A

C

G

C

C

C

G

C

C

A

A

A

A

T

p a r y z a s a d

d u ż y

r o w e k

m a ły

r o w e k

r d z e ń c u k r o w o -

f o s f o r a n o w y

A

T

G

C

G

G

G

C

G

G

T

T

T

T

A

T

A

G

C

H C

3

H C

3

N

N

C

C

C

C

O

H

H

H

H

W - C

W - C

H

H

H

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

C

C

C

C

C

C

O

O

H

H

c u k i e r

c u k i e r

c u k i e r

c u k i e r

H

H

H

H

H

H

N

N

N

N

C

C

C

C

O

O

H

H

H

H

H

H

H

H

H

C y t o z y n a

C y to z y n a

G u a n i n a

G u a n i n a

N

N

N

N

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

N

O

O

R ( 5 '- 3 ')

R ( 3 '- 5 ')

R ( 3 '- 5 ')

O

H

H

H

+

+

+

+

-

-

-

-

N

N

N

N

N

N

N

C

C

C

C

C

C

O

O

H C

3

H C

3

H

c u k i e r

c u k i e r

c u k i e r

c u k i e r

H

H

H

H

H

N

N

C

C

C

C

O

H

H

H

H

T y m i n a

T y m i n a

A d e n i n a

A d e n i n a

N

N

N

N

+

+

-

-

N

O

H

H

H

+

+

-

-

a )

b )

c )

Typu Hoogsteena w kompleksie
trójniciowym

Wiązania wodorowe pomiędzy zasadami azotowymi
Pary typu Watsona-Cricka

Typu Hoogsteena w kompleksie dwuniciowym

M. Bukowiecka-Matusiak, L.A. Woźniak
Struktura DNA od A do Z
Biologiczne implikacje różnorodności strukturalnej DNA
Postępy Biochemii 52(3) 2006 str 229 - 238

Parametry

Helisa

DNA

A

B

C

Z

Skretn
ość

prawa

prawa

prawa

lewa

Liczba
zasad/zwój

11

10

9.3

12

Konformac
ja

anti

anti

anti

anti i
syn

Bruzdy

identycz
ne

większa
2.2 nm

tylko
mniejsz
a

mniejsz
a 1.I nm

pomimo ponad 50 letniej historii intensywnych
studiów,
DNA jest ciągle bardzo intensywnie badaną
biomolekulą.
Zbudowany ze stosunkowo prostych
monomerów
(cztery zasady nu kleinowe),
DNA cechuje się nadzwyczaj
wysoką różnorodnością funkcjonalną i
strukturalną.
Na podkreślenie zasługuje fakt, że ciągle są
odkrywane
nowe motywy strukturalne,
np. opisany w 2000 roku przez Patela i wsp.
motyw heksady,
który tworzą cztery guaniny oraz dwie adeniny,
ułożone w jednej płaszczyźnie i powiązane za
pomocą
dodatkowych wiązań wodorowych Z badań NMR
wynika,
że motyw heksady jest trwały, a zatem
utworzenie takiej
struktury może stanowić interesującą drogę
do hamowania aktywności telomerazy.

Schemat heksady

,

której rdzeń stanowi tetrada-G połączona
położonymi mostkowo dwiema resztami
adeninowymi

;

Elastyczność i zdolność do zmian strukturalnych
przy zachowaniu sekwencyjnej integralności DNA
odgrywają kluczową rolę dla funkcji biologicznych

W o d ó r
W ę g i e l
T l e n

T y m i n a

P o j e d y n c z y n u k l e o t y d

D e o k s y r y b o z a

P o t o m n y D N A

M a c i e r z y s t y

D N A

P o t o m n y

D N A

R e s z t a

f o s f o r a n o w a

C h r o m o s o m

I p o z i o m

2 n m

I I p o z i o m

1 1 n m

I I I p o z i o m

3 0 n m

I V p o z i o m

3 0 0 n m

V p o z i o m

7 0 0 n m

1 4 0 0 n m

H 2 A

H 2 B

H 3

H 4

P o d w ó j n a h e l i s a D N A

H i s t o n y

( o k t a m e r 8 h i s t o n ó w )

N u k l e o s o m

R d z e ń n u k l e o s o m u

W ł ó k n o n u k l e o s o m o w e

W ł ó k n o c h r o m a t y n o w e

( s o l e n o i d )

C h r o m a t y n a

F r a g m e n t c h r o m o s o m u

m e t a f a z o w e g o

C h r o m o s o m m e t a f a z o w y

D N A

3 n m

N u k le o s o m y

1 0 n m

S o le n o id

3 0 n m

Duży
rowe
k

Mały
rowe
k

Duży
rowe
k

Mały
rowe
k

Rowek

Wąski,

głęboki

Szeroki,

płytki

Wąski,

płytki

Topologia

mniejszeg

o rowka

Płaski

Szeroki,

głęboki

Szeroki,

głęboki

Topologia

większego

rowka

12

11

10

Liczba

zasad

na

skręt

4,5

3,2

3,4

Skok

helisy

0,37

0,29

0,34

Przyrost

długości

helisy

1,84

2,55

2,37

Średnica

helisy

lewoskręt

na

prawoskrę

tna

prawoskrę

tna

Typ helisy

Z-DNA

A-DNA

B-DNA

CECHA

KONFORMACJA

Włókno nukleosomowe

30nm

Włókno nukleosomowe

10nm

Genom człowieka

3 miliardy pz

Geny i sekwencje

związane z genami

20-30%

Pozagenowy DNA

70-80%

Sekwencje niekodujące

>90%

Sekwencje kodujące

<10%

Genom człowieka

3 miliardy par zasad

Genom człowieka

3 miliardy par zasad

Genom człowieka

3 miliardy par zasad

Umiarkowane

i wielokrotne

powtórzone sekwencje

Sekwencje unikatowe lub

w małej liczbie kopii

78-80%

Powtórzenia rozproszone

40%

Powtórzenia zespolone

60%

Satelitarny

DNA

Minisatelinarny

DNA

Mikrosatelitarny

DNA

SINE

LINE

Organizacja genomu

człowieka:

genom

człowieka

geny i

sekwencje

związane

z genami (30%)

DNA

pozagenowy

(70%)

DNA

kodujący (10%)

DNA

niekodujący (90%)

pseudogeny

fragmenty

genów

introny,

5' UTR, 3'UTR

DNA

powtórzony

tandemowo

powtórzenia

rozproszone

w genomie

DNA

satelitarny

DNA

minisatelitarny

DNA mikro-

satelitarny

elementy

LTR

sekwencje

LINE

sekwencje

SINE

transpozony

DNA

STRUKTURA FIZYCZNA GENOMU

PROKARIOTYCZNEGO

A.

KOLISTA CZĄSTECZKA DNA – tzw. CHROMOSOM

BAKTERYJNY - E. coli, większość komórek
prokariotycznych

1.

GENOM PROKARIOTA:

B.

GENOMY LINIOWE – Borrelia burgdorferi,

Streptomyces

2.

PLAZMIDY – POZACHROMOSOMOWE ELEMENTY

GENETYCZNE

Cechy genomu prokariotycznego

•

Kolista cząsteczka DNA (brak centromerów i

telomerów)*

•

Brak intronów, bardzo mało sekwencji

niekodujących

•

Brak histonów ich odpowiednik to zasadowe

białka H-NS, HU

•

Obecność operonów

•

Obecność plazmidów**

•

Superskręcenie materiału genetycznego

Genofor – materiał genetyczny
DNA lub RNA
Nukleoid – obszar w którym
znajduje się materiał genetyczny
prokariotów odpowiednik jądra
komórkowego eukariotów

SKŁADNIKI BIAŁKOWE NUKLEOIDU E. coli:

•

gyraza – wprowadza do cząsteczki DNA ujemne skręty superhelikalne (z

udziałem ATP),

przecina oba łańcuchy

•

topoizomeraza I – relaksuje ujemne skręty superhelikalne (bez wydatku

energetycznego)

wprowadza przecięcie do jednego łańcucha

•

H – podobne do eukariotycznego H2A

•

HU – owija DNA wokół siebie, stymuluje dołączanie represora operonu lac i

białka CAP

•

H-NS – represor transkrypcji dla wielu genów

•

IHF

•

FIS

40 - 50 superskręconych
pętli każda ok. 100pz

PLAZMIDY:

dwuniciowe fragmenty DNA koliste lub liniowe
koegzystujące w komórce z chromosomem
bakteryjnym

PLAZMIDY KRYPTYCZNE

nie nadają gospodarzowi żadnych zdefiniowanych
cech fenotypowych

GENY PRZENOSZONE PRZEZ PLAZMIDY:

•

najczęściej nie są obecne na chromosomie bakteryjnym

•

u E. coli geny plazmidowe nie są niezbędne dla przeżycia

komórki

•

u Borrelia burgdorferi niektóre geny kodują niezbędne

białka

GENY PLAZMIDOWE KODUJĄ:

•

oporność na antybiotyki ( Rbk E. coli )

•

koniugację i transfer DNA między bakteriami ( F E. coli)

•

syntezę toksyn ( Col E. coli )

•

enzymy metabolizujące niezwykłe cząsteczki ( TOL Pseudomonas

putida )

•

patogenność

WIELKOŚĆ PLAZMIDÓW I ICH STABILNOŚĆ:

•

małe – ok. 1000pz; duża liczba kopii (~30); utrzymują się stabilnie w populacji

wyłącznie w wyniku losowego rozdziału do komórek potomnych

•

duże – tzw. megaplazmidy; rozmiary niektórych chromosomów bakteryjnych

(megaplazmidy bakterii z rodzaju Pseudomonas, Rhizobium, Paracoccus);
niskokopiowe

STABILNOŚĆ NATURALNYCH PLAZMIDÓW NISKOKOPIOWYCH ZALEŻNA

JEST OD:

1.

sprawnie funkcjonującego systemu replikacyjnego – regulacja na poziomie
inicjacji replikacji

2.

swoistych systemów stabilizujących

•

mechanizm rozdziału form oligomerycznych – systemy miejscowo
specyficznej rekombinacji (mrs - ang.multimer resolution systems );
sekwencja res i rekombinaza

•

aktywny rozdział plazmidów – plazmidowe systemy rozdziału ( par – ang.
partitioning ); białka A i B oraz sekwencja będąca analogiem regionu
centromerowego

•

postsegregacyjna eliminacja komórek bezplazmidowych – ‘zemsta zza
grobu’; toksyna i antidotum

STRUKTURA GENETYCZNA GENOMU

STRUKTURA GENETYCZNA GENOMU

PROKARIOTYCZNEGO

PROKARIOTYCZNEGO

C

ECHY CHARAKTERYSTYCZNE GENOMU PROKARIOTYCZNEGO:

•

zwartość genomu - DNA niekodujący E. coli 11%

•

obecność operonów – grupa genów położonych obok siebie, z jednym lub dwoma

nukleotydami pomiędzy końcem jednego genu a początkiem drugiego,

podlegające

ekspresji wspólnie, jako jednostka

EUKARIOTYCZNE GENOMY ORGANELLARNE

• GENOM CHLOROPLASTOWY

•

GENOM MITOCHONDRIALNY

LUDZKI mtDNA

koliste DNA o długości 16569 pz

KODUJE:

•

informację o syntezie 13 białek

związanych z fosforylacją oksydacyjną

•

22 klasach tRNA

•

2 klasach rRNA

BUDOWA FIZYCZNA GENOMU
CZŁOWIEKA

• GENOM JĄDROWY – 3 000 000
000 pz, 46 liniowych cząsteczek
(55-250 Mb)

• GENOM
MITOCHONDRIALNY – 16 569
pz, kolisty

Histony

•

H1, H2A, H2B, H3, H4 – białka zasadowe, bliżej końca C skupisko

aminokwasów hydrofobowych, pozostałe polarne i zasadowe

•

Histony oddziałują ze sobą częściami hydrofobowymi

•

H3 i H4 najbardziej konserwatywne

•

H1 najbardziej zmienny

•

Dimery:

–

silne oddziaływanie: H2A-H2B H2B-H4 i H3-H4 (tetramer)

–

słabe oddziaływania: H2A i H3

–

nikłe: H2A i H4

•

Oktamer histonowy: H2A-H2B-H3-H4

Białka niehistonowe

•

Strukturalne: HMG (białka szkieletu chromosomowego)

•

Enzymy: katalizujące podstawowe procesy (polimerazy DNA i

RNA), modyfikujące histony (kinazy, metylazy)

•

Białka regulatorowe

PROMOTOR

5’UTR

3’UTR

EX1

IN1

EX2

IN2

EX3

SCHEMAT BUDOWY

GENU

Region ulegający

transkrypcji

Region ulegający

translacji

EX1

EX2

EX3

 

Nazwa

par

zasad

DNA

Oktamer

2

(H2A i

H2B) 2(H3

i H4

)

Histon

H1

Nukleosom

165-

245

+

+

Chromatoso
m

165

+

+

Cząstka
rdzeniowa

146

+

-

Polimorfozm

“Poly” wiele, “morphe” forma

A

C

T

C

A

G

T

T

G

A

A

C

T

C

A

G

T

T

T

A

9 4 %

6 %

P o p u la c j a

p o w s z e c h n a

P o lim o r fi z m

p o je d y n c z e g o

n u k le ity d u

(m u ta c j a )

A

C

T

C

A

G

T

T

G

A

A

C

T

C

A

G

T

T

T

C

9 9 ,9 %

0 ,1 %

P o p u la c j a

p o w s z e c h n a

M u ta c j a

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

N H

2

N H

2

N H

2

N H

2

N H

2

N H

2

N H

2

N H

2

O g o n

D N A

H 3

H 4

H 2 A

H 2 B

H 1

Dziękuję za uwagę......

J. Zakrzewska-Czerwińska i S. Cebrat
Genomika - dziedzina wiedzy XXI wieku
Biotechnologia 3(70)7-212005

-

Genom

-wszystkie sekwencje DNA zawarte w organizmie

(lub RNA w przypadku niektórych wirusów).

-Jego bezpośrednia analiza dotyczy głównie
rozpoznawania sekwencji kodujących,
sekwencji regulatorowych
sekwencji powtórzonych

-oraz określania ogólnej organizacji,

-np. zróżnicowania składu nukleotydowego
w regionach chromosomu,
rozmieszczenia genów na chromosomie,
organizacji genów w operony

GENOTYP- cała informacja komórki zawarta w genach
(2n chromosomów)

FENOTYP – obserwowane strukturalne
lub funkcjonalne cechy organizmu
będące wynikiem działania genotypu i
wpływu środowiska

GENOM- cała informacja komórki zawarta w genach
(n chromosomów)
Termin używany dla ogółu genów w gamecie

Genomika - dziedzina

Genomika - dziedzina biologii molekularnej

biologii molekularnej

i

i

biologii teoretycznej (pokrewna

biologii teoretycznej (pokrewna genetyce

genetyce

i

i

ściśle związana z

ściśle związana z bioinformatyką

bioinformatyką

) zajmująca

) zajmująca

się analizą

się analizą genomu

genomu

organizmów.

organizmów.

GENOM - GENOMIKA

GENOM - GENOMIKA

celem genomiki

celem genomiki

jest

jest

poznanie sekwencji materiału genetycznego

poznanie sekwencji materiału genetycznego

mapowanie genomu

mapowanie genomu

określenie wszelkich zależności i interakcji wewnątrz genomu.

określenie wszelkich zależności i interakcji wewnątrz genomu.

wykrycie u człowieka podatności na poszczególne choroby.

wykrycie u człowieka podatności na poszczególne choroby.

Diagnozowania chorób

Diagnozowania chorób

może się znacznie poprawić statystyka wyleczonych chorób,

może się znacznie poprawić statystyka wyleczonych chorób,

a nawet zapobiegania ich rozwojowi

a nawet zapobiegania ich rozwojowi

Transkryptom

-wszystkie sekwencje RNA syntetyzowane w organizmie.

-Analiza skupia się na regulacji ekspresji genów
w różnorodnych wa runkach i/lub tkankach.

-Badania są przeprowadzane za pomocą mikromatryc
oligonukleotydowych i cDNA, popularnie zwanych chipami DNA.

Duże nadzieje w zrozumieniu funkcjonowania komórki
wiąże się ze stosunkowo niedawnym odkryciem zjawiska
zwanego interferencją RNA (RNAi - RNA interference)
i rolą niskocząsteczkowych RNA w regulacji ekspresji genów,
organizacji materiału genetycznego i ochronie przed pasożytami.

Proteom

-wszystkie białka wytwarzane w organizmie.
Analizy dotyczą identyfikowania
konserwatywnych regionów
motywów w sekwencjach,
przewidywania struktur drugorzędowych
przewidywania struktur przestrzennych.

Białka i ich struktury są klasyfikowane w różne grupy,
np. rodziny
nadrodziny.

Zidentyfikowanym białkom przypisywana jest kategoria
funkcjonalna i określana jest ich rola w komórce.

- dotyczy zależności i interakcji między makrocząsteczkami w komórce. Obecnie najintensywniej są badane oddziaływania między białkami. Są one przedstawiane za pomocą sieci zależności.

Lokalizom

opisuje subkomórkowe położenie białek w komórce.
Analizy komputerowe dotyczą
poszukiwania swoistych motywów
w sekwencjach amino-kwasowych
w peptydach sygnałowych
w peptydach tranzytowych kierujących sekwencje
do odpowiednich przedziałów komórki.

-

Interaktom

-dotyczy zależności i interakcji
między makrocząsteczkami w komórce.

-Obecnie najintensywniej są badane
oddziaływania między białkami.

-Są one przedstawiane za pomocą sieci zależności.

Metabolom

-opisuje wszystkie szlaki metaboliczne,

-Łącznie z metabolitami

-i procesami zachodzącymi w organizmie.

- Celem dotychczasowych badań jest określenie,

-jakie szlaki metaboliczne funkcjonują w danym organizmie,

-głównie na podstawie analiz porównawczych

-między genomami.

-Znajomość występowania lub braku

-danego szlaku może mieć duże znaczenie

-praktyczne w biotechnologii i medycynie.