Wykład 5

Genom człowieka

Słownik

Gen

– jednostka dziedziczności określająca powstanie

jednego białka, rRNA lub tRNA (Johannsen 1909r.).
Genotyp – całość informacji zmgazynowanej w DNA.

Allel

– jedna z wersji genu w danym locus (miejscu)

na chromosomie. Allele danego genu mogą różnić się

kilkoma nukleotydami – kodowane przez nie białka

nieznacznie się różnią.

Locus

– miejsce położenia danego genu.

Fenotyp

– zespół cech danego organizmu.

Chromosom

Chromosom

– najbardziej skondensowana forma organizacji materiału

genetycznego wewnątrz komórki. Największy stopień upakowania

chromosomy osiągają podczas podziału jądra komórki (w metafazie).
U Eucaryota chromosomy zakończone są powtarzającymi się

sekwencjami nukleotydów tworzących

telomery

.

Telomery

1

Telos  – koniec, meros  – część.
Telomery są sekwencjami kończącymi DNA u

Eukaryota, są one niezbędne dla utrzymania

stabilności chromosomów.
Telomery zawierają konserwatywne ewolucyjnie,

krótkie sekwencje bogate w GT, powtarzające się

wielokrotnie.
U człowieka sekwencją taką jest 5’-TTAGGG-3’.
Telomery nie są upakowane w postaci nukleosomów,

mają strukturę poczwórnej helisy (DNA zorganizowane

jest w postaci pętli).

Telomery

2

W nici opóźnionej nie ma możliwości przyłączenia

startera poza końcem sekwencji i dlatego ostatnie

8-12 zasad nie zostaje zreplikowanych.
U ssaków długość telomerów przy narodzinach

wynosi 6 – 10 kpz, długość ta ulega skróceniu w

komórkach somatycznych przy każdym kolejnym

podziale komórkowym.
Długość telomerów nie zmienia się w komórkach

płciowych, macierzystych, szpiku kostnego. Dzieje

się tak dzięki

telomerazie

(zmodyfikowanej

odwrotnej transkryptazie), która do końca 3’

dołącza dodatkowe nukleotydy.

Telomery

3

Są to odcinki gdzie w kilkuset kopiach
występuje sekwencja

5’-TTAGGG-3’

.

Obecność tej sekwencji jest wynikiem
działania

telomerazy

, enzymu

mającego za zadanie wydłużanie
końca chromosomu.

Telomeraza jest białkiem o aktywności
odwrotnej transkryptazy, do którego
doczepiona jest cząsteczka RNA
(z sekwencją 5’-CUAACCCUAAC-3’)
służąca za przesuwającą się matrycę.
Na jej podstawie syntetyzowana jest nić
DNA.

Chromosomy metafazowe

U Eukariota chromosomy można obserwować

jako odrębne struktury jedynie podczas

podziału (chromosomy siostrzane po replikacji).

satelity

centromer

telomery

ramię długie (q)

ramię krótkie (p)

przewężenie wtórne

chromatydy

siostrzane

Satelity

Satelity mogą występować na końcach krótkich

ramion chromosomów akrocentrycznych z

wyjątkiem chromosomu Y.
Przewężenie przed satelitami jest odcinkiem

jąderkotwórczym chromosomów (organizator

jąderkowy – Nuclear Organizer Region, NOR).
Odcinki NOR charakteryzują się powtarzalnościa

sekwencji nukleotydów rDNA (kodującego pre-

rRNA).
Liczba chromosomów z przewężeniami wtórnymi

jest stała dla danego genomu.

Wzory prążków chromosomów

Barwienie chromosomów pozwala uwidocznić w nich strukturę

prążków. Wzór prążków (w danym barwieniu, np. G)

charakteryzuje chromosom.
Podział na obszary jest umowny ale np. w barwieniu G został

zatwierdzony przez organizacje międzynarodowe.

Numeracja prążków (np. q21.2):

• p lub q – segment (ramię)

• pierwsza cyfra - region

• druga cyfra - prążek

• po kropce - subprążek

Kariotyp

1

Kariotyp

– zestaw chromosomów występujący w komórce

somatycznej, charakteryzujący się ilością i morfologią
chromosomów.
Prawidłowy kariotyp człowieka zawiera 22 pary chromosomów
homologicznych (autosomów) oraz chromosomy płci X, Y
(heterochromosomy).

Kariotyp

2

Chromosomy człowieka podzielone zostały na grupy:
Grupa A: duże chromosomy 1-3, 1 i 3

metacentryczne, 2 submetacentryczny,
Grupa B: duże chromosomy 4 i 5, submetacentryczne,
Grupa C: średnie chromosomy 6-12 oraz X,

submetacentryczne,
Grupa D: duże chromosomy 13-15, akrocentryczne,
Grupa E: małe chromosomy 16-18, 16

metacentryczny, 17 i 18 submetacentryczne,
Grupa F: najmniejsze chromosomy 19-20,

metacentryczne,
Grupa G: najmniejsze chromosomy 21, 22,

akrocentryczne oraz Y akrocentryczny bez satelitów.

Ciałko Barra

U samic ssaków jeden z chromosomów X jest transkrypcyjnie

nieaktywny. Jest on przekształcony w heterochromatynę i

widoczny jest w postaci plamy z boku interfazowego jądra.
W nieprawidłowych kariotypach ilość ciałek Barra jest równy

ilości chromosomów X pomniejszonej o jeden:

• w przypadku zespołu Turnera (45, X) nie ma ciałka Barra

• dwa ciałka Barra występują u kobiet o kariotypie (47, XXX)

Hipoteza Lyon

Wybór chromosomu ulegającemu inaktywacji jest
przypadkowy (X od matki lub X od ojca). Ponieważ różne
chromosomy mogą być inaktywowane w różnych komórkach
we wczesnym stadium rozwoju embrionalnego możliwe jest,
iż różne partie ciała będą miały aktywne różne chromosomy
X. Ma to znaczenie jeśli różne allele genu są obecne w
różnych chromosomach (np. ubarwienie kotów „tricolor”).

Hipohydrotyczna dysplazja ektodermalna.

Mechanizm inaktywacji

Inaktywacja chromosomu X powodowana jest przez
ekspresję tzw. centrum inaktywacji X (XIC – X
inactivation center), umiejscowionego na
proksymalnej części ramienia p chromosomu X.

Najważnejszym genem tego regionu jest gen XIST
(X-inactive specific transript).

Produktem genu XIST jest RNA nie posiadające ORF,
nie podlegające translacji na polipeptyd. RNA
produkowane przez gen XIST prawdopodobnie
pokrywa chromosom X i inaktywuje go. Istotna jest
także metylacja DNA.

Organizacja genomu u Eukaryota

1

Rodziny genów

– występowanie genów w wielu identycznych

lub podobnych kopiach. Rodziny mogą być zlokalizowane w

jednym locus lub w wielu loci.
W niektórych rodzinach wielogenowych geny są identyczne i

kodują białka potrzebne komórce w dużych ilościach (np.

histony)

genom człowieka

3 000 000 kpz

geny i sekwencje

związane z genami

900 000 kpz

DNA kodujący

90 000 kpz

80 000 genów

DNA niekodujący

810 000 kpz

pseudogeny

introny, sekwencje

liderowe i

ogonowe

fragmenty

genów

DNA powtórzony

420 000 kpz

DNA unikalny

I niskokopiowy

1 680 000 kpz

powtórzenia

tandemowe

powtórzenia

rozproszone

DNA

satelitarny

DNA

minisatelitarny

DNA

mikrosatelitarny

elementy

LTR

transpozony

SIN E

LINE

30%

70%

DNA pozagenowy

2 100 000 kpz

Organizacja genomu u Eukaryota

2

Pseudogeny

– zmienione elementy rodzin genowych, nie

produkujące biologicznie aktywnego białka. Są one

zmutowanymi wersjami genów wyjściowych.

Przetworzone pseudogeny

– kopie mRNA przepisane na DNA, nie

mają promotora i intronów.

genom człowieka

3 000 000 kpz

geny i sekwencje

związane z genami

900 000 kpz

DNA kodujący

90 000 kpz

80 000 genów

DNA niekodujący

810 000 kpz

pseudogeny

introny, sekwencje

liderowe i

ogonowe

fragmenty

genów

DNA powtórzony

420 000 kpz

DNA unikalny

I niskokopiowy

1 680 000 kpz

powtórzenia

tandemowe

powtórzenia

rozproszone

DNA

satelitarny

DNA

minisatelitarny

DNA

mikrosatelitarny

elementy

LTR

transpozony

SIN E

LINE

30%

70%

DNA pozagenowy

2 100 000 kpz

Fragmenty genów

– brakuje im końców 5’ lub 3’ genu

wyjściowego.

Organizacja genomu u Eukaryota

3

Powtórzenia tandemowe

– wielokrotne powtórzenia sekwencji

nukleotydów występujące bezpośrednio po sobie.

Powtórzenia tandemowe w zależności od wielkości dzieli się na:

satelitarne

(jednostki do 200 pz ułożone w bloki od 100 do

5000 kpz),

minisatelitarne

(jednostki do 25 pz, bloki do 20 kpz)

oraz

mikrosatelitarne

(jednostka do 4 pz, bloki do 150 pz).

genom człowieka

3 000 000 kpz

geny i sekwencje

związane z genami

900 000 kpz

DNA kodujący

90 000 kpz

80 000 genów

DNA niekodujący

810 000 kpz

pseudogeny

introny, sekwencje

liderowe i

ogonowe

fragmenty

genów

DNA powtórzony

420 000 kpz

DNA unikalny

I niskokopiowy

1 680 000 kpz

powtórzenia

tandemowe

powtórzenia

rozproszone

DNA

satelitarny

DNA

minisatelitarny

DNA

mikrosatelitarny

elementy

LTR

transpozony

SIN E

LINE

30%

70%

DNA pozagenowy

2 100 000 kpz

Organizacja genomu u Eukaryota

4

Oprócz powtórzeń tandemowych w DNA występują

też

sekwencje powtórzone rozproszone

. Sekwencje

rozproszone dzieli się na SINE (short interspersed

nuclear elements) i LINE (long i.n.e.) oraz elementy

LTR (long terminal repeats – rozpoczynające i

kończące sekwencje genów retrowirusów).

genom człowieka

3 000 000 kpz

geny i sekwencje

związane z genami

900 000 kpz

DNA kodujący

90 000 kpz

80 000 genów

DNA niekodujący

810 000 kpz

pseudogeny

introny, sekwencje

liderowe i

ogonowe

fragmenty

genów

DNA powtórzony

420 000 kpz

DNA unikalny

I niskokopiowy

1 680 000 kpz

powtórzenia

tandemowe

powtórzenia

rozproszone

DNA

satelitarny

DNA

minisatelitarny

DNA

mikrosatelitarny

elementy

LTR

transpozony

SIN E

LINE

30%

70%

DNA pozagenowy

2 100 000 kpz

Organizacja genomu u Eukaryota

5

Transpozony

– „skaczące geny”, sekwencje DNA przemieszczające

się pomiędzy różnymi pozycjami wewnątrz genomu danej

komórki.

Typ I – retrotranspozony, przenoszą się przez transkrypcję do RNA

i odwrotną transkrypcję z powrotem do DNA.

Typ II - przenoszą się przez działanie transpozazy.

genom człowieka

3 000 000 kpz

geny i sekwencje

związane z genami

900 000 kpz

DNA kodujący

90 000 kpz

80 000 genów

DNA niekodujący

810 000 kpz

pseudogeny

introny, sekwencje

liderowe i

ogonowe

fragmenty

genów

DNA powtórzony

420 000 kpz

DNA unikalny

I niskokopiowy

1 680 000 kpz

powtórzenia

tandemowe

powtórzenia

rozproszone

DNA

satelitarny

DNA

minisatelitarny

DNA

mikrosatelitarny

elementy

LTR

transpozony

SIN E

LINE

30%

70%

DNA pozagenowy

2 100 000 kpz

VNTR

VNTR

– polimorfizm liczby powtórzeń tandemowych

(

v

ariable

n

umber of

t

andem

r

epeats).

Długość powtórzeń mikrosatelitarnego DNA jest

cechą osobniczą. Stosując PCR można analizować

VNTR i tym samym identyfikować daną osobę.
Badanie VNTR znajduje zastosowanie w

kryminalistyce (identyfikacja sprawcy), medycynie

sądowej (ustalanie ojcostwa), doborze organów do

przeszczepu, identyfikacji chorób genetycznych.

Genom mitochorndrialny

1

Oprócz jądra komórki Eukaryota zawierają również DNA w

mitochondriach i/lub chloroplastach.
Genom mitochondrialny jest kolisty (pochodzący od

Prokaryota?, hipoteza endosymbiotyczna), nie zawiera

intronów, silnie różni się wielkością w zależności od gatunku –

u człowieka 16,6 kpz.
mtDNA koduje 11 białek będących podjednostkami

kompleksów łańcucha oddechowego, 2 podjednostki syntazy

ATP, 22 rodzaje tRNA, 2 rodzaje rRNA. Inna białka

mitochondrialne syntezowane są poza mitochondriami.
Częstość mutacji mtDNA jest 10-20 razy większa od częstości

mutacji DNA jądrowego.
Heteropalzmia, homoplazmia.

Genom mitochorndrialny

2

Ponieważ mtDNA plemników nie pozostaje w zygocie to

cechy fenotypowe mitochondriów dziedziczone są wyłącznie

od matki (

dziedziczenie mateczne, cytoplazmatyczne

).

Ze względu na recesywność mutacji mtDNA krytyczny

stopień heteroplazmii jest wysoki (>70-80%).

Choroby mitochorndrialne

Mutacje mtDNA prowadzące do wystąpienia

pełnoobjawowych chorób zachodzą z częstością

1:5000.
Występują głównie mutacje punktowe (najczęściej

3243AG i 8344AG w genach kodujących tRNA oraz

1555AG i 1494TC w genach rRNA).

Choroby wywołane mutacjami mtDNA:
Zespół MELAS – miopatia mitochondrialna,

encefalopatia, kwasica mleczanowa, występowanie

incydentów podobnych do udarów.
Zespół LHON – dziedziczny zespół Lebera (zanik

nerwów wzrokowych).
Cukrzyca mitochondrialna.
MERRF – padaczka miokloniczna z czerwonymi

poszarpanymi włóknami.