Human Chromosomes

Obraz dyfrakcji promieni rentgenowskich na włóknie DNA. Ciemne refleksy

świadczą o strukturze helikalnej. Zaciemnione łuki świadczą, że zasady są

ułożone regularnie jedna nad drugą.

DNA jest podwójną helisą, w której zasady

znajdują się wewnątrz helisy

Struktura DNA

Maurice Wilkins

Rosalind Franklin

Formy przestrzenne DNA

– DNA B – DNA

– DNA

Najpowszechniej  występująca,  w
warunkach  panujących  w komórce
najbardziej  stabilna.

Centralne ułożenie wiązań wodorowych
w stosunku do osi helisy

Formy prawo skrętne

Forma lewoskrętna

Pary zasad azotowych są
wypchnięte z centralnej pozycji.

Często dwuniciowe  RNA tworzy
taką formę  (szpilka  do włosów)  i
hybrydy  DNA-RNA

Zmniejszona
wilgotność

Inna konfiguracja ułożenia
zasad azotowych w stosunku
do deoksyrybozy

Sekwencje
bogate w GT

Struktura RNA

Str. typu nasada pętla

Str. typu spinka do
włosów

Str. typu
pseudowęzeł

Zdolność RNA do tworzenia złożonych struktur przestrzennych umożliwia mu pełnienie w
komórce dodatkowych funkcji poza pośrednictwem w przekazywaniu informacji genetycznej
między DNA a białkami (mRNA)

Przykłady:

Terminacja transkrypcji u procariota (regulacja ekspresji informacji genetycznej),

różne rodzaje RNA (tRNA i rRNA) u eucariota (synteza białek)

Helikaza

Białka SSB

Polimeraza DNA

Ligaza

Primaza

Egzonukleaza

Replikacja – białka kompleksu

http://www.youtube.com/watch?v=teV62zrm2P0

http://www.youtube.com/watch?v=4jtmOZaIvS0&feature=related

Replikacja – widełki replikacyjne

W miejscu zwanym ori

–

miejsce inicjacji replikacji
(sekwencja bogata w pary AT)
-

następuje tworzenie bąbla

replikacyjnego z dwoma
widełkami replikacyjnymi

Replikacja – etapy (inicjacja)

Białka SSB łącząc się do pojedynczych nici,

zapobiegają renaturacji

Helikaza łączy się z miejscem inicjacji i rozplata

dwuniciową strukturę DNA

5’

3’

5’

3’

Primaza syntetyzuje starter RNA

3’

5’

3’

Replikacja – etapy (elongacja)

Polimeraza DNA syntetyzuje nową nić

5’

kierunek replikacji

5’

3’

5’

3’

Polimeraza DNA sprawdza poprawność
wbudowywanych nukleotydów, usuwając
nieprawidłowe

Substratami są trifosforany
deoksyrybonukleozydów

Replikacja – etapy (elongacja)

5’

3’

5’

3’

5’

3’

kierunek replikacji

Nić wiodąca syntetyzowana jest w całości,
w kierunku 5’ do 3’

Replikacja – etapy (elongacja)

3’

5’

3’

5’

3’

5’

3’

kierunek replikacji

fragmenty Okazaki

Nić wiodąca jest dalej syntetyzowana w kierunku
5’ do 3’

Nić opóźniona syntetyzowana jest w krótszych
fragmentach (Okazaki), także w kierunku 5’ do 3’

Replikacja – etapy (elongacja)

5’

3’

5’

3’

5’

3’

5’

3’

Nić wiodąca jest dalej syntetyzowana w kierunku
5’ do 3’

Nić opóźniona syntetyzowana jest w krótszych
fragmentach (Okazaki), także w kierunku 5’ do 3’

Replikacja – etapy (terminacja)

5’

3’

5’

3’

5’

3’

5’

3’

5’

Egzonukleaza wycina starter

Replikacja – etapy (terminacja)

Egzonukleaza wycina starter

Ligaza łączy powstałe fragmenty DNA

3’

5’

3’

5’

3’

5’

3’

5’

Ekspresja informacji genetycznej

CCTGAGCCAACTATTGAT

CCU

GAG

CCA

ACU

AUU

GAU

Białko

mRNA

DNA

Transkrypcja

Translacja

Centralny Dogmat

Nić matrycowa

DNA

5’

3’

5’

3’

G T C A T T C G G

C A G T A A G C C

Nić niematrycowa –

kodująca lub

sensowna (+)

Transkrypcja

Określenie sekwencja
genu odnosi się do
nici niematrycowej

RNA powstaje na
matrycowej nici i ma
sekwencje
niematrycowej nici
DNA

RNA

5’

G U C A U U C

3’

Inicjacja

Elongacja

Terminacja

Transkrypcja - etapy

Polimeraza RNA dobudowuje
nowe rybonukleotydy do 3’ - OH
końca rosnącego łańcucha RNA
(tworzą się w. fosfodiestrowe)

Transkrypt powstaje w kierunku 5’ – 3’
natomiast nić matrycowa biegnie w kierunku
przeciwnym

5’

3’

5’

3’

Mechanizm terminacji u eukaryota nie jest
poznany natomiast u prokaryota sekwencja
transkryptu formuje strukturę szpilki do włosów

Powstaje pierwotny transkrypt pre - mRNA

Obróbka potranskrypcyjna RNA

U Eukaryota

Przyłączenie
zmodyfikowanego
nukleotydu

(7 - metyloguanozyna)

Zabezpiecza przed
egzonukleazami i umożliwia
wiązanie do rybosomu w
procesie translacji

Dodanie ogona poli A
złożonego z nukleotydów
adenylowych (do 250 reszt A)

Zabezpiecza przed
egzonukleazami

sn RNP

–

małe jądrowe
rybonukleoproteiny

Zależy od sekwencji sygnałowych zawartych w
pre mRNA

Sekwencje sygnałowe dla splicingu zawarte są
w sekwencji intronów

Najważniejsze: po stronie 5’ intronu GT a po
stronie 3’ AG

Splicing

Następuje wypętlenie się
intronu oraz zbliżenie
końców eksonów

Translacja - budowa tRNA (1)

Wszystkie znane tRNA mają

następujące cechy wspólne:

– Ramię antykodonowe.

Rozpoznaje kodon na mRNA

– Ramię akceptorowe. Sekwencja

CCA - miejsce przyłączania
aminokwasu

– Ramię DHU (Dihydrouracylowe)

sekwencja tu zawarta
rozpoznawana jest przez enzym,

który przyłącza do tRNA
odpowiedni aminokwas

– Ramię TΨC (Pseudouracylowe)

umożliwia przymocowanie do
rybosomu

Translacja – elongacja (1)

U A

Met

mRNA

5’

3’

Amino acid

Large ribosomal subunit

C C U

tRNA

Ribosome

Gly

G G

A A

Miejsce A
(Aminoacylowe)

Miejsce P
(Peptydylowe)

Peptydylotransferaza

– katalizuje

utworzenie wiązania peptydowego

U A

Met

mRNA

5’

3’

C C U

Gly

G G

A A

Translacja – elongacja (2)

mRNA

5’

3’

C C U

Gly

G G

A A

Cys

Translacja – elongacja (3)

Translokacja

– rybosom przesuwa

się o jeden kodon

Deacylowany
tRNA

mRNA

5’

3’

Cys

C C U

Gly

G G

A A

Translacja – elongacja (4)

mRNA

5’

3’

U U

Lys

Cys

G G

A A

Wydłużanie łańcucha
polipeptydowego

Translacja – elongacja (5)

mRNA

5’

3’

U U

Lys

Cys

G G

A A

Translacja – elongacja (6)

mRNA

5’

G G

A A

A U A A

Stop codon

U U

Lys

Release
factor

Translacja – terminacja (1)

mRNA

5’

Stop codon

G G

A A

A U A A

Release
factor

Translacja – terminacja (2)

Translacja kończy
się gdy kodon
terminalny (kodon
stop) znajdzie się
w miejscu A

Czynnik
uwalniający

Genom mitochondrialny człowieka

Genom mitochondrialny

(16,6 kpz -

37 genów, brak intronów)

• 2 geny rRNA
• 22 geny tRNA
• 13 genów łańcucha

oddechowego

– loop

jedyny obszar

niekodujący, zawiera rejony
hiperzmienne

Forma kolista, kilka cząsteczek mtDNA w jednym
mitochondrium (2-

10), a przeciętna kom. eukariotyczna

zawiera kilkaset do kilku tysięcy mitochondriów, replikuje
niezależnie od genomu jądrowego, dziedziczony w linii
matczynej, brak histonów – narażony na uszkodzenia –
wyższa częstość mutacji

Genom mitochondrialny człowieka

Mutacje w genach mt DNA powodują mitochondrialne
choroby genetyczne, których objawy dotyczą głownie tkanek

o największym zapotrzebowaniu energetycznym –

mięśniowej i nerwowej (mięśnie poprzecznie prążkowane,

mięsień sercowy, nerka, siatkówka, OUN)
Choroby: miopatie (grupa chorób w których dochodzi do

uszkodzenia mięśni i w wyniku tego do osłabienia ich siły),

zespoły neurologiczne, kardiomiopatie.

Choroby te maja charakterystyczny matczyny wzór
dziedziczenia:
-matka przekazuje cechę wszystkim swoim potomkom
-chorują zarówno mężczyźni jak i kobiety, ale tylko kobiety
przenoszą tę cechę

Mitochondria plemnika podczas zapłodnienia wnikają
do oocytu, ale jest ich niewiele (około 50) w
porównaniu  z 200 000 mitochondriów oocytu i zostają
strawione.
Wszystkie mitochondria zygoty pochodzą z komórki
jajowej (geny mitochondrialne pochodzą wyłącznie  od
matki)

Genom jądrowy człowieka

30%

70%

nie podlegają

ekspresji, w większości
funkcja nieznana

Są efektem dawny
zdarzeń, które na skutek
delecji, rekombinacji
doprowadziły do
fragmentacji genu

Sekwencje homologiczne
do prawidłowych genów,
które w wyniku mutacji
nie mają już zdolności do
ekspresji

Sekwencje
unikatowe

Występują seryjnie
jako ciąg
zespolonych
sekwencji

Długość do 5000 kpz z
powtórzeniem motywu o
dł. 200 pz. Głównie w
centromerach

Długość do 20 kpz z powtórzeniem motywu o dł.
10-

100 pz. Głównie w telomerach

Długość do 150 pz z
powtórzeniem
motywu o dł. 2-4 pz.

10%

80%

20%

90%

Długie terminalne
powtórzenia

Promotory

Krótkie rozproszone
elementy jądrowe.
100-400 pz. np.
element Alu

Długie rozproszone elementy
jądrowe 650 pz. np. sekwencja L1

3-6%
genomu

70%
genomu

Ludzki genom jest olbrzymi, haploidalny zestaw
chromosomów składa się z 3 miliardów par zasad

DNA kodujące w obrębie
genów stanowi tylko 3%
całkowitej ilości DNA

Chromatyna a chromosomy

Kondensacja
chromatyny
Umożliwia 10.000x
upakowanie DNA
do postaci
chromosomów

Chromatyna

– Włóknista

substancja występująca w jądrze
komórkowym.
Interfazowa postać chromosomów.

Chromosom

to szczególna

postać chromatyny, występujący w
czasie podziałów komórkowych.

Różnica polega więc na stopniu
upakowania materiału
genetycznego, natomiast stopień
upakowania zależy od fazy cyklu
życiowego komórki

Chromosomy a chromatyna

– zależne od fazy cyklu

życia komórki

Interfaza-

komórka

wzrasta, przygotowuje
się do podziału DNA i
mitozy

Faza

spoczynkowa

Synteza  enzymów
potrzebnych  do replikacji
DNA w fazie  S

(transkrypcja i translacja)

Synteza  DNA (gdy się
skończy  interfaza
chromosomy
zbudowane  będą  z 2
chromatyd),

niskie tempo
transkrypcji i translacji
– wyjątek to produkcja
histonów

Synteza białek tubuliny do produkcji
wrzeciona podziałowego

Mitoza-

komórka

dzieli się na 2
potomne

Kariokineza

Cytokineza

DNA chromatyny

Komórki eukariotyczne maja „problem z
upakowaniem” DNA

Długość DNA E.coli  to ok. 1.2 mm, natomiast DNA
człowieka w każdej komórce ma ok. 2m długości

DNA o takiej długości musi się zmieścić w 5 µm3 -
wielkość jądra komórkowego

Proces „pakowania” DNA musi przebiegać w sposób
ściśle uporządkowany  – stopnie kondensacji
chromatyny do chromosomów

DNA

– jego zawartość jest różna u różnych gatunków i nie jest skorelowana z

liczbą chromosomów lecz ich łączną długością

Liczba cząstek DNA jest równa liczbie chromatyd, tak więc każdy chromosom
metafazowy budują dwie cząsteczki DNA – teoria jednopasmowej budowy
chromosomu

Typowy chromosom eukariotyczny zawiera 55-

250 milionów par zasad co

stanowi 1-20 cm DNA

RNA chromatyny

heterogenne jądrowe (hnRNA lub pre-mRNA) - głównie produkty transkrypcji
DNA jego większa część pozostaje w jądrze natomiast reszta przechodzi do
cytoplazmy jako mRNA

małe jądrowe (snRNA) pełniące funkcje enzymatyczne przy wycinaniu
intronów z pierwotnych transkryptów (hnRNA lub pre-mRNA) w procesie
splicingu

RNA jądrowy występujący stale w jadrze kom. :

RNA stanowi przejściowy składnik chromosomów i chromatyny interfazalnej.
W skład chromatyny luźnej mogą wchodzić pewne ilości RNA

RNA występuje w jądrze oraz w cytoplazmie.
tRNA i rRNA są w jądrze syntetyzowane i przebywają w nim okresowo

Białka niehistonowe

Strukturalne

– mają zdolność do interakcji z histonami i DNA stanowią

strukturalny składnik chromatyny (topoizomeraza II)

Enzymatyczne-

enzymy związane z syntezą i przemianami kwasów

nukleinowych oraz modyfikujące białka jądrowe (polimerazy: DNA, RNA,
poli(A); ligazy, nukleazy, proteazy, metylotransferazy, acetylotransferazy)

Regulatorowe-

o charakterze pozytywnych i negatywnych regulatorów

transkrypcji (czynniki transkrypcyjne)

Stanową przejściowy składnik chromosomów i chromatyny interfazalnej
Kwasowe białka o ujemnym ładunku
Ich ilość w jądrze jest zmienna i wydaje się być skorelowana z
aktywnością biologiczną komórki
Wiele spośród nich pełni funkcje enzymatyczne związane z
metabolizmem kwasów nukleinowych (replikacja, transkrypcja) oraz
białek ( translacja) - stymulują ekspresję materiału genetycznego

• Zasadowe białka o dodatnim ładunku
• Produkowane w fazie G1/S cyklu komórkowego
• Stosunek wagowy DNA : histony to – 1 : 1
• Geny kodujące histony są:

– Bezintronowe
– Występujące w bardzo wielu kopiach
– Konserwowane ewolucyjnie

• Rola histonów:

– Strukturalna
– Wpływ na ekspresję genów (generalnie hamujący)

Białka histonowe

5 typów histonów:

H2A, H2B, H3, H4 -

wysoce konserwatywne, domena globularna umożliwia

oddziaływanie z innymi histonami i z DNA, natomiast N- i C- końce tworzą tzw.
ogony

H1(linkerowy, łącznikowy) - najbardziej zmienny ewolucyjnie, największy i
najbardziej zasadowy, budowa trójdomenowa, N- i C- końce tworzą tzw. ogony

Nukleosom

• Rdzeo nukleosomu zbudowany jest z czterech rodzajów białek histonowych: H2A,

H2B, H3, H4

• Tworzą one oktamer - po dwa histony każdego rodzaju
• Na zewnątrz rdzenia nawinięty jest DNA

o długości 146 pz (1.8 zwoju)

Nukleosom

Włókno nukleosomowe 11nm

Histon H1

znajduje się na zewnątrz nukleosomu i pełni funkcje stabilizującą

wiążąc się z DNA łącznikowym (ok. 60 pz)
146 pz + 60 pz = około 200 pz DNA przypada na jeden nukleosom
Zapewnia utrzymanie zwartej struktury chromatyny z zachowaniem
odpowiednich odległości między nukleosomami – umożliwia tworzenie przez
chromatynę struktur wyższego rzędu

Zbudowana  z nukleosomów  nić
chromatyny  na zdjęciach  z
mikroskopu  elektronowego
przypomina  sznur pereł

Nić nukleosomów

Histony oddziałują z DNA
wyłącznie  poprzez kontakt z
łańcuchem cukrowo -
fosforanowym
superhelisy.

DNA przytwierdzone  jest do
zrębu histonowego poprzez
oddziaływania
elektrostatyczne i wiązania
wodorowe z grupami
fosforanowymi, oraz kontakty
niepolarne z grupami
deoksyrybozy

Co oznacza, że nie dochodzi
do interakcji histonów z
zasadami azotowymi DNA, a
zatem, że pakowanie DNA w
nukleosomy jest w zasadzie
niezależne od jego sekwencji
nukleotydowej.

– Najczęstsze modyfikacje histonów związane są z

przyłączeniem różnych dodatkowych cząsteczek
lub grup funkcyjnych:

• Metylacja (gr. metylowa)
• Acetylacja (gr. acetylowa)
• Forsorylacja (gr. fosforanowa)
• Ubikwitynizacja (przyłączenie ubikwityny –

naznacza białka przeznaczone do zniszczenia)

Potranslacyjne modyfikacje histonów

•Histony (ich ogony) wchodzące w skład
chromatyny podlegają modyfikacjom
potranslacyjnym co powodować może
rozluźnienie chromatyny (konieczne w
procesie replikacji i transkrypcji,
stymulacja ekspresji genu) lub jej
kondensacje (hamowanie ekspresji genu)

•Wpływ modyfikacji potranslacyjnych histonów na stopień kondensacji chromatyny
i ekspresję genów nie zależy tylko od rodzaju modyfikacji, ale także od miejsca
wystąpienia takiej modyfikacji na białku histonowym.

Potranslacyjne modyfikacje histonów –

rozluźnienie chromatyny

Histone acetylation is catalyzed by histone acetyltransferases (HATs) and histone deacetylation is catalyzed by
histone deacetylases (denoted by HDs or HDACs).

• Np. acetylacja histonu H3 na

N-

końcowej 9Lys, która u wielu

organizmów powoduje
zwiększenie ekspresji genów
przez częściową
dekondensację chromatyny
(również fosforylacja histonów
powoduje rozluźnienie
chromatyny)

Potranslacyjne

modyfikacje histonów –

Kondensacja chromatyny

•Z kolei metylacja
histonów jest zwykle
skorelowana z
wyciszeniem transktypcji

http://www.youtube.com/watch?v=eYrQ0EhVCYA&feature=related

Acetylation establishes a structure that permits
ATP-dependent chromatin remodeling factors to
open promoters. Deacetylation, frequently
followed by histone methylation, may form a solid
base for highly repressive structures, such as
heterochromatin. Acetylated histone tails are
shown as yellow circles. Methylations are
indicated as gray rectangles. HAT, histone
acetyltransferase; HDAC, histone deacetylase;

HMT

, histone methyltransferase

;

HP1, heterochromatin protein 1.

Solenoid (włókno 30nm)

Spiralizacja nici nukleosomowej prowadzi
do utworzenia regularnej pustej w środku
cewki, w której na jeden skok spirali
przypada 6 nukleosomów

Naturalna postać chromatyny w jądrze interfazowym – 40 krotne
skrócenie zawartego w nim DNA. To właśnie solenoid jest
najczęściej przedstawiany na fotografiach chromatyny

Pętle chromatyny

Struktury wyższego rzędu solenoidu – pętle chromatyny powstają w
jądrach przygotowujących się do podziału

Solenoid zwija się w pętle
zakotwiczone w białkowym
rusztowaniu chromosomowym
tworzonym głównie przez
niehistonowe białko –
topoizomerazę II

SAR

– rejony łącznikowe z

rusztowaniem, sekwencje DNA
solenoidu bogate w A i T

• Euchromatyna – zdekondensowana postad

chromatyny, aktywna transkrypcyjnie (replikuje

we wczesnej fazie S cyklu komórkowego)

• Heterochromatyna – skondensowana postad

chromatyny, nieaktywna transkrypcyjnie

(replikuje w późnej fazie S)

!Stopieo upakowania chromatyny wpływa na

ekspresję genów!

Rodzaje chromatyny

Euchromatyna

W euchromatynie występuje większa zawartość białek niehistonowych i RNA

W obrazach jądra interfazowego ma postać długich całkowicie rozwiniętych odcinków
chromosomów w chromosomach metafazowych stanowi fragmenty ramion chromosomów

W genomie ludzkim stanowi 7-

10% całej chromatyny – składają się na nią sekwencje

kodujące genomu

• Centromery (i sekwencje okołocentromerowe)
• Telomery
• Chromosom Yq

Heterochromatyna konstytutywna

Skondensowana trwale, także w jądrze interfazalnym, u człowieka występuje w

obszarach okołocentromerowych (stosunkowo duże bloki w chromosomach 1,

9, 16, 19) i w ramionach długich chromosomu Y

• Nieaktywny chromosom X u kobiet

(46,XX)

– Ciałko Barra

Heterochromatyna fakultatywna

Euchromatyna nieaktywna transkrypcyjnie, tworzy jeden z dwóch chromosomów X w

komórkach ssaków (lyonizacja), inaktywowany chromosom X replikuje w późnej fazie

S, w jądrach komórkowych tworzy ciałko Barra

Centromery

Centromery

są najbardziej

skondensowanym rejonem chromosomu.

Odpowiedzialne za prawidłową
segregację siostrzanych chromosomów
podczas mitozy i mejozy.

To część chromosomu metafazowego,
przewężenie, do którego w miejscu
zwanym kinetochorem

wiążą się

mikrotubule wrzeciona
kariokinetycznego.

W skład centromeru wchodzą
specyficzne białka histonowe, które są
inne niż w pozostałych częściach
chromosomu.

Telomery

Są skracane w czasie
każdego podziału
komórkowego.

Proces ten, będący
"licznikiem podziałów"
chroni komórki przed
nowotworzeniem, ale
przekłada się na proces
starzenia się

W komórkach w których
jest aktywna telomeraza
telomery są wydłużane

Telomery

to rejony na końcach DNA

eukariotycznego, utworzone są z wielu kopii
powtarzalnej sekwencji (u człowieka 5’-TTAGGG-3’)
oraz białek.
Liczne powtórzenia sekwencji umożliwiają całkowitą
replikację chromosomu – bez utraty informacji
genetycznej.

Rodzaje chromosomów

Zależnie od położenia centromeru
wyróżnia się chromosomy

metacentryczne -

centromer położony

centralnie (grupa A)

submetacentryczny - centromer znajduje
się w pobliżu środka (grupa B i C)

akrocentryczny -

centromer wyraźnie

przesunięty ku końcowi (grupa D i F)

telocentryczne -

wyróżnia się tylko jedno

ramię, chromosom zakończony
centromerem ( nie występują u ludzi)