатом, которые было трудно очистить. Возможно, они начали свою жизнь в культуре уже с белками, загрязненными глифосатом, в результате пожизненного воздействия глифосата человека, изначально содержащего эти клетки в опухоли молочной железы.

Авторы протестировали образцы для двух разных посттрансляционных модификаций (ПТМ): глиоксилат-модифицированный цистеин и глифосатный заменитель глицина. Они включили модификацию глиоксилата, потому что выдвинули гипотезу, что глифосат может расщепляться до глиоксилата, который способен связываться с остатками цистеина. Примечательно, что они не обнаружили каких-либо глиоксилат-модифицированных цистеинов ни в контрольных клетках, ни в обработанных клетках.

В то же время, авторы обнаружили заметное присутствие глифосата в нескольких коротких пептидах в обработанных образцах. Однако они также обнаружили столь же заметный знак его присутствия в необработанных образцах. Они сообщили: «В этом эксперименте, однако, ни один из двух предполагаемых ПTM (посттрансляционных модификаций), представляющих интерес, не будет присутствовать в отсутствие обработки глифосатом. Таким образом, было возможно использовать маркировку TMT для идентификации и фильтрации любых потенциально ложных открытий» А после: «Данные убедительно показывают, что все замещенные средствами пептиды являются ложными открытиями».

Однако не менее правдоподобным аргументом является то, что «необработанные» клетки также содержат замещенные глифосатом белки. Вероятно, большая часть, если не все, замещенных средствами пептидов являются истинным открытием. Поскольку как обработанные, так и контрольные клетки подвергались воздействию глифосата в течение длительного периода в прошлом, то вполне вероятно, что и те, и другие накапливали загрязненные глифосатом белки в почти одинаковом количестве. Энтони Самсель и я в нашей первой статье о замене глицина глифосатом говорили о доказательствах того, что N-замещенные глицины могут образовывать пептоиды, которые очень трудно расщеплять, и что фосфонаты обладают способностью ингибировать протеолиз [2].

Предположение о том, что воздействие глифосата приводит к накоплению белков, устойчивых к протеолизу, подтверждается исследованием на растениях гороха, опубликованного в 2013 году [3]. Авторы наблюдали накопление убиквитинированных белков наряду с активацией протеолизных ферментов, что является неожиданным и необычным. Они сообщили:

«Накопление убиквитинированных белков вместе с повышенной предполагаемой протеасомной активностью наблюдалось из-за ABPP [профилирования белка на основе активности], что указывает на роль протеасомы при обработке гербицидами. Как правило, накопление убиквитинированных белков было описано в связи с сопутствующим снижением активность протеасомы. Тем не менее, наши результаты продемонстрировали увеличение уровня и активности субстрата протеасомы. Таким образом, вызванное гербицидами стрессовое воздействие на протеом может привести к накоплению убиквитинированных белков, несмотря на повышенную активность протеасомы, или увеличение пригодности субстрата в достижении протеасомной активности».

Вероятное это объясняется тем, что глифосат, внедренный в белки, нарушает способность протеолитических ферментов разрушать его. Фактически, в статье, о связе глифосата с боковым амиотрофическим склерозом (БАС), мы описали, как глифосат может нарушать сам процесс убиквитинирования, который маркирует белки для удаления протеасомой [4]. Мы написали:

«Наиболее интригующим является тот факт, что сам убиквитин критически зависит от высококонсервативной пары карбоксиконцевых двойных глицинов для построения сложных цепей убиквитина, которые сигнализируют белку о деградации [46] [воспроизводится здесь как [5]]. Замена глифосата на любой из этих незаменимых глицинов нарушит процесс переработки неправильно свернутых белков. Это может легко объяснить накопление неправильно свернутых белков, что является отличительной чертой БАС».

К счастью для нас, Антониу и соавт. [1] предоставили в своей Таблице 3 точные последовательности с обнаруженными заменами глифосата, а сайт Uniprot предоставляет инструмент, с помощью которого можно найти белки, содержащие определенные последовательности, используя при этом пакет программного обеспечения под названием BLAST. Uniprot был способен восстановить идентичность всех 15 белков, представленных в виде совпадений на их Рисунке 3, с точным соответствием последовательности, присутствующей в каждом белке. Все 15 белков были человеческими белками. По крайней мере девять из этих белков связываются с фосфатсодержащими молекулами, которые перечислены в Таблице 1. Это подтверждает идею о том, что белки, которые связывают фосфат, особенно чувствительны к замене глифосата, как было изложено в недавней работе, опубликованной Гунатилаке и соавт. [6], утверждая, что глифосат является основным фактором хронической болезни почек неизвестной этиологии (ХБПн) среди работников сельского хозяйства в Шри-Ланке. Фактически, протеин EPSP-синтаза у растений, который, как полагают, является основной мишенью глифосата при уничтожении сорняков, содержит высоко консервативный глициновый остаток в месте, где связывается фосфоенолпируват (ФЕП). Исследователи из DowDupont смогли использовать технологию CRISPR для создания штамма кукурузы, устойчивого к глифосату благодаря CRISPR-модифицированному гену для синтазы EPSP [7]. Первым шагом, который они сделали, было изменение кода ДНК для замены глицина в месте связывания ФЕП с аланином. Это дало такой тип фермента, который оказался абсолютно нечувствительным к глифосату.

Таблица 1: Девять белков, содержащих замещенные глифосатом пептиды, идентифицированные с использованием инструментов спектрометрии тандемной масс-тег (ТМТ). Эти пептиды, наряду с еще 6, были обнаружены в раковых клетках, выращенных в искусственной среде. Все девять связываются с молекулами, содержащими фосфаты, как указано в третьем столбце. Первый столбец содержит обнаруженную последовательность, где «*» указывает на остаток глицина, который обнаружили замещенным. Смотри: Антониу и др. (2019), чтобы узнать детали об экспериментальной модели.

Последовательность Название белка Фосфатсодержащий субстрат

 

AIRQTSELTLG*K Zinc finger protein 624 ДНК
DG*QDRPLTKINSVK Pleckstrin homology domain-containing family A member 5 Фосфатидилинозитол фосфат
EPVASLEQEEQG*K Double homeobox protein A ДНК
G*ELVMQYK Diacylglycerol kinase gamma АТФ
GKELSG*LG*SALK Very long-chain specific acyl-CoA dehydrogenase mitochondrial ФАД
KDGLG*GDK G-protein coupled receptor 158 ГТФ
NEKYLG*FGTPSNLGK ATP-dependent Clp protease ATP-binding subunit АТФ
RTVCAKSIFELWG*HGQSPEELYSSLK tRNA (guanine(10)-N2) methyltransferase homolog тРНК
VTG*QLSVINSK Protein O-mannosyl-transferase 2 (Q9UKY4)  Долицил фосфат

В целом, в таблице 1 представлен интригующий список человеческих белков, и многие из них, как ожидается, будут экспрессироваться в клетках рака молочной железы. Например, один из них представляет собой белок метилирования РНК (tRNA (guanine(10)-N2) methyltransferase homolog). Другой обладает функцией супрессора опухоли посредством ингибирования АКТ, связываясь с фосфатидилинозитолфосфатами (Pleckstrin homology domain-containing family A member 5). Еще один — G-protein coupled receptor (GPCR). Согласно Бар-Шавету и соавторам, «GPCR контролирует многие признаки онкогенеза, включая функции, опосредованные иммунными клетками, пролиферацию, инвазию и выживание на вторичном сайте». [8] Еще одно попадание — гомеобоксный белок, и считается, что этот класс белков играет свою роль в причине рака молочной железы [9].

Еще одним важным открытием этой статьи являются два белка, которые вследствие на шестидневную обработку глифосатом были идентифицированы как статистически значимо активированные. Это: АДФ/АТФ транслоказа (ANT) и Serine and arginine rich splicing factor 6 (SRSF6) [1]. Эти два белка оказываются весьма интересными, поскольку известно, что они оба сверхэкспрессируются в опухолевых клетках, и в обоих случаях более высокий уровень данных белков связан с неутешительным исходом у больных раком.

SRSF6 является членом семейства факторов сплайсинга, обладающих мощными возможностями изменять экспрессию белка, меняя способ, которым пептиды образуются из отдельных экзонов. Сверхэкспрессия SRSF6 в эпителиальных клетках легких усиливала пролиферацию, защищала их от химиотерапии и увеличивала их способность образовывать опухоли [10]. Кроме того, нокдаун SRSF6 в клеточных линиях рака легких и толстой кишки снижал их онкогенный потенциал. SRSF6 часто экспрессируется при раке кожи, и он изменяет сплайсинг белка, называемого тенасцин С, чтобы способствовать развитию инвазивного и метастатического рака [11]. SRSF6 также вызывает чрезмерную пролиферацию кератиноцитов — характерную черту псориаза [12]. Если глифосат вызывает активацию SRSF6 в клетках рака молочной железы, он, вероятно, вызывает усиление онкогенеза у подвергшихся воздействию людей.

ANT представлена несколькими различными изоформами с различным воздействием на биологию клетки, но та, что значительным образом экспрессируется в клетках рака молочной железы — это ANT2; было продемонстрировано, что она важна для поддержания выживаемости опухоли. Работа ANT2 заключается в транспортировке АТФ в митохондрии, и эта деятельность важна, когда клетка работает в соответствии с предположениями об эффекте Варбурга. Раковые клетки вырабатывают много своей АТФ в цитоплазме посредством гликолиза, а затем ANT2 переносит АТФ в митохондрии, чтобы те могли уменьшить количество АТФ, которое им необходимо продуцировать посредством окислительного фосфорилирования. Это хорошая стратегия для защиты от окислительного повреждения, особенно если митохондрии могут быть дисфункциональными из-за мутаций ДНК, вызванных токсическим воздействием. Скорее это ANT2 фактически программирует клетку на реализацию стратегий, приводящих к увеличению пролиферации, а не апоптоза (гибели клеток) при наличии стрессоров [13]. В последнее время появился интерес к разработке лекарств, которые сражаются с раковыми заболеваниями путем подавления активности ANT2 [14].

Статья Антониу и соавт. может стать значительным прорывом в нашем поиске способа обнаружения загрязнения белков глифосатом. Примечательно, что им удалось идентифицировать 15 человеческих белков, которые, по-видимому, были модифицированы путем замены глифосата конкретным глициновым остатком. Данная статья представляет большую ценность для общества в целом, поскольку в нем указана установленная процедура, которая теперь может применяться довольно регулярно для множества других типов клеток, выращенных в искусственной среде, а также для биологических образцов, извлеченных из пораженных тканей у млекопитающих, таких как ногти пациентов со склеродермией, клетки кожи у пациентов с псориазом, образцов волос у детей, страдающих аутизмом, копыт лошадей, страдающих от фаундера, при биопсии опухолей, при посмертном анализе бляшек при болезни Альцгеймера, при пораженных тканях почек и печени и т. д.

Новых возможностей для обнаружении белков, загрязненных глифосатом, имеется в изобилии, и, поскольку мы собираем базу данных конкретных моделей замещения, мы можем даже быть в состоянии предсказать правила для пептидного окружения, где остатки глицина особенно чувствительны, например, когда близлежащие аминокислоты являются малыми (чтобы предотвратить стерическое препятствие) или положительно заряженными (для привлечения глифосата к месту сборки пептида за счет его отрицательного заряда). Действительно, эти правила уже становятся очевидными в небольшом наборе, открытом в ходе эксперимента Антониу и др. За шестью из 15 предполагаемых замещенных глицинов сразу следует положительно заряженная аминокислота (лизин, гистидин или аргинин). А десяти из них сразу предшествовал либо валин, либо лейцин, либо серин, либо треонин — все они являются малыми аминокислотами, поддерживающими пространство для метилфосфонильного хвоста глифосата. Если глифосат действительно заменяет глицин во время синтеза белка, то последствия ошеломительны и коварные кумулятивные токсические эффекты глифосата могут легко объяснить увеличение распространения длинного списка аутоиммунных, метаболических, неврологических и онкологических заболеваний, которое мы наблюдаем сегодня.

Ссылки

[1] М. Н. Антониу и соавт. Глифосат не заменяет глицин в белках активно делящихся клеток млекопитающих. BMC Res Notes 2019; 12: 494. (ссылка)

[2] Самсель и Сенефф. Глифосат, пути к современным заболеваниям V: аминокислотный аналог глицина в разнообразных белках. Journal of Biological Physics and Chemistry 2016; 16: 9-46. (ссылка) (Скачать)

[3] А Цулет. Протеолитические пути, вызванные гербицидами, ингибирующими аминокислотный биосинтез. PLoS ONE 2013; 8 (9): e73847. (ссылка)

[4] С. Сенефф и др. Влияет ли глифосат, действующий как аналог глицина, на БАС? J Bioinfo Proteomics Rev 2016: 2 (3): 1-21. (ссылка) (Скачать)

[5] А Цуин и др. Сигнализация убиквитина: экстремальное сохранение как источник разнообразия. Cells 2014; 3 (3): 690-701. (ссылка)

[6] С. Гунатилаке и др. Синергетическая токсичность глифосата в сочетании с другими факторами как причина хронического заболевания почек неизвестного происхождения. Int J Environ Res Public Health 2019; 16 (15). PII: E2734. (ссылка) (Скачать)

[7] И. Донг и др. Десенсибилизация растительной EPSP-синтазы к глифосату: Оптимизированный глобальный контекст последовательности учитывает изменение глицина в аланин в активной среде. J Biol Chem 2019; 294 (2): 716-725. (ссылка)

[8] Р. Бар-Шавет и др. G Белковые рецепторы при раке. Int J Mol Sci 2016; 17 (8). PII: E1320. (ссылка)

[9] М. Т. Льюис. Гены гомеобокса в развитии молочной железы и новообразовании. Breast Cancer Research 2000; 2: 159. (ссылка)

[10] М. Коэн-Элиав и др. Фактор сплайсинга SRSF6 при раке легких и толстой кишки усиливается и является онкопротеином. J Pathol 2013; 229 (4): 630-9. (ссылка)

[11] М. А. Дженсен и др. Сплайсинговый фактор SRSF6 способствует гиперплазии чувствительной кожи. Nat Struct Mol Biol 2014; 21 (2): 189197. (ссылка)

[12] Г. Валдимарсон и др. Псориаз: заболевание аномальной пролиферации кератиноцитов, вызванное Т-лимфоцитами. Immunol Today 1986; 7 (9): 256-9. (ссылка)

[13] С. Х. Баик и Дж. Ли. Адениннуклеотидтранслоказа 2: новый игрок в развитии рака. J Stem Cell Res Med 2016; 1 (2): 66-68. (ссылка)

[14] Дж.-И. Джанг и др. Подавление аденинуклеотидтранслоказы-2 с помощью векторной миРНК в клетках рака молочной железы человека вызывает апоптоз и ингибирует рост опухоли in vitro и in vivo. Breast Cancer Research 2008; 10 (1): R11. (ссылка)

Программа по молекулярной биологии

Оригинал доступен по ссылке www.cs.tau.ac.il

Algorithms for Molecular Biology Fall Semester, 2001
Lecture 1: October 25, 2001
Lecturer: Ron Shamir
Scribe: Gadi Kimmel and Ariel Farkash1

1.1 Биологическая подоплека

1.1.1 Историческое введение

Генетики как комплекса принципов и аналитических алгоритмов не существовало до 1866 года, когда монах Августинского монастыря  по имени Грегор Мендель провел ряд экспериментов, которые указывали на существование биологических элементов, называемых генами, — основных единиц, ответственных за передачу одной-единственной характеристики. До 1944 года считалось, что хромосомные белки несут генетическую информацию, и что ДНК играет второстепенную роль. Данную точку зрения опровергли Эйвери и Маккарти, продемонстрировавшие, что молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) является основным носителем генетического материала в живых организмах, т.е. ответственна за наследование. В 1953 году Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик вывели трехмерную структуру ДНК и сразу определили метод ее репликации. В связи с совместной деятельностью проекта «Геном человека» и коммерческой компании Celera, в феврале 2001 года был опубликован первый проект генома человека.

1.1.2 ДНК

Состав

Основные элементы ДНК были выделены и определены путем частичного дробления очищенной ДНК. Эти исследования показали, что ДНК состоит из четырех основных молекул, называемых нуклеотидами, которые идентичны, за исключением того, что каждая содержит отличное от других азотистое основание. Каждый нуклеотид содержит фосфат, сахар (дезоксирибозу) и одно из четырех оснований: аденин, гуанин, цитозин и тимин (обычно обозначаются как A, G, C, T) (см. Рисунок 1.1).

Рисунок 1.1: Источник: [8]. Слева состав ДНК. Справа — структура двойной спирали ДНК

Структура

Структура ДНК описывается как двойная спираль, которая выглядит как две взаимосвязанные пружины. Каждая спираль представляет собой цепочку нуклеотидов, удерживаемых вместе фосфодиэфирными связями. Две спирали удерживаются вместе благодаря водородным связям. Каждая базовая пара состоит из одного пуринового основания (A или G) и одного пиримидинового основания (C или T), спаренных согласно следующему правилу: G ≡ C, A = T (каждый ’-’ символизирует водородную связь). Молекуле ДНК характерна направленность из-за асимметричной структуры сахаров, составляющих основу молекулы. Каждый сахар связан с цепью против хода транскрипции (т. е. предшествует ему в цепи) в своем пятом углероде и по ходу транскрипции (то есть следуя за ним в цепи) в своем третьем углероде.

Следовательно, выражаясь биологическими терминами, нить ДНК идет от 5′ (пять-штрих-нетранслируемой области) к 3′ (три-штрих-нетранслируемой области). Направления двух комплементарных цепей ДНК обращены в противоположные стороны.

Репликация

Двойную спираль можно представить в виде молнии, которая расстегивается с одного конца. Можно убедиться, что если данная аналогия с застежкой-молнией соответствует действительности, то при раскручивании двух нитей у каждой из них будет свое основание. Поскольку требования парного скручивания, которые налагаются структурой ДНК, являются неукоснительными, то каждое открытое основание будет парным исключительно относительно своей дополнительной основы. Благодаря этой взаимодополняемости основ, каждая из двух нитей будет действовать как шаблон и начнет восстанавливать двойную спираль, идентичную той, из которой появилась. Предполагается, что новодобавленные нуклеотиды берутся из свободных нуклеотидов, которые должны присутствовать в окружающей микросреде внутри клетки. Реакция репликации катализируется ферментом ДНК-полимеразой. Этот фермент может удлинять цепь, но не может начать новую. Таким образом, синтез ДНК должен быть начат с праймера, олигонуклеотида (короткой нуклеотидной цепочки). Олигонуклеотид генерирует сегмент дуплексной ДНК, который затем в процессе репликации превращается в новую нить (см. рис. 1.1).

1.1.3 Гены и хромосомы

Каждая молекула ДНК оформлена в отдельную хромосому, и утверждается, что общая генетическая информация, хранящаяся в хромосомах организма, составляет его геном. За небольшими исключениями каждая клетка эукариотического многоклеточного организма содержит весь геном, в то время как различие в функциональности клеток из разных тканей обусловлено регуляцией экспрессии соответствующих генов. Геном человека содержит около 3 × 109 базовых пар (сокращенно bp), собранных в 46 хромосом — 22 разные аутосомные хромосомные пары и две половые хромосомы: либо XX, либо XY. 24 разных хромосомы колеблются от 50 × 106 до 250 × 106 bp. Количество ДНК у различных организмов варьируется. У Amoeba dubia (одноклеточного организма), например, более чем в 200 раз больше ДНК, чем у человека. Живые организмы делятся на две основные группы: прокариотов, являющихся одноклеточными организмами без клеточного ядра и эукариотов — организмов более высокого уровня, клетки которых содержат ядра. С современными знаниями о биохимическом фундаменте наследственности, абстрактное понятие Менделя о гене можно рассматривать уже в качестве реально существующей единицы. Ген является областью ДНК, которая контролирует дискретную наследственную характеристику, обычно соответствующую одной мРНК (несет информацию для конструирования белка). В 1977 году специалисты в области молекулярной биологии обнаружили, что большинство генов эукариотов обладают кодирующими последовательностями — экзонами, — которые прерываются некодирующими последовательностями, называемыми интронами (см. рисунок 1.2).

Рисунок 1.2: Источник: [8]. Экзоны и интроны.

У людей гены составляют примерно 2-3% ДНК, оставляя 97-98% не содержащей гены избыточной ДНК. Роль последней пока неизвестна, однако эксперименты с удалением этих частей доказали ее жизненную необходимость. Было предложено несколько теорий, таких как физическая фиксация ДНК в ее сжатой форме, сохранение бывших в употреблении генетических данных и т. д.

1.1.4 Центральная догма

Экспрессия генетической информации, хранящейся в ДНК, включает в себя трансляцию линейной последовательность нуклеотидов в коллинеарную последовательность аминокислот в белках.

Переход: ДНК → мРНК → белок (см. Рис. 1.3).

Рисунок 1.3: Источник: [14]. От гена к белку.

Транскрипция

Сегмент ДНК сначала копируется в комплементарную цепь РНК. Этот процесс называемый транскрипцией катализируется ферментом РНК-полимеразой. Рядом с большинством генов находится специальный паттерн в ДНК, который носит название промотора и расположен выше по течению от места начала транскрипции. Он сообщает РНК-полимеразе, где следует начать транскрипцию. Это получается благодаря транскрипционным факторам, распознающим промоторную последовательность и создающим с ней связь. Хотя рибонуклеиновая кислота (РНК) представляет собой длинную цепь нуклеиновых кислот (как и ДНК), она обладает совершенно иными свойствами. Во-первых, РНК обычно состоит из одной цепочки (обозначается как оцРНК). Во-вторых, РНК содержит рибозный сахар, а не дезоксирибозу. В-третьих, в РНК есть пиримидин на основе урацила (сокращенно U) вместо тимина. В-четвертых, в отличие от ДНК, которая расположена в первую очередь в ядре, РНК также может быть найдена в клеточной жидкости вне ядра — в цитоплазме.

В эукариотических организмах для того, чтобы продуцировать белок по всей длине гена, включая и его интроны, и его экзоны, сначала происходит транскрибация в очень большую молекулу РНК — первичный транскрипт. В конце гена транскрипция останавливается, и к концу молекулы РНК для защиты (поли-(А)-хвост) добавляется несколько десятков нуклеотидов аденина (А). 5′-кэп играет важную роль в инициализации синтеза белка путем защиты от деградации растущих РНК-транскрипт. Прежде чем эта молекула РНК покидает ядро, комплекс ферментов, обрабатывающих РНК, удаляет всю последовательность интрона в процессе, называемом сплайсингом, тем самым производя значительно более короткую молекулу РНК (см. рисунок 1.4). Длина типичных экзонов у эукариотов в среднем 200 bp, в то время как средняя длина интронов составляет около 10 000 bp (длина может значительно варьироваться между разными интронами и экзонами). Во многих случаях паттерн сплайсинга может варьироваться в зависимости от ткани, в которой происходит транскрипция. Например, интрон, вырезанный из мРНК определенного гена, транскрибированного в печени, может не вырезаться из той же мРНК при транскрибации в мозге. Такой вариант называется альтернативным сплайсингом и он способствует общему разнообразию белков в организме. После этого этап обработки РНК завершен, молекула РНК перемещается в цитоплазму в качестве молекулы мессенджера РНК (мРНК) для прохождения трансляции.

Рисунок 1.4: Источник: [8]. Экзоны и интроны в ДНК. В этом эксперименте мРНК прикреплена к одноцепочечной ДНК, с которой она была транскрибирована. Области ДНК, которые прикреплены к мРНК (1-7) — это экзоны (присутствующие как в ДНК, так и в мРНК). Области ДНК, которые не присоединены к мРНК (A-G), являются интронами (присутствуют только в ДНК)

Генетический код

Правила, согласно  которым нуклеотидная последовательность гена транслируется в аминокислотную последовательность соответствующего белка, так называемый генетический код, были расшифрованы в начале 1960-х годов. Последовательность нуклеотидов в молекуле мРНК, которая действует как промежуточная, рассматривались в последовательном порядке в группах по три. Каждый триплет нуклеотидов, называемый кодоном, обозначает одну аминокислоту (базовую единицу белка, аналогичную нуклеотидам в ДНК). Поскольку РНК представляет собой линейный полимер из четырех разных нуклеотидов, то существует 43 = 64 возможных триплетов кодонов (см. рисунок 1.5). Тем не менее, в белках обычно встречаются только 20 различных аминокислот, так что большинство аминокислот определяются несколькими кодонами. Кроме того, еще есть 3 кодона (из 64) определяют завершение трансляции и называются стоп-кодонами. Кодон, начинающий трансляцию — AUG; также есть кодон аминокислоты под названием метионин. В ходе эволюции код остался крайне стабильным: с небольшими оговорками он одинаков в столь разнообразных организмах как бактерии, растения и люди.

Рисунок 1.5: Источник: [12]. Генетический код.

Трансляция

В принципе, каждая последовательность РНК может транслироваться в любые из трех рамок считывания в каждом направлении — в общей сложности 6 возможных открытых рамок считывания (ОРС) в зависимости от того, где начинается процесс. Почти в каждом случае только одна из данных рамок считывания произведет функциональный белок. Тем не менее, существуют редкие случаи (особенно в случаях с вирусами), когда гены транскрибируются из перекрывающихся комплементарных областей ДНК.

Трансляция мРНК в белок зависит от адапторных молекул, которые распознают и аминокислоту, и триплет нуклеотидов. Эти адаптеры состоят из набора небольших РНК-молекул, известных как перенос РНК — тРНК, каждая около 80 нуклеотидов в длину. тРНК-молекула обеспечивает всеобщую логику генетического кода следующим образом:

на одном конце тРНК содержит антикодон, последовательность из трех оснований РНК; на другом конце тРНК находится необходимая аминокислота. У эукариот мРНК образована из кодирующих областей, окруженных некодирующими участками. Кодирующие области (экзоны или части экзонов), приспособлены для создания белка, в то время как некодирующие области- 3′ нетранслируемая область и 5′ нетранслируемая область — в основном являются регулирующими и не транслируются. Обратите внимание, что в ДНК кодирующая область не может быть смежной, поскольку таким образом существует возможность захватить несколько экзонов. У прокариотов ген имеет только одну кодирующую область, окруженную  3’ НТО и 5’ НТО.

Из-за механической сложности упорядочения молекул тРНК на мРНК необходим медиатор. Рибосома представляет собой комплекс из более чем 50 различных белков, связанных с несколькими структурными молекулами рРНК. Каждая рибосома представляет собой масштабную машину для синтеза белка, где молекулы тРНК располагаются для считывания генетического сообщения, закодированного в молекуле мРНК. Рибосомы работают с удивительной эффективностью: за одну секунду одна бактериальная рибосома добавляет около 20 аминокислот к растущей полипептидной цепи. Одну молекулу мРНК  может одновременно транслировать множество рибосом.

1.1.5 Белки

Белок представляет собой линейный полимер аминокислот, связанных между собой пептидными связями. Средний размер белка составляет около 200 аминокислот в длину, в то время как крупные белки могут содержать более тысячи аминокислот. Клетки в значительной степени состоят из белков, которые составляют более половины их сухого веса. Белки определяют форму и структуру клетки, а также служат основными инструментами молекулярного распознавания и катализа. Белки обладают комплексной структурой, которая может рассматриваться как имеющая четыре иерархических структурных уровня. Аминокислотная последовательность белковой цепи называется ее первичной структурой. Различные области последовательности образуют локальные регулярные вторичные структуры, такие как α-спирали, являющиеся одноцепочечными спиралями аминокислот и β-листы, представляющие собой плоские участки, сотканные из сегментов цепи, расположенные почти линейно. Третичная структура образуется путем собирания таких структур в один или несколько 3D доменов. Конечный, полный, белок может содержать несколько доменов белков собранных в четвертичной структуре (см. рис. 1.6). Вся сложная структура (от первичной до четвертичной) определяется первичной последовательностью аминокислот и их физико-химическим взаимодействием в среде. Следовательно, его фолдинговая структура определяется самим генетическим материалом, как трехмерная структура с минимальной свободной энергией. Структура белка определяет его функциональность. Хотя аминокислотная последовательность непосредственно определяет структуру белков, 30% идентичности аминокислотных последовательностей — в большинстве случаев — приводят к высокому сходству по структуре.

Рисунок 1.6: Источник: [8]. Белковая структура.

1.1.6 Мутации

Мутация определяется как наследуемое изменение нуклеотидной последовательности в ДНК, вызванное неправильным процессом репликации. Такие ошибки в репликации часто происходят из-за воздействия ультрафиолетового излучения или других условий окружающей среды. Есть два разных уровня, на которых может иметь место мутация. При генной мутации изменяется аллель гена, становясь другой аллелью. Поскольку такое изменение происходит в пределах одного гена и сопоставляется с одним локусом, мутация гена иногда называется точечной мутацией. На другом уровне наследственных изменений, хромосомная мутация или перестройки — чередование сегментов, либо на одной хромосоме, либо на разных (транслокации). Кроме того, хромосома может подвергаться более глобальным изменениям, таким как реверсирование, удаление, дублирование и т. д. Например, такой хромосомной мутацией вызван Синдром Дауна.

Существует несколько видов точечных мутаций:

  • замена — замена одного нуклеотида в последовательности ДНК.
  • вставка — добавление одного или нескольких нуклеотидов к последовательности ДНК.
  • делеция — удаление одного или нескольких нуклеотидов из последовательности ДНК.

Точечные мутации также можно различать в зависимости от их влияния на белок:

  • миссенс-мутация — мутация, которая изменяет кодон таким образом, чтобы он кодировал другую аминокислоту.
  • молчащая — мутация, которая не изменяет кодон, таким образом, чтобы он кодировал ту же аминокислоту.
  • нонсенс-мутация — мутация, которая изменяет кодон, чтобы производить стоп-кодон.

Важно отметить, что даже если мутация может изменить аминокислотную последовательность белка, это не обязательно влияет на функциональность белка. Это может объясняется тем, что химическое сходство между различными аминокислотами может привести к практическому отсутствию влияния на окончательную структуру белка, сохраняя его функциональность. Кроме того, в белке есть области, которые очень незначительно влияют на структурную функциональность молекулы.

Мутации важны по нескольким причинам. Они несут ответственность за наследственные и другие заболевания. Например, серповидноклеточная анемия — это заболевание, вызванное мутацией по типу замены тимина на аденин, приводящая к кодону для валина вместо глутаминовой кислоты в шестой аминокислоте белка гемоглобина. Эта простая миссенс-мутация вызывает смертельное заболевание, при котором кислород плохо поставляется гемоглобином в эритроцитах к тканям, вызывая терминальное повреждение тканей. Более позитивный аспект мутации заключается в том, что она — источник фенотипических вариаций, на которые действует естественный отбор, а именно создание новых видов и адаптация уже существующих к изменяющимся условиям окружающей среды. Генные вариации между организмами позволяют нам исследовать эволюцию видов, используя молекулярные доказательства в качестве артефактов. Кроме того, она является двигателем медицинских исследований в плане постоянного поиска новых и лучших лекарств.

1.2 Биологический фон — проблемы вычисления

1.2.1. Проблема поиска генов

Задача 1.1 Учитывая последовательность ДНК, предсказать местоположение генов (открытые рамки считывания), экзоны и интроны.

Простым решением будет поиск стоп-кодонов в областях вдоль последовательности. Очевидно, что если несколько стоп-кодонов появляются в области рядом друг с другом, то она завершается. Таким образом, мы можем с уверенностью предположить, что это некодирующая область. Обнаружение относительно длительной последовательности без стоп-кодонов, может означать наличие кодирующей области. В эукариотической ДНК проблема усложняется из-за наличия чередующихся экзонов и интронов. Дополнительные осложнения возникают из-за того, что определенные последовательности ДНК могут интерпретироваться 6 различными способами ввиду соответствующих открытых рамок считывания, как упоминалось ранее. В большинстве случаев у эукариотических организмов область ДНК будет кодировать только один ген, что не обязательно происходит у прокариотов.

1.2.2 Проблема выравнивания последовательности

Задача 1.2. Учитывая две последовательности ДНК или белка, найдите лучшее соответствие между ними.

Для этого мы определяем набор возможных операций и соответствующие им штрафы. Например, биологическое явление, такое как вставка, будет математически переведено в открытый разрыв действий, который будет нести штраф. Таким образом, мы можем охарактеризовать другие функции, такие как удаления, несоответствия, сдвиги рамок и т. д., каждой из которых присущ свой особый штраф в зависимости от их биологической повторяемости и серьезности. Лучшим совпадением получается то, у которого сумма таких штрафов минимальна. В более общей множественной последовательности проблемы выравнивания существует более двух последовательностей.

1.2.3 Проблема перестройки генома

Задача 1.3. При двух перестановках множества геномных сегментов, найти минимальное множество операций для преобразования одной перестановки в другую.

По сравнению с точечными мутациями перестройка происходит нечасто. Например, замены происходят в некоторых организмах примерно 10 раз в каждом поколении, в то время как случай не летальной перестройки происходит один раз каждые 5-10 миллионов лет. Нижняя скорость перестановок позволяет нам обнаружить направленный эволюционный процесс, так как вероятность обращения ничтожна. Поэтому, обнаруживая, какие произошли события перегруппировки, и учитывая порядок их возникновения, мы могли бы быть в состоянии создать эволюционную гипотезу.

1.2.4 Проблема сворачивания белка

Поскольку функциональность белка определяется его трехмерной структурой, то очень важно определять структуру белка, таким образом, получая лучшее понимание касательно его роли в клетке.

Задача 1.4. Учитывая последовательность аминокислот, предсказать трехмерную структуру белка.

Проблему прогнозирования структуры белка de-novo, то есть на основе последовательности его аминокислот и их химических свойств еще предстоит решить. Тем не менее, было разработано несколько подходов для того, чтобы более точно определить структуру белка:

  • Гомологическое моделирование — использует базу данных белков для поиска похожих последовательностей белков. Если обнаружен белок с идентичностью примерно 30% последовательности, то вполне можно предположить, что два белка обладают сходной структурой.
  • Переплетение — классифицирует известные структуры в совокупности с похожими фолдами. Учитывая последовательность аминокислот, мы можем выбрать совокупность, для которой данная последовательность является наиболее характерной.

1.3 Биотехнологические методы

До 1970-х годов цель по выделению одного гена из целой хромосомы сошла на нет. В отличие от белка, ген существует не как отдельный объект в клетках, а как небольшая область гораздо большей молекулы ДНК. Хотя молекулы ДНК в клетке могут быть случайно разбитым на мелкие кусочки механической силой, фрагмент, содержащий один ген в геноме млекопитающего, все равно будет только один из ста тысяч или более фрагментов ДНК, неразличимых по своему среднему размеру. Чтобы упростить этот процесс может использовать в качестве нашего союзника «биологический механизм», — это является основной целью в области биотехнологии. С помощью биотехнологических методов можно производить большие количества веществ, необходимых для медицинских операций, а также проводить выделение конкретных веществ для диагностических целей.

1.3.1 Ферменты рестрикции

Одним из основных инструментов, используемых в биотехнологии, являются ферменты рестрикции. В естественных условиях одна из главных задач этих ферментов — разрушать чужеродную ДНК, попадающую в клетку, чтобы защитить клетку от инфекции. Фермент рестрикции разрывает фосфодиэфирные связи обеих нитей ДНК в процессе, известном под названием “расщепление”. Точка расщепления фермента характеризуется целевой последовательностью (обычно палиндром). В настоящее время есть более 150 известных конфигураций нуклеотидов, служащих целевым местом расщепления известных ферментов рестрикции (см. рисунок 1.7).

Рисунок 1.7: Источник: [8]. Карта рестрикции: буквы A, B, C, … в каждом кольце представляют различные фрагменты рестрикции соответствующих рестриктаз в порядке убывания длины.

1.3.2 Гель-электрофорез

Гель-электрофорез — это метод, используемый для разделения смеси переваренных фрагментов ДНК. Электрическое поле используется для перемещения отрицательно заряженных молекул ДНК через пористый агарозный гель. Фрагменты одинакового размера и формы движутся с одинаковой скоростью, и поскольку меньшие молекулы движутся быстрее, чем большие, смесь разделяется на полосы, каждая из которых содержит фрагменты ДНК одинакового размера (см. рисунок 1.8).

Рисунок 1.8: Источник: [11]. Гель-электрофорез.

1.3.3 Последовательность

Секвенирование — это операция определения нуклеотидной последовательности данной молекулы. ДНК могут быть секвенированы путем генерации фрагментов через контролируемое прерывание ферментативной репликации — метода, разработанного Фредриком Сэнгером и его коллегами. Сейчас этот метод предпочтительный ввиду его простоты. ДНК-полимераза используется для копирования определенной последовательности одноцепочечной ДНК. Синтез снабжается дополнительным фрагментом, который может быть получен из фермента рестрикции или синтезирован химически. В дополнение к четырем нуклеотидам (радиоактивно помеченным) инкубационная смесь содержит 2 ‘, 3′ дидезокси-аналог одного из них. Включение указанного аналога блокирует дальнейший рост новой цепи, потому что в ней отсутствует 3’-завершение, необходимое для образования следующей фосфодиэфирной связи. Следовательно, создаются фрагменты различной длины, в которых ди-дезокси-аналог находится на 3’-завершении. Затем четыре таких набора фрагментов с концевыми цепями (по одному для каждого ди-дезокси-аналога) поддаются электрофорезу, и последовательность оснований новой ДНК считывается из авторадиограммы четырех полос движения (см. рисунок 1.9). Используя этот метод, последовательности из 500-800 нуклеотидов можно определять с достаточной точностью. В настоящее время современные секвенаторы за несколько часов могут определить порядок следования одновременно в 96 различных последовательностях, состоящих из 500-800 нуклеотидов.

Рисунок 1.9: Источник: [8]. Секвенирование ДНК: электрофорез четырех наборов цепей с концевыми фрагментами. У каждого ди-дезокси-аналога иная полоса.

1.3.4 Клонирование

Основной проблемой в биохимических исследованиях является получение достаточного количества вещества, представляющего интерес. Эти трудности были в значительной степени устранены в последние годы благодаря методике молекулярного клонирования. Клон — это набор идентичных организмов, где все являются репликами одного предка.

Методы создания клонов с заданными свойствами, обычно называемые генной инженерией и технологией рекомбинантных ДНК заслуживают значительного признания ввиду резкого развития биотехнологий с середины 70-х годов. Основная идея молекулярного клонирования заключается в том, чтобы внедрить интересующий сегмент ДНК в автономно реплицирующуюся молекулу ДНК (называемую клонирующим вектором), таким образом, чтобы сегмент ДНК реплицировался с вектором. Примером векторов являются плазмиды (круговые ДНК, встречающиеся в некоторых бактериях). Размножение сегментов ДНК в соответствующих носителях приводит к производству большого количества вставленного сегмента ДНК.

Клонированный сегмент ДНК обычно представляет собой фрагмент интересующего генома, полученного путем применения ферментов рестрикции. Большинство ферментов рестрикции расщепляют дуплексную ДНК на специфических палиндромные участки, и каждые два фрагмента имеют отдельные концы нитей, являющиеся дополнительными друг для друга (известные как «липкие концы»). Следовательно, фрагмент рестрикции может быть вставлен в разрез, сделанный в клонирующем векторе тем же ферментом рестрикции, которым конец сегмента приклеивается (химически привязывается) к свободным концам вектора. Такая рекомбинантная молекула ДНК вставляется в быстро воспроизводящую клетку-хозяина и дублируется в процессе системы размножения (см. рисунок 1.10). Клетки, содержащие рекомбинантную ДНК, затем изолируются от неинфицированных клеток с помощью антибиотика, к которому исходный вектор резистентен. Техника клонирования обеспечивает как большим количеством фрагментов ДНК, так и средством для сохранения их в течение длительного периода времени (поддерживая клетки-хозяева живыми).

Рисунок 1.10: Источник: [8]. Процедура клонирования.

1.3.5 Полимеразная цепная реакция — ПЦР

Доступность очищенных ДНК-полимераз и химически синтезированных олигонуклеотидов ДНК позволила быстро клонировать специфические последовательности ДНК без потребности задействовать живые клетки. Метод, называемый полимеразной цепной реакцией (ПЦР), позволяет ДНК из выбранная область генома, которая будет амплифицирована миллиард раз, при условии, что по крайней мере часть ее нуклеотидных последовательность уже известна. Во-первых, известная часть последовательностей используется для создания двух синтетических олигонуклеотидов ДНК, по одному комплементарному на каждую цепь двойной спирали ДНК и находящихся на противоположных сторонах участка для усиления. Эти олигонуклеотиды служат праймерами для синтеза ДНК in-vitro, который катализируется ДНК-полимеразой, и они определяют концы финального полученного фрагмента ДНК.

Каждый цикл реакции требует кратковременной термообработки для разделения двух нитей геномной ДНК. Успех метода зависит от использования специальной ДНК-полимеразы, выделенной из термофильной бактерии, стабильной при гораздо более высоких температурах чем обычно, так что он не денатурирует при повторных термообработках. Последующее охлаждение ДНК в присутствии большого избытка двух олигонуклеотидов ДНК-праймера позволяет этим олигонуклеотидам гибридизоваться с комплементарными последовательностями в геномной ДНК.

Ренатурированная смесь затем инкубируется с ДНК-полимеразой и обилием четырех нуклеотидов (A, C, T, G), так что области ДНК ниже по течению от каждого из двух праймеров выборочно синтезируются. Когда процедура повторяется, то вновь синтезированные фрагменты сами служат шаблонами и в течение нескольких циклов преобладающим результатом будет тот вид фрагмента ДНК, длина которого соответствует расстоянию между исходным праймерами. На практике для эффективной амплификации ДНК требуется 20-30 циклов реакции. Каждый цикл удваивает количество ДНК, синтезированной в ходе предыдущего цикла. Один цикл требуется всего около 5 минут, а автоматизированная процедура позволяет “бесклеточное молекулярное клонирование” фрагмента ДНК в течение нескольких часов по сравнению с несколькими днями, необходимыми для некоторые из процедур клонирования. Кроме того, ПЦР обычно более надежна, чем любые другие процедуры клонирования.

1.4 Биотехнологические методы — проблемы вычисления

1.4.1. Проблемы с усвоением ферментов рестрикции

Степень воздействия ДНК на ферменты рестрикции определяет размеры возможных участков, которые были фактически расколоты. Следовательно, применяя различные показатели времени воздействия к одной и той же последовательности ДНК, можно измерить все возможные продолжительности фрагментов ДНК, которые в состоянии получить, используя определенный фермент. Применяя эту информацию, мы можем попытаться определить местоположение участков расщепления в исходной молекуле.

Задача 1.5 (задача двойного расщепления) Пускай A = {A1, A2, …, An | A1 <A2 <… < An}, B = {B1, …, Bn | B1 <… <Bm}, C = AUB s.t. C1 <C2 <… <Cn+m. Учитывая три набора расстояний {| Aі — Aі − 1 |} 2≤i≤n, {| Bі — Bі − 1 |} 2≤i≤m и {| Cі — Cі − 1 |} 2іn+m,  восстановите исходные серии A1, …, An, B1, …, Bm.

Это задача недетерминированной полиномиальной сложности, но существуют некоторые эвристические алгоритмы для того, чтобы решить ее.

Задача 1.6 (проблема частичного расщепления) Пускай X = {X1, X2, …, Xn | X1 <X2 <… < Xn}. По заданному набору расстояний {| Xі — Xj |} 1≤i <jn восстановите исходный ряд X1, …, Xn.

Сложность этой проблемы неизвестна, хотя псевдополиномиальный алгоритм и существует. Эта проблема также известна как проблема реконструкции шоссе.

1.4.2 Проблема сборки последовательности

Чтобы упорядочить большие фрагменты ДНК, можно разбить ее на множество мелких фрагментов и упорядочить их, как упоминалось ранее. Проблема, которая возникает из-за этого метода, заключается в сбореа длинной цепочки ДНК из коротких локальных последовательностей. Эта проблема известна как проблема сборки последовательности.

Задача 1.7. Для заданного набора последовательностей найти строку минимальной длины, содержащую все элементы из набора в качестве подстрок.

Эта проблема известна как НП-полная. Однако есть жадные алгоритмы, которые довольно хорошо выполняються на практике. Эта проблема еще более усложняется из-за существования в геноме повторяющихся последовательностей.

1.5 Проект «Геном человека»

Конечная цель проекта «Геном человека» — создать единую непрерывную последовательность для каждой из 24 хромосом человека и для определения месторасположения каждого гена. Последовательность рабочего проекта, описанная международным консорциумом по секвенированию генома человека, была создана путем объединения сегментов последовательности, полученных из более чем 20 000 объемных клонов.

График реализации проекта «Геном человека»:

  • 1985 год — проект был впервые инициирован Шарлем де Лизи — заместителем директора по здравоохранению и исследованию окружающей среды в Министерстве энергетики США.
  • 1988 — Национальный институт здоровья (NIH) создает кабинет по исследованию генома человека.
  • 1990 — запущен проект генома человека с намерением завершиться в течение 15 лет и бюджетом в 3 миллиарда долларов.
  • 1996 — на встрече на Бермудских островах международные партнеры по проекту генома договорились формализовать условия доступа к данным, включая публикацию данных о последовательности базы данных. Это стало известно как «Бермудские принципы».
  • 1998 — Крейг Вентнер создает компанию с намерением упорядочить геном человека в течение трех лет. Компания, позже получившая название Celera, представила новый амбициозный подход «весь геном воедино».
  • 1999 — публичный проект отвечает на вызов Вентнера и меняет время назначения для завершения первого проекта.
  • декабрь, 1999 — опубликована первая полная последовательность хромосом человека (22 плеча).
  • июнь, 2000 — лидеры общественного проекта и компании Celera встречаются в Белом доме, чтобы объявить о завершении рабочего проекта над последовательностями генома человека.
  • февраль, 2001 — первый проект генома человека был опубликован в журналах Nature и Science.

Похоже на то, что геном человека — первая последовательность генома позвоночных, которая будет определена — довольно похож на геномы других позвоночных. Он приблизительно в 30 раз больше, чем червя Caenorhabditis elegans и плодовой мухи Drosophila melanogaster (доступны на публичных доменах) около 108 bp, и в 250 раз больше, чем у дрожжей Sacchromyces cerevisiae. Несмотря на его размер, у него вероятно только в два или три раза больше генов, чем у геномов мухи или червя, а кодирование области генов составляет только 3% ДНК. Повторяющиеся последовательности составляют большую часть оставшейся ДНК — около 46%. Эти повторы могут обладать или не обладать функцией, но они, безусловно, характерны для геномов крупных позвоночных. Остальная часть последовательности содержит промоторы, транскрипционные регуляторные последовательности и другие особенности.

На сегодняшний день более 98,5% человеческого генома секвенировано и около 47% находится в готовом состоянии, то есть собрано в длинные части и проверено (см. рисунки 1.11, 1.12).

Рисунок 1.11: Источник: [13]. Публичный проект «Геном человека» — прогресс до октября 2000 г .:

синий — завершено, красный — черновой набросок, желтый — еще предстоит упорядочить.

Рисунок 1.12: Источник: [13]. Публичный проект «Геном человека» — статус по состоянию на октябрь 2001 года,

измеряется от зеленого (черновик) до красного (завершено).

Общее количество генов у человека оценивается в пределах от 25 000 до 40 000. Проект «Геном человека» является последним достижением замечательной научной программы, чье происхождение восходит на сто лет к повторному открытию законов Менделя, и завершение которого не наблюдается. В некотором смысле это базис для приложения усилий в исследованиях в прошлом веке и основа для усилий в понимании его в веке нынешнем. Научная работа будет иметь глубокие долгосрочные последствия для медицины, что приведет к выяснению основных молекулярных механизмов заболеваний и тем самым к облегчению разработки рациональной диагностики и терапии, направленных на данные механизмы.

«Мы не перестанем заниматься разведкой. И конец всех наших исследований будет там, откуда мы начали, и увидим это место будто впервые». — Т.С. Элиот

Сноски:

  1. 1 Частично основано на работе Эрана Голдберга и Ротема Сорека, октябрь 2000 г., и на [5, 7, 2, 9, 4, 10,6, 1, 3].

Список литературы:

[1] Й. Аах, М.Л. Булиц, Дж.М. Черч, Дж. Командер, А. Дерти и Дж. Шендур. Вычислительное сравнение двух черновых последовательностей генома человека. Nature, 409, 2001.

[2] Б. Альбертс, Д. Брей, Дж. Льюис, М. Рафф, К. Робертс и Дж. Уотсон. Молекулярная биология клетки. Garland Publishing, Inc, 1994.

[3] Международный консорциум по секвенированию генома человека. Начальная последовательность и анализ

генома человека. Nature, 409, 2001.

[4] К. Деннис, Р. Галлахер и П. Кэмпелл. Геном каждого. Nature, 409, 2001.

[5] А.Дж.Ф.Гриффитс, Й.Г.Миллер., Д.Т. Сузуки, Р.К. Левонтин и Б.М.Гелбарт. Введение в генетический анализ. W. H. Freeman, Нью-Йорк, 1996.

[6] В-Х. Ли, З. Гу, Х. Ван и А. Некротенко. Эволюционный анализ генома человека. Nature, 409, 2001.

[7] Л. Страйер. Биохимия. W. H. Freeman, Нью-Йорк, 4-е издание, 1995.

[8] Дж. Д. Уотсон, М. Гилман, Дж. Витковски и М. Золлер. Рекомбинантная ДНК. W.H.

Фримен, Нью-Йорк, 2-е издание, 1992.

[9] Дж. Д. Уилсон, Э. Браунвальд, К.Й. Иссельбахер, Р.Г. Петерсдорф, Дж. Б. Мартин, А.С. Фочи,

и Р.К. Рут. Принципы внутренней медицины. McGraw-Hill, 2000.

[10] Т.Г. Вольфсберг и Дж. Макинтайр. Руководство по составлению генома человека. Nature, 409, 2001.

[11] http://dlab.reed.edu/projects/vgm/vgm/VGMProjectFolder/VGM/.

[12] http://ntri.tamuk.edu/cell/ribosomes.html/.

[13] http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genome/seq/.

[14] http://www.ornl.gov/hgmis/publicat/tko/index.htm/.

 

Что такое реснички и жгутики?

Оригинал на английском доступен по ссылке files.oakland.edu

Реснички и жгутики — это жгутикообразные отростки многих живых клеток, которые используются для перемещения жидкости или для приведения клеток в движение. Реснички производят веслообразные изгибания, а жгутики — змееобразные, как это показано на рисунке 1. Реснички в легких предотвращают дыхательные трубки (бронхи) от засорения грязью и пылью, перемещая слой липкой слизи для того, чтобы вывести их из дыхательных путей. Сперматозоиды используют жгутик в качестве винта для перемещения клетки по жидкости в яйцеводе для того, чтобы достичь яйцеклетки. Тысячи животных и растений используют реснички и жгутики для плавания (например, парамеция), кормления (например, моллюски и мидии) или для спаривания (например, зеленые водоросли). Любопытно, что у всех этих ресничек и жгутиков очень похожее внутреннее расположение трубок (наружных дуплетов) и белковых соединителей (звеньев нексина и динеиновых ручек) — это говорит о том, что есть нечто особенное в этом конкретном построении винта у клетки. Рисунок 2 представляет собой диаграмму указанных внутренних составляющих жгутика. Природа стремится сохранить дизайн, который хорошо работает. Если мы сможем понять, почему этот конкретный дизайн работает настолько хорошо, то мы сможем разработать миниатюрные устройства, использующие те же принципы работы!


Рисунок 1


Рисунок 2

Электронно-микроскопическое изображение пронумерованной аксонемы быка и аксонемы мыши, соответственно.

МОДЕЛЬ ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО СЦЕПЛЕНИЯ

Модель геометрического сцепления взмахов ресничек и жгутиков — это гипотеза, которая пытается объяснить, каким образом работают реснички и жгутики. Компьютерная модель, основанная на этой гипотезе, может имитировать ресничку или жгутик. Основная идея гипотезы геометрического сцепления довольно проста для понимания. Когда молекулярные двигатели (динеиновые ручки, указанные на рисунке), приводящие в действие взмах реснички или жгутика, активируются, то они тянут и толкают внешние дуплеты и вызывают деформацию структуры, которая приводит к изгибаниям ресничек. То, как реснички совершают взмах, одобрена всеми учеными, изучающими реснички и жгутики. Идея геометрического сцепления основана на том, что когда механизмы толкают и тянут наружный дуплет, то напряжение в каждом дуплете создает направленную в сторону силу, которая является поперечной дуплету. Эта поперечная сила (или Т-сила) толкает некоторые из дуплетов на сближение, а другие — на отталкивание друг от друга. Механизмы на сдвоенных дуплетах приводятся в действие и генерируют силу; механизмы на раздвоенных дуплетах вынуждены прекращать тянуть. В модели с геометрическим сцеплением это является принципом работы. Т-сила управляет механизмами и действует как «сцепление», подобно тому сцеплению, которое включает или отключает двигатель вашего автомобиля. Когда этот принцип работы встроен в компьютерную модель реснички или жгутика, имитируемый жгутик может создавать повторяющиеся взмахи, очень похожие на взмахи настоящей реснички или жгутика. Рабочую копию компьютерной модели геометрического сцепления можно загрузить со страницы «модель сцепления» данного веб-сайта (ЗДЕСЬ). С помощью инструкций, встроенных в демонстрационную версию, вы можете заставить модель имитировать взмахи ресничек длиной 10 микрон (при условии, что вы работаете на IBM-совместимом ПК).

Карл О. Кріст

Оригінал доступний на сайті chem.usc.edu

Карл О. Кріст

Професор хімії

Неорганічна хімія

 

Дослідницькі інтереси

Наші інтереси досить широкі та варіюються від найбільш фундаментального вчення до прикладних досліджень в академічних, державних та промислових інтересах. Особливу цікавість представляють матеріали високої енергетичної щільності (HEDM), хімія неорганічної основної групи, хімія поліатомного азоту та нітроаміну, висококисневі носії, енергетичні іонні рідини, хімія в умовах окислення та координації, а також синтез і характеристика нових карбокатіонів та фторвуглеводневих сполучень. Наша робота використовує синергізм теорії та синтезу і значною мірою сприяє тісній співпраці з численними групами теоретиків. Головна мета наших досліджень — розвивати сучасні надбання та прагнути до вражаючих проривів, а не обмежуватись незначними покращеннями.

Типові приклади проривних досягнень, яких ми досягли в минулому, включають в себе перші синтези нових катіонів, таких як NF 4 + [1] або ClF 6 + [2], які були отримані з неіснуючих батьківських молекул, перший хімічний синтез елементарного фтору [3], який був неможливим відповідно до підручників, синтез XeF 5 та IF 52-[4], які складають перші приклади п’ятикутних пласких видів AX 5 , розвиток синтезу для дійсно безводного розчинного “голого” фторид-іону [5], який призвів до ренесансу в хімії з високим координаційним числом [6], синтез N 5 + [7], який є єдиним стабільним видом поліазотів за більш ніж 100 років та лише другим відомим полінітроген-іоном, що зроблений людиною та може бути створений в макроскопічному масштабі, спектроскопічна ідентифікація циклічного N 5 аніону [8], синтез перших киснево збалансованих енергетичних іонних рідин для рідких однокомпонентних застосувань [9], підготовка та характеристика більш ніж 40 нових поліазидів [10] та їх комбінація з енергетичними протиіонами, як, наприклад, в [N5]+[B(N3)4)] [11], синтезі  NO2)CN, стабільного матеріалу надвисокої енергетичної щільності [12] та  FN(NO2))2) [13], об’ємний синтез CF3) аніону [14] та розробки перших кількісних шкал для оцінки потужності окислювачів [15] та кислотності Льюїса [16].

Вибрані публікації

  1. «Катіон тетрафторнітронію (V), NF4+,» К.О. Кріст, Дж.П. Гуертін, А.Е. Павлат, Листи про Неорганічну Нуклеакивну Хімію, 2, 83 (1966).
  2. «Катіон гексафторхлорину (VII), ClF6+,» К.О. Кріст, Листи про Неорганічну Нуклеакивну Хімію, 8, 741 (1972).
  3. «Хімічний синтез елементарного фтору,» К.О. Кріст, Неорганічна Хімія, 25, 3721 (1986).
  4. ((a) «Аніон пентафторксенату (IV), XeF5; Перший приклад пентагонального планарного AX5 виду,» К.О. Кріст, Е.С. Куртіс, Х.П. Мерсієр, Дж.С.П. Сандерс, Дж.Дж. Шробільген, Д. Діксон, Журнал Американської Спілки Хіміків, 113, 3351 (1991); (b) «Пентагональний планарний AX5 вид: Синтез та характеристика йод (III) пентафторид діаніону, IF52-,» К.О. Кріст, В.В. Вільсон, Дж.В. Дрейк, Д.А. Діксон, Дж.А. Боатз, Р.З. Гнанн, Журнал Американської Спілки Хіміків, 120, 4711 (1998).
  5. «Синтези, властивості та структури безводного фторид тетраметиламмонію та його аддукта 1:1 з транс-3-аміно-2-бутен нітрилом,» К.О. Кріст, В.В. Вільсон, Р.Д. Вільсон, Р. Бау, Дж. Фенг, Журнал Американської Спілки Хіміків, 112, 7619 (1990).
  6. «Гептакоординовані фториди основної групи та оксифториди,» К.О. Кріст, Е.С. Куртіс, Д.А. Діксон, Х.П.А. Мерсієр, Дж.С.П. Сандерс, Дж.Дж. Шробільген, В.В. Вільсон, гл.5 в “Неорганічна Хімія Фториду Наближаючись до 21 Століття,» Симпозіум Американської Спілки Хіміків, серія 555 (1994).
  7. «N5+: Новий гомолептичний полінітрогеновий іон як матеріал високої енергетичної щільності,» К.О. Кріст, В.В. Вільсон, Дж.А. Шіхі, Дж.А. Боатз, Angewandte Chemie Міжнародне Видання, 38, 2004 (1999).
  8. «Експериментальне виявлення аніону пентаазациклопентадієніду (пентазолату), цикло-N5,» А. Відж, Дж.Дж. Павлович, В.Вільсон, В. Відж, К.О. Кріст, Angewandte Chemie Міжнародне Видання, 41, 3051 (2002).
  9. «Киснево-збалансована енергетична іонна рідина,» С.Дж. Біглер Джонс, Р. Хайгес, Т. Шроер, К.О. Кріст, Angewandte Chemie Міжнародне Видання, 45, 4981 (2006).
  10. «Підготовка перших азидів марганцю (III) та марганцю (IV),» Р. Хайгес, Р.Дж. Бушек, Дж.А. Боатз, К.О. Кріст, Angewandte Chemie Міжнародне Видання, 53, 8200 (2014), та посилання в публікації.
  11. «Нові матеріали високої енергетичної щільності. Синтез та характеристики N5+P(N3)6, N5+B(N3)4, N5+HF2-.nHF, N5+BF4, N5+PF6 та N5+SO3F,» Р. Хайгес, С. Шнайдер, Т. Шроер, К.О. Кріст, Angewandte Chemie Міжнародне Видання, 43, 4919 (2004).
  12. «Нітрилціанід, NCNO2,» М. Рам, Дж. Беланжер-Шабо, Р. Хайгес, К.О. Кріст, Angewandte Chemie Міжнародне Видання, 53, 6893 (2014).
  13. «Синтез та характеристика фтординітроаміну, FN(NO2)2,» К.О. Кріст, В.В. Вільсон, Дж. Беланжер-Шабо, Р. Хайгес, Дж.А. Боатз, М. Рам, Дж.К. Сур’я Пракаш, Т. Саал, М. Хопфінгер, Angewandte Chemie Міжнародне Видання, 53, published on line (2014).
  14. «Довговічний аніон трифторметаніду: Ключова проміжна ланка в нуклеофільних трифторметилуваннях,» Дж.К. Сур’я Пракаш, Ф. Ванг, З. Жанг, Р. Хайгес, М. Рам, К.О. Кріст, Т. Метью, Дж.А. Олах, Angewandte Chemie Міжнародне Видання., 53, 11575 (2014).
  15. «Кількісна шкала для окислювальних потужностей оксидантних фторуючих речовин,» К.О. Кріст, Д.А. Діксон, Журнал Американської Спілки Хіміків, 114, 2978 (1992).
  16. «Про кількісну шкалу для кислотності Льюїса та нещодавній прогрес в хімії полінітрогену,» К.О. Кріст, Д.А. Діксон, Д. МакЛемор, В.В. Вільсон, Дж.А. Шіхі, Дж.А. Боатз, Хімія Фториду, 101, 151 (2000).

Синтез и секреция инсулина

Оригинал доступен на сайте vivo.colostate.edu

Инсулин представляет собой небольшой белок с молекулярной массой около 6 000 дальтон. Он состоит из двух цепей, удерживаемых вместе дисульфидными связями. На рисунке справа показана молекулярная модель бычьего инсулина, где А-цепь обозначена синим цветом, а большая по размеру B-цепь — зеленым. Вы можете получить более четкое представление о структуре инсулина, самостоятельно разобравшись с указанным примером.

Последовательность аминокислот в значительной мере сохранена консервативна среди позвоночных, и инсулин одного млекопитающего почти наверняка будет биологически активен у другого. Даже сегодня многие больные диабетом принимают инсулин, выделенный из поджелудочной железы свиньи.

Биосинтез инсулина

Инсулин синтезируется в значительных количествах исключительно в бета-клетках поджелудочной железы. мРНК инсулина транслируется как одноцепочечный предшественник, который носит название препроинсулин, а удаление его сигнального пептида во время вставки в эндоплазматический ретикулум генерирует проинсулин.

Проинсулин состоит из трех доменов: амино-концевой B-цепи, карбокси-концевой A-цепи и связующего пептида посередине, известного как C-пептид. Внутри эндоплазматического ретикулума проинсулин подвергается воздействию нескольких специфических эндопептидаз, которые расщепляю С-пептид, тем самым образуя зрелую форму инсулина. В комплексе Гольджи инсулин и свободный С-пептид упаковываются в секреторные гранулы, накапливающиеся в цитоплазме.

Когда бета-клетка раздражается соответствующим образом, инсулин выделяется из клетки путем экзоцитоза и диффундирует в кровь капилляров островков Лангерганса. С-пептид также секретируется в кровь, но не обладает какой-либо известной биологической активностью.

Регулирование секреции инсулина

Инсулин секретируется прежде всего в ответ на повышенные концентрации глюкозы в крови. В этом есть смысл, так как инсулин «отвечает» за содействие проникновению глюкозы в клетки. Некоторые раздражители (например, вид и вкус пищи), а также повышенная концентрация в крови других топливных молекул, включая аминокислоты и жирные кислоты, также способствуют секреции инсулина.

Наше понимание механизмов секреции инсулина остается несколько фрагментарным. Тем не менее, некоторые особенности этого процесса были четко и неоднократно продемонстрированы, что привело к следующей модели:

  • Глюкоза транспортируется в бета-клетку путем облегченной диффузии через транспортер глюкозы; повышенная концентрация глюкозы во внеклеточной жидкости приводит к повышенной концентрации глюкозы в бета-клетке.
  • Повышенная концентрация глюкозы в бета-клетке в конечном итоге приводят к деполяризации мембраны и притоку внеклеточного кальция. Считается, что возрастающее количество кальция внутри клетки — это один из основных причин, запускающих экзоцитоз инсулинсодержащих секреторных гранул. Механизмы, с помощью которых повышенный уровень глюкозы в бета-клетке вызывают деполяризацию, четко не установлены, но, по-видимому, являются результатом метаболизма глюкозы и других топливных молекул в клетке, возможно, воспринимаемых как изменение соотношения АТФ к АДФ и приводящие к изменениям проводимости мембраны.
  • Повышенный уровень глюкозы в бета-клетках также активирует кальций-независимые пути, участвующие в секреции инсулина.

Стимуляция высвобождения инсулина в целом легко наблюдается у животных или людей. Нормальная концентрация глюкозы в крови натощак у людей и большинства млекопитающих составляет от 80 до 90 мг на 100 мл, что связано с очень низким уровнем секреции инсулина.

На диаграмме справа показано влияние на секрецию инсулина при введении достаточного количества глюкозы для поддержания такого уровня в крови, который в два-три раза выше того уровня, что в состоянии натощак в течение часа. Почти сразу после начала инфузии уровень инсулина в плазме резко возрастает. Это первоначальное увеличение связано с секрецией предварительно сформированного инсулина, количество которого вскоре значительно сокращается. Вторичный рост инсулина отражает значительное количество вновь синтезированного инсулина, который вырабатывается незамедлительно. Очевидно, что повышенный уровень глюкозы стимулирует не только секрецию инсулина, но и транскрипцию гена инсулина, а также трансляцию его мРНК.

 

Ацикловир

Оригинал доступен на сайте dermnetnz.org

Автор: д-р Фиона Ларсен, бакалавр медицинских наук и бакалавр хирургии, отделение дерматологии госпиталя Гринлейн, Окленд, Новая Зеландия, 2004.

Что такое ацикловир?

Ацикловир — противовирусный препарат, который наиболее распространен в мире. Впервые его стали отпускать по рецепту в 1983 году.

Ацикловир — синтетическое соединение с молекулярной структурой, сходной с пуриновым нуклеозидом. Было показано, что он останавливает развитие вируса простого герпеса (ГВЧ-1), герпевируса человека типа 3 (ГВЧ-3) (причина ветряной оспы и опоясывающего лишая), вируса Эпштейна-Барра (ВЭБ, причина инфекционного мононуклеоза) и в несколько меньшей степени цитомегаловирус (ЦМВ).

Показания к применению ацикловира

Ацикловир используется в лечении при:

Дозировка препарата

Простой герпес

  • При начальной вспышке у взрослых и детей старше 2 лет пероральный ацикловир по 200 мг или 400 мг три раза в день следует принимать пять раз в день в течение 10 дней. Для детей младше 2 лет следует использовать половину взрослой дозы.
  • Для повторяющихся вспышек лечение следует начинать при появлении самых ранних признаков и продолжать в течение 5 дней.
  • Если необходима длительная супрессивная терапия, то 400 мг вводится два раза в день.

Ацикловир также доступен: в виде мази для нанесения на губы и лицо; в виде мази для глаз при случаях с глазными инфекциями. Его следует применять при первых признаках рецидивирующей инфекции, часто сопровождающейся ощущениями покалывания. Затем он втирается в пораженный участок каждые четыре часа во время бодрствования в течение 5 дней. В таком виде он не подходит для использования в полости рта или применительно к другим слизистым оболочкам.

Ветряная оспа

Ацикловир является важным средством лечения опоясывающего лишая (herpes zoster), но его также можно использовать для лечения ветрянки (ветряной оспы) у взрослых или тяжелых инфекций у детей.

Наилучшие результаты будут в том случае, если лечение начинается в течение 48 часов после появления сыпи. Применение перорального ацикловира 800 мг пять раз в день в течение 7 дней ускоряет скорость заживления волдырей. При инфекции опоясывающего лишая препарат также уменьшает силу и продолжительность боли, а также может предотвратить постгерпетическую невралгию.

Ацикловир, который предназначен для внутривенного применения, достигает более высокого уровня в крови по сравнению с ацикловиром, применяющемся перорально. Препарат для внутривенного применения рекомендуется при тяжелых случаях инфицирования:

  • Когда у пациентов с иммунодефицитом ветряная оспа, диссеминированный опоясывающий герпес или тяжело протекающий случай простого герпеса
  • При остром опоясывающем герпесе с поражением тройничного нерва (лоб и веки)
  • Обширной герпетической экземе
  • Герпетической инфекции головного мозга (энцефалит)
  • Герпетической инфекции у новорожденных

Внутривенно ацикловир применяется на протяжении одного часа каждые 8 ​​часов в течение 7 дней в дозе 5 мг / кг для ВПГ и 10 мг / кг для ВЗВ.

Механизм действия ацикловира

Чтобы начать действовать, ацикловир должен сначала заменится на ацикловир монофосфат ферментом, который содержится только в вирусах, называемых тимидинкиназой (ТК). Затем он превращается в свою активную трифосфатную форму с помощью человеческих ферментов, находящихся внутри клеток.

ЦМВ не продуцирует тимидинкиназу, поэтому противовирусная активность ацикловира при ЦМВ-инфекциях низкая.

Ацикловир трифосфат (АТ) — это активная форма препарата. Он снижает выработку вирусной ДНК, конкурируя с естественным соединением — дезоксигуанозинтрифосфатом — за фермент вирусной ДНК-полимеразы. Включение AT в вирусную ДНК полностью предотвращает синтез новой ДНК.

Вирусная ДНК-полимераза связывается с АТ в 10–30 раз сильнее, чем клеточная ДНК-полимераза. Это значит, что ацикловир не токсичен.

К сожалению, только около 15–20% дозы ацикловира всасывается через стенку кишечника, что означает необходимость принимать его часто, поскольку он активен только в течение 2-3 часов пребывания в кровотоке.

Побочные эффекты ацикловира

Побочные эффекты от ацикловира бывают редко, но они включают: тошноту или рвоту, диарею, головную боль, лихорадку, спутанность сознания, лимфаденопатию, генерализованные мышечные боли и зуд кожи.

Ацикловир следует использовать с осторожностью тем пациентам, у которых есть заболевания почек. Дозу необходимо уменьшить, чтобы предотвратить накопление препарата и снизить риск того, что препарат повредит почки или нервную систему. Ацикловир также может вызывать нарушения анализов крови в печени, а изредка — снижение количества белых клеток.

Список из более 1000 беременных женщин, употреблявших ацикловир до или во время ранней беременности, не выявил увеличения частоты выкидышей или врожденных дефектов у потомства. Однако, как и в случае с любым лекарством, его следует назначать при беременности, только если считается, что польза превышает риск.

Другие противовирусные средства, используемые при герпетической инфекции

Валацикловир является пролекарством ацикловира и обладает более значительной биодоступностью. Он также может быть использован для лечения ГВЧ-1 и ГВЧ-2. Он применяется для предотвращения инфекции ЦМВ после пересадки органов. Обычные дозы:

  • ГВЧ-3: 1 г три раза в день в течение 7 дней
  • ГВЧ-1: 500 мг два раза в день в течение 5 дней

Фамцикловир используется для ГВЧ-1 и ГВЧ-3. Привычные дозы:

  • ГВЧ-3: 500 мг три раза в день в течение 10 дней
  • ГВЧ-1: 125–250 мг три раза в день в течение 5 дней
  • Долгосрочное подавление: 250 мг два раза в день
  • Рецидив ГВЧ-1 на губах: разовая доза 500 мг при первых признаках образования пузырей
  • Рецидивирующий генитальный ГВЧ-1: 100 мг два раза в день в течение 1 дня при первых признаках образования пузырей

 

Профессор Альберт К. Харрис

Оригинал доступен по ссылке bio.unc.edu

КОНТАКТНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Офис: 103 Wilson Hall
Email: akharris[at]bio.unc.edu
Рабочий телефон: (919) 966-1230

ОБРАЗОВАНИЕ

Доктор философии, Йельский университет (1971)
Бакалавр искусств, Суортмор-колледж (1965)

ОПИСАНИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Избранные ссылки | Курсы | Исследования

Альберт Харрис является эмбриологом, который интересуется «амебоидным» передвижением частей организма и способами, согласно которым движение клеток производится с помощью анатомических систем.

Он придумал и довел до ума метод под названием метод упругого субстрата, для которого он (а позже и последующие исследователи) использовал силиконовый каучук и разнообразные гели, оснащенные частицами, с целью измерить и определить местоположение, мощность и направления сил сцепления клеток на уровне микрометра. К тому же, он был сооткрывателем очаговых спаек, реакционного поверхностного переноса, а также того, что соблюдается мембранное перемещение, что губки ползают, что клетки губок непрерывно перестраиваются даже без диссоциации, плюс брал участие в математических и компьютерных имитационных исследованиях касательно миграции и деления клеток. В разделе «Исследования», что находится выше, содержатся видео по данным исследованиям.

Его аспиранты трудились над разнообразными темами, начиная специальными адгезивными свойствами макрофагов, образованиями сухожилий силами клеток, передвижениями губок, реакциями клеток и заканчивая электрическими полями и влиянием активаторов развития опухоли на сократительную способность клеток.

Он вырос в Дареме и Райтсвилль-Бич, что находится в штате Северная Каролина, а и в Норфолке, располагающемся в штате Вирджиния; длительный период времени он оставался единственным выпускником Норфолкской Академии, который когда-либо посещал Суортмор колледж. Он добился своей докторской степени в Йельском университете под руководством Дж. П. Тринкауса, а также был постдокторантом в Фонде исследований рака им. Деймона Руниона в Кембридже (Англия), работавшим под руководством члена Королевского Общества Майкла Аберкромби. Он приходится сыном Кеннету Харрису, который известен как популярный художник, автор и руководитель движения за гражданские права в регионе Тайдуотер, находящийся в штате Вирджиния. Его семья — истец по делам федерального и государственного судов (1958-9), способствовавшие расовой интеграции в государственных школах Вирджинии. Элизабет Холдер Харрис — его жена — была известна как лидер в сфере исследований хлоропластов и водорослей Хламидомонад на молекулярно-генетическом уровне. У них есть трое детей, у одного из которых имеется докторская степень в сфере биологических исследований, а другой из которых — преподаватель. Его хобби — это каноэ, черепахи и компьютерное программирование.

 

 

Страница 1 из 2