生物研究计划2023

• 凯尔Bledsoe
• 克莱门廷陈
• 杰西卡·克莱默
• 达芙妮Hansell
• 山姆金
• Gillyoung Koh
• 安吉一
• 格温多林Rewoldt
• Shriya Sai Shivakumar
• 乔史密斯
• 克洛伊唐

凯尔Bledsoe

指导老师:亚当·威廉姆森

CRISPR-Cas9编辑细胞系库，以了解巴顿病的基本生物学

巴顿病是一套儿科, 神经退行性溶酶体贮积性疾病由14种不同的 CLN 基因. 尽管除了一个基因外，其他基因都已被确认, 这些蛋白质和疾病的作用背后的基本生物学仍然没有得到很好的理解. 此外，很少有这种疾病的模型是在人类细胞中完成的. 威廉姆森实验室通过研究吞噬作用专注于免疫系统的基本生物学, 清除细胞内碎片的古老方法. 溶酶体通过吞噬作用消化聚集的物质, 因此，了解这些蛋白在吞噬作用中的作用对于理解它们的疾病表型至关重要. 进一步了解这些蛋白及其在吞噬和巴顿病中的作用, 我将开始制作一个CRISPR-Cas9编辑细胞系库. This library will create a way to study Batten disease and the data generated will greatly increase the knowledge about the role of CLN proteins and Batten disease itself.

克莱门廷陈

顾问:Bárbara Bitarello

灵长类动物TAS2R38苦味受体基因适应性进化的证据评估

背景: 作为一种感官，使人们能够辨别和区分不同的味道, 味觉是由味觉感受器促进的. 味觉感受器有两种, 其中I型受体负责检测咸味，II型受体负责检测甜味, 鲜味, 苦涩的味道. TAS2R, 编码II型味觉受体的基因家族, 特别是苦味感受器的功能. 这些受体的特征是g蛋白偶联受体(gpcr)。. 在这个蛋白质家族中，人类有25个蛋白质编码基因和11个假基因. 集体, 它们能够与大量的分子相互作用, 每个受体都表现出独特的分子亲和力.

因为苦味对于防止动物吞下有毒物质很重要, 我们认为编码苦味受体的TAS2R基因可能对人类和其他灵长类动物具有进化意义. 特别是, TAS2R38基因, 哪一种与23种已知配体结合, 是TAS2R家族中研究最多的一种. 这种基因与对苯硫代氨基脲(PTC)味道的感知特别相关。, 甲状腺素一种结构与甲状腺素非常相似的化学物质, 一种卷心菜科中自然产生的化学物质, 包括西兰花等蔬菜. 由于群体内的遗传多态性, 个人对PTC口味的看法可能会有很大差异. 一些科学家推测，人类祖先感知天然化学物质味道的能力, 类似于PTC, 会有助于避开有毒植物吗, 从而提示TAS2R38基因可能的进化意义. 先前的研究表明，, 在人类, 有两种不同的TAS2R38单倍型，频率适中, 表明存在长期的平衡选择. 然而, 最近的一项研究提出，人类进化中的人口统计学事件可以解释这种基因最近的进化, 从而将平衡选择限制在TAS2R14遥远的进化历史上.

问题 & 假设: 由于之前的研究结果相互矛盾, we aim to gain clarity on whether the TAS2R38 gene underwent adaptive evo全局最 (positive selection and/or balancing selection) 在人类 and other primates and, 如果是这样的话, 在哪个时间尺度下. 如果是这样，是否有特定的地点显示出进化速度的加快? 我们假设每个位点的进化意义与其配体结合能力有关, 我们预计会观察到dN/dS值(非同义取代率与同义取代率的比率)的升高, (一种适应性进化的测量)在决定配体特异性的位点上. 我们还想测试是否有任何灵长类谱系，我们发现了TAS2R38基因加速进化的证据. 除了, another test will be conducted to determine whether TAS2R38’s evo全局最 has been influenced by the specialized diets of humans and other primates as we hypothesize that feeding habits could play a role in shaping the genetic variations of the TAS2R38 gene.

初步调查结果及持续工作: 在过去的一年里，在Bitarello实验室, we’ve been working to conduct a phylogenetic analysis of 53 primate species by creating phylogenetic trees using the aligned 基因 and finding the sites of TAS2R38 基因 of primates and humans that are suggested to have been subjected to adaptive evo全局最. 利用HyPhy和PAML的分子进化模型, 我们通过不同的测试证实了TAS2R38的特定位点具有强烈的正选择证据. 继续前进，分支测试和分支站点测试是我们下一步要做的工作. 使用分支模型, 我们将评估进化速率(dN/dS值)在系统发育树中不同分支的变化, 使正选择谱系的识别成为可能. 另一方面, 分支-位点模型允许我们确认沿特定分支的个别位点的正选择的证据, 为TAS2R38基因的适应性分子进化提供了更精细的图像.

系统发育分析的发现可以为各个科学领域提供新的视角. Understanding the evo全局最ary importance of the TAS2R38 bitter receptor gene enhances our comprehension of cultural evo全局最 across human history and the impact of dietary preferences on human evo全局最. 另外, identifying the sites subject to adaptive evo全局最 aids in comprehending the mechanism of ligand binding in the bitter taste receptor or other selective pressures, 迄今未知, 这可能是加速进化的原因, 这些知识可以帮助开发对患者有更高耐受性的药物.

杰西卡·克莱默

指导老师:Gregory Davis

用RNAi敲低豌豆蚜虫胰岛素样肽信号通路

戴维斯实验室正在研究豌豆蚜虫， Acyrthosiphon pisum, which exhibits a reproductive polyphenism in which individuals of the same genotype develop into asexual and sexual forms depending on environmental conditions. 在夏天, 当白昼漫长, 蚜虫通过活产(胎生)进行无性繁殖, 随着冬天的临近，白天越来越短, 蚜虫可以感知到这种变化，并产生能够有性繁殖的后代. 这些后代既有雄性也有雌性, 后者会产卵(使其卵生)，能够抵御冬季的霜冻. 在春天，这些卵将孵化成另一轮无性繁殖的蚜虫. 这种生殖模式的转变被认为是由一种未知的生化因素介导的，这种生化因素被称为“处女蛋白”,这是由母亲产生的，在出生前传递给她的胚胎后代.

戴维斯实验室先前使用抗胰岛素途径药物wortmannin的工作表明，胰岛素信号可能需要指定无性命运, 有一种诱人的可能性，即蚜虫大脑中产生的胰岛素样肽(ILPs)可能构成了处女蛋白. 渥曼青霉素, 然而, 是否能够干扰胰岛素途径以外的多种信号转导途径. Cuti等人做的一项研究. (2021)发现ILP1和ILP4是由一组被称为group 1的神经分泌细胞(NSCs)合成的. 这些ILPs可能通过母亲的神经系统传递给胚胎, 因为它们被释放在离胚胎发育的位置很近的地方. We propose to test whether ILPs are required for specifying asexual fate by injecting double stranded RNA (dsRNA) against ILPs to trigger RNA interference (RNAi), 一种在蚜虫身上成功应用的干扰基因功能的技术, 阻断蚜虫母亲向发育中的胚胎输送ILPs的能力. 为了做到这一点, 我们可以尝试将dsRNA直接注射到蚜虫体内，也可以通过植物介导的摄食来传递dsRNA. 这两种技术都成功地证明了在蚜虫中传递dsRNA和激活RNAi.g.丁等人. (2017)). 我们期望蚜虫不再能够将ILPs传递给发育中的胚胎, 他们将默认性的命运. 通过阻断母亲向胚胎发送ILP的能力以及胚胎接收ILP信号的能力, 我们希望能更清楚地了解ILP信号在蚜虫生殖多表型中的可能作用.

达芙妮Hansell

顾问:Bárbara Bitarello

在这里，我们介绍balselr，一个全面的R包，旨在弥合这一差距. Balselr将实施NCD方法, 使研究人员能够有效地识别LTBS下的基因组区域. 这将允许研究人员利用可访问的单位点数据和更广泛的基因组数据, 易于使用的界面, 即使对基本精通R的人也是如此. The package will not only performs calculations of NCD1 and NCD2 statistics but also facilitate the preparation of input files based on commonly used data formats in the field, 例如用于SNP数据的VCF文件. 该软件包还将在GitHub上提供帮助页面和教程.  通过使使用非传染性疾病统计数据更容易获得, Balselr的目的是促进我们对患病率的理解, 目标, 以及LTBS在种群和进化遗传学中的更广泛意义.

山姆金

指导老师:Gregory Davis

胰岛素样肽作为母体信号的研究 Acythosiphon pisum 生殖的命运

了解发育可塑性的机制可以帮助我们深入了解表型进化和适应环境的能力. 在G区. 戴维斯实验室，豌豆蚜虫， Acythosiphon pisum, 作为研究发育可塑性的模式生物，该物种表现出几种离散的可塑性, 这种现象被称为多酚现象. 例如, 在所谓的生殖多表型中, 蚜虫在周期性孤雌生殖中产生无性或有性后代，以响应夜间长度的季节性变化. 具体地说, 短暂的夏夜暗示着无性繁殖的雌性, 哪些是胎生繁殖的. 相比之下，漫长的秋夜暗示着 雌雄同体雌雄同体的生产，通过卵生繁殖.

            今年夏天, 我计划研究蚜虫的生殖多表型以及夜长对生殖命运影响的中介机制. 先前的研究表明，当胚胎的后代接收到短夜的信号时，母体会发出指示无性命运的信号. 这种促进无性行为的母性信号被称为处女蛋白，是我研究的重点. 两种相互竞争的假说认为，处女花素要么是幼年激素(JH)，要么是胰岛素样肽(ILPs)。, 分别. 现有的证据表明，JH足以促进但不需要母亲指定无性命运, 而ilp则要求指定无性命运. 如果胰岛素是处女蛋白，JH上调胰岛素, 这就解释了为什么JH是足够的，而不是指定无性命运的必要条件. 我这个夏天的目标是同时申请JH, 和渥曼青霉素, 抑制胰岛素通路的药物, 以潜在地确定JH对指定无性命运的充分性实际上取决于胰岛素途径, 为这个模型提供支持.

Gillyoung Koh

顾问:Bárbara Bitarello

动物长期适应进化的研究 TAS2R14灵长类动物中混杂的苦味感受器

Bitarello实验室的一个研究领域是T2R或TAS2R基因家族, 它们是编码II型味觉受体的基因，通过苦味激动剂与相应受体的结合，使生物体能够品尝苦味. 我们特别关注 TAS2R14 (味觉感受器类型2成员14), 这是一种非常混杂的结合了150多种已知的, 多种苦味激动剂. 这大约是T2R家族苦味受体所能结合的已知配体数量第二高的两倍. Bitarello等人的一项研究. (2018) suggested long-term balancing selection (preservation of certain alleles in a population over long periods of time) may have played a role in the evo全局最 of TAS2R14 (编码这种受体的基因)在灵长类谱系中. 

我们正在测试适应性进化是否 TAS2R14 发生和在其中的密码子. If we see significantly high rates of nonsynonymous substitutions / synonymous substitutions (dN/dS) in codons involved in recognizing and/or binding to bitter agonists, 这表明适应性进化的目标密码子与受体的结合特异性有关. 我们假设，我们将发现密码子参与受体激动剂相互作用，经历长-适应性进化全局最. 这源于一种广泛的观点，即能够品尝苦味化合物在防止摄入有毒化合物方面具有适应性作用, 往往是苦涩的. 另外, 我们想看看基于分类学或饮食偏好的系统发育分组是否经历了某种选择压力. 

在过去的一年, 我们做了几个系统发育测试来评估这个基因是否, 整体, 在灵长类动物和, 如果是这样的话, 具体是哪些网站. 我们使用了HyPhy，这是一个实现多个密码子替换模型的软件包. 从HyPhy，我们使用GARD, bust, FEL, MEME和SLAC. GARD在数据中查找断点, 哪些是重组的迹象，可能导致适应性进化数据中的假阳性. 在没有发现断点之后，我们使用bust来寻找适应性进化的广泛证据. 我们得到的bust结果表明有适应性进化的证据, 无需指向树中的特定位置或血统. 然后，我们使用FEL、MEME和SLAC来寻找适应进化下的密码子位点 p ≤ 0.1标准. 我们发现了长期适应性进化的证据, 但我们想要获得额外的支持证据来支持或不支持我们的假设. 

前进, 我们将使用PAML, 用来分析我们DNA序列的程序包, 寻找适应进化下的密码子位点，并与HyPhy中发现的密码子位点进行比较. 我们的目标是找到一组可靠的特定密码子 TAS2R14 that have been targeted by long-适应性进化全局最 by overlapping results from different models and assess whether these codons correspond to areas of the receptor that interact with the bitter agonists. 我们还将使用分支模型来评估哪些灵长类谱系特别受到TAS2R14的长期适应性进化的影响, 以及这是否与灵长类动物的不同饮食相对应. 

安吉一

指导老师:Thomas Mozdzer

芦苇气孔导度与荧光测定的关系

莫兹泽实验室一直在研究 芦苇南极光, 一种入侵沼泽物种，由于其在全球范围内的优势和高效生长，可以用作模式生物. Their ecological perseverance and genetic diversity is crucial to understanding how their genetic makeup plays a role in determining favorable characteristics which can be used to modify and support coastal wetlands. 关于这种常见的芦苇，有不同的组成部分和重点领域, 因此, it is critical that I get exposure to gathering different types of data from relative growth rate to light curves which I can use to connect and interpret my own project. 整个夏天, 我会观察气孔导度和荧光测量, 利用Li-600促进剂/荧光计研究植物的化学反应和生理方面. 我推测，夜间气孔导度较大的植物更易枯萎. 这将使我们更深入地了解具有不同基因组成的植物如何对未来升高的二氧化碳水平做出反应. 考虑到 芦苇南极光 是入侵沼泽物种吗, 人们曾无数次努力将其从沿海湿地移除, 然而, 这些实验可以为之前的研究提供线索，这些研究也暗示了这种常见芦苇的好处. 用于消除的钱 芦苇南极光 could instead be used for more experiments to determine ways in which the presence of invasive marsh species could become more beneficial to surviving the effects of climate change on coastal wetlands. 

格温多林Rewoldt

指导老师:Thomas Mozdzer

功能性模式植物遗传性状变异的研究 芦苇南极光

我的项目是更大的C-EVO项目的一部分 研究如何快速进化，以应对全球变化因素和生态过程是潜在的相互作用和相互影响 利用盐沼 芦苇南极光 作为研究对象. 盐沼是一个非常多产的生态系统，物种数量有限，生态系统工程师也很多, 像芦苇. 而以往的研究结果表明，芦苇与C循环相关的性状表现出遗传变异, my current project is gathering data on traits and their variation between the 198 unique genotypes with a focus on leaf canopy traits to further assess heritable versus non-heritable traits. 这里是布林莫尔, we are conducting a huge common garden experiment where we have taken 198 individuals with unique genotypes to assess if measures of individual plant traits are correlated with C cycling and if they are heritable. 使用收集SLA样本等方法, 测量杆高, 还可以测量叶片的厚度, 我的测量结果将用于参数化一个模型，以进一步评估进化对碳循环的潜在影响. 我假设我们将看到与基因型变异相关的叶冠性状的不同测量. 在接下来的几年里, 该项目将继续以不同的方式穿越每个大坝, 创造一个已知亲本的F1代，从中可以收集功能性状数据来估计遗传力.           

Shriya Sai Shivakumar

顾问:Bárbara Bitarello

通过多祖先分析评估吸烟行为对酒精摄入对遗传血液性状变异的影响

全基因组关联研究(GWAS)已经将数千个基因座与人类血液性状的定量变异联系起来. 血液性状位点及其相关基因可能调控血液细胞内在生物学过程, 或者通过系统因素和疾病过程影响血细胞的发育和功能. 观察性研究显示出相互矛盾的结果. 研究表明，饮酒和吸烟都会影响血细胞特征. 吸烟与较高的红细胞和血红蛋白计数有关, 酒精会改变血细胞的特征和功能. 将吸烟或饮酒等行为与血液特征改变联系起来的临床观察可能存在偏见, 这些性状之间的关系还没有在遗传水平上进行系统的探索. 它们可能受到无法测量或无法识别的混杂因素的影响. Previous blood traits GWAS adjusted for both tobacco and alcohol use behaviors based on presumed multi-trait impacts (instead of specifically blood traits) but the effects of these behaviors on specific blood traits or developmental lineages are unclear. Vuckovic等人的Cell 2020 GWAS未对吸烟或饮酒进行调整, 并且增加了权力, 让我们有机会分析这些行为对血液特征的确定影响.

使用孟德尔随机化(MR)框架使用GWAS汇总统计, 我们可以证实吸烟和饮酒对不同血统的因果影响. 采用多变量MR (MVMR)和因果中介分析, 我们可以识别中介或混淆特征来解释因果关系. MVMR还可以帮助建立吸烟和饮酒之间的因果关系，因为它们在基因上高度相关. 我们之前对全欧洲队列的GWAS进行了这样的研究(Shivakumar等). 2023)，并表明从吸烟到饮酒有一个随意的方向, 饮酒对红系性状有显著的负面影响. 在校正了酒精暴露后, 我们否定了烟草使用对血细胞特征的所有显著影响.

然而, 大多数GWAS和总体收集的样本/数据都是基于欧洲白人血统, 导致研究和协会中缺乏代表性的危险.这已经被证明会影响多基因风险评分和CRISPR编辑等工具在原始研究中没有代表的群体中的效用, 所以多样化的研究是至关重要的.  接下来，我们将用多祖先的方法来重复我们的分析. 使用筛选后的荟萃分析汇总统计和多基因风险评分来自桑德斯多祖先荟萃分析3.4个人, 我们将分析尼古丁和物质使用，并检查不同GWAS之间的差异. 我们希望证实，我们在欧洲人身上观察到的情况也适用于其他群体. 集体, 我们的发现可能展示了基因影响行为在决定人类血液特征中的新作用, 揭示机会解剖相关途径和机制影响造血.

乔史密斯

指导老师:Thomas Mozdzer

两个居群芦苇基因型相对生长率和草食性的遗传性状变异

盐沼生态系统提供许多重要的生态系统服务, 但它们的存在正受到包括二氧化碳浓度上升在内的全球加速变化因素的威胁, 营养物质污染, 人类发展. 芦苇, 芦苇南极光, 被认为是一种新的模式生物入侵物种和植物生理. Recent research has demonstrated that exposure to both near future levels of CO2 and nutrient enrichment have reduced intraspecific levels of genetic diversity and altered plant traits suggesting that populations are rapidly evolving. 为了评价植物性状的遗传力，选取了120个不同的基因型. 从MD的两个种群中采集了australis, 美国, 史密森全球研究湿地(Edgewater), 以及帕克溪(Frederick王子), MD). 总共240个基因型在推荐全球十大博彩公司排行榜的一个普通花园里种植.普通的花园使我能够通过去除混杂的环境因素来评估可遗传的特征. 鉴于先前的研究表明，植物暴露在高氮环境中，其相对生长速度会加快，每株植物的蚜虫数量也会增加. These findings hypothesize that genotypes that were treated by nitrogen will have a higher growth rate and aphid density than plants that were not exposed to elevated nitrogen. 我测量了植株的相对生长率，方法是测量每盆中3个带标记的芽的高度. 除了, 给出了不同食草动物的证据, 还测量了植物之间不同类型草食的存在和严重程度. 食草动物分为吸吮昆虫，如蚜虫, 咀嚼昆虫和动物, 干些无聊的昆虫. 这项研究旨在深入了解哪些特征是可遗传的, 为盐沼整体的进化生态学提供进一步的见解.

克洛伊唐

指导老师:塔玛拉·戴维斯

12种DMRs的甲基化模式.5 DPC野生型和甲基转移酶突变小鼠胚胎

Mammals have evolved to have many forms of gene regulation and genomic imprinting is one of the forms that only allows the expression of one parental allele from an organism’s genome. 印迹基因是通过DNA甲基化进行表观遗传调控的, DNA甲基转移酶(Dnmt1)促进, 其中一个甲基(CH3)被添加到一个等位基因上，产生一个差异甲基化区(DMR)。. 甲基化的等位基因沉默，导致亲本等位基因的差异基因表达. 初级DMRs甲基化, 哪个是在受精时遗传的, 在整个发育过程中，甲基化是稳定和对称的，而次级DMRs的甲基化, 哪个是在早期胚胎发育中获得的, 是不稳定和不对称的. The proper establishment of methylation patterns is crucial for embryonic development as abnormal  methylation patterns can lead to inappropriate gene expression, 发育障碍和癌症等疾病.

除了原发性和继发性DMRs之间不同的甲基化模式, previous research suggested that methylation is well maintained at primary DMRs in mouse embryos with a hypomorphic mutation of Dnmt1 (p allele) but is dramatically reduced at secondary DMRs. 这些证据暗示Dnmt1可能在不同的位点上发挥不同的功能. 我们注意到继发性DMRs大大降低了P等位基因小鼠的甲基化，并想了解这背后的原因. 我们假设增加的半甲基化水平是由于Dnmt1保真度降低. 了解甲基化丢失的潜在机制, 我正在分析12区多个主要和次要dmr的甲基化模式.受孕后5天(dpc)野生型和Dnmt1突变小鼠胚胎来验证这一假设.