ANTYGENY ZGODNOŚCI TKANKOWEJ I PODSTAWOWE PROBLEMY TRANSPLANTOLOGII

Regulacja ekspresji

genów

• Istnieje ścisłe powiązanie między aparatem

genetycznym komórki a jej stanem

czynnościowym

• Produkty kodowane przez różne geny są

wytwarzane w ilościach określonych

właściwościami strukturalnymi i

funkcjonalnymi danej komórki

• Regulacja tego systemu odbywa się przez

włączanie i wyłączanie odpowiednich genów

Regulacja ekspresji

genów

• Regulacja ekspresji genów dotyczy

zarówno organizmów

prokariotycznych jak i

eukariotycznych

• W pojedynczej komórce eukariotycznej

tylko około 15% genów ulega

ekspresji; przy czym w różnych typach

komórek aktywowane są różne geny

Regulacja ekspresji genów

u Prokaryota

U Prokaryota ekspresja genów
regulowana jest na dwóch poziomach:

• TRANSKRYPCJI – przez regulację liczby

tworzonych cząsteczek mRNA

• TRANSLACJI – przez regulację liczby

kopii polipeptydów powstałych na

matrycy konkretnej cząsteczki mRNA

Regulacja przez kontrolę

szybkości inicjacji

transkrypcji

• REGULACJA WEWNĘTRZNA – dotyczy

poziomu transkrypcji jednego genu
względem innego w zależności od
promotora; jest to inaczej stopień
oddziaływania między polimerazą RNA a
promotorem

• REGULACJA ZEWNĘTRZNA – poziom

transkrypcji regulowany jest przez czynniki
zewnętrzne, niezależne od struktury genu

Promotory u Prokaryota

• Geny zawierające promotory słabe,

wykazują niski poziom ekspresji – są

to głównie geny kodujące produkty

potrzebne w niedużych ilościach

• Promotory silne indukują z większą

częstością procesy inicjacji

trankrypcji – nawet co 2 sekundy

Efektory allosteryczne

• Cząsteczki represorów są białkami

allosteryczymi

• Efektory allosteryczne przyłączają się do

centrum allosterycznego (inne niż centrum

aktywne)

• Efektorami allosterycznymi mogą być

aminokwasy, czy też hormony steroidowe

• Wiązania między białkami allosterycznymi i

efektorami są słabe, a oddysocjowanie

efektora zależy od jego stężenia

Rodzaje operonów

bakteryjnych

• INDUKOWANE (KATABOLICZNE)- produkcja

enzymów jeśli substrat obecny w środowisku

• ULEGAJĄCE REPRESJI (ANABOLICZNE)-

produkcja enzymów jeśli substancja

syntetyzowana nie istnieje w komórce

• PODLEGAJĄCE REGULACJI POZYTYWNEJ –

transkrypcja w obecności induktora

• PODLEGAJĄCE REGULACJI NEGATYWNEJ –

blokowanie transkrypcji przez wolny represor

Operon

lakozow

y E.

Coli.

Przykład

regulacji

negatywnej

(A) i

pozytywnej

(B)

A. Małe

stężenie białka

C – synteza

białka C

B. Małe

stężenie

kompleksu

cAMP-CAP i

duża ilość

białka C – brak

syntezy mRNA

C. Duża ilość

arabinozy i

kompleksu

cAMP-CAP –

synteza mRNA

enzymów

katalizujących

arabinozę

Mechaniz

regulacji

ekspresji

genów u

Eukaryota

Formy przestrzenne

DNA

A –

ultrawirowanie

B – mikroskopia

elektronowa

C - elektroforeza

Kolor czerwony
– forma I

Kolor niebieski –
forma II

Kolor żółty –
forma III

Miejsca wrażliwe na DNA-

zę

• Miejsca wrażliwe na DNA-zę

odpowiadają miejscom aktywnym

• Znajdują się w specjalnej konformacji

chromatyny, która czyni je bardziej

dostępnymi

• Specyficzna struktura przestrzenna jest

najwyższym poziomem regulacji

• Miejsca nadwrażliwe na DNA-zę – nie ma

tu nukloesomów i białka wiążące mają tu

łatwy dostęp do DNA

Metylacja DNA

• Metylacja DNA polega na enzymatycznym

przyłączaniu reszt metylowych (-CH

) do

nukleotydów

• Procesowi temu podlegają cytozyny wchodzące w

skład dinukleotydu CpG

• Metylacja cytozyn związana jest z obniżeniem

aktywności transkrypcyjnej – stanowi sygnał

wyłączenia genu

• Jest procesem odwracalnym
• Spełnia istotną rolę w długoterminowej inaktywacji

genów (chromosom X, protoonkogeny)

Czynniki transkrypcyjne

• Są to czynniki kontroli ekspresji

genów

• Zdolne są przyłączyć się do DNA do

specyficznych sekwencji

• Mogą regulować poziom transkrypcji

dodatnio lub ujemnie

• Kodowane są przez geny

regulatorowe, które stanowią 5-10 %

genomu człowieka

Czynniki transkrypcyjne

• Mają budowę modularną i składają

się z domen białkowych
pełniących określone funkcje:

- DOMENY WIĄŻĄCE DNA
- DOMENY ODPOWIEDZIALNE ZA

DIMERYZACJĘ

- DOMENY TRANSAKTYWUJĄCE

Czynniki transkrypcyjne

• Scharakteryzowano trzy typy domen wiążących

na podstawie występujących w nich motywów:
- helisa-zwrot-helisa

- palce cynkowe

- helisa-pętla-helisa

• W domenach odpowiedzialnych za dimeryzację

wyróżnia się dwa typy motywów:
- suwak leucynowy
- helisa-pętla-helisa

Motyw „palca

cynkowego”

A i B – struktury „palców cynkowych”
różniące się rodzajem aminokwasu
wiążącego cynk

- strzałki oznaczają miejsca
oddziaływania z DNA

Motyw „suwaka

leucynowego”

kolor żółty i
zielony =
miejsca
kontaktu na
leucynach

Wstęgi = Helisy

Rozgałęzione
linie =
Łańcuchy
boczne

Sekwencje wzmacniające

(enhancer)

• Wzmagają znacznie poziom transkrypcji

genu, z którym są związane

• Mogą występować jako sekwencje

wyciszające (silencer) i odpowiadać za

ograniczenie transkrypcji

• Ich inwersja nie oznacza utraty wpływu

na transkrypcję lecz jej obniżenie

• Utrzymują swe właściwości aktywatora

nawet jeśli są przemieszczone o kilka lub

kilkaset tysięcy par zasad na nici DNA

Splicing alternatywny

(a)Alternatyw

ny wybór
promotoró
w

(b)Alternatyw

ny wybór
miejsc
rozcięcia i
poliadenyl
acji

e intronu

(d)Ominięcie

eksonu

Regulacja na poziomie translacji

- model syntezy białek w

retikulocytach kontrolowanej

przez hem

HCR – Heme Controlled Represor

Białka szoku cieplnego

(HSP)

Białka szoku cieplnego syntetyzowane są
w wyniku działania czynników stresowych tj:
• podwyższona temperatura
• infekcja wirusowa
• czynniki uszkadzające DNA
• analogi aminokwasów
• zmiany pH środowiska
• obecność etanolu

Możliwe sposoby wywierania wpływu na

zdarzenia zachodzące wewnątrz komórki

przez zewnątrzkomórkowy związek

sygnalizujący

Receptory hormonów

steroidowych

Wszystkie receptory hormonów steroidowych
posiadają identyczną strukturę na którą składają się:

• Koniec HN

-terminalny (tzw. domena A-B genu)

specyficzny dla receptora, niekonserwatywny

• Domena C – bardzo konserwatywna, składa się z

około 65 aminokwasów, domena ta oddziałuje z DNA

• Region niekonserwatywny o zmiennej długości
• Domena E o zmiennej długości – do niej wiąże się

hormon

Schemat

budowy

jądrowych

receptorów

hormonów

steroidowy

receptory,
dla
których
zbadano
już
wiązanie
hormonu

* -

receptory,

dla których
zbadano już
wiązanie z
DNA

Budowa elementu odpowiedzi

hormonalnej

GRE –
Glucocorticoid
Hormone
Response
Element

ERE – Estradiol
Hormone
Response
Element

TRE – Thyroid
Hormone
Response
Element

DRE – sekwencja
wiążąca
receptory
„sieroce”

Przekazywanie sygnału z

udziałem białek STAT

A –
receptor
należy do
rodziny
kinaz
tyrozynowy
ch

B –
receptor w
połączeniu
z kinazą
tyrozynową

ZMIENNOŚĆ

Zmienność-występowanie  dziedzicznych
lub  niedziedzicznych  różnic:
▪ zmienność  wewnątrzosobnicza -
pomiędzy  komórkami danego organizmu
▪ zmienność  osobnicza - pomiędzy
osobnikami  należącymi  do  tej samej
populacji ,
▪ zmienność  grupowa - pomiędzy
populacjami .

ZMIENNOŚĆ

1. Mutacyjna

mutacje genowe

(tranzycje, transwersje,

delecje, insercje, inwersje)

mutacje chromosomowe

- strukturalne (inwersje, translokacje,

duplikacje,

delecje, izochromosomy, chromosomy

koliste)

- liczbowe-aneuploidie (monosomie,

nullisomie,

trisomie)
-

euploidie

(genomowe):

- autopoliploidie (triploidie, tetraploidie,

itd.)

- allopoloploidie (amfiploidie)

2. Rekombinacyjna

(rekombinacja

homologiczna,

rekombinacja zlokalizowana, rekombinacja

transpozycyjna)

3. Fluktuacyjna

(ciągła)

4. Alternatywna

(skokowa)

ZMIENNOŚĆ

• Zmienność fluktuacyjna (ciągła) – daje się

określić w jednostkach miary (wzrost, masa
ciała, IQ, liczba krwinek, pigmentacja włosów i
skóry)

• Zmienność alternatywna (skokowa, nieciągła) –

np. układ grupowy Rh

ZMIENNOŚĆ FENOTYPOWA

REKOMBINACJE

– procesy wymiany

fragmentów DNA między chromosomami

homologicznymi lub dwuniciowymi

helisami DNA. Rekombinacje nie prowadzą do

wytworzenia nowych alleli genów, ale do

ciągłego ich przetasowywania i powstawania

różnych kombinacji genotypów.

ZMIENNOŚĆ DZIEDZICZNA

(REKOMBINACJE I MUTACJE)

•

Zjawisko  prowadzące  do  rekombinacji  genetycznej
sprzężonych  genów  polegające  na  wymianie
odpowiadających  sobie  położeniem  odcinków
między  homologicznymi  grupami  sprzężeń
(chromosomami)

•

Zachodzi  w  wyniku  symetrycznych  pęknięć  i
ponownego  połączenia  się  odcinków  chromatyd
chromosomów  homologicznych  po  ich  wzajemnej
wymianie  w  pachytenie  i/lub  diplotenie  mejozy

•

Występuje  również  somatyczny , czyli  mitotyczny
crossing  over , który  polega  na  wymianie
siostrzanych  chromatyd  w  obrębie  jednego
chromosomu. Występuje  rzadko i  z  różną
częstością  w  chromosomach .

REKOMBINACJA HOMOLOGICZNA

(crossing over)

• Dotyczy wymiany niehomologicznych, ale

specyficznych fragmentów

• Przykładem tego typu rekombinacji jest

tworzenie przeciwciał i receptorów limfocytów
T

• W komórkach bakteryjnych rekombinacja

zlokalizowana zachodzi podczas
wbudowywania plazmidów do genomu bakterii.

REKOMBINACJA ZLOKALIZOWANA

• Zachodzi podczas wbudowywania transpozonów w

nowe miejsce genomu

• Transpozony są to ruchome elementy genomu

zawierające geny kodujące transpozazę (enzym o
aktywności nukleazy)

• Najprostszym przykładem transpozonów są

sekwencje insercyjne (IS)

• W rekombinacji transpozycyjnej wymagane jest

istnienie specyficznej sekwencji DNA w miejscu
akceptorowym dla IS. Sekwencja ta ulega duplikacji,
a IS wbudowywana jest między podwojony fragment.

• Oprócz genów transpozazy transpozon może

zawierać inne geny – jest to tzw. transpozon złożony

REKOMBINACJA TRANSPOZYCYJNA

• Termin „

mutacja

” wprowadził H. De Vries w

1909r

• Mutacja

jest to zmiana dziedziczna powstająca

na skutek zmiany genu w jego nowy allel
(mutacja genowa), zmiany struktury
chromosomu (mutacja chromosomowa),
zmiany liczby chromosomów (mutacja
liczbowa), bądź zwielokrotnienie haploidalnego
zestawu chromosomów (mutacja genomowa)

MUTACJE

• każda zmiana sekwencji nukleotydów w

obrębie genu , inna od sekwencji genu
wyjściowego (powstaje nowy allel genu)

• dotyczy genów kodujących białka

strukturalne i enzymatyczne

MUTACJE GENOWE

• Tranzycja

– zamiana jednej zasady purynowej

na drugą purynową , lub pirymidynowej na
inną pirymidynową.

• Traswersja

– zamiana zasady purynowej na

pirymidynową lub odwrotnie.

• Delecja

– wypadnięcie pojedynczej lub większej

liczby par nukleotydów z danego genu.

• Insercja

– wstawienie pojedynczej lub większej

liczby par nukleotydów do danego genu .

MUTACJE GENOWE

• Mutacje nonsensowne

i zmiany

odczytu  prowadzą  zwykle  do
całkowitej  utraty  aktywności  enzymu
(przerwanie  syntezy).

• Mutacje zmiany sensu

prowadzą do

syntezy enzymów o zmienionych
właściwościach chemicznych i
fizycznych .

• Mutacje nieme

– nowy kodon jest

synonimiczny z kodonem przed
mutacją.

MUTACJE GENOWE

Aberracje chromosomowe strukturalne

• Inwersja

– (odwrócenie o 180

) na skutek

pęknięć jednego chromosomu i połączenia
wolnych jego końców w odwrotnym
kierunku .

→ paracentryczna obejmuje odcinek

chromosomu bez

centromeru
→ perycentryczna obejmuje fragment z

centromerem .

ABERRACJE CHROMOSOMOWE

• Translokacja

– przemieszczenie się fragmentu chromosomu

w inne miejsce tego samego lub innego chromosomu.

→  T. intrachromosomalna (wewnętrzna) między  homologicznymi
        chromosomami
→ T. interchromosomalna (zewnętrzna) między  chromosomami
       niehomologicznymi
→ T. wymienna (wzajemna) wzajemna  wymiana  odcinków  między
     chromosomami niehomologicznymi, całkowita  liczba
     chromosomów  pozostaje  nie zmieniona, a  dwa  spośród  nich

mają

nieprawidłowe kształty .

Traspozycja

– translokacja polegająca na przeniesieniu

odcinka z

jednego chromosomu do drugiego .

ABERRACJE CHROMOSOMOWE

• TRANSLOKACJA ROBERTSONOWSKA:

Łączą się całe lub prawie całe ramiona

długie dwóch różnych chromosomów

(połączenia centryczne). Miejscem połączenia

jest rejon centromeru. Dochodzi do utraty

funkcjonalnie nieistotnej części materiału

genetycznego ( ramiona krótkie ) .

Translokacja robertsonowska zrównoważona

nie zmienia się ilość materiału genetycznego.

Brak objawów fenotypowych.

Translokacja robertsonowska

niezrównoważona

-ilość materiału genetycznego

powiększa się. Fenotypowe ujawnienie choroby

ABERRACJE CHROMOSOMOWE

• Duplikacja

– podwojenie

tych samych odcinków
chromosomów (podwojenie
kopii genów). Podwojone
fragmenty mogą występować
jako bezpośrednie
powtórzenia (proste
powtórzenia tandemowe) lub
jako odwrócone względem
siebie powtórzenia
fragmentów chromosomów.

ABERRACJE CHROMOSOMOWE

• Delecja (deficjencja)

–

utrata odcinka
chromosomu.

→ d. terminalna obejmuje

część

dystalną chromosomu

→ d. interstycjalna obejmuje

fragment środkowy

ABERRACJE CHROMOSOMOWE

• Chromosom kolisty

– powstaje w wyniku

pęknięcia, a następnie połączenia końców
chromosomu.

U człowieka chromosomy koliste powstają

najczęściej z chromosomów 4 , 13 , 18 pary
oraz chromosomu X .

ABERRACJE CHROMOSOMOWE

• Izochromosom

– powstaje w

wyniku  nieprawidłowego ,
poprzecznego podziału
centromeru chromosomu
metafazowego. Składa się on
tylko z połączonych  ramion
długich  lub  krótkich. Powstanie
izochromosomów powoduje
ubytek  genów  zawartych  w
utraconych  ramionach  i
podwojenie  ich  liczby  w
ramionach , które  utworzyły
chromosom. Powstają  zarówno z
autosomów jak i chromosomu  X .

ABERRACJE CHROMOSOMOWE

2. Aberracje liczbowe
• Aneuploidie

– powstają w wyniku zwiększenia

lub zmniejszenia diploidalnej liczby chromosomów
o pojedyncze chromosomy .

Zapis

2n + a

lub

2n – a

, gdzie

to haploidalna

liczba chromosomów ,

to liczba chromosomów

podlegających zmianom ilościowym .

Powstawanie uniparentalnej disomii (UPD)

- polega na obecności u diploidalnego potomka

pary

chromosomów pochodzących tylko od jednego
rodzica .

ABERRACJE CHROMOSOMOWE

• Euploidie

– zwielokrotnienie całego podstawowego zespołu

chromosomów. Zapis 3n, 4n, 5n, itd.

→

autopoliploidie

- garnitur chromosomów jest

zwielokrotniony

o ten sam zestaw chromosomów.
Autopoliploidie są u człowieka letalne i prowadzą do

poronień.

np. AABB(2n) + AABB(2n) = AAAABBBB(4n)

→

allopoliploidie (amfiploidie)

zwielokrotnienie

niehomologicznych

     zespołów chromosomów . Powstają  najczęściej na skutek
     podwojenia liczby chromosomów  u mieszańców
     międzygatunkowych. Ten typ aberracji  nie  występuje u
     człowieka .
           np. AABB(2n) + CCDD(2n) = AABBCCDD(4n)

ABERRACJE CHROMOSOMOWE

Mutageny

to czynniki indukujące powstawanie

mutacji znacznie ponad poziom mutacji

spontanicznych.

Mutageny mogą powodować:
• Transformację nowotworową (kancerogeneza)
• Wady rozwojowe (teratogeneza)
• Śmierć komórek (całego organizmu)

Czynniki mutagenne podzielono na:
• Fizyczne (np. UVA, UVB, promieniowanie X)
• Chemiczne (np. niektóre leki, środki konserwujące i

inne)

• Biologiczne (wirusy brodawczaka ludzkiego i inne)

CZYNNIKI MUTAGENNE

• uszkodzenia DNA, przed ich naprawą, są

rozpoznawane przez enzymy reparacyjne:

- polimerazy DNA: jądrowe (α, β, δ, ε)i

polimeraza mitochondrialna (γ)

- ligazy DNA
- glikozylazy DNA
- endonukleazy apurynowe/apirymidynowe (5’-

AP i 3’-AP)

- białka pomocnicze
- fotoliazy DNA
- metyotransferaza o

-metyloguanina-DNA

(MGMT)

MECHANIZMY NAPRAWY DNA

• Naprawa DNA może być kompletna i niekompletna

• W przypadku braku możliwości naprawy DNA

komórka powinna ulec programowanej śmierci
komórki-apoptozie

• Procesy naprawy zachodzą w okresie

przedreplikacyjnym, podczas replikacji lub w
okresie poreplikacyjnym

• Szybkość naprawy chromatyny aktywnej

transkrypcyjnie jest większa niż nieaktywnej
chromatyny

MECHANIZMY NAPRAWY DNA

usuwanie błędnie sparowanej zasady

- naprawa przez wycinanie zasad

azotowych

- naprawa przez wycinanie

nukleotydów

- naprawa rekombinacyjna
- odpowiedź SOS

MECHANIZMY NAPRAWY DNA

Document Outline