Microsoft Word - Genomy.doc

Genom, to cała informacja
genetyczna komórki.

Genom niektórych wirusów
tworzy wyłącznie RNA.

GENOMY PROKARYOTA I EUKARYOTA

Piotr Nowosad

EFEKT KOŃCOWY

Po zakończeniu seminarium powinieneś:
- zdefiniować pojęcie „genom”;
- charakteryzować organizmy prokariotyczne i eukariotyczne;
- wykazać różnice w budowie DNA i RNA;
- omówić cechy genomu prokariotycznego;
- scharakteryzować genom eukariotyczny.

Czy genom jest sumą wszystkich genów?

Każdy organizm żywy jest zdolny do funkcjonowania dzięki informacji genetycznej, która

utrzymuje go przy życiu, warunkuje rozwój oraz podatność lub odporność organizmu na
szereg czynników środowiska zewnętrznego i wewnętrznego. Informacja taka jest
zakodowana w formie sekwencji zasad azotowych na nici DNA
tworząc

geny,

których

ekspresja

umożliwia

syntezę

polipeptydów.  Cała  taka  informacja  genetyczna  każdego
organizmu  jest  określana  terminem  „genom”.  Jednak  genom  nie  składa  się  jedynie  z
informacji  genetycznej  podlegającej  ekspresji,  czyli  zawartej  w  genach.  W  skład  genomu
wchodzą również sekwencje niekodujące, znajdujące się w obrębie genów (introny), a także
sekwencje  znajdujące  się  pomiędzy  genami  (sekwencje  intergenowe).  Ponadto,  genom  jest
utworzony  nie tylko  z  DNA  związanego  z  chromosomami,  lecz
także  z  DNA  znajdującego  się  poza  nimi.  Zatem  genom  każdej
komórki  jest  utworzony  przez  wszystkie  cząsteczki  DNA.
Oznacza  to,  że  w  przypadku  organizmów  eukariotycznych  jest  on  tworzony  zarówno  przez
DNA  jądrowy,  jak  również  organellowy  tj.,  mitochondrialny  i  chloroplastowy.  Ggenom

prokariotyczny składa się natomiast z informacji zawartej zarówno w chromosomie, jak i w
plazmidzie (o ile występuje w komórce). Logicznym wnioskiem jest zatem stwierdzenie, iż
genomy różnych organizmów powinny wykazywać odmienne cechy.
W trakcie tego seminarium zostaną omówione wybrane cechy genomów organizmów
prokariotycznych oraz eukariotycznych.

DNA bakteryjne

DNA

mitochondrialne

chloroplastowe

jądrowe

DNA

mitochondrialne jądrowe

komórka bakteryjna

komórka zwierzęca

komórka roślinna

Prokaryota: pro – przed;
caryon – jądro.

Eukaryota: eu – właściwy,
prawdziwy; caryon – jądro.

Jedna komórka bakteryjna
może zawierać jednocześnie
kilka typów plazmidów.

Czasem obecność różnych
typów plazmidów w komórce
wyklucza się nawzajem.

Prokaryota czy Eukaryota?

W systematyce organizmów można wydzielić dwa główne działy: Prokaryota

(prokarionty)

oraz

Eukaryota

(eukarionty).

Organizmy

prokariotyczne  nie  posiadają  jądra  komórkowego  oraz  błony
jądrowej.  DNA  prokariontów  nie  jest  połączone  z  histonami
i  tworzy  dość  luźną  strukturę  zwaną  chromosomem  (genoforem)  na  obszarze  stanowiącym
odpowiednik  jądra  komórkowego  (nukleoid).  Dział  Prokaryota  obejmuje  organizmy
jednokomórkowe takie, jak np. bakterie, sinice i mikoplazmy. Często prokariontom nadaje się
rangę królestwa Prokaryotae.

Odmiennie niż u Prokaryota, komórki organizmów eukariotycznych posiadają dobrze

wykształcone  jądro  komórkowe,  które  otoczone  jest  błoną
jądrową.  Do  działu  Eukaryota  zalicza  się  zarówno  organizmy
jednokomórkowe  oraz  wielokomórkowe.  Obejmuje  on  m.  in.
następujące królestwa: Protista, Fungi, Plantae oraz Animalia.

Cechy genomu Prokaryota

Genom prokariotyczny jest utworzony głównie przez pojedynczą, kolistą cząsteczkę

DNA, która tworzy pierścieniowy chromosom. DNA chromosomu bakteryjnego nie jest zwią-

zany z histonami, choć białka izolo-
wane  z  komórek  Escherchia  coli
wykazują  do  nich  duże  podobień-
stwo.  Upakowanie  DNA  w  komór-
ce  prokariotycznej  jest  możliwe
dzięki  skręceniom  superhelikalnym
oraz  aktywności  enzymatycznej  to-
poizomeraz.  W  ten  sposób  tworzo-
ne są duże pętle (domeny) zwierają-
ce dodatkowe superhelikalne skręty

DNA. Wszystkie domeny są połączone w jednym miejscu zwanym rdzeniem białkowym.

W komórce bakteryjnej często występuje dodatkowa, kolista cząsteczka DNA – plazmid.

Zawiera ona dodatkową informację genetyczną, która warunkuje szereg nowych właściwości

komórki,  jak  np.  oporność  na  działanie  antybiotyków.  W  zależności  od
rodzaju plazmidu „nowa” informacja genetyczna może zostać zintegrowana
z  DNA  chromosomowym  lub  też  przekazana  innej  komórce  bakteryjnej.
Uważa się, że jedna z możliwości powstawania
oporności  komórek  bakteryjnych  na  działanie
antybiotyków (lub innych czynników mutagen-
nych)  związana  jest  plazmidami.  Wyróżnia  się
pięć typów plazmidów w zależności od zawartych w nich genów kodujących
pewne  właściwości:  plazmidy  wirulencji,  plazmidy  kolicynowe  kodujące

białka antagonistyczne dla innych bakterii, plazmidy degradacyjne zawierające geny powodu-
jące  zdolność  metabolizowania  związków  chemicznych,  plazmidy  typu  F  umożliwiające
transmisję  genów  pomiędzy  komórkami  bakterii  (koniugacja)
oraz  plazmidy  typu  R,  które  warunkują  nie  tylko  powstawanie
oporności  na  działanie  antybiotyków,  lecz  również  transfer  tej
cechy do innych, nawet gatunkowo odmiennych komórek bakte-
ryjnych.

PLAZMID

CHROMOSOM

Wszystkie polimerazy wykazują
zdolność do autokorekty.

Pozostałe cechy genomu prokariotycznego zostały opisane na przykładzie E. coli. Bakte-

ryjne genomy są o wiele mniejsze
niż  eukariotyczne,  a  także  zawie-
rają  mniej  genów  (od  kilkuset  do
kilku tysięcy genów). Są one bar-
dziej skondensowane i zwarte niż
genomy  eukariotyczne.  Charakte-
ryzują  się  także  brakiem  genów
nieciągłych,  co  oznacza,  że  nie
występują  w  nich  introny.  DNA
genomu  prokariotycznego  zawie-
ra  unikalne  sekwencje  zasad  azo-

towych, co oznacza, że każdy gen występuje w genomie tylko raz. Charakterystyczne dla ge-
nomu bakteryjnego są również tzw. sekwencje insercyjne. Są to transpozony, czyli sekwencje
DNA, które mogą przemieszczać się zarówno w obrębie danego genomu bakteryjnego, jak
również z jednego genomu do drugiego.

Charakterystyczne dla genomu prokariotycznego są również enzymy, które katalizują

powstawanie  nowych  nici  DNA  w  procesie  replikacji  –  polimerazy  DNA.  Do  swojej
aktywności  wymagają  nici  wzorcowej  (matrycy),  której  sekwencja  jest  odczytywana
w kierunku 3’→5’, natomiast jednoczesna synteza nowej nici odbywa się w kierunku 5’→3’.
U  Procaryota  można  wyróżnić  trzy  polimerazy  oznaczane  cyframi  rzymskimi  (I,  II  i  III).
Głównym  enzymem  replikacyjnym  jest  Pol  DNA  III  (replikaza),  której  stężenie  w  komórce
jest najniższe. Charakteryzuje się ona wysokim poziomem aktywności, lecz przy tym niższą
wiernością  replikacji  w  porównaniu  z  pozostałymi  polimerazami.  Dokładnie  przeciwne
właściwości  wykazuje  Pol  DNA  I,  której  stężenie  w  komórce  jest  wysokie,  aktywność
replikacyjna  niższa  w  porównaniu  do  Pol  DNA  III,  lecz  za  to  wierność  replikacji  wyższa.
Inaczej mówiąc, Pol DNA I syntetyzuje nową nić DNA powoli lecz dokładnie, podczas gdy
Pol  DNA  III  szybko  lecz  z  większa  liczbą  pomyłek.  Nie  oznacza  to,  ze  Pol  DNA  I  nie
popełnia  pomyłek  w  czasie  syntezy  nowej  nici.  Pomyłki  polimeraz  w  czasie  syntezy  są
jednym  ze  źródeł  spontanicznych  uszkodzeń  DNA,  które  mogą  doprowadzić  do  mutacji.
Obok  wielu  mechanizmów  naprawy  uszkodzeń  DNA  istnieje  jeden,  który  zależy  wyłącznie
od  polimeraz  DNA.  Posiadają  one  zdolność  do  autokorekty
i  mogą  poprawiać  swoje  własne  błędy  replikacyjne.  Jest  to
możliwe  dzięki  ich  aktywności  egzonukleazowej  3’→5’,
która  umożliwia  sprawdzenie  i  ewentualne  usunięcie  nieprawidłowo  sparowanych
(wprowadzonych)  nukleotydów.  W  komórce  prokariotycznej  Pol  DNA  I  bierze  udział
w  różnych  systemach  naprawy  uszkodzeń  DNA  oraz  spełnia  pomocniczą  rolę  w  procesie
replikacji.  Jej    funkcja  jest  związana  z  usuwaniem  starterów  z  fragmentów  Okazaki  (dzięki
aktywności egzonukleazowej 5’→3’) oraz syntezie fragmentów nowej nici DNA.

Cechy genomu Eukaryota

Genomy gatunków eukariotycznych

posiadają zróżnicowaną wielkość, jednak
przewyższającą  wielkość  genomów  pro-
kariotycznych. Pomimo tego, błędem jest
korelowanie  poziomu  rozwoju  ewolucyj-
nego  z  wielkością  genomu,  jak  również
nie można oceniać stopnia skomplikowa-
nia  organizmu  tylko  na  podstawie  wiel-
kości  jego  genomu.  Genom  eukariotycz-

Porównanie wielkości genomów wybranych gatunków bakterii

Bakteria

Wielkość genomu

(w mln par zasad = Mpz)

Borrelia burgdorferi

1,44

Helicobacter pylori

1,66

Haemophilus influenzae

1,83

Mycobacterium tuberculosis

4,40

Echerichia coli

4,64

Wielkości wybranych genomów eukariotycznych

Organizm

Wielkość genomu

(w mln par zasad = Mpz)

muszka owocowa

140

człowiek

3 000

mysz

3 300

pszenica

17 000

Lizyna i arginina stanowi 30%
wszystkich aminokwasów w histonie

ny  jest  utworzony  przez  genom  jądrowy,  który  zawiera  większość  informacji  genetycznej
oraz genom organellowy, w którym znajduje się niewielka część całkowitego DNA komórki.

Genomy organellowe (mitochondrialne i chloroplastowe) w większości mają formę kolistych
cząsteczek  DNA  i  swoją  budową  przypominają  genomy  organizmów  prokariotycznych.
Cecha  ta  wskazuje  na  ewolucyjne  pochodzenie  organizmów  eukariotycznych,  których
komórki  powstały  prawdopodobnie  na  drodze  endosymbiozy  prymitywnych  organizmów
prokariotycznych.  W  odróżnieniu  jednak  od  genomów  prokariotycznych,  genomy
mitochondrialne  oraz  chloroplastowe  zawierają  kilka  cząsteczek  DNA.  Ponadto,  DNA
organellowe  wykazuje  zdolność  do  samodzielnej  replikacji,  niezależnej  od  replikacji  DNA
chromosomalnego.
Mitochondrialny DNA (mt DNA)
Genom mitochondrialny zawiera geny kodujące mt tRNA, mt rRNA i niektóre podjednostki
białek  łańcucha  oddechowego  (cytochromu  b,  syntazy  ATP,  oksydazy  cytochromowej  oraz
dehydrogenazy NADH). Podane  poniżej cechy mt DNA charakteryzują mt DNA człowieka:

•  jest dziedziczony w linii matczynej;
•  składa się z 2 do 10 kolistych cząsteczek DNA;
•  zawiera około 37 genów oraz 17 kpz;
•  geny są ułożone w sposób ciągły (brak intronów);
•  jest transkrybowany w całości;
•  kod genetyczny mt DNA wykazuje pewne odstępstwa od kodu standardowego, np. kodon

UGA koduje tryptofan, podczas gdy w jądrowym DNA jest sekwencją „stop”, natomiast
kodony AGA i AGG w mt DNA są sygnałami terminacyjnymi, podczas gdy w jądrowym
DNA kodują argininę;

• nie jest połączony z histonami i dlatego jest bardziej narażony na działanie czynników

mutagennych (np. na powstające in situ wolne rodniki pochodzenia tlenowego);

•  wykazuje wyższą (nawet 10-krotnie) częstość mutacji niż DNA jądrowy.
Cloroplastowy DNA (cp DNA)
DNA  chloroplastowy  zawiera  więcej  genów  niż  DNA  mitochondrialny.  Są  to  przede
wszystkim geny kodujące cp tRNA, cp rRNA oraz geny dla około 50 polipeptydów (w tym
białek aparatu  fotosyntetycznego).
Genom jądrowy
Składa  się  z  wielu  liniowych  cząsteczek  DNA,  które  w  połączeniu  z  histonami  tworzą
odrębne  chromosomy,  czyli  stałe  i  samo-odtwarzające  się  składniki  jądra  komórkowego.
Oczywiście  chromosomy  są  zdecydowanie  krótsze  niż  zawarty  w  nich  DNA.  Typowy
chromosom  eukariotyczny  zawiera  1-20  cm  DNA,  który  dzięki  swoistemu  mechanizmowi
upakowania  mieści  się  w  chromosomie.  Istotnym  elementem  mechanizmu  pakowania  DNA
są  specyficzne  białka  –  histony.  Stanowią  one  40-50  %  składu  chromatyny.  Wykazują  one
charakter  silnie  zasadowy,  z  uwagi  na  wysoki  poziom
zawartej lizyny i argininy. Histony są białkami tkankowo
i gatunkowo niespecyficznymi co oznacza, że cechuje je
ogromny  konserwatyzm;  wykazują  podobna  budowę  niezależnie  od  gatunku,  osobnika  czy
tkanki. Wyróżnia się pięć klas histonów: H1 (zw. łącznik nukleosomowy), H2a i H2b (histony
brzegowe) oraz H3 i H4 (histony rdzeniowe). Histony tworzą nukleosom, czyli podstawową
jednostkę  strukturalną  chromatyny.  Rdzeń  nukleosomu  składa  się  z  dwóch  kopii  histonów
H2A,  H2B,  H3  oraz  H4  tworząc  oktamer  histonowy  (dwa  tetramery  histonów  brzegowych
i  rdzeniowych).  Natomiast  histon  H1  jest  usytuowany  poza  rdzeniem  i  spina  chromatynę.
W poszczególnych stopniach upakowania DNA chromosomach można wyróżnić następujące
poziomy:  chromatyna  (DNA  +  histony)  →  solenoid  →  domeny  →  chromatyda  →
chromosom.

Kariotyp człowieka nie zawiera
chromosomów telocentrycznych.

Jedynie 3-5% całego DNA
człowieka zawiera eksony.

Typowy chromosom metafazowy składa się z następujących elementów:

centromeru – najbardziej skondensowanego regionu chromosomu, do

którego przyłącza się w kinetochorach wrzeciono podziałowe w cza-
sie mitozy (stąd częsta nazwa synonimowa – kinetochor); utworzony
jest głównie z powtarzających się sekwencji.

telomeru – region końcowy każdego chromosomu (chromatydy). Ich

funkcja jest bardzo istotna, ponieważ oznaczają naturalne końce
chromosomów; utworzone są z wielu kopii powtarzalnej sekwencji
(u człowieka 5’-TTAGGG=3’).

satelity – krótkie segmenty chromosomu oddzielone od reszty prze-

wężeniem, związane z tworzeniem jąderka.
Można wyróżnić kilka typów chromosomów: metacentryczny, o rów-

nych  ramionach  chromatyd;  submeta-
centryczny,  w  którym  centromer  jest
delikatnie  przesunięty  ku  jednemu  z
końców  chromatyd;  akrocentryczny,  o  ramionach  chromatyd  wyraźnie
zróżnicowanych w długości; telocentryczny, w którym brak jest jednego

ramion.

Zestaw

wszystkich

chromosomów

komórce

somatycznej,

o liczbie i morfologii  charakterystycznej dla
danego  organizmu  (gatunku)  tworzy  kario-
typ.  U  człowieka  genom  zawiera  22  pary
autosomów oraz 1 parę heterochromosomów
XX  lub  XY  (46,  XX  lub  46,  XY).  podobnie
jak  to  miało  miejsce  przy  omawianiu  wiel-
kości  genomu  Eukaryota  tak  i  teraz  nie
można  twierdzić,  iż  liczba  chromosomów
ś

wiadczy o zaawansowaniu ewolucyjnym

jakiegoś gatunku.

Geny organizmów eukariotycznych są genami nieciągłymi, oznacza to iż informacja

o sekwencji aminokwasów nie jest ciągła, lecz jest poprzerywana odcinkami niekodującymi.
Sekwencje  kodujące  nazywane  są  eksonami,  natomiast  sekwencje  niekodujące  w  obrębie
genu to introny. Jeżeli przyjmiemy za 100% całą sekwencję geno-
mu  jądrowego  organizmów  eukariotycznych  to  okaże  się,  iż
ekspresji  ulegają  sekwencje  stanowiące  jedynie  kilka  procent
całego  genomu  jądrowego,  a  zatem  większość  genomu  jądrowego  stanowią  sekwencje  nie-
kodujące, które podlegają procesowi transkrypcji, jednak nie translacji. Ponadto geny w geno-
mie jądrowym są rozproszone, czyli rozmieszczone w różnych miejscach chromosomów i są
porozdzielane  niekodującymi  intergenowymi  odcinkami  DNA  (DNA  intergenowy,  między-
genowy, pozagenowy). Co więcej, geny nie są rozłożone równomiernie w kolejnych chromo-
somach a pewne fragmenty genomu wcale nie zawierają genów (np. sekwencje DNA w cen-
tromerach lub telomerach).

Genom człowieka obejmuje ok. 25 000 genów. Jednak geny i sekwencje związane

z genami stanowią około 30% całego jądrowego DNA. Na sekwencje związane z genami
składają się:

•  eksony;
•  introny, sekwencje początkowe i sekwencje końcowe genu;
•  pseudogeny  –  sekwencje  DNA  homologiczne  do  prawidłowych  genów,  które  w  wyniku

mutacji nie mają już zdolności do ekspresji, zwykle na skutek utworzenia kodonu „stop”;

• fragmenty genów – są efektem dawnych zdarzeń, które na skutek delecji lub rekombinacji

doprowadziły do fragmentacji genu.

Liczba chromosomów wybranych gatunków

Organizm

Liczba chromosomów

muszka owocowa

2 x 4

mysz

2 x 20

człowiek

2 x 23

skrzyp polny

2 x 54

centromer

telomer

satelita

chromatyda

Pozostałe 70% DNA jądrowego stanowi tzw. DNA pozagenowy (intergenowy).

Obejmuje on sekwencje, które nie są w żaden sposób związane z genami, a zatem nie
podlegają ekspresji (nie są także intronami). W ramach DNA pozagenowego można
wyróżnić:

• sekwencje unikatowe, które stanowią większość intergenowego DNA i jak wskazuje

nazwa, charakteryzują się małą liczbą kopii;

• sekwencje powtarzające się w genomie jądrowym:

powtarzające się sekwencje rozproszone w genomie; wśród nich wyróżniamy:

LTR – są to długie powtórzenia końcowe (long terminal repeats), które odgrywają

istotną rolę w procesie transpozycji;

SINE – są to krótkie rozproszone elementy jądrowe (short interspersed nuclear

elements

), które pomimo braku genu odwrotnej transkryptazy mogą ulegać

transpozycji;  w  genomie  człowieka  najlepiej  poznanym  elementem  SINE  jest
sekwencja  Alu,  o  wielkość  300  pz,  która  występuje  w  prawie  milionie  kopii
rozproszonych  po  całym  genomie  jądrowym;  jakkolwiek  pochodzenie  sekwencji
Alu

nie jest wyjaśnione zakłada się, iż powstały one jako pseudogen, który nabył

cechy transpozonów i poprzez replikowanie zdolność do przenoszenia się w wielu
kopiach w obrębie genomu jądrowego;

LINE – są to długie rozproszone elementy jądrowe (long interspersed nuclear

elements

), które zawierają gen odwrotnej transkryptazy; sekwencja znaną

z  ludzkiego  genomu  jądrowego  jest  element  LINE  1  (L1  LINE),  który  wykazuje
długość  ok.  6 000  pz  i  występuje  w  ok.  60 000  kopii;  sekwencje  LINE  dzięki
transpozycji  mają  zdolność  przemieszczania  się  w  obrębie  genomu,  a  poprzez
odwrotną  transkrypcję  mogą  wprowadzać  w  odległych  nawet  miejscach  genomu
jądrowego nowe kopie sekwencji;

powtórzenia tandemowe, występują seryjnie, jako ciągi zespolonych sekwencji,

w ramach których można wyróżnić:

DNA satelitarny – są to sekwencje zawierające motywy o długości do 200 pz,

które tworzą grupy o długości do 5000 kpz, zlokalizowane głównie
w centromerach chromosomów;

DNA minisatelitarny – są to motywy zawierające 10-100 nukleotydów,

występujące w zespołach o długości do 20 kpz; sekwencje minisatelitarnego DNA
występują w telomerach chromosomów;

DNA mikrosatelitarny – to proste powtórzenia tandemowe wielkości 2-4 pz,

które tworzą grupy do 150 pz.

Warto pamiętać, że liczba chromosomów w komórkach danego organizmu oraz liczba

genów nie jest skorelowana ani ze stopniem skomplikowania, ani z wielkością genomu tego
organizmu. Jest raczej odzwierciedleniem zdarzeń ewolucyjnych, które ukształtowały
strukturę genomów w różnych organizmach.

Zalecane piśmiennictwo:
1.

Brown T. Genomy. PWN, 2001.

Drewa G., Ferenc T. Podstawy genetyki dla studentów i lekarzy. Urban & Partner, 2003.

Passarge E. Genetyka. Ilustrowany przewodnik. PZWL, 2004.

Winter P.C., Hickey G.I, Fletcher H.L. Genetyka. Krótkie wykłady. PWN, 2004.