Ewolucja genomów 2009

•

Bł

dy kopiowania

•

Uszkodzenia DNA nie zwi

zane z replikacj

– deaminacje, depurynacje, oksydacje.

•

Działanie mutagenów chemicznych lub
fizycznych uszkadzaj

cych DNA

Zmienność genomu jądrowego

Mutacje - przyczyny

Mapa cz

sto

mutacji genomów

mutacji genomów
ro

linnych w Europie –

miara stresu

rodowiska. Widoczne

dwa główne

ródła

stresu

rodowiska:

przemysł (np. Niemcy,
widoczna ró

nica

dawnego podziału
RFN-NRD) oraz du

napromieniowanie
słoneczne (np. Turcja)

• Cz

sto

ść

mutacji wynikaj

cych z bł

du w trakcie replikacji

wynosi mutacja jednej zasady na ok. 10

replikacji

• Nie ka

de miejsce DNA jest jednakowo podatne na

bł

dy kopiowania

– Gor

ce miejsca mutacji np. ci

g AAAAAA

Zmienność genomu jądrowego

Mutacje – tempo mutacji

– Gor

ce miejsca mutacji np. ci

g AAAAAA

• Tempo mutacji na jedno pokolenie jest o trzy rz

ksze (raz na 10

replikacji ), gdy

do wytworzenia

gamety

skiej potrzebne jest minimum 30 podziałów

(jajo), znacznie wi

cej podziałów potrzeba dla gamety

meskiej!!! Lecz gamety m

skie s

selekcjonowane w

trakcie zapłodnienia i uszkodzone mog

wyeliminowane.

Zmienność genomu jądrowego

Mutacje

Mutacja (łac. mutatio - zmiana), nagła, skokowa, bezkierunkowa zmiana w
materiale genetycznym organizmu.

Rozró

nienie ze wzgl

du na miejsce wyst

pienia:

Mutacja gametyczna

– mutacja w komórkach linii gametycznej lub w

samych gametach: dziedziczy si

Mutacja somatyczna

– mutacja w komórkach ciała (łac. soma): nie

Mutacja somatyczna

– mutacja w komórkach ciała (łac. soma): nie

dziedziczy si

Rozró

nienie ze wzgl

du na mechanizm:

Mutacja punktowa

– dotyczy niewielkiej liczby nukleotydów

Mutacja chromosomowa

(aberracja chromosomowa)

– zmiana budowy

chromosomu, dotyczy znacznego odcinka chromosomu.

Mutacja genomowa

– zaburzenia stopnia ploidalno

ci komórki, zmiany

liczby chromosomów.

Zmienność genomu jądrowego

Mutacje

Rozró

nienie ze wzgl

du na skutki fenotypowe:

Mutacja:

Korzystna

– poprawia mo

liwo

ci prze

ycia organizmu i jego

potomstwa w danych warunkach (zawsze odniesienie do

rodowiska).

Oboj

tna

(mutacja cicha) - nie wpływa na mo

liwo

ci prze

ycia.

Niekorzystna

- powoduje obni

enie zdolno

ci organizmu i jego

potomstwa do prze

ycia w danych warunkach albo

uniemo

liwia rozmna

anie.

Sub-letalna

- prowadzi do powa

nego upo

ledzenia organizmu

i zwi

kszonej

miertelno

ci.

Letalna

– prowadzi zawsze do

mierci.

Rozró

nienie ze wzgl

du na miejsce wyst

pienia - szczegóły

Mutacja gametyczna

– mutacja w komórkach linii gametycznej lub w

samych gametach: dziedziczy si

Tylko mutacje komórek gametycznych (tych, z których powstan

gonady i

gamety) s

dziedziczne i tylko one s

motorem ewolucji. Natura chroni lini

gametyczn

przed mutacjami: komórki gametyczne przechodz

znacznie

mniej podziałów w trakcie

ycia osobnika, ni

komórki somatyczne. W

komórkach gametycznych stwierdzono wyst

powanie wi

kszej liczby

mechanizmów naprawczych genomu i specjalne enzymy chroni

ce telomery

chromosomów przed skracaniem.

Mutacja somatyczna

– mutacja w komórkach ciała (łac. soma): nie

dziedziczy si

Mutacje somatyczne mog

ródłem deformacji, chorób, a w

ród nich

przede wszystkim chorób nowotworowych. W zale

ci od czasu i miejsca

wyst

pienia obejmuj

kszo

ść

komórek ciała, mniejszy jego fragment lub

jedn

komórk

. Mówimy,

e ciało osobnika z mutacj

(mutacjami)

obejmuj

cymi tylko cz

ęść

organizmu ma budow

mozaikowat

(mozajka

wyj

ciowych i zmutowanych tkanek). Organizm jest hybryd

chromosomów przed skracaniem.

Mutacje somatyczne (przykłady) – tylko niektóre komórki lub rejony
ciała ujawniaj

mutacj

Krokodyl z mutacj

Mutacje barwy u Petunia hybrida

Oczywi

cie mutacje somatyczne

nie musz

dotyczy

wygl

du:

mog

to by

mutacje

metabolizmu lub innych funkcji
komórek i tkanek nie daj

ce si

bezpo

rednio zaobserwowa

Krokodyl z mutacj

albinotyczn

skóry

Mutacja „albinotyczna” u ro

liny

Pojedyncza mutacja somatyczna zaczyna rozwój raka

W normalnej komórce

regulowany jest wzrost

komórki i tempo

namna

ania. Onkogeny

pobudzaj

w sposób

niekontrolowany wzrost i

mno

enie si

komórek.

„Białko zapobiegaj

nowotworzeniu” powoduje

mier

komórek, w których

nagromadziło si

mutacji. W nowotworach ten

gen te

jest uszkodzony.

mno

enie si

komórek.

Zaczyna si

mutacji w

pojedynczej

komórce

Pocz

tkowo komórki namna

lokalnie i niezbyt szybko –

wyst

puje tendencja do

dalszych mutacji: faza dysplazji

Wzrasta tempo namna

ania komórek

nowotworowych, wdzieraj

siaduj

ce tkanki (inwazja) i

ostatecznie pojedyncze komórki

rozpoczynaj

drówk

naczyniami

krwiono

nymi (przerzuty)

Rozwój nowotworu

Zniesienie reakcji

kontaktowej

pomi

dzy

komórkami –

komórka uwalnia

spod kontroli

organizmu.

Intensywne

podziały

Mutacje w

rejonach genów

naprawczych

DNA

Kumulowanie si

mutacji w tym

protoonkogeny

mutuj

w onkogeny

Dalsze mutacje, brak

stabilno

ci genetycznej –

metastaza. Tkanka

nowotworowa pobudza

rozwój naczy

krwiono

nych,

którymi nastepnie komórki

dzruj

w organizmie.

Rozró

nienie ze wzgl

du na mechanizm - szczegóły:

Mutacja punktowa

– dotyczy niewielkiej liczby nukleotydów

Mutacja chromosomowa

(aberracja chromosomowa)

– zmiana

budowy chromosomu, dotyczy znacznego odcinka chromosomu.

Mutacja genomowa

– zaburzenia stopnia ploidalno

ci komórki,

zmiany liczby chromosomów.

Mutacja punktowa –

nazywana bywa tak

e „mutacj

genow

” lub

„mutacj

nukleotydow

Nie ka

da mutacja punktowa to zmiana tylko jednego nukleotydu,

e by

zmienionych, utraconych, dodanych kilka lub

kilkana

cie nukleotydów.

Nazwa „mutacja genowa” myl

ca. Wskazuje,

e dotyczy jednego

genu. Tymczasem mutacja w jednym punkcie chromosomu, mo

dotyczy

znacznej cz

ęś

ci chromosomu, o ile zostanie przesuni

„otwarta ramka odczytu” na skutek dodania lub wypadni

cia

nukleotydów w liczbie ró

nej od 3.

Mutacje punktowe - rodzaje

Podstawienie – zamiana jednej zasady na inn

Tranzycja = puryny w puryn

albo pirymidyny w pirymidyn

Transwersja = puryny w pirymidyn

lub pirymidyny w puryn

Delecja punktowa – utrata zasady lub zasad
Insercja punktowa – wł

czenie zasady lub zasad

Insercja punktowa – wł

czenie zasady lub zasad

W wyniku delecji lub insercji punktowej liczby zasad
ró

nej od 3 wyst

puje „po

lizg” – zmiana sekwencji

odczytu, bardzo gro

ne dla całego genomu. Mo

e zmieni

znaczenie zapisu od miejsca powstania tej mutacji, a

ca chromosomu, a przynajmniej do ko

ca sekwencji

transkrybowanych, w obr

bie których mutacja nastapiła.

Utrata lub dodatkowe aminokwasy
•Po

lizg mo

e zupełnie zmieni

sens zapisu, wi

c zmiany o 1

lub 2 zasady s

bardziej brzemienne w skutki ni

zmiany o 3

zasady lub wielokrotno

ść

•Insercje/delecje całych tripletów mog

tak

e mie

znaczenie je

eli dotycz

centrum aktywnego enzymu, zmieni

struktur

przestrzenn

białka lub lokalne wła

ciwo

ci DNA i

Mutacje punktowe - skutki

struktur

przestrzenn

białka lub lokalne wła

ciwo

ci DNA i

mog

na przykład spowodowa

e czynniki transkrypcyjne

nie b

rozpoznawa

specyficznego dla siebie fragmentu.

Mutacja ma inne znaczenie kiedy dotyczy sekwencji
regulatorowych, intronów, a inne je

eli dotyczy sekwencji

koduj

cych białko. Je

eli mutacja punktowa dotyczy odcinka

regulatorowego mo

e mie

wpływ na działanie wielu

genów (całej kaskady).

• Zmiana synonimiczna (jeden z rodzajów „mutacji cichych”) –

brak bezpo

redniego skutku, nowy triplet koduje ten sam

aminokwas lub ma to samo znaczenie (ale mo

e zmieni

przykład gi

tko

ść

DNA w tym miejscu).

Mutacje punktowe - skutki

• Zmiana niesynonimiczna – mutacja zmiany sensu. Zamienia

mog

– Kodon sensowny => sensowny

o innym znaczeniu = skutek to nowy

aminokwas w tym miejscu białka.

– Kodon sensowny => nonsensowny

= skutek to przedwczesna

terminalizacja transkrypcji. Skrócenie peptydu.

– Kodon nonsensowny => sensowny

– przedłu

enie mRNA o sekwencj

wcze

niej nie transkrybowan

, a w konsekwencji przedłu

enie ła

cucha

białkowego o nowe aminokwasy lub na przykład zmiana adresu.

Mutacje punktowe - albinizm

Albinizm (bielactwo) - brak
pigmentu w skórze, tworach
skórnych, włosach i t

czówce

oka (czerwone oczy lub,
rzadziej, niebieskawe). Albinizm
wywołany jest przez brak
enzymu tyrozynazy
przekształcaj

cego prekursor

przekształcaj

cego prekursor

melaniny w barwnik melanin

Warunkuje go allel recesywny,
musi by

homozygotyczny by

wywoła

efekt Cz

sto

ść

wyst

powania: 1/110 000 osób.

Prócz albinizmu wła

ciwego

(uogólnionego) wyst

puje tak

albinizm lokalny (cz

ęś

ciowy)

Mutacje punktowe - melanizm

Melanizm uogólniony u
jaguara: z lewej zwierz

typowym ubarwieniu, u dołu
zwierz

o czarnej sier

ci.

Melanizm lokalny to ró

ne miejscowe

przebarwienia skóry, równie

człowieka: nale

Ŝą

tutaj tzw. Pieprzyki.

Nale

y obserwowa

te zmiany ze

wzgl

du na mo

liwo

ść

pó

niejszych

zmian nowotworowych.

Mutacje punktowe – anemia sierpowata

Anemia sierpowata, niedokrwisto

ść

sierpowata - polega

na wadzie budowy hemoglobiny. Mutacja punktowa w
genie ła

cucha

hemoglobiny powoduje zmian

pojedynczego aminokwasu w sekwencji białka
hemoglobiny A (HbA) (z kwasu glutaminowego na walin

w pozycji 6 od ko

ca -NH

) powstaje hemoglobina S

(HbS). Hemoglobina HbS słabiej wi

ąŜ

e tlen co powoduje

stałe niedotlenie tkanek u osobników homozygotycznych
pod wzgl

dem tego allelu. Choroba dziedziczy si

pod wzgl

dem tego allelu. Choroba dziedziczy si

sposób autosomalny i recesywny, z allelem
kodominuj

cym

HbA

. Ten rodzaj dziedziczenia, polega na

tym,

e nosiciele tylko jednej kopii wadliwego genu

(heterozygoty), w normalnych warunkach nie maj

objawów klinicznych (to znaczy niedotlenienia), jednak ich
erytrocyty zawieraj

ok. 40% hemoglobiny HbS

(naddominacja

HbA

). Heterozygoty HbA HbS s

równie

ym stopniu odporne na malari

. Naddominacja

powoduje,

e na terenach wyst

powania malarii mutacja

powoduj

ca anemi

sierpowat

utrzymuje si

w populacji

– gdy

wystepuje pozytywna selekcja heterozygot.

Krwinki osobnika
heterozygotycznego:
obok normalnych
widoczne krwinki
sierpowate.

Mutacje punktowe – hemofilia

Hemofilia (inaczej zwana "krwawi

czk

" czy te

"chorob

królów") - grupa chorób spowodowanych

genetycznie uwarunkowanym niedoborem czynnika
krzepni

cia.

Hemofilia jest chorob

sprz

ęŜ

z płci

. Gen, którego

mutacje powoduj

chorob

, znajduje si

chromosomie X. Zatem choroba przenoszona jest
dziedzicznie zarówno przez kobiety i m

ęŜ

czyzn.

dziedzicznie zarówno przez kobiety i m

ęŜ

czyzn.

Jednak

e ojciec nie mo

e przenie

ść

tej choroby na

syna, a jedynie na córk

. Cecha ta dziedziczy si

recesywnie, co oznacza, i

choruj

jedynie osoby z

pełn

ekspresj

recesywnego allelu, czyli:

ęŜ

czy

ni hemi-zygotyczni wzgl

dem tego genu (XaY)

kobiety homozygotyczne wzgl

dem tego genu (XaXa)

Hemofilia ma wiele postaci i nie wszystkie maj

przebieg ostry. Współcze

nie mo

na zapobiega

jej

skutkom podaj

c chorym preparaty poprawiaj

krzepni

cie krwi.

Ludzkie chromosomy X i Y
(zdjęcie z mikroskopu
elektronowego
skaningowego
chromosomów mitotycznych.

Mutacje punktowe – dynamiczne

Mutacja dynamiczna - mutacja polegaj

ca na powieleniu si

(ekspansji)

fragmentu genu, zwykle o długo

ci 3 nukleotydów. Jedn

prawdopodobnych przyczyn takich mutacji jest zjawisko po

lizgu

polimerazy DNA podczas replikacji DNA. Liczba powtórze

zwi

ksza

w miar

liczby podziałów komórki.

Mutacje dynamiczne s

przyczyn

wielu neurodegeneracyjnych i

neuromi

ęś

nioiwych chorób genetycznych:

sawica Huntingtona

Zespół łamliwego chromosomu X
Dystrofia miotoniczna
Choroba Friedricha
Ataksja rdzeniowo mó

kowa

inne choroby

Mutacje chromosomowe (1)

Insercja z translokacj

–

wstawienie z przeniesieniem

Delecja -

utrata

Duplikacja -

podwojenie

Inwersja -

odwrócenie

Translokacja wzajemna –

przeniesienie wzajemne

Szczególny rodzaj fuzji

chromosomów: fuzje Robertsona =
powstaje chromosom bez centromeru i
dicentryk. Chromosom bez centromeru
jest skazany na eliminacj

z genomu, a

dicentryk na rozerwanie i powstaj

nowe

pary chromosomów.

Mutacje chromosomowe (2)

Fuzja

chromosomów

telocentrycz-

nych

Translokacja fragmentu ramienia do

chromosomu telocentrycznego

kni

cie

w centro-

merze

Inwersja wokół centromeru –

szczególny rodzaj inwersji

Chromosomy telocentryczne wyst

puj

bardzo rzadko i s

bardziej

od innych aktywne w generowaniu nowych aberracji

chromosomowych.

Mutacje chromosomowe (3)

Bezpo

rednie wykazanie translokacji jest mo

liwe

dzi

ki metodzie „malowania chromosomów”.

emy u

sondy DNA z jednego chromosomu

i w genomie mutanta mo

emy znale

źć

miejsca,

gdzie znajduje si

translokowane DNA (kolor

ró

owy na zdj

ciu).

Mutacje genomowe - poliploidalno

ść

Mutacja genomowa

– zaburzenia

stopnia ploidalno

ci komórki, zmiany

liczby chromosomów.

Poliploidalno

ść

–

zwielokrotnienie liczby

haploid

zwielokrotnienie liczby
chromosomów

Autopoliploidalno

ść

zwielokrotnienie własnego genomu

Allopoliploidalno

ść

: poł

czenie

genomów mi

dzy gatunkami

poliploid

Przypomnienie niektórych aspektów budowy
chromosomów - kochezyny

1. Kochezyny pojawiaj

w j

drze w trakcie

Kochezyny to białka fibrylarne i globularne
tworz

ce razem kompleks podobny do agrafki,

która zapina si

na chromatydach siostrzanych

bezpo

rednio po zako

czeniu replikacji danego

odcinka DNA w fazie S cyklu komórkowego.

1. Kochezyny pojawiaj

w j

drze w trakcie

syntezy.

2. Ł

chromatydy siostrzane

do pocz

tków

anafazy .

3. Umieszczone s

co ok. 18 kB wzdłu

całego

chromosomu.

4. Przy centromerze rozmieszczone s

znacznie

ęś

ciej i trudniej si

rozł

czaj

5. Wyst

puj

zarówno w mitozie jak i mejozie

(zawsze ł

chromatydy siostrzane).

Rozpad kochezyn w profazie mitozy

Kochezyny zaczynaj

„rozpina

” w

profazie mitotycznej, czemu towarzyszy
kondensacja chromatyny.

7. Pod koniec profazy wida

chromatydy

siostrzane le

Ŝą

ce blisko koło siebie.

8. W metafazie mitozy niejednokrotnie

widzimy rozdzielone chromatydy
siostrzane poł

czone ci

gle w rejonie

centromeru (pozta

„X” chromosomu).

9. Kochezyny w rejonie centromeru

rozpadaj

na pocz

tku anafazy, co

umo

liwia rozej

cie si

chromatyd

siostrzanych do przeciwnych biegunów.

10. Brak rozpadu kochezyn centromerowych

e prowadzi

do aneuplidalno

ci lub

aberracji chromosomowych.

Z lewej zdj

cie we fluorescencji chromosomów

metafazowych, u których wyznakowano na
czerwono kochezyny, a DNA na zielono (z lewej)
lub białoniebiesko (z prawej). Kochezyny s

jeszcze obecne tylko przy centromerze.

W mejozie kochezyny nie rozpadaj

w profazie I-ego podziału

mejotycznego, nadal ł

chromatydy siostrzane. Ponadto pojawia

nowy kompleks białek, ł

cych chromosomy homologiczne -

kompleks synaptonemalny (zielona strzałka na rysunku).

Schemat budowy
chromosomu mejotycznego:

Chromatydy siostrzane obu
chromosomów
homologicznych spi

kochezynami na całej

Chromosom
homologiczny
spi

kochezynami

Chromosom
homologiczny
spi

kochezynami

Element
podłu

ny (o

podłu

na)

Element
podłu

ny (o

podłu

na)

Element

centralny

kochezynami na całej
długo

ci. Pomi

dzy

chromosomami
homologicznymi pojawiaj

podłu

ne osie białkowe, do

których doł

czaj

filamenty

poprzeczne zachodz

ce na

siebie podobnie jak elementy
zamka błyskawicznego.
Filamenty poprzeczne tworz

element centralny kompleksu
synaptonemalnego.

Komponenty elementu centralnego

Kompleks synaptonemalny w pierwszej fazie podziału mejotycznego

LEPTOTEN

A. Proces nazywany profaz

pierwszego podziału mejotycznego rozpoczyna si

uwidocznienia w mikroskopie

wietlnym chromatyny w postaci nici (łac. leptum sk

d nazwa

leptoten). Na poziomie molekularnym jest to etap tworzenia elementów (osi) podłu

nych

kompleksu synaptonemalanego i wst

pnej kondensacji chromatyny.

B. Drugi etap, zygoten, rozpoczyna si

gdy osie białkowe chromosomów homologicznych

czone s

elementami poprzecznymi kompleksy synaptonemalnego – zapinany jest

białkowy „zamek”. Chromatyna dalej kondensuje i biwalenty s

wyra

nie widoczne.

ZYGOTEN

Kompleks synaptonemalny w pachytenie

W pachytenie, który trwa stosunkowo długo w mikroskopie

wietlnym nie wida

zmian, oprócz dal-

szej kondensacji chromatyny. Na poziomie molekularnym dziej

bardzo istotne zjawiska. Na

kompleksie synaptonemalnym pojawiaj

białka enzymatyczne: w

zły rekombinacyjne. Według

jednej z hipotez sprawdzaj

one poprawno

ść

koniugacji jednocze

nie tn

c i sklejaj

c fragmenty nici

PACHYTEN

jednej z hipotez sprawdzaj

one poprawno

ść

koniugacji jednocze

nie tn

c i sklejaj

c fragmenty nici

chromatynowych. Co jaki

czas „myl

” i sklejaj

nici homologiczne na krzy

, nast

puje zjawisko

znane nam jako „crossing-over”, czyli wymiana fragmentów chromatyd pomi

dzy chromosomami

homologicznymi - warunek rekombinacji mejotycznej.

Dwa biwalenty w pachytenie i u góry
powi

kszony fragment jednego z nich.

Strzałki pokazuj

zły rekombinacyjne

widziane w pachytenie na tle komple-ksu
synaptonemalnego (mikroskop elektronowy)

Mejoza I – chiazmy w diplotenie, zanik białek osi w dziakinezie

DIPLOTEN

D. W diplotenie niewidoczne s

zły rekombinacyjne i koniugacja przestaje by

taka

cisła jak w pachytenie bo rozpada si

element centralny kompleksu synaptonemalnego.

Pary chromosomów homologicznych poł

czone s

tylko w miejscu chiazm. Dawniej

uwa

ano za oczywiste,

e chiazmy s

pozostało

po crossing-over. Ten pogl

d jest

obecnie kwestionowany. Liczba chiazm nie koreluje z liczb

zdarze

crossing-over na

poziomie molekularnym i oba zjawiska s

odr

bnie regulowane genetycznie. W miejscu

chiazm zidentyfikowano podobne do kochezyn białka: chiazminy.

E. W diakinezie zanikaj

białka osiowe kompleksu synaptonemalnego a chromatyna ulega

dalszej kondensacji. Dopiero teraz dezintegruje si

otoczka j

drowa.

DIAKINEZA

Autopoliploidy – dziedziczne zwielokrotnienie liczby chromosomów wyst

puje

zazwyczaj za po

rednictwem zaburze

mejozy, gdy nie dochodzi do redukcji

liczby chromosomów w trakcie tego procesu. Niekiedy takie gamety mog

zdolne do zapłodnienia, cz

ęś

ciej u ro

lin. Podwojenie liczby chromosomów mo

zaj

ść

równie

przed utworzeniem organów rozrodczych w linii gametycznej, wtedy

mejoza redukuje liczb

chromosomów, ale do poziomu pierwotnie somatycznego.

Jak powstaj

autopoliploidy?

Poliploidyzacja w komórkach
somatycznych jest cz

stym

zjawiskiem u ro

lin.

ródłem

Schemat cyklu
komórkowego

zjawiskiem u ro

lin.

ródłem

poliploidyzacji mo

e by

endoreduplikacjia

DNA (blokada

cyklu komórkowego w fazie S –
zamiast w podział, komórka
wchodzi w now

faz

G1) lub

endomitoza

(blokada podziału w

fazie M – mitoza zaczyna si

, lecz

jest niepełna i chromatydy
siostrzane si

nie rozchodz

ró

nych biegunów, chocia

oddzielaj

od siebie).

endomitoza

endoreduplikacja

Przypomnienie: Regulacja cyklu komórkowego

W prawidłowym cyklu komórkowym na
przemian nast

puj

po sobie etapy

podwajania ilo

ci DNA (faza S) i jego rozdział

na dwie równe cz

ęś

ci (mitoza, faza M).

Rozdzielaj

je fazy G1 i G2.

Cykl komórkowy regulowany jest przez cykliny,
kinazy zale

ne od cyklin i anafazowy kompleks

enzymatyczny (APC czyli cyklosom).

1. Poziom cyklin wzrasta lub opada:

Cyklina D

Cykliny A i E

Cykliny B i A

Cdk2

Cdk1

cykliny
degradują
gdy są juŜ
niepotrzebne

1. Poziom cyklin wzrasta lub opada:

Cyklina fazy G1 – (cyklina D)
Cykliny fazy S – (cykliny E i A)
Cykliny mitotyczne (cykliny B i A)

2. Kinazy zale

ne od cyklin (Cdk) – ich poziom

jest stały, ale tylko w poł

czeniu z cyklin

mog

działa

G1 Cdk (Cdk4)
Cdk fazy S (Cdk2)
Cdk fazy M (Cdk1)

3. Anafazowy kompleks enzymatyczny
(Anaphase promoting complex = APC)
nazywany tak

e cyklosomem

-Powoduje rozpad kohezyn

-Degraduje cyklin

Cykliny A i E

Cyklina D

Cykliny B i A

Cdk2

Cdk1

cykliny
degradują
gdy są juŜ
niepotrzebne

Przypomnienie: Kolejne fazy cyklu komórkowego

1. Wzrasta poziom cykliny G1 (cyklina D),
przył

cza si

do jej wła

ciwej Cdk4 i komórka

dostaje sygnał do przygotowania replikacji

2. Wzrasta poziom czynnika fazy S (S-phase
promoting factor = cyklina A + Cdk2) co
powoduje przygotowanie j

dra do fazy S

3. W trakcie replikacji DNA rozpada si

cyklina E a

wzrasta poziom cyklin mitotycznych. Na koniec

Cykliny A i E

Cdk2

niepotrzebne

wzrasta poziom cyklin mitotycznych. Na koniec
fazy S rozpadaj

cykliny A i D => rozpoczyna

faza G2. Do nowo utworzonej nici DNA doł

czj

gemininy

= blokada replikacji.

4. Pod koniec G2 formuje si

Kompleks promuj

cy mitoz

(cykliny B i A ł

z ich Cdk1) co inicjuje: kondensacj

chromatyny, formowanie wrzeciona podziałowego, rozpad
otoczki j

drowej. Na koniec nast

puje aktywacja kompleksu

promuj

cego mitoz

- APC

5. APC umo

liwia rozpad kohezyn i rozej

cie si

chromatyd siostrzanych do biegunów wrzeciona.

Do cykliny B przył

cza si

ubikwityna co umo

liwia strawienie cykliny B przez proteosomy.

Rozpoczyna si

synteza cykliny G1 => komórka przechodzi do fazy G1. Rozpadaj

gemininy

które blokowały mo

liwo

ść

ponownej syntezy na matrycy DNA.

Cyklina D

Cykliny B i A

Cdk2

Cdk1

cykliny nie
degradują w
odpowiedni
m czasie co
zaburza

Autopoliploidalno

ść

: endoreduplikacja i endomitoza

Faza G1 przebiega normalnie (cyklina D
+Cdk4)

Wzrasta poziom czynnika fazy S (cyklina A + Cdk2)
co powoduje przygotowanie j

dra do fazy S

ENDOREDUPLIKACJA

: W trakcie

replikacji DNA nie rozpada si

cyklina E i brak

cyklin mitotycznych. Nie rozpadaj

cykliny A i

D. Do nowo utworzonej nici DNA nie doł

czaj

gemininy = brak blokady powtórnej replikacji. Na
nowo powstałych kopiach DNA tworzone s

Cykliny A i E

Cdk2

zaburza
podział

nowo powstałych kopiach DNA tworzone s

nast

pne kopie, a kohezyny nie pozwalaj

rozej

ść

chromatydom siostrzanym = powstaj

chromosomy politeniczne.

Przy endomitozie faza G2 przebiega prawie normalnie:
tworz

kompleksy promuj

ce mitoz

i anafaz

, ale

niektóre skutki ich działania s

zablokowane.

ENDOMITOZA

: rozchodz

chromatydy siostrzane (nie tworz

chromosomy

politeniczne), a wi

c podwaja si

liczba chromosomów. Jednak nie rozchodz

one do biegunów

bo nie s

przył

czane do wrzeciona podziałowego i nie rozpada si

otoczka j

drowa.

Poliploidalno

ść

– autopoliploidy potrzebuj

stabilizacji mejozy co mo

e nast

na skutek

wtórnej diploidyzacji.

Wtórna diploidyzacja
U autopoliploidów chromosomy
koniuguj

czwórkami

(kwadriwalenty), tak długo, a

jakie

powa

ne zmiany

strukturalne (np, delecje,

Dzi

ki wtórnej diploidyzacji

przywracana jest
równowaga w mejozie.

Zjawisko

strukturalne (np, delecje,
inwersje) nie zró

nicuj

chromosomów na tyle,

zaczynaj

koniugowa

znowu po

dwa. Je

eli wszystkie pary

chromosomów przejd

ten proces

koniugacja przebiega normalnie –
tworz

biwalenty. Zjawisko to

nazywamy wtórn

diploidyzacj

Zjawisko
autopoliploidyzacji, a
nast

pnie wtórnej

diploidyzacji
prawdopodobnie odegrało
du

e znaczenie w ewolucji

genomów.

Aneuploidalno

ść

– brak lub nadmiar jednego lub kilku

chromosomów. Mutacja powstaje w trakcie podziału
mejotycznego (zawsze jest to zmiana dziedziczna) lub
mitotycznego (wtedy zarówno mo

e dotyczy

komórek

gametycznych jak i somatycznych, mo

e zatem mie

charakter dziedziczny lub efekt lokalny).

Mutacje genomowe - aneuploidalno

ść

Brak chromosomu:

Monosomia – jeden zamiast dwóch chromosomów z

danej pary

Nadmiar-Polisomia:

Trisomia – trzy zamiast dwóch chromosomów danej pary

Tetrasomia – cztery itd.

Zarówno brak jak i nadmiar chromosomu mo

e dotyczy

cej ni

jednej pary

chromosomów w genomie. U zwierz

t aneuploidalno

ść

oznacza powa

zaburzenia lub letalno

ść

organizmu. Ro

liny toleruj

znaczny zakres

zmienno

ci liczby chromosomów.

Liczne choroby człowieka:

Aneuploidalno

ść

chromosomów somatycznych

Zespół Downa – trisomia (nadmiar jednego) 21 pary chromosomów. Objawami są
niedorozwój umysłowy, mały wzrost, nieprawidłowe proporcje ciała, zbyt duŜy język,
wady narządów wewnętrznych.
Zespół Edwardsa – trisomia 18 pary chromosomów. Objawami są głęboki niedorozwój
umysłowy, wady rozwojowe.

Zespół Pataua

trisomia chromosomu 13 silny niedorozwój umysłowy

Mutacje genomowe - aneuploidalno

ść

Zespół Pataua

trisomia chromosomu 13 silny niedorozwój umysłowy

rozszczep wargi i podniebienia, wady oczu i uszu, anomalie kończyn i wady innych
narządów.

Aneuploidalno

ść

chromosomów płciowych

Zespół Turnera – monosomia chromosomów płci X, osobnik ma cechy kobiece. Jest to
najczęstsza aberracja chromosomów płci (1:2500 ciąŜ0 i najczęstsza przyczyna
spontanicznych poronień (90% zbadanych przypadków).
Trisomia chromosomu X (zespół XXX, nadkobieta, metakobieta, nadsamica)
Zespół Klinefeltera – disomia chromosomów X u męŜczyzn XXY
Zespół XYY – disomia chromosomu Y. MęŜczyźni charakteryzują się wysokim
wzrostem, zwiększoną pobudliwością emocjonalną i agresywnością,

są płodni.

W historii

ycia wyst

piły dwa znacz

ce „skoki”:

• Przej

cie od Procariota do Eucariota

ok. 1,4 mld lat temu

to przej

cie od około 1000 genów do ok. 10000 u

osobnika.

• Przej

cie od komórek do organizmów zło

onych

czyli od

ok. 10000 do około 80000 genów.

Mechanizmy powstawania nowych genów

Nowe geny mog

powsta

przez:

• rearan

acj

(przetasowanie, rekombinacje) odcinków DNA

• duplikacj

i dywergencj

genów

• nabywanie genów od innych gatunków

W ewolucji genomów wa

ne były wszystkie te procesy.

Mechanizmy, które powoduj

zmiany aran

acji genów i zwi

zane s

rozmna

aniem płciowym.

Rekombinacje:

–Chromosomy matki i ojca losowo rozchodz

do komórek potomnych

(niezale

ne dziedziczenie grup sprz

ęŜ

, rekombinacja niehomologiczna).

–Crossing-over prowadzi do nowych aran

acji w obr

bie grup sprz

ęŜ

(rekombinacja homologiczna).

Przetasowanie (rearan

acje) genów

(rekombinacja homologiczna).

Inne zjawiska zwi

zane z rearan

acj

DNA:

•Konwersja genów

(zmiana stosunku alleli, dodatkowa kopia jednego z

alleli zast

puje drugi allel, „lepsza” kopia mo

e wypiera

z genomu

homologiczne „gorsze” kopie)

•Transpozycja

– przeniesienie fragmentu DNA w inne miejsce na kilku

liwych drogach. Elementy transpozycyjne (transpozony) to

sekwencje DNA wyposa

one w mechanizm umo

liwiaj

cy ich wyci

cie z

chromosomu i wł

czenie w inne miejsce:

Rekombinacje, po mutacjach nast

pny wa

ny mechanizm

ewolucji. Rekombinacje zawsze zwi

zane s

z dziedziczeniem

płciowym i wynikaj

z przegrupowania genów w trakcie mejozy i

zapłodnienia.

Dwa rodzaje rekombinacji:

Prawa odkryte przez Mendla:

rekombinacja niehomologiczna

Rekombinacje genów - szczegóły

Geny

na chromosomach niehomologicznych

(Mendel my

lał,

wszystkie geny) dziedzicz

niezale

nie => zatem w potomstwie

mog

spotka

w zupełnie nowych kombinacjach.

Zjawisko odkryte przez Morgana:

rekombinacja homologiczna

Geny

z jednej pary

chromosomów homologicznych tworz

grup

sprz

ęŜ

. Geny z pary chromosomów homologicznych te

mog

rozej

ść

niezale

nie, z ró

, charakterystyczn

dla siebie

stotliwo

. Jest to mo

liwe dzi

ki zjawisku

crossing over

Sytuacja jest jeszcze bardziej skomplikowana ni

na schemacie na

poprzedniej stronie, gdy

dy chromosom jest zbudowany z dwóch kopii

(chromatydy siostrzane) i ka

da z tych kopii rekombinuje niezale

nie w

pierwszej profazie mejotycznej (pachyten). Ka

da gameta to inna kombiancja

genów.

Rekombinacje genów w mejozie: crossing over

Diada .

II podział

Tetrada .

Ostatnio (lata 80-te XX wieku) wykryto,

e istniej

fragmenty

DNA maj

ce zdolno

ci przemieszczania si

w obr

bie

chromosomu lub pomi

dzy chromosomami. Transpozycja

nale

y do typu rekombinacji niehomologicznej.

Jak dot

d transpozony zostały znalezione w ka

dym gatunku

gdzie ich poszukiwano – czy

by były powszechne?

Rearan

acje genów wywołane transpozycj

Elementy insercyjne i transpozony

gdzie ich poszukiwano – czy

by były powszechne?

U muszki owocowej 10% genomu to elementy ruchome.
Elementy ruchome mog

obejmowa

krótkie fragmenty

(

elementy insercyjne

= IS), a

do długich, zawieraj

cych

geny

transpozonów

Jest kilka kategorii elementów ruchomych.

DNA RNA DNA

–

Odwrotna transkryptaza

LTR LTR

pol

transkryptaza

pol

– gen koduj

cy odwrotn

transkryptaz

;

LTR

– long terminal

repeats = długie powtarzalne sekwencje,

zawieraj

promotory

Kategorie elementów ruchomych (transpozonów)

Kategoria 1: DNA-RNA-DNA z sekwencj

LTR i genem pol

repeats = długie powtarzalne sekwencje,

zawieraj

promotory

sprz

ęŜ

onych z nimi genów

Tanspozony typu 1 maj

własny mechanizm samopowielania

złudzenia przypominaj

retrowirusy!!! które te

maj

sekwencje

LTR w genomach i odwrotn

transkryptaz

Pierwotna kopia nie jest wycinana =>powstaje wiele kopii tego
samego genu, daje to mo

liwo

ść

dywergencji genu.

Czy wirusy s

ródłem transpozonów, czy te

wirusy s

„usamodzielnione” transpozony? Dylemat wci

ąŜ

nie rozwi

zany.

DNA RNA DNA

–

Odwrotna transkryptaza

AAAAA

pol

transkryptaza

pol

– gen koduj

cy odwrotn

transkryptaz

Kategorie elementów ruchomych (transpozonów)

Kategoria 2: DNA-RNA-DNA z genem pol i sekwencj

poly-A

pol

– gen koduj

cy odwrotn

transkryptaz

Kategoria 2 nie ma własnych sekwencji promotorowych, zatem taki
transpozon uruchomiany jest razem z s

siaduj

cymi genami, o ile

y w miejscu gdzie nast

puje taka aktywacja s

siaduj

cych

genów.

Pierwotna kopia genu nie jest wycinana = powstaje wiele kopii tego
samego genu, mo

liwo

ść

dywergencji.

=> przypominaj

retrowirusy pozbawione elementów

samopowielania

DNA DNA

–

tpn

transpozaza

Kategorie elementów ruchomych (transpozonów)

Kategoria 3: DNA-DNA z genem tpn i sekwencj

IR – inverted repeats (sekwencje odwrócone)

Tpn

– gen koduj

cy enzym transpozaz

Transpozaza

rozpoznaje IR i przecina DNA w tym miejscu, przenosi

wyci

ty fragment w inne miejsce, tam gdzie znajdzie IR i tam

wkleja.

•Pierwotna kopia fragmentu DNA jest trwale wycinana

•Powstaj

„rekombinacje nieuprawnione”

Analizuj

c sekwencje nukleotydów w genomach znaleziono

wiele odcinków DNA homologicznych = podobnych do siebie.
Mo

na je znale

źć

w obr

bie tego samego genu, a tak

e w

ró

nych genach. St

d wnioski dotycz

ce mechanizmów

ewolucji genów.

⇒

Geny ewoluuj

drog

duplikacji i dywergencji.

Ewolucja genów Eukariota

⇒

Geny ewoluuj

drog

duplikacji i dywergencji.

⇒

Duplikacje mog

powsta

na ró

ne sposoby

Nie zawsze w wyniku duplikacji nast

puje dywergencja.

Skutkiem duplikacji mo

e by

tak

1. wydłu

enie si

genu

2. zduplikowanie tych samych genów

Na skutek wydłu

enia si

genu powstaj

białka w których

sama sekwencja aminokwasów powtarza si

wielokrotnie

Dobrym przykładem takiego białka jest kolagen, w którym ta
sama sekwencja powtarza si

ponad 50 razy.

Jedna z podwojonych kopii genu mo

e zachowa

swoje funkcje co

Wydłu

anie genów dzi

ki duplikacji

Dywergencja genu w nastepstwie duplikacji

Jedna z podwojonych kopii genu mo

e zachowa

swoje funkcje co

zapewnia stabilno

ść

procesów, w których gen uczestniczy. Jego

zduplikowana kopia jest uwolniona od presji selekcyjnej i zachodz

w niej mutacje nie s

dzi

ki temu letalne. Mo

e to doprowadzi

powstania nowego genu, albo do utraty funkcji i powstania
nieaktywnego „psedogenu”, który tym bardziej b

dzie mógł

gromadzi

mutacje do czasu, gdy jaka

zmiana w strukturze DNA na

powrót nie uruchomi transkrypcji w tym odcinku. Wi

kszo

ść

genów

organizmów wy

szych wyewoluowała w ten sposób. Mo

na na

poziomie molekularnym prze

ledzi

pokrewie

stwo konserwatywnych

(nie zmienionych) sekwencji, oraz rejony i kolejno

ść

gromadzenia

mutacji w trakcie ewolucji genu.

•

Duplikacja całych genomów (autopoliploidalno

ść

– Najszybszy sposób zwi

kszania liczby genów.

– U zwierz

t wielokomórkowych zjawisko zawsze letalne.

– Prawdopodobnie cz

ste zjawisko u organizmów ni

szych.

– Do dzi

ste zjawisko u ro

lin.

Drogi prowadz

ce do duplikacji genów lub grup genów (1)

•

Duplikacja całych chromosomów lub ich fragmentów.

– U zwierz

t wielokomórkowych zjawisko zawsze niekorzystne.

– U organizmów ni

szych i u ro

lin zjawisko cz

ste.

•

Duplikacja pojedynczego genu lub jego fragmentu.

– Najcz

stsze i najskuteczniejsze zjawisko prowadz

ce do

post

pu ewolucyjnego.

–

ledz

c „rodziny genów” mo

na odtworzy

drogi ewolucji.

Duplikacja pojedynczego genu lub grupy genów mo

zaj

ść

na skutek:

•

Nierównomiernego procesu crossing-over (Nierównomierna
wymiana chromatyd siostrzanych).

•

Amplifikacja DNA

•

Transpozycja

Drogi prowadz

ce do duplikacji genów lub grup genów (2)

Rodziny genów (duplikacja + dywergencja) - przykłady

–

geny homeotyczne (homeobox, hox, mad-box)

–

miozyny, tubuliny

–

globiny krwi

–

rodopsyny

–

kinazy (enzymy odpowiedzialne m.in. za fosforylacj

białek)

–

geny koduj

ce czynniki transkrypcyjne

–

geny t-RNA

–

wiele innych…

Rodziny genów (duplikacja + dywergencja) - przykłady

Rodzina genów koduj

cych globiny

Globiny w poł

czeniu z hemem tworz

hemoglobiny

U człowieka wyst

puj

dwie rodziny globin.

Hemoglobina człowieka składa si

z dwóch ła

cuchów alfa i z

dwóch beta – oba geny pochodz

od wspólnego, pierwotnego

genu na co wskazuje ich

daleko posuni

te podobie

stwo =

homologia

Przykłady duplikacji i dywergencji genów (1)

Globiny alfa

– zakodowane w chromosomie 16

Rodzina alfa ma 3 kopie: jedna koduje alfaglobin

embrionaln

a dwie alfaglobiny osobników dojrzałych.

Globiny beta

– zakodowane w chromosomie 11

Rodzina beta składa si

z 5 genów + 1 pseudogen:

jeden gen funkcjonuje u zarodka, dwa u płodu, dwa u
osobników dorosłych.

U ssaków niemal ka

dy gen koduj

cy białko

ród dzi

cych ssaków tylko bez

uchwowce (np.minog) maj

monomeryczn

(jednoła

cuchow

) hemoglobin

. Wszystkie ryby

kostnoszkieletowe i czworonogi maj

ła

cuchy alfa i beta.

To pozwala na ustalenie kiedy nast

piło podwojenie kopii genu, a

nast

pnie dywergencja kopii i dalsza ewolucja tego genu – ok. 500

mln lat temu.

Przykłady duplikacji i dywergencji genów (2)

U ssaków niemal ka

dy gen koduj

cy białko

wyst

puje w wielu kopiach.

• Geny koduj

aktyn

, miozyn

: ró

ne ich kopie

uruchamiane s

w ró

nych tkankach.

• Rodopsyny:

białka znajduj

ce si

w siatkówce oka

wra

liwe na ró

ne długo

wiatła determinuj

liwo

ść

kolorowego widzenia.

• Sekwencje genów homeotycznych u Drosophila zawieraj

ok. 100 powtórze

sekwencji 180 pz (homeoboks)

koduj

cych białka regulatorowe. Le

Ŝą

one jeden za drugim

na chromosomie 3, stanowi

sekwencje regulatorowe

odpowiedzialne za symetri

ciała w osi przednio-tylnej.

Ekspresja kolejnych odcinków regulatorowych nast

puje od

przodu ku tyłowi wskazuj

c na histori

powstania tych

sekwencji.

Przykłady duplikacji i dywergencji genów (3) – geny
homeotyczne

sekwencji.

• U kr

gowców (i u człowieka) wyst

puj

4 kompleksy genów

homeotycznych (Hox) homologicznych do kompleksów
homeoboksu u Drosophila. Sekwencje tych kompleksów s

bardziej zró

nicowane, ale tak

e odpowiadaj

za symetri

przednio-tyln

zarodka, płodu a nast

pnie dojrzałego

organizmu.

Hipoteza: powstanie sekwencji homeoboksu

zapocz

tkowało ewolucj

zwierz

t wielokomórkowych.

Geny, na których produkty jest du

e zapotrzebowanie maj

zwykle wiele

takich

samych

kopii na przykład

geny histonów = potrzebne dla zachowania struktury i upakowania DNA
rRNA, tRNA = potrzebne przy ka

dej translacji

Uwaga: Wszystkie 21 rodzajów t-RNA stanowi

rodzin

genów. Ponadto ka

z 21 rodzajów t-RNA ma wiele kopii.

Geny histonów, rRNA, t-RNA nie ulegaj

dywergencji zarówno w odcinakach

koduj

cych jak i niekoduj

cych dlatego mówimy,

e wykazuj

daleko

Duplikacja bez dywergencji – zwi

kszenie liczby kopii tych

samych genów

koduj

cych jak i niekoduj

cych dlatego mówimy,

e wykazuj

daleko

posuni

ty konserwatyzm.

Przypuszczamy,

e geny s

„konserwatywne” wtedy

gdy ich funkcja jest bardzo wa

na i najmniejsza zmiana zagra

yciu

organizmu.

Wielokrotnie powtórzone geny z zachowaniem funkcji np. geny

rRNA

podlegaj

prawdopodobnie ewolucji zespołowej, która realizuje si

na skutek konwersji

(zast

powania „gorszej” kopii przez „lepsz

” stopniowo w całej rodzinie).

Szczególne znaczenie dla ewolucji ma z jednej strony konserwatyzm
sekwencji regulatorowych, oraz ich nowe „przetasowanie” całkowicie
zmieniaj

ce wzór ekspresji genów.