Wykład XIII
DNA pozajądrowy
ctDNA (cytoplazmatyczny =
pozajądrowy)
• mtDNA (mitochondrialny)
• cpDNA = chlDNA (chloroplastowy)
CECHY mtDNA
• mała cząsteczka, od 16-20 tys.pz
• charakter haploidalny
• kolisty, czysty (bez histonów)
• Zasadniczo brak intronów (u niższych
eukariotów są), DNA repetytywnego,
pseudogenów i elementów ruchomych
• brak zmetylowanych zasad
• region kontrolny (pętla D, D loop)
zawiera operon do replikacji i
transkrypcji
• układ genów swoisty dla dużych
grup systematycznych (owady,
nicienie, kręgowce)
• dziedziczy się po matce
• nie podlega rekombinacji
• szybkie tempo gromadzenia
mutacji
mtDNA dziedziczony jest
tylko po matce (?)
• mtDNA wyłamuje się z reguły uniwersalności
kodu genetycznego
AGA i AGG = stop (w jądrowym Arg)
AUA = Met (w jądrowym Leu)
AUA i AUU = kodon inicjujący (AUG w
jądrowym)
• geny mitochondrialne nie mają wspólnej
przeszłości z genami jądrowymi – konsekwencja
endosymbiotycznego pochodzenia
• Pętla D składa się z 1 274 pz i zawiera
operon do replikacji łańcucha H i
transkrypcji łańcucha L i H
• Replikacja mtDNA u ssaków zachodzi w
sposób asynchroniczny:
- każda z dwu nici (H bogata w puryny i L
bogata w pirymidyny) miejsce inicjacji
(ori) ma w innym regionie - najpierw
replikuje się nić H
(wewnętrzna)
- gdy zreplikuje się około 70%
nici H - rozpoczyna się synteza
nici L.
Replikacja nici H
przebiega zgodnie z ruchem
wskazówek zegara, a nici L
odwrotnie.
• mtDNA koduje:
- 22 rodzaje tRNA
- 2 rodzaje rRNA
- 13 białek łańcucha oddechowego:
cytochrom b
3 podjednostki oksydazy
cytochromowej
2 podjednostki syntazy ATP
7 podjednostek
dehydrogenazy
Polimorfizm mtDNA u
człowieka
• Znana jest kompletna sekwencja
ludzkiego mtDNA (od 16 558 do
16 576 pz)
• Wykryto
657
miejsc
polimorficznych (w tym 141 w
regionie kontrolnym – pętla D).
• Na
podstawie
badań
sekwencji
wykryto
w
polskiej
populacji
2
europejskie typy mtDNA i jeden
kaukazki.
• Liczba wykrywanych typów mtDNA
jest zależna od 2 czynników:
- liczby badanych miejsc restrykcyjnych
-stopnia zmienności mtDNA w obrębie
populacji
Przyczyny częstych mutacji w
mtDNA
• mniejsza wydajność systemu naprawczego
• większa częstość replikacji
• zwiększenie tolerancji na substytucje w
terminalnym nukleotydzie kodonu
• nie chroni go struktura chromatynowa
• mutaganami są wolne rodniki
powstające jako uboczny
produkt oddychania
• Efekt mutacji mtDNA w fenotypie
zależy od:
- procentu zmutowanych cząsteczek u
danej osoby
- do jakiej tkanki trafią większa liczba
cząsteczek zmutowanych
• Efekt mutacji częściej pojawia się u
osób starszych
• Najszybciej mutuje region kontrolny
czyli pętla D
• Najszybciej mutuje region kontrolny
czyli pętla D
• W pętli D wyróżnia się obszary
(segmenty) o dużej zmienności =
sekwencje Andersona.
• Zmienność w obrębie tych sekwencji
pomiędzy osobnikami
niespokrewnionymi wynosi 3%.
• Region ten jest wykorzystywany do
identyfikacji osobników np. ze śladów
biologicznych oraz do ustalania
pokrewieństwa
Przykłady chorób
mitochondrialnego DNA
• Choroba Parkinsona
• CPEO (chroniczny postępujący paraliż
mięśni oka)
• Cukrzyca
• Dystonia
• Zespół Lebera (neuropatia
oczna) – mutacja w genie
12SrRNA, zwykle 100%
cząst. mtDNA jest zmutowanych
Zmiany w mt DNA mogą być także
wywoływane przez mutację w genach
jądrowych - kodujących białka
strukturalne mitochondriów lub białka
związane z regulacją ich funkcji.
• W chorobach wynikających ze zmian w
mtDNA dziedziczonych w sposób
matczyny stwierdza się różnorodność
objawów wśród tej samej rodziny,
• gdyż w komórce najczęściej koegzystują
ze sobą DNA niosące patogenną mutację
i DNA niezmutowane i jest to tzw.
heteroplazmia.
CECHY cpDNA
• występuje w chloroplastach i innych
plastydach
• podobny do bakteryjnego
• Wielkość od 140 do 200 kpz (zależy od gat.)
• kolisty
• „czysty” (nie tworzy
kompleksów z histonami)
• brak zmetylowanych zasad
• rybosomy 70S
• cpDNA koduje:
- rRNA (16S, 5S, 4,5S, 23S)
- tRNA (dla 32 tRNA u Marchantia polymorpha)
- syntetazy aminoacylo-tRNA
- polimerazy RNA, DNA oraz białka niezbędne do
replikacji DNA i ekspresji genów
- białka rybosomalne
- białka bezpośrednio
związane z fotosyntezą
(białka wiążące chlorofil,
białka cytochromu b,f itp.)
Większość (2/3) białek
Chloroplastowych
Jest kodowana w DNA
jądrowym.
Pochodzenie mtDNA i cpDNA
• Teoria endosymbiozy
Mitochondria i chloroplasty powstały na
drodze endosymbiozy, w którą weszły
bakterie wolnożyjące na bardzo wczesnym
etapie ewolucji z progenotami czyli
przodkami komórek Eucaryota.
Teoria ta opiera się na większym
podobieństwie budowy
i ekspresji genów tych organelli
do bakterii niż do eukariotów
Na te Święta co nadchodzą,
Życzę ciepła i miłości.
Niech Cię ludzie nie zawodzą,
I niech uśmiech w sercu gości...
SYSTEMY NAPRAWCZE DNA
•
Zmiany w składzie lub w strukturze DNA
(powstają na skutek mutacji, błędów w
replikacji i rekombinacji) są naprawiane
przez SPECJALNY SYSTEM ENZYMÓW
NAPRAWCZYCH
•
Procesy reperacyjne DNA zachodzą w czasie:
- przedreplikacyjnym
- podczas replikacji
- w okresie postreplikacyjnym
• Reperacja uszkodzeń DNA
wywołanych mutagenami
chemicznymi:
- zasady azotowe po dezaminacji mogą
samorzutnie oddysocjować
- mogą być wycinane endonukleazami
- uzupełnienie przez polimerazę DNA
- pęknięcia zespalane przez ligazy
• Reperacja uszkodzeń DNA
wywołanych mutagenami fizycznymi
- UV-dimery (fotodimery) są usuwane
przez fotoliazę
- przez UVr-endonukleazy
Uvr-endonukleazy, kompleks enzymów, z których
jeden (uvrA) koduje biało rozpoznające uszkodzony
nukl. (dimer pirymidynowy)
• uvrB i uvrC wycinają w
• odległości 7pz na końcu 5’ i
• w odl. 5pz na koncu 3’,
• Ten odcinek 12pz jest usuwany
• przez helikazę kod.
• przez gen uvrD,
• Teraz polimeraza DNA i ligaza
• Naprawa pęknięć jednoniciowych
-
powstają np. w wyniku działania promieni
jonizujących
- działanie ligazy DNA
• Naprawa pęknięć dwuniciowych
- powstają w wyniku działania pr.
jonizujących, mutagenów chemicznych lub
podczas rearanżacji genomowych (np.
receptorów limfocytów T i B)
- zaangażowane są 4 grupy genów, których
produkty są związane z łączeniem końców
niehomologicznych NHEG (non-
homologious end-joining)
• Naprawa uszkodzeń DNA w czasie
replikacji u E. coli – polimeraza
DNA III
- usuwa mylnie włączone zasady
- częstość błędnie włączanych nukleotydów
wynosi 10
-9
- właściwości korekcyjne – podjednostka E
wycina w kierunku 3’ do 5’
- gen mut A łatwo mutuje (mutacja
mutatorowa)
Znane są też mutacje antymutatorowe
obniżające częstość mutacji spontanicznych
• System naprawy SOS (Save Our
Souls) DNA u E.coli
- geny represorowe genów SOS–
lexA, lambda, recA
- geny kontrolujące podziały – umu
- geny kontrolujące enzymy
naprawcze – uvr
- geny kontrolujące rekombinację -
rec
System naprawy SOS
(Save Our Souls) DNA u
E.coli
• Jest to odpowiedź na uszkodzenie
DNA.
• Najczęstszym komórkowym
sygnałem aktywującym odpowiedź
SOS jest obecność jednoniciowego
DNA
SOS
• System SOS regulują dwa kluczowe
• LexA jest represorem transkrypcji,
przyłączającym się do sekwencji
operatorowych (zazwyczaj
określanych jako kaseta SOS, ang.
SOS box).
• LexA reguluje proces transkrypcji
około 48 genów, w tym lexA i recA
Podczas inicjacji procesu
białko RecA przyłącza ssDNA
• prowadząc do powstania kompleksów RecA–
ssDNA.
• RecA–ssDNA aktywuje autoproteazową
aktywność LexA, czego skutkiem jest rozpad
LexA i jego degradacja.
• Brak represora powoduje transkrypcję
genów SOS i dalsze przekazywanie sygnału
w komórce, zahamowanie podziału komórki
i wzrost syntezy białek odpowiedzialnych za
śmierć komórki.
• Gdy uszkodzenie DNA jest
naprawione bądź pominięte przy
użyciu polimeraz lub rekombinacji,
ilość jednoniciowego DNA w
komórce ulega zmniejszeniu –
• maleje wiązanie LexA do kaset SOS
• i zostaje przywrócona prawidłowa
ekspresja genów.
NER
• Naprawa przez wycięcie
nukleotydu (ang. nucleotide
excision repair, NER) – mechanizm
naprawy DNA w komórkach mający
na celu usuwanie uszkodzeń DNA
spowodowanych czynnikami
chemicznymi lub fizycznymi, takimi
jak promieniowanie UV.
W mechanizmie NER u
człowieka uczestniczą
następujące białka:
•
• XPC
• TFIIH: XPB, XPD (
• RPA (HSSP)
• XPG, ERCC1/XPF (egzonukleazy)
•
δ lub ε
•
Mechanizm NER usuwa duże uszkodzenia
DNA zniekształcające strukturę
podwójnej helisy
• I-szy etap: uszkodzenie jest rozpoznawane
przez białko XPA
• II etap; powstaje kompleks XPC, XPB, XPD
• III etap: endonukleaza XPG, XPF wycina
fragment ok.. 30pz
• IV etap: polimeraza DNA δ albo polimeraza ε
zastępuje wycięty odcinek
• Proces syntezy naprawczej kończy reakcja
ligazy, łączącej końce wstawki z resztą nici
DNA.
O ważnej roli mechanizmu NER u
człowieka świadczą choroby genetyczne
spowodowane mutacjami w genach
kodujących białka biorące w nim udział
• Do tej grupy schorzeń należą:
•
, siedem
postaci spowodowane mutacjami w
genach kodujących XPA-XPG
•
, dwie postaci (A i B)
spowodowane mutacjami w genie
kodującym endonukleazę ERCC
•
mutacjami w genach kodujących XPB,
XPD albo inną podjednostkę TFIIH.
Naprawa rekombinacyjna
• Naprawa rekombinacyjna potrzebuje
wymaga identycznej lub prawie
identycznej sekwencji genomu, która może
być użyta jako matrycajdo naprawy
uszkodzenia
• Ta metoda pozwala na naprawę
uszkodzonego chromosomu przy udziale
siostrzanej
bądź
jako wzoru.
Jak chromosom Y naprawia
uszkodzenia?
• chromosom X zawiera 165 Mbpz
i 1438 genów, w chromosomie Y
jest tylko 51Mbpz i 45 genów
• Sądzi się, że to skutek braku
mechanizmu reperacji.
• Od całkowitej zagłady chronią
go palindromy – jest ich 6 mln
Reperacja uszkodzonych genów w
chromosomie Y zachodzi tylko
dzięki istnieniu palindromowych
kopii genów ulokowanych w
poszczególnych odgałęzieniach
chromosomu.
• Proces pomiędzy chromosomami
homologicznymi - dwa chromosomy
między sobą wymieniają materiał
genetyczny wszystkich 22 par,
chromosom Y 'robi to sam ze sobą'!
• I tylko dlatego zanik genów w
chromosomie męskim przebiega z
szybkością około 4,6 genu na milion lat.