Ақпарат

Геномдағы күрт өзгеріс қалай сақталады және таралады?

Геномдағы күрт өзгеріс қалай сақталады және таралады?


We are searching data for your request:

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

Мен 2019 жылғы қарашада Scientific American журналында ән айтатын құстар туралы мақаланы оқыдым. Мақалада жыршы құстардың басқа құс түрлерінде жоқ GRC (ұрық сызығы шектелген хромосома) деп аталатын қосымша хромосомасы бар екендігі түсіндіріледі және бұл түрлердің осы тобының әртүрлілігіне ішінара немесе толығымен жауапты болуы мүмкін деген гипотеза бар.

Келесі жол менің назарымды аударды:

GRC жыртқыш құстардың соңғы ортақ ата-бабасынан пайда болғаннан кейін, GRC-ті тасымалдайтын аталық түрдің мүшелері тек GRC бар жұптарымен ғана құнарлы ұрпақ бере алады.

Бірақ GRC құрған мутация пайда болған кезде, бұл құс бірінші кезекте кіммен жұптасады?

Менің сенімім бойынша, генетикалық өзгерістердің көпшілігі салыстырмалы түрде шамалы, сондықтан олар бірден үйлесімсіз жұптауға әкелмейді. Уақыт өте келе генетикалық өзгерістер жинақталатындықтан, түрлену пайда болады. Бірақ жоғарыда келтірілген дәйексөз мүлде жаңа хромосоманың будандастыруға мүмкіндік бермейтін тым қатал екенін көрсетеді.

Оның популяцияға таралуына мүмкіндік беру үшін бір мезгілде осы қосымша хромосомасы бар құстардың толық тобы қажет емес пе? Бұл орын алуы екіталай.

Мен жолды тым тура оқып жатырмын ба? Қосымша хромосомасы бар ерте құстар жаңа хромосома тым көп өзгерістер жинақталғанша басқа құстармен жұптасуы мүмкін бе?


Әр түрлі хромосома саны бар адамдар бедеу болады деген дұрыс емес. Жылқы (64 хромосома)/есек (62 хромосома) гибридтері үнемі құнарсыз қашыр екендігі жалпы даналыққа сай болса да, бұл дұрыс емес; құнарлы жылқы/есек ұрпақтарының айтарлықтай саны құжатталған. Міне, құнарлы қашыр ата-анасында хромосомалар тексеріліп, 63 екендігі расталған мысал.

Одан да күрт, кәдімгі шұңқырдың (бір түрдің) табиғи өзгергіштігі сияқты көптеген хромосома сандары бар (бір қағазда кемінде 50 түрлі хромосомалық нұсқа анықталған) және бұл олардың интерфертильділігіне әсер етпейді.

Мұнда сұраққа үш жалпы жауап бар, бірақ мен қайсысы ең ықтимал екенін білмеймін.

  1. Қосымша хромосома пайда болды және бастапқы нұсқа ұрпаққа ие болу үшін өте бақытты болды; сирек жылқы/есектің құнарлы будандарына ұқсас.
  2. Қосымша хромосома пайда болды, бірақ бедеулікке аз әсер етті; кәдімгі шұбарға ұқсас. (Сұрақтағы мақаладан алынған дәйексөз бұған қарсы шығады, бірақ бұл зерттеушілер жасаған жорамал ма, жазушы жасаған болжам ма, әлде дәлелденген факті ме білмеймін.)
  3. Қосымша хромосома бір қоқыста пайда болды, сондықтан оны бірнеше ағайындылар бөлісті, содан кейін будандастырылды. Инцесті болдырмау әдетте өте күшті болғанымен, аралдарды немесе алыстағы географиялық аудандарды (инвазивті түрлерді) отарлайтын жануарлар әдетте осылай араласады.

Бұл ерекше хромосоманың қайталануы өлімге әкелмейтін, бірақ іс жүзінде тиімді болатын сирек кездесетін жағдайлардың бірі сияқты. Бұл жасуша бөлінуіндегі қателер арқылы осы қосымша хромосоманы көру мезгіл-мезгіл болуы мүмкін дегенді білдіреді.

Енді екіталай болса да, ақырында, бірдей хромосомалары бар екі құс кездесіп, жұптасады: олар өздерінің «жаңа түрлерін» қайталайды.

Есіңізде болсын, бұл «ұрық желісі шектелген хромосоманың» атауы шатасудың себебі болуы мүмкін! Кез келген қосымша хромосома «ұрық желісін шектеуші» болады: барлық хромосомалар сәйкес келмейінше, бақылау механизмдері арқылы жасушаның бөлінуіне жол берілмейді.

Және кейбір тікелей жауаптар:

Бірақ GRC құрған мутация пайда болған кезде, бұл құс бірінші кезекте кіммен жұптасқан?

Ол қосымша хромосомасы бар құсты табу керек!

Менің сенімім бойынша, генетикалық өзгерістердің көпшілігі салыстырмалы түрде шамалы, сондықтан олар бірден үйлесімсіз жұптауға әкелмейді. Уақыт өте келе генетикалық өзгерістер жинақталатын кезде спецификация пайда болады.

Рас, 2 хромосоманың жұптаса алмауы үшін үлкен мутация қажет, бірақ бұл жерде біз қосымша хромосома туралы айтамыз: оны жұптастыру мүмкін емес.

Бірақ жоғарыда келтірілген дәйексөз мүлдем жаңа хромосоманың шағылыстыруға мүмкіндік бермейтін тым қатты екенін білдіреді.

Дәл!

Оның популяцияға таралуына мүмкіндік беру үшін бір мезгілде осы қосымша хромосомасы бар құстардың толық тобы қажет емес пе? Бұл орын алуы екіталай.

Ол үшін 2 құс және сәйкестік қажет!

Мен жолды тым тура оқып жатырмын ба? Қосымша хромосомасы бар ерте құстар жаңа хромосома тым көп өзгерістер жинақталғанша басқа құстармен жұптасуы мүмкін бе?

Мен олай ойламаймын!


Геномның күрт өзгеруі қалай сақталады және таралады? - Биология

Біздің денеміздегі барлық жасушаларда ДНҚ бар болғандықтан, мутациялардың пайда болуы үшін көптеген орындар бар, бірақ кейбір мутациялар ұрпаққа берілмейді және эволюция үшін маңызды емес. Соматикалық мутациялар репродуктивті емес жасушаларда кездеседі және ұрпаққа берілмейді. Мысалы, осы Red Delicious алмасының жартысындағы алтын түске соматикалық мутация себеп болды. Оның тұқымдары мутацияны көтермейді.

Кең ауқымды эволюция үшін маңызы бар жалғыз мутациялар ұрпаққа берілуі мүмкін. Бұлар жұмыртқалар мен сперматозоидтар сияқты репродуктивті жасушаларда болады және ұрық сызығының мутациялары деп аталады.

Жыныс сызығының мутацияларының әсері
Бір ұрық сызығы мутациясының бірқатар әсерлері болуы мүмкін:

    Фенотипте ешқандай өзгеріс болмайды.
    Кейбір мутациялар организмнің фенотипіне айтарлықтай әсер етпейді. Бұл көптеген жағдайларда болуы мүмкін: мүмкін мутация функциясы жоқ ДНҚ-ның созылуында болуы мүмкін немесе мутация ақуызды кодтайтын аймақта орын алуы мүмкін, бірақ ақуыздың аминқышқылдарының тізбегіне әсер етпей аяқталады.

Үлкен әсерлері бар кішкентай мутациялар: гендерді басқаруға арналған мутациялар
Мутациялар көбінесе маңызды емес немесе генетикалық аурудың себебі ретінде әділетсіз стереотиптелген жаман баспасөздің құрбаны болады. Көптеген мутациялардың шын мәнінде аз немесе теріс әсерлері бар болса да, басқа мутация түріне эфир уақыты азырақ болады. Гендерді басқаруға арналған мутациялар үлкен (кейде оң) әсер етуі мүмкін.

ДНҚ -ның кейбір аймақтары басқа гендердің қашан және қайда «қосылатынын» анықтай отырып, басқа гендерді бақылайды. Геномның осы бөліктеріндегі мутациялар ағзаның құрылу жолын айтарлықтай өзгертуі мүмкін. Бақылау генінің мутациясының және күшті емес геннің мутациясының арасындағы айырмашылық оркестрдегі кернейшіге нұсқауды сыбырлап айту мен оркестр дирижеріне сыбырлау арасындағы айырмашылыққа ұқсайды. Дирижердің мінез-құлқын өзгертудің әсері оркестрдің жеке мүшесінің мінез-құлқын өзгертуге қарағанда әлдеқайда үлкен және үйлестірілген. Сол сияқты геннің «өткізгішіндегі» мутация оның бақылауындағы гендердің мінез-құлқында әсерлер каскадын тудыруы мүмкін.

Көптеген организмдерде дененің қалай орналасатынын анықтайтын күшті бақылау гендер бар. Мысалға, Хокс гендер көптеген жануарларда (соның ішінде шыбындар мен адамдарда) кездеседі және бастың қайда баратынын және дененің қай аймақтарында қосалқылар өсетінін белгілейді. Мұндай басты бақылау гендер сегменттер, аяқ-қолдар және көздер сияқты дене «бірліктерінің» құрылысын басқаруға көмектеседі. Сондықтан дененің негізгі орналасуындағы елеулі өзгерістердің дамуы екіталай болмауы мүмкін, бұл жай ғана Хокс генінің өзгеруін және табиғи сұрыпталуды қажет етуі мүмкін.


Геномдағы ультра консервіленген элементтер: олар қажет емес пе?

Беркли, Калифорния Үш жыл бұрын тышқандардың, егеуқұйрықтар мен адамдардың геномдарында "ультраконсервленген элементтер" табылды. Бұл ДНҚ тізбегі, ұзындығы 200 немесе одан да көп негізгі жұп — кейбіреулері ұзындығы 700-ден астам негізгі жұп —, үш түрдің 100 пайыз сәйкестігін көрсетеді. Олар шамамен 85 миллион жыл бұрын өмір сүрген тышқандардың, егеуқұйрықтар мен адамдардың соңғы ортақ арғы атасынан бері тамаша сақталған.

uc467 кодталмаған ультраконсервіленген элементі болмаса да, бұл аналық тінтуір өте сау болып көрінеді. (Надав Ахитув суреті)

Осы және басқа да жоғары сақталған тізбектер аз немесе мүлдем өзгеріссіз сақталды деп есептеледі, өйткені олар өміршеңдік немесе көбею үшін маңызды функцияларды орындайтын өте қажет. Энергетика департаментінің Лоуренс Беркли ұлттық зертханасының геномика бөлімінің ғалымдары және DOE біріккен геном институтының ғалымдары осы гипотезаны тексеру үшін төрт түрлі "nockout" тышқандарын құрастыру жолымен шықты.

Егер шынымен қажет болса, ультраконсервіленген элементі жоқ тышқандар өлуі керек немесе өміршең ұрпақ бере алмайды. Бір қызығы, зерттеушілер 2007 жылғы қыркүйектегі санында хабарлағандай PLoS биологиясы, осы зерттеудегі нокаут тышқандары дерлік ешқандай жағымсыз әсер көрсетпеді.

& quotБіз үшін бұл таңқаларлық нәтиже болды & quot; - дейді Беркли зертханасының геномика бөлімінің қызметкері Надав Ахитув және экспериментті жүргізген адам генетигі DOE JGI. "Біз бұл ультраконсервіленген элементтердің жоғалған кезде не болатынын көрсету арқылы атқаратын маңызды рөлді толық көрсетуді күттік. Оның орнына, біздің нокаут тышқандар өміршең және құнарлы ғана емес, сонымен қатар өсуде, ұзақ өмір сүруде, патологияда немесе метаболизмде маңызды ауытқуларды көрсетпеді.

Зерттеуге жетекшілік еткен Біріккен геном институтының және Беркли зертханасының геномика бөлімінің директоры Эдвард Рубин былай деді: «Көптеген ғалымдар адамдар мен кеміргіштер бір-бірінен алшақ болғаннан бері 80 миллион жыл бойы тізбектердің абсолютті сәйкестігінің себебі бұл тізбектердің шешуші маңызы бар деп есептеді. өмір бойы: егер негіз өзгерсе, организм өледі, сондықтан біз бұл аймақтарда ешқандай реттілік өзгерістерін көрмейміз. Бұл зерттеудің нәтижелері бұлай емес екенін анық көрсетеді. Менің ойымша, біз ультраконсервіленген элементтер жойылып, біз жасаған тышқандар қалыпты деп қорытынды жасай алмасақ та, ағзаның өміршеңдігі үшін ультраконсервіленген элементтердің болуы талап етілмейді деп сенімді түрде қорытынды жасауға болады."

Тізбектерді таңдау

Адамдардағы, егеуқұйрықтар мен тышқандардағы 481 ультраконсервіленген тізбектердің кейбірі - кодтау реттілігі, ақуыздарды кодтайтын гендер, бірақ олардың жартысынан көбі ультраконсервіленген кодталмаған элементтер деп аталады. Беркли зертханасының зерттеушілері мен олардың әріптестерінің алдыңғы зерттеулері осы кодталмаған тізбектердің гендік реттеудегі маңызды рөлін ұсынды, өйткені олар гендердің экспрессиясын ынталандыру үшін әрекет етеді, олар "quotenhancers" деп аталады.

Бұл зерттеу үшін топ мутацияға ұшыраған кезде дамудың ауыр ауытқуларына немесе құнарлылық проблемаларына әкелетін жақын маңдағы гендердің күшейткіштері болып табылатын ультраконсервіленген кодталмаған төрт элементті арнайы таңдады.

Мысалы, № 467 (uc467) кодталмаған ультраконсервіленген элементте адам, тышқан және егеуқұйрықтар арасында бірдей 731 негізгі жұп дәйектілік бар, бұл біздің геномымыздағы ультраконсервіленген элементтердің ішіндегі ең ұзындарының бірі. Uc467-бұл тышқандарда ақаулар болған кезде ерлердің жыныстық дамуын бұзатын және мидың өлімтал ауытқуларын тудыратын ARX генінің күшейткіші болып саналады, ал адамдарда неврологиялық және жыныстық дамудың көптеген ауытқуларын тудырады.

Стандартты тінтуірдің генетикалық-инженерлік әдістерін қолдана отырып, зерттеушілер нокаут тышқандарының төрт сызығын дайындады, олардың әрқайсысында таңдалған ультраконсервіленген элементтердің біреуі жоқ.

"Біз гендердің өздігінен жойылуы тышқандардағы өлімге немесе жыныстық ауытқуларға, кейде басқа да мәселелерге әкелетінін білдік", - дейді Ахитув. "Сонымен біз осы гендерді реттейтін ультраконсервіленген тізбектері жоқ тышқандар ұқсас нәтиже береді деп күттік: өлім немесе бедеулік"

Күтілетін күрт нәтижелердің орнына, барлық төрт сызық сау тышқандардың қалыпты қоқыстарын шығарды. Тышқандарды алты ай бойы бақылаған 10 апталық бақылау кезінде олардың салмағы қалыпты болды (және қазір олардың көпшілігі әлдеқайда ұзағырақ бақыланды) және аман қалып қана қоймай, өркендеді. Олар аномалия белгілерінсіз және жабайы типтегі бақылаулармен салыстырғанда айтарлықтай айырмашылықтары жоқ көптеген клиникалық талдауларға ұшырады.

Егер шешуші болмаса, неге сақталды?

"Жоғары сақталған тізбектердің өмірлік маңызды функцияларды орындайтыны туралы көптеген дәлелдер бар" дейді Ахитув. "Шынында да, эволюция нәтижесінде өзгермеген кодталмаған тізбектерді табу ғалымдардың геномдағы маңызды функционалдық элементтерді табу үшін қолданатын негізгі құралдарының бірі болып табылады."

Консервацияланған тізбектердің эволюциялық қысыммен ешқандай байланысы жоқ себептерге байланысты қандай да бір түрде мутацияларға қарсы иммунитеті болуы мүмкін болса да, мұндай "реттік броньдау" механизмін елестету қиын. 731-базалық жұп тізбегі, uc467, әдетте тышқандар, егеуқұйрықтар және адамдар бөлек жолдармен дамып келе жатқан 80 миллион жылдан астам уақыт ішінде шамамен 334 нуклеотидтік өзгерістерді жинақтауы керек.

Бұл бірдей ДНҚ тізбегі сақталады деген болжам анағұрлым орындырақ, өйткені олардағы нуклеотидтерді алмастыру организмді жарамсыз етеді, сондықтан эволюция оларға қарсы таңдайды. Неліктен сақталған реті жоқ тышқандарда проблемалар бірден пайда болмайды?

«Эволюция мен табиғи сұрыптау бір күнде болмайды», - дейді Беркли зертханасының аға ғалымы, зерттеудің негізгі авторларының бірі Лен Пеннаккио. "Осы элементтердің жойылуы фитнеске салыстырмалы түрде жеңіл әсер етуі мүмкін, олар пайда болған кезден бастап —бірнеше немесе одан да көп ұрпақтарға —бірте-бірте таңдалады, бірақ бақыланатын уақыт шкалаларында емес. Байқау мынада: ультраконсервіленген элементтер 80 миллион жыл бұрын соңғы ортақ ата-бабасынан бері алмастыруларға жол бермейді —, бірақ бұл бізге мұндай өзгерістердің қай кезде таңдалғаны туралы ештеңе айтпайды. Әрине, олар пайда болды және эволюциялық уақыт ауқымында жойылды. Нақты қашан екені белгісіз."

Надав Ахитув, Эдвард Рубин және Лен Пеннаккио ультраконсервіленген элементтерді жою өміршең тышқандарды беретінін көрсететін зерттеудің негізгі авторлары болды. (Рой Калтшмидттің фотосуреттері, Шығармашылық қызмет кеңсесі)

Артық болу тағы бір мүмкіндік, дейді Ахитув, өмірлік маңызды гендер жойылған кезде ағзаны күтілетін ауытқулардан құтқара алатын гендік артықшылыққа ұқсас. & quot; Біз нокаутта зиянды әсерлерді көрмедік, себебі табиғат бұл ультра сақталған элементтердің резервтік көшірмесін ұсынады. Біз таңдаған элементтердің біреуі үшін геномда оның жанында орналасқан басқа кодталмаған ультраконсервіленген элементтердің ұқсас күшейткіш белсенділігін көрсететінін білеміз. Бұл организмді біз ультраконсервіленген тізбектердің жетіспеуінен туындауы мүмкін ауытқулардан құтқаруы мүмкін, бірақ бұл олардың неге соншалықты сақталатынын әлі түсіндірмейді."

Ультра консервіленген элементтерді жою тышқандарды өміршең немесе ұрықсыз етпейтінін ашу геномның жоғары деңгейде сақталған элементтерінің қаншалықты сақталатынын және олардың функцияларын түсінуге үлкен қиындық тудырады, дейді Ахитув. Ол және оның әріптестері осы қызықты жаңа сұрақтарға жауап беруге бағытталған зерттеулерді жалғастыруда.

Надав Ахитув, Ивен Жу, Аксел Висел, Эми Холт, Вена Афзал, Лен А.Пеннаккио және Эдвард М.Рубин жазған "Өте консервіленген элементтерді жою өміршең тышқандарды береді", журналдың 2007 жылғы қыркүйектегі санында жарияланған. PLoS биологиясы және http://dx.doi.org/10.1371/journal.pbio.0050234 сайтында онлайн режимінде қол жетімді.

Бұл зерттеуге Ұлттық жүрек, өкпе және қан институты және Ұлттық денсаулық институтының Адам геномын зерттеу институты және Энергетика департаменті қолдау көрсетті.


Ауыл шаруашылығына арналған қосымшалар

Қазіргі дүниежүзілік азық-түлікпен қамтамасыз ету жеткіліксіз және халық санының өсуіне қарай жағдай нашарлайды [8]. Басқа да маңызды мәселелер бар, оның ішінде белгісіз сумен қамтамасыз ету, климаттың өзгеруі және жануарлардың әл -ауқаты туралы талаптар. Геномды өңдеу осы кеңірек мәселелердің жалпы шешімдерін қамтамасыз етпейді, бірақ технология көмектесетін кейбір салалар бар.

Өсімдіктерге, соның ішінде дақылдарға арналған қолданулар төменде егжей-тегжейлі қарастырылған, бірақ бұл жерде дақылдар дүние жүзі тұрғындарының қоректенуінің негізгі бөлігін қамтамасыз ететінін айту жеткілікті. Көптеген түрлерде тағамдық құндылық пен икемділіктің кез келген жақсартулары құпталады және олардың кейбіреулеріне геномды өңдеу арқылы саналы түрде жақындауға болады [9].

Мал шаруашылығында геномды редакциялау енді ғана қолданыла бастады, сондықтан нақты қосымшалар әлі де пайда болуда. Қазіргі таңда жүргізіліп жатқан мысалдардың бірі – сүтті ірі қараның тұқымдық мүйізсіздігі [10]. Ірі қара мал жақын жерде ұсталатындықтан, сүт фермалары әдетте инвазивті, ауыр және қымбат болатын физикалық әдістермен мүйіздерін алып тастайды. Кейбір ет тұқымдарында сауалнама деп аталатын табиғи генетикалық нұсқалар бар [11]. Бұл қасиет, негізінен, дәстүрлі өсіру арқылы сүтті табындарға берілуі мүмкін, бірақ мұны істеу өте көп уақытты қажет етеді және қымбатқа түседі, өйткені қолайлы сүт қасиеттерін қалпына келтіру үшін кең ауқымды қосымша өсіруді жүргізу қажет болады. Жауапты ДНҚ тізбегінің өзгеруі сипатталғандықтан, нұсқаны бар табындарға олардың басқа, пайдалы қасиеттеріне әсер етпей енгізу үшін геномдық өңдеуді [12] қолдануға болады. Нәтиже қосымша ДНҚ жоқ сүт геномдарына сұралған аллельді қосу болады.

Ірі қара малға және шошқаға арналған тағы бір қолдану - бұл қаңқа бұлшықетінің өндірісін теріс реттейтін миостатина генінің мутациясы. Бұл генде табиғи мутациялар бар [13]. Гомозиготалы мутанттар өте гротескальды бұлшықетті, бірақ гетерозиготалар негізінен қалыпты, тек олардың майсыз, тауарлы ет түріндегі бұлшықет массасы шамамен 7% артық. Мұндай мутациялар жасушаларда оңай жасалуы мүмкін [14, 15] және соңғы жаңалықтар есебінде миостатин мутациялары бар тірі шошқалар пайда болғанын көрсетеді [16]. Бұл генетикалық маневрлер ыстыққа немесе суыққа төзімділік, құрғақшылыққа төзімділік немесе белгілі бір инфекциялық агенттерге төзімділік сияқты қоршаған ортаның әртүрлі жағдайларына бейімделуді жүзеге асыратын тұқымдарда дербес орындалуы мүмкін. Сонымен қатар, осы бейімделулерге жауап беретін генетикалық нұсқалар анықталғандықтан, оларды геномды өңдеу арқылы жаңа тұқымдарға енгізуге болады.


Неліктен орақ тәрізді ауруларға арналған мутациялар ұрпақтар бойына сақталады? Биологиялық тұрғыдан біз оларды сақтау үшін сымды болуымыз мүмкін

Теңдестіруші іріктеу деп аталатын эволюциялық күш біздің ДНҚ-дағы орақ жасушалы анемия сияқты аурулармен байланысты ақауларды сақтауға жауап береді, өйткені мутацияның зиянды әсерлері биологиялық ойлау тәсілімен оның әлеуетті пайдасы арқылы өтелуі мүмкін. . Зерттеуі, »HLA гендерінің айналасындағы зиянды мутациялардың артық болуы селекцияны теңестірудің эволюциялық құнын көрсетеді,” Cold Spring Harbor зертханасы басқаратын bioRxiv платформасында жарияланды.

Адамның бірнеше аурулары тұқым қуалайтын және ұрпақтан -ұрпаққа берілетін генетикалық ақаулардан, мутациядан туындайды. Бұл сұрақ туындайды: Неліктен біз ұрпақтар бойына түр ретінде дамып келе жатқанда, біздің ДНҚ-дағы бұл теріс өзгерістерді бөліп алып, жойылмайды?

Ғалымдар кейбір пайдалы белгілердің осындай мутациялармен байланысты болуы мүмкін және бұл ықтимал қолайлы әсерлер мутацияның ұзақ мерзімді өмір сүруіне бағытталған деп болжаған.

Зерттеушілер Тобиас Ленц, Шамиль Суняев және әріптестері эволюция барысында мутацияларды сақтайтын күш болуы мүмкін теңдестіру селекциясының бірінші жүйелі сынамасын жасады. Орақ тәрізді жасушалық анемия – бұл ауруға шалдыққан адамдарда аталық және аналық тұқым қуалайтын гемоглобин генінің мутациялары бар теңгерімді таңдаудың жақсы мысалы. Нәтижесінде, олардың эритроциттер оттегін бүкіл денеге тасымалдауда тиімді емес. Бірақ орақ жасушалы анемияның биологиялық артықшылығы бар: пациенттер безгектен жақсы қорғалған.

Ғалымдар әртүрлі эволюциялық іріктеу сценарийлері бойынша компьютерлік модельдеуді орындады және теңдестіру селекциясы адам геномындағы қозғаушы күш екенін анықтады. Баланстауыш селекция екі немесе одан да көп аллельдердің (геннің әртүрлі нұсқалары) гендік қорда (гендердің таңдаулы тобының) күтілгеннен ұзағырақ белсенді түрде сақталатын селекция процесін білдіреді. Бұл механизм жиі орақ жасушалы анемия контекстінде аталады.

Олар өз симуляциясын теңдестіретін таңдаудың басқа мысалын пайдаланып, адам геномындағы оның түрінің ең жақсы үлгісі, адамның иммундық жүйесінің негізгі гистосәйкестік кешені (MHC патогендерге қарсы қорғанысымызда маңызды рөл атқарады) арқылы сынақтан өткізді. Олар 17,684 генді қамтитын 6500 адамнан алынған ДНҚ тізбектеу деректерін қолданды, оның ішінде 124 MHC аймағында.

Адамдардағы MHC протеинін кодтайтын генге, HLA геніне назар аудара отырып, зерттеушілер зиянды мутациялардың жиілігі HLA емес гендердің геномдық аймақтарында, яғни HLA геномдық аймағына жақын гендерде жоғары екенін анықтады. Олар бұл мутациялардың жиілігі классикалық HLA гендерінен физикалық қашықтыққа байланысты төмендейтінін анықтады, бұл осы гендерге тәуелділікті көрсетеді. Бұл нәтижелер аутоиммундық бұзылулар мен қатерлі ісік сияқты MHC байланысты аурулардың эволюциялық жолын қарастырған кезде маңызды әсер етеді. Олар таңдауды теңестіру HLA гендерінің айналасында зиянды мутациялардың жоғары жиілігіне әкеледі деп болжайды.

Тобиас Ленц, зерттеудің бірінші авторы және Германиядағы Макс Планк эволюциялық биология институтының эволюциялық иммуногеномика бойынша топ жетекшісі, пресс-релизінде: «Бұл жұқпалы микробтарға төзімділіктің жоғарылауы мен зиянды мутациялардың жинақталуы арасындағы айырбас. біршама күтілді, бірақ адам популяциясында тіпті күшті зиянды мутациялардың сақталуы қаншалықты таң қалдырады. Осы нәтижелерді көргенде, бүгінгі күні адамдарда көріп жүрген генетикалық бұзылулардың қаншасы адам эволюциясы кезінде микробтардың үздіксіз әсер етуінің салдары екендігі туралы ойланамын.”.


Кіріспе

Біздің планетамыздағы адамның ізі қазіргі уақытта тіршілік ету ортасындағы биологиялық әртүрлілікке қауіп төндіреді. Бүкіл ғаламшардағы биоәртүрлілікке ең үлкен қауіп – тіршілік ету ортасының нашарлауы [1, 2]. Адамдар санының өсуіне қарай біз ландшафтты заманауи өмір салтын қолдау үшін ресурстарға деген қажеттілікті қанағаттандыру үшін өзгертеміз. Бұл дүние жүзіндегі климаттың өзгеруіне әкеліп соғатын энергия тұтынудың артуы. Климаттың өзгеруінің жылдам қарқыны кейбір түрлердің жауап берудегі табиғи қабілетінен асып түседі [3, 4]. Биоәртүрліліктің жоғалуына уақытша талдау біз Жердің алтыншы жаппай жойылу оқиғасының траекториясында екенімізді көрсетеді [5], өткен ғасырдағы жойылу жылдамдығы консервативті түрде тарихи бастапқы көрсеткіштен 22 есе жылдам [6]. Талдау түрлердің толық жоғалуын емес, популяцияның азаюын зерттегенде, сурет одан да бұлыңғыр болады, белгілі омыртқалы жануарлар түрлерінің 32% популяцияның айтарлықтай төмендеуін көрсетеді [7].

Жаппай қырылуды және халықтың азаюын тоқтатуға бағытталған әрекеттерге ерекше қорғалатын табиғи аумақтарды құру кіреді (мысалы, теңіз қорғалатын табиғи аумақтары), климаттың өзгеруін тежеу ​​үшін парниктік газдарды шектеу туралы халықаралық келісімдер (мысалы, Киото хаттамасы мен Париж келісімі) және құқықтық құрып кету қаупі төнген түрлерді қорғауға арналған шеңберлер (мысалы, жойылып кету қаупі төнген жабайы фауна мен флора түрлерінің халықаралық саудасы туралы конвенция (CITES) және АҚШ-тың құрып кету қаупі төнген түрлер туралы заңы (ESA)). Геномдық технологиялар қорғауға басымдық беру үшін биоалуантүрліліктің «ыстық нүктелерін» анықтау, қоршаған ортаның өзгеруіне төзімді табиғи қауымдастықтар құруға көмектесу үшін болжамды үлгілерді пайдалану және жойылып кету қаупі төнген түрлерге төнетін қауіптерді азайтуға тырысатын басқару әрекеттерін хабарлау арқылы бұл күш-жігерге көмектесе алады.

Бұл шолуда біз бейтарап маркерлердің аз санын пайдаланатын генетикалық тәсілдерді толық геномдарды немесе жалпы геномдық деректерді пайдаланатын геномдық тәсілдерден ажыратамыз. Ешбір стандартталған деректер мөлшері генетиканы геномикадан бөлмейді, бұл семантикалық айырмашылық. Бүкіл геном бойынша маркерлердің жоғары тығыздығы, әдетте, мыңдаған маркерлер тәртібімен тексерілгенде, зерттеу геномика саласына өтті деп есептейміз.

Генетикалық және геномдық деректер жиынтығы генетикалық әртүрлілікті, популяция құрылымын және демографиялық тарихты бағалау үшін пайдаланылуы мүмкін болғанымен, геном бойынша маркерлердің тығыздығы жоғарылаған геномдық масштабтағы деректер осы параметрлерді дәлірек бағалауды қамтамасыз ете алады [8,9, 10,11,12], кейде әртүрлі сақтау ұсыныстарына әкеледі. Мысалы, тау етегіндегі сары аяқты бақаның 25 000-нан астам локусты талдауы бес филогенетикалық топтардың арасындағы күшті дифференциацияны анықтады, бұл зерттеушілер бұл түрді басқаруға негіз болуы керек, ал алдыңғы талдау митохондриялық ДНҚ-ның (mtDNA) 1,525 б. ) бұл кладтарды қалпына келтіру туралы шешімге ие болмады және оның орнына гидрологиялық шекараларға негізделген консервацияны ұсынды [13]. Сол сияқты, шығыс жолбарыс саламандрындағы 3095 бір нуклеотидті полиморфизмді (SNP) талдау жолдар тоғандар арасындағы қозғалысты шектейтінін анықтады, дегенмен, бірдей тоғандарды зерттеу үшін [12] микросателлиттік локустарды пайдаланған алдыңғы зерттеу тоғандар арасындағы миграцияның жоғары жылдамдығын анықтады [14]. Ең соңғы зерттеу жолдардың тоғандар арасындағы байланысқа әсерін азайту маңызды табиғатты қорғау мақсаты болатынын көрсетті [14].

Дәстүрлі параметрлерді бағалаудың дәлдігінің жоғарылауынан басқа, геномдық тәсілдерге көшу зерттеушілерге сапалы әр түрлі сұрақтар қоюға мүмкіндік береді. Себебі, әртүрлі эволюциялық механизмдерді зерттеу қабілетіміз сұралған геномның көлеміне қарай артады. Геномның болжамды бейтарап локустары мен ақуыз-кодтау аймақтарын талдаудан басқа, тұтас геномды реттілік ген экспрессиясын бақылайтын кодталмаған реттеуші аймақтарды анықтауға мүмкіндік береді, ал тұтас транскриптомдық реттілік ген экспрессиясының айырмашылықтарын сандық түрде анықтауға мүмкіндік береді.

Қорғау контекстінде геномдық масштабтағы деректердің шектеулі қолданылуы осы деректер жинақтары ұсынған қосымша қиындықтарға байланысты болуы мүмкін. Бір маңызды мәселе - бұл шығындар. Тізбектеу құны азаюды жалғастырғанымен, табиғатты қорғау жобаларының көпшілігінде үлгілердің аз ғана санын геномдық масштабта секвенирлеуге мүмкіндік беретін шектеулі бюджеттер бар. Үлгілер саны мен реттелген локустар саны арасындағы айырбастау маңызды мәселе болып табылады және әрбір жағдайда ең жақсы тәсіл нақты зерттеу сұрағына байланысты болады. Тағы бір маңызды мәселе - деректерді талдау, яғни тұтас геномдық деректерді талдау үшін қол жетімді арнайы ресурстар мен тәжірибе. Генотиптерді шақыру гендерлік геномды қажет етеді, ол көптеген модельдік емес организмдер үшін қол жетімді болмауы мүмкін, ал талдау бағдарламалық қамтамасыз етуі әрқашан қолданушыға қолайлы бола бермейді. Ақырында, зерттеуші толық геномдық талдаулардың нәтижесін алғаннан кейін, нәтижелерді түсіндіру және оларды консервация бойынша ұсыныстарға аудару қиынға соғады.

Бұл шолуда табиғатты қорғау жөніндегі зерттеушілер мен менеджерлер биологиялық әртүрлілікті сақтау бойынша шешім қабылдау үшін геномдық деректердің күшін қалай пайдалана алатынын талқылаймыз. Біз геномдық масштабтағы деректер дәстүрлі генетикалық әдістермен қол жетімсіз құнды түсініктерді бере алатын сақтау тақырыптарына назар аударамыз: қоспалар жағдайында түрлерді ажырату, ассоциация картасы арқылы адаптивті аллельдерді анықтау және инбридингтің геномдық үлгілеріне негізделген эволюциялық құтқаруды жақсарту.


Хромосомалық ауытқулар қалай пайда болады?

Хромосомалық ауытқулар әдетте жасуша бөлінуінде қате болған кезде пайда болады. Жасушаның бөлінуінің екі түрі бар: митоз және мейоз.

Митоз нәтижесінде бастапқы жасушаның көшірмелері болып табылатын екі жасуша пайда болады. 46 хромосомасы бар бір жасуша бөлініп, әрқайсысында 46 хромосома бар екі жасушаға айналады. Жасушаның мұндай бөлінуі ұрпақты болу мүшелерінен басқа бүкіл денеде болады. Біздің денемізді құрайтын жасушалардың көпшілігі осылай жасалады және ауыстырылады.

Мейоз нәтижесінде қалыпты 46 емес, 23 хромосома санының жартысы бар жасушалар пайда болады. Бұл ұрпақты болу органдарында болатын жасушаның бөліну түрі, нәтижесінде жұмыртқалар мен сперматозоидтар пайда болады.

Екі процесте де хромосомалардың дұрыс саны алынған жасушаларда аяқталуы керек. Дегенмен, жасуша бөлінуіндегі қателіктер хромосоманың тым аз немесе тым көп көшірмелері бар жасушаларға әкелуі мүмкін. Хромосомалардың қайталануы кезінде де қателер болуы мүмкін.

Хромосомалардың бұзылу қаупін арттыратын басқа факторлар:

Аналық жас: Әйелдер барлық жұмыртқаларымен дүниеге келеді. Кейбір зерттеушілер жасына қарай жұмыртқаның генетикалық материалында қателіктер пайда болуы мүмкін деп есептейді. Егде жастағы әйелдерде хромосомалық ауытқулары бар нәрестелердің туылу қаупі жас әйелдерге қарағанда жоғары. Ерлер өмір бойы жаңа сперматозоидтарды шығаратындықтан, әкенің жасы хромосомалық ауытқулардың қаупін арттырмайды.

Қоршаған орта: Қоршаған ортаның ерекше факторларының хромосомалық ауытқуларды тудыратыны туралы нақты дәлелдер жоқ болса да, генетикалық қателердің пайда болуында қоршаған орта рөл атқаруы мүмкін.

Хромосомалық ауытқулар әдетте жасуша бөлінуінде қате болған кезде пайда болады. Жасушаның бөлінуінің екі түрі бар, митоз және мейоз.

Митоз нәтижесінде бастапқы жасушаның көшірмелері болып табылатын екі жасуша пайда болады. 46 хромосомасы бар бір жасуша бөлініп, әрқайсысында 46 хромосомасы бар екі жасушаға айналады. Жасушалардың бөлінуінің бұл түрі репродуктивті мүшелерді қоспағанда, бүкіл денеде болады. Бұл біздің денемізді құрайтын жасушалардың көпшілігінің жасалу және ауыстыру жолы.

Мейоз нәтижесінде қалыпты 46 емес, 23 хромосомалар саны бар жасушалар пайда болады. Бұл репродуктивті мүшелерде пайда болатын жасушалардың бөліну түрі, нәтижесінде жұмыртқа мен сперматозоид пайда болады.

Екі процесте де хромосомалардың дұрыс саны нәтижесінде пайда болған жасушаларға түсуі керек. Дегенмен, жасуша бөлінуіндегі қателіктер хромосоманың тым аз немесе тым көп көшірмелері бар жасушаларға әкелуі мүмкін. Хромосомалардың қайталануы кезінде де қателер болуы мүмкін.

Хромосомалық ауытқулардың қаупін арттыратын басқа факторлар:

Аналық жас: Әйелдер барлық жұмыртқаларымен туылады. Кейбір зерттеушілер қателіктер жұмыртқаның генетикалық материалында қартайған сайын пайда болуы мүмкін деп санайды. Егде жастағы әйелдердің жас әйелдерге қарағанда хромосомалық ауытқулары бар нәрестелерді туылу қаупі жоғары. Ерлер өмір бойы жаңа сперматозоидтарды шығаратындықтан, әкенің жасы хромосомалық ауытқулардың қаупін арттырмайды.

Қоршаған орта: Қоршаған ортаның ерекше факторларының хромосомалық ауытқуларды тудыратыны туралы нақты дәлелдер болмаса да, генетикалық қателердің пайда болуында қоршаған орта рөл атқаруы мүмкін.


HPV инфекцияларының биологиясы: жатыр мойны обырының дамуын түсіну

Адам папилломавирусы (HPV) дүние жүзінде барлық дерлік жатыр мойны обырына жауап береді және адам қатерлі ісігінің анықталған бірінші «қажетті себебі» ретінде ұсынылды. 1 In recent years, tremendous strides have been made in understanding the biology of HPV infections and the progression to cervical cancer, as well as the unique differences between each of the HPV virus types, including the 14 high-risk HPV (hrHPV) genotypes linked to cervical cancer.

HPV life cycle

Infection with HPV is opportunistic, and the virus gains access to the basal cell layer following micro-abrasions along the squamous epithelium. 2 Here, HPV is maintained in the dividing basal cells as low-copy episomal DNA, 3 and the dividing basal cells provide a reservoir of infected cells for the overlaying virus-producing tissue. It is within these upper cell layers that the virus initiates stages of its life cycle: inducing host cell replication and division to produce multiple copies of viral DNA, forming the viral capsid, viral assembly, and finally, release of the virus. 4

For all HPV genotypes, the very first step of this life cycle process, which occurs almost immediately upon cellular exit from the basal layer, is the expression of E6/E7 mRNA, whose protein products force these cells to replicate and divide when they normally would not. 5 As a result, these infected cells are now driven to produce multiple copies of the virus (2-log increase), 3 and the cell division leads to an accrual of more infected cells that, in turn, also replicate and divide. This abnormal cell expansion marks the first appearance of abnormal tissue, leading to changes in the structural appearance of the epithelial tissue.

The magnitude of the abnormal growth or how far these basal-like cells over-grow into the epithelial layers is used to classify the degree of the HPV-related lesion. Abnormal cell growth in the lower 1/3 of the epithelium is categorized as cervical intraepithelial neoplasia 1 (CIN1) 2/3 of the way from the basal layer as CIN2 and ultimately, when the disorganization extends past 2/3 and reaches the full depth of the epithelium, as CIN3. 6

Disease progression and genotyping recommendations

The viral E6 and E7 proteins drive cell proliferation and cell cycle re-entry in order to allow genome and viral amplification. Those intracellular activities lead to an accumulation of HPV-infected cells following unscheduled cell division, which results in an expansion of lesion size and a rise in viral genome copy-numbers. Functional differences between the E6 and E7 proteins produced by the high- and low-risk HPV types center on their ability to associate with and effect regulators of cell cycle and replication. 7 Whereas E6 and E7 from low-risk HPV genotypes may only associate with their cellular targets, those from the high-risk HPV genotypes will also mediate the degradation of these targets, resulting in a more extensive cellular modification. 8 Both E6 and E7 proteins have multiple cellular targets—the identity of these differs between low-risk and high-risk HPV as well as among high-risk HPV types. 9 Thus, it is the unique function of the E6/E7 proteins that dictates the malignant potential of each individual viral genotype.

A clear distinction exists between the level of disease associated with the high-risk and low-risk HPV genotypes: the former are clearly linked to high-grade cervical disease and cervical cancer the latter are only found within low-grade and benign lesions. 10,11 Even among the hrHPV genotypes, there is variation between prevalence, persistence, virulence, and association with cervical cancer. Of these factors, virulence, or the demonstrated rapid progression to high-grade disease and high association with cervical cancer, is perhaps the most significant when ranking HPV genotypes in terms of associated risk. For example, HPV16 has both the greatest tendency to persist and the highest probability of progression, with HPV18, 31, and 33 having the next-highest risk of progression. The remaining hrHPV genotypes, on the other hand, are associated with low absolute risks of CIN3+ that last for years, 12 which may warrant less aggressive follow-up.

For cervical cancer screening, HPV genotyping protocols are typically designed to enable clinicians to most effectively triage women at the highest immediate risk for high-grade disease and cancer. 13 Because they are the most oncogenic, HPV16 and HPV18 have been consistently proposed as the types that would warrant separate detection as a triage for a hrHPV-positive result or concurrently with a pooled hrHPV test 14 due to the higher immediate risk of CIN3+, 15-19 the lasting and rapidly increasing risk for progressing to a high-grade lesion following an initial positive result, 12,20,21 and the high association of these with both squamous cell carcinoma and adenocarcinoma. 22,23

Progression vs. regression

It is clear that not all infections will progress to high-grade disease, and numerous studies have demonstrated that a higher CIN grade correlates with a greater risk that the lesion will progress to an even higher grade or to invasive cervical cancer. 24 The likelihood of progression also depends greatly on the HPV genotype associated with the infection. 12,20 Conversely, spontaneous regression to a lower-grade disease during follow-up studies is highly probable, 24 and most infections will clear on their own within a few years. 25

The factors that drive the process of progression, regression, and clearance are still relatively unknown—although certain hrHPV genotypes are much more likely to progress to high-grade disease than others, 12,20 and resolution and regression of HPV-associated lesions largely involves specific immune responses and T-cell mediated processes. 26,27 Because regression of a lesion and clearance of an HPV infection could take months or even years 12,25 and depend on an immune response, current molecular HPV assays are incapable of differentiating between a progressing lesion and lesions that are destined to regress.

Evaluating HPV test performance

HPV testing is not strictly a baseline test: positive results not only provide indication of underlying risk at the time of testing but also possible risk over the subsequent 3-to-5-year screening interval.

Hence, a single assessment of histologically confirmed disease via colposcopy at the time of testing is not an accurate assessment of “true” or “false” HPV test positivity. 21 The most significant limitation of this strategy is that it assumes that high-grade lesions, if present, will be found upon colposcopy. CIN3 lesions, in particular, are initially tiny and difficult to detect visually, and current colposcopic procedures, which rely solely on directed biopsies (only sampling visible lesions), are only 60% sensitive for CIN3+ detection. 28 Positive HPV tests that appear to be false positive when judged against baseline colposcopic biopsy actually tend to predict elevated risk of subsequent CIN3+ and thus reflect a true positive result. 21 This means that one cannot simply designate that a positive HPV test is a “false” positive at baseline: the lesion may simply not have been found or sampled at the time of colposcopy. It also does not negate the fact that the woman may still be at an elevated risk for a high-grade lesion.

Only a long-term cumulative incident risk (CIR) measurement accurately assesses long-term cancer risk associated with either a positive or negative screening test. CIR provides a probability of a given event occurring and is able to address two critical questions: (1) did the test accurately predict women at risk for developing high-grade lesions following a positive result over the given time interval and, more importantly, (2) did the negative result accurately predict that a woman was at low risk for high-grade disease and cervical cancer within the same interval? Thus, an HPV assay should have a low CIR over several years following a negative result for assays aimed at enhancing risk assessment, the CIR should be significantly higher following a positive result when evaluated against a comparator benchmark.

Julia Engstrom-Melnyk, PhD, is Scientific Affairs Manager in the Medical and Scientific Affairs group at Roche Diagnostics Corporation.


TEs can be damaging in ways that do not involve transposition

TEs are best known for their mobility, in other words their ability to transpose to new locations. While the breakage and insertion of DNA associated with transposition represents an obvious source of cell damage, this is not the only or perhaps even the most common mechanism by which TEs can be harmful to their host. Reactivated transposons harm the host in multiple ways. First, de-repression of transposon loci, including their own transcription, may interfere with transcription or processing of host mRNAs through a myriad of mechanisms [113,114,115]. Genome-wide transcriptional de-repression of TEs has been documented during replicative senescence of human cells [116] and several mouse tissues, including liver, muscle, and brain [117, 118]. De-repression of LTR and L1 promoters can also cause oncogene activation in cancer [119]. Second, TE-encoded proteins such as the endonuclease activity of L1 ORF2p can induce DNA breaks and genomic instability [120]. Third, accumulation of RNA transcripts and extrachromosomal DNA copies derived from TEs may trigger an innate immune response leading to autoimmune diseases and sterile inflammation (Fig. 2). Activation of interferon response is now a well-documented property of transcripts derived from endogenous retroviruses and may give immunotherapies a boost in identifying and attacking cancer cells [121,122,123]. The relative contribution of all the above mechanisms in organismal pathologies remains to be determined.

Following transcription (and sometimes splicing) of TEs, the next step in the process involves translation of the encoded proteins and, for retroelements, reverse transcription of the TEs into cDNA substrates suitable for transposition. Once engaged by a TE-encoded reverse transcriptase protein, the resulting cytosolic DNAs and RNA:DNA hybrids can alert inflammatory pathways. An example of this is seen in patients with Aicardi–Goutières syndrome, where accumulation of TE-derived cytosolic DNA is due to mutations in pathways that normally block TE processing or degrade TE-derived DNA [124, 125]. Although not all TEs encode functional proteins, some do, including a few endogenous retroviruses capable of producing Gag, Pol, or envelope (Env) proteins [126]. Overexpression of these Env proteins can be cytotoxic, and has been linked to at least two neurodegenerative diseases, multiple sclerosis [127] and amytrophic lateral sclerosis [128]. Small accessory proteins produced by the youngest human endogenous retrovirus (HERV) group, HERV-K (HML-2), may play a role in some cancers but the evidence remains circumstantial [129, 130].


"Small" changes made with gene editing cause severe deformities in plants

New study points to unintended effects of gene editing in plants and potential negative effects on ecosystems

Gene editing causes drastic unwanted effects in gene-edited plants including severe deformities, a new scientific publication in the journal Environmental Sciences Europe shows. This is the case even when the changes are intended by the gene editor to be small tweaks to existing genes rather than, for example, the introduction of new genetic material.

More broadly, the study provides an overview of the negative effects on ecosystems that can result from the release of gene-edited plants. These unintended effects result from the intended changes induced by genome editing, which can affect various metabolic processes in the plants.

The study, authored by Dr Katharina Kawall, uses the example of camelina (Camelina sativa), a plant that is rich in polyunsaturated fatty acids. Gene editors used a CRISPR/Cas application to increase the amount of oleic acid in the camelina seeds and to reduce the amount of easily oxidised fatty acids. This was intended to extend the shelf life of the oil extracted from the camelina.

Drastic developmental defects in gene-edited camelina

The new paper reviews previous research in CRISPR-edited camelina lines engineered to have an altered fatty acid profile. Unintended mutations were identified and the plants showed "drastic developmental defects" – including impaired growth, twisted leaves, and delayed bolting. Dr Kawall comments that this shows "the importance of a well-balanced fatty acid profile for the development of the plants".

Dr Kawall observes that these phenotypic defects were even more severe in a recently conducted field trial of a gene-edited camelina by Rothamsted Research in the UK. Although the crop generated the intended high oleic acid seed oil, the plants showed "very significant growth defects" in that they were "severely dwarfed".

GMWatch notes that the observed growth and developmental defects of the gene edited camelina could be arising from an altered pattern of gene function caused by unintended mutations to genes at both off-target an on-target genome editing sites. This is an outcome that was not considered by the developers.

In spite of this unexpected outcome, the authors of the paper that reported it – Johnathan Napier from Rothamsted and Jean-Denis Faure from INRA in France – actually complained in their paper about the "enormous burden" that the EU's GMO regulations place "on researchers (public or private) trying to convert their ideas into innovations and impactful outcomes".

The Napier/Faure paper also reports another gene-edited line that didn't show these deformities, but it's not clear whether they had other, less visible problems – i.e. if they were normal looking plants but with alterations in composition that could lead to unexpected toxicity and allergenicity. As far as we know, Rothamsted has never seen fit to subject their GM plants to safety tests.

"Small" changes produce big effects

The key point about the deformed camelina plants is that only small changes – gene knockouts in existing genes – were intended by the gene editors. This type of gene editing is known as an SDN-1 application and is being targeted for deregulation all over the world, including in the EU and the UK.

Camelina has a six-fold set of chromosomes and is therefore a good example to demonstrate that even small changes in the genome created with CRISPR/Cas can have a huge effect. This type of gene scissors was used to simultaneously mutate and destroy the function of ("knock out") 18 gene copies in the genome of the camelina and thus generate plants with a higher oleic acid content. Such interventions have until now hardly, or not at all, been possible with conventional breeding methods and can give rise to completely new biological properties. In the USA, these plants have already been deregulated without undergoing thorough risk assessment.

But Dr Kawall's analysis shows that even in SDN-1 applications, "major changes of plant physiology and/or phenotype become possible. In addition, there is evidently potential of disrupting metabolic pathways in the genome-edited plants causing pleiotropic effects" – effects other than those intended from the genetic modification.

Risks not dependent on introduction of foreign genes

A recent EFSA opinion also comes to the conclusion that plants with complex genetic changes need to undergo risk assessment, even in cases like this where no additional genes are inserted.

Dr Kawall's paper makes clear that gene-editing applications – most of which use CRISPR/Cas gene scissors to cut the DNA double helix to produce what is known as a “double-strand DNA break” in the genome of the targeted organism – can increase the possibilities and speed with which the genetic makeup of plants can be changed.

It does not matter whether or not additional genes are integrated into the genome – even small genetic changes induced several times in single or multiple genes, and in combination to generate novel properties, can significantly change metabolic pathways and biochemical composition.

Consequently, genetically engineered plants must undergo risk assessment even if no additional genes are inserted.

Ecosystem effects

The new paper also describes how unintended effects on ecosystem processes can occur – for example, effects on the formation of certain messenger substances, with which plants communicate and "warn" of a pest infestation. A change in the composition of fatty acids can affect and influence existing food webs. In addition, gene-edited plants could hybridise with wild species, leading to unintended effects in subsequent generations. At the same time, the gene-edited camelina has the potential to persist in the environment and spread uncontrollably.

The paper shows that even when the gene editor intends only to make small changes through gene editing that do not involve introducing foreign genes, drastic unintended effects can result.


  • Sickle cell anaemia is caused by a mutation in a gene called haemoglobin beta (HBB), located on chromosome 11.
  • It is a recessive genetic disease, which means that both copies of the gene must contain the mutation for a person to have sickle cell anaemia.
  • If an individual has just one copy of the mutated gene they are said to be a carrier of the sickle cell trait.
  • If both parents are carriers there is a chance their child could be born with sickle cell anaemia.
  • The HBB gene codes for haemoglobin, a protein in red blood cells that carries oxygen around the body .
  • Мутация HBB results in a change in one of the bases in the DNA sequence from an A to a T.
  • This then changes the amino acid in the haemoglobin protein from glutamic acid to valine.
  • This causes the body to produce a new form of haemoglobin called HbS, which behaves very differently to regular haemoglobin (HbA).
  • HbS causes the red blood cells to develop abnormally and become sickle-shaped (rather than the usual doughnut shape), harder and less flexible.
  • This means that they can become stuck in the blood vessels, causing blockages.

Illustration showing the difference between normal red blood cells and sickle red blood cells.