W jaki sposób struktura chromatyny
wpływa na ekspresję genów?
" Structural comparison of the genome
components of eukaryotes, prokaryotes, and
viruses
Figure 1.1 Genomes 3 (© Garland Science 2007)
Figure 6.22 Genomes 3 (© Garland Science 2007)
Figure 7.2 Genomes 3 (© Garland Science 2007)
Figure 6.22 Genomes 3 (© Garland Science 2007)
Figure 7.12 Genomes 3 (© Garland Science 2007)
Figure 7.2 Genomes 3 (© Garland Science 2007)
Jądro ma liczne struktury wewnętrzne
Włókna cytoplazmatyczne
Granica między jądrem a
cytoplazmÄ…
Sieć włókien wewnątrz jądra
JÄ…derko
Figure 10.1a Genomes 3 (© Garland Science 2007)
Obraz jąder żywych komórek zawierających białka
wyznakowane fluorescencyjnie
" Białka biorące udział w
" JÄ…derka wyznakowane na niebiesko
składaniu RNA
" Ciałko Cajala na żółto
Figure 10.1b,c Genomes 3 (© Garland Science 2007)
Terytoria chromosomów
" Każdy chromosom zajmuje swój własny obszar = terytorium
" Ludzki chromosom 18 (HSA 18) i 19 (HSA19)
Figure 10.2 Genomes 3 (© Garland Science 2007)
Terytoria chromosomów
" Po lewej  oryginalny " Po prawej  model
model, zgodnie z skorygowany z
którym każde kanałami
terytorium jest przechodzÄ…cymi przez
zwartym blokiem, co wnętrze terytorium
sugeruje, że aktywne .
geny znajdujÄ… siÄ™ na
powierzchni.
Figure 10.4 Genomes 3 (© Garland Science 2007)
Domeny chromatyny
" W jÄ…drze eukariotycznym znajduje siÄ™ chromatyna
= kompleks DNA + białka chromosomowe
" Chromatyna ma strukturÄ™ hierarchicznÄ…
Øð Najniższy poziom upakowania =
nukleosom o włókno chromatynowe
Øð Najwyższy poziom = chromosomy
metafazowe (w trakcie podziału jądra
komórkowego)
" Gdy oglÄ…damy pod mikroskopem nie dzielÄ…ce siÄ™
jądra, widzimy tylko plamki barwiące się jaśniej lub
ciemniej
" Ciemniejsze obszary = heterochromatyna = DNA o
nadal zwartej strukturze, lecz nie tak mocno jak w
metafazie
Figure 10.4 Genomes 3 (© Garland Science 2007)
2 typy heterochromatyny
Heterochromatyna konstytutywna
" Występuje stale we wszystkich komórkach
" W jej skład wchodzi DNA niezawierający żadnych genów
" Zachowuje zwartÄ… strukturÄ™
" DNA telomerów, centromerów, pewne obszary położone w innych chromosomów
" Ludzki chromosom Y składa się w większości z heterochromatyn konstytutywnej
Heterochromatyna fakultatywna
" Przyjmuje swą postać okresowo
" Można ją obserwować czasami w pewnych komórkach
" Zawiera geny nieaktywne w pewnych komórkach lub na niektórych etapach
cyklu komórkowego
" Jeżeli geny te są nieaktywne to zawierające je regiony DNA występują w formie
heterochromatyny
Figure 10.4 Genomes 3 (© Garland Science 2007)
Heterochromatyna a euchromatyna
Heterochromatyna
" Jej struktura jest tak zwarta, iż białka biorące udział w
ekspresji genomu nie mają dostępu do DNA w takiej
formie
Euchromatyna
" Pozostałe obszary DNA chromosomowego
zawierajÄ…ce aktywne geny
" Dużo słabiej upakowane
" Umożliwia to dostęp białkom biorącym udział w
ekspresji genów
" Brak szczegółów dotyczących organizacji DNA
" Obecne pętle DNA (dzięki obserwacjom
mikroskopowym)
" Pętle DNA pomiędzy miejscami połączenia z matriks
jÄ…drowÄ… nazwano domenami strukturalnymi
" Domeny strukturalne a funkcjonalne (?)
Figure 10.4 Genomes 3 (© Garland Science 2007)
Modyfikacje chromatyny a ekspresja genomu
Sposoby w jakie struktura chromatyny może wpływać na ekspresję genów
1) Od stopnia upakowania chromatyny w danym fragmencie chromosomu
zależy, czy geny znajdujące się w tym rejonie będą ulegać ekspresji
2) Jeżeli gen jest dostępny, to jego transkrypcja zależy od modyfikacji i
sposobu ułożenia nukleosomów w rejonie składania kompleksu
inicjujÄ…cego transkrypcjÄ™.
" Rejony ściślej upakowane chromatyny
otaczajÄ… obszar o rozluz
nionej strukturze, w
którym geny są łatwo dostępne.
" Ułożenie nukleosomów w tym rejonie
wpływa na ekspresję genów
Nukleosomy położone Nukleosomy
regularnie rozsunięte
Figure 10.4 Genomes 3 (© Garland Science 2007)
Pozycje, w których grupy acetylowe są przyłączane do
N-końcowych fragmentów czterech histonów rdzeniowych
" Nukleosomy są głównym czynnikiem decydującym o aktywności
genomu u eukariotów:
a) Ułożone są na nici DNA
b) Modyfikacje struktury chemicznej białek histonowych
tworzÄ…cych nukleosomy decydujÄ… o stopniu upakowania
chromatyny
" Acetylacja histonów wpływa na wiele funkcji jądrowych łącznie z
ekspresjÄ… genomu
" Białka histonowe ulegają różnego rodzajom modyfikacjom, z których
najlepiej zbadano acetylację histonów, czyli...
Figure 10.4 Genomes 3 (© Garland Science 2007)
Pozycje, w których grupy acetylowe są przyłączane do
N-końcowych fragmentów czterech histonów rdzeniowych
" ...przyłączenie grupy acetylowej do lizyn w N-końcowym fragmencie
każdego histonu rdzeniowego
Figure 10.12 Genomes 3 (© Garland Science 2007)
Acetylacja nie jest jedynym rodzajem modyfikacji
histonów
" Modyfikacje N-końcowych fragmentów histonów H3 i H4 u ssaków
" Pokazano wszystkie znane rodzaje modyfikacji występujące w tym
rejonie: Ac=acetylacja, Me=metylacja, P-fosforylacja
" Wymienione modyfikacje mają wpływ na strukturę chromatyny i
mają znaczny wpływ na aktywność komórki
Figure 10.12 Genomes 3 (© Garland Science 2007)
Remodelowanie nukleosomów
" Kolejnym typem modyfikacji chromatyny, który może wpływać na
ekspresję genomu jest remodelowanie nukleosomów.
" Modyfikacje lub zmiany położenia nukleosomów (remodelowanie,
poślizg, transfer) w obrębie krótkich rejonów w genomie
Figure 10.12 Genomes 3 (© Garland Science 2007)
Modyfikacje DNA a ekspresja genomu
Modyfikacje DNA a ekspresja genomu
" Ważne zmiany w aktywności genomu mogą być również związane
z modyfikacjami chemicznymi samego DNA.
" Zmiany te związane z długotrwałym wyciszaniem regionów DNA.
" Możliwe jest wyciszenie całego chromosomu.
" Taki stan modyfikacji jest często dziedziczony po podziale
komórki przez komórki potomne.
" Przykład to metylacja DNA.
Figure 10.4 Genomes 3 (© Garland Science 2007)
Metylacja zachowawcza i metylacja de novo
" U Eukariota cytozyny znajdujÄ…ce siÄ™ w
chromosomowym DNA sÄ… czasami
przekształcane w 5-metylocytozynę
poprzez przyłączenie grupy metylowej
" Metylotransferazy
" U niższych Eukariota stosunkowo rzadko
" U kręgowców 10% wszystkich cytozyn w
genomie jest metylowanych
" U roślin 30% (!)
" Miejsca metylacji = cytozyny wchodzÄ…ce
w skład niektórych sekwencji 5 -CG-3 , a
u roślin 5 -CNG-3
Figure 10.18 Genomes 3 (© Garland Science 2007)
Metylacja wiąże się z piętnowaniem genomowym i
inaktywacjÄ… chromosomu X
" Dowodów powiązania metylacji DNA z wyciszaniem genomu
dostarczajÄ… dwa intrygujÄ…ce zjawiska
1) Piętnowanie genomowe
2) inaktywacja chromosomu X
Figure 10.18 Genomes 3 (© Garland Science 2007)
Piętnowanie genomowe
" Jest stosunkowo rzadką, ale ważną cechą genomów ssaków
" Polega na tym, że w jądrze diploidalnym ulega ekspresji tylko jeden
gen z pary genów na chromosomach homologicznych
" Ekspresja drugiego genu jest wyciszana na skutek metylacji
" Zjawisko to występuje też u niektórych owadów (nie u Drosophila
melanogaster) i pewnych roślin
" Zawsze ten sam gen z pary genów podlega piętnowaniu, a więc
inaktywacji
" Dla niektórych genów jest to allel dziedziczony od matki, dla innych 
od ojca
Figure 10.18 Genomes 3 (© Garland Science 2007)
Piętnowanie genomowe
" Wykazano, że ponad 60 genów człowieka i myszy podlega piętnowaniu
" Są to zarówno geny kodujące białka, jak i geny kodujące funkcjonalny
RNA
" Piętnowane geny są rozmieszczone na obszarze całego genomu
" Mają tendencję do występowania w grupach
" Np.: ludzki chromosom 15 zawiera segment o długości 22,2 Mb, w
którym znajduje się przynajmniej 10 piętnowanych genów
" Np.: ludzki chromosom 11 mniejszy segment o długość 1 Mb, w którym
znajduje się 8 piętnowanych genów
Figure 10.18 Genomes 3 (© Garland Science 2007)
Przykładem piętnowania genomowego jest ludzki gen Igf2
" Koduje czynnik wzrostowy biorÄ…cy
udział w przekazywaniu sygnałów
między komórkami
" Aktywny jest tylko allel pochodzÄ…cy
od ojca
" W chromosomie od matki różne
fragmenty DNA w regionie Igf2 sÄ…
metylowane, co uniemożliwia
ekspresjÄ™ tej kopii genu
" Inny przykład to gen H19, położony
w odległości ok. 90 kb od Igf2. Tu
sytuacja jest odwrotna - allel od
matki jest aktywny, a allell od ojca
wyciszony.
Figure 10.18 Genomes 3 (© Garland Science 2007)
Inaktywacja chromosomów
" Szczególny przypadek piętnowania prowadzący do prawie
całkowitej inaktywacji jednego z pary chromosomów X w
komórkach samicy u ssaków
" Gdyby obydwa chromosomy X u samicy były aktywne, to
wówczas białka kodowane przez geny znajdujące się na tym
chromosomie mogłyby być syntetyzowane na dwukrotnie
wyższym poziomie niż u samców
" Wyciszony chromosom X jest widoczny w jÄ…drze jako
skondensowana struktura zwana ciałkiem Barra, które składa się
głównie z heterochromatyny
" Z nieznanych powodów ok. 20% genów jest jednak nadal
funkcjonalne
Figure 10.18 Genomes 3 (© Garland Science 2007)
Inaktywacja chromosomu X
Figure 10.22a Genomes 3 (© Garland Science 2007)
Inaktywacja chromosomu X
" Komórka tetraploidalne
" Komórka diploidalna
Figure 10.22b Genomes 3 (© Garland Science 2007)
Epigenetyka
Epigenetyka
" Jedna z najszybciej rozwijajÄ…cych siÄ™ dziedzin genetyki, zajmuje siÄ™
badaniem zmienności, która nie zależy od pierwotnej sekwencji DNA,
a wynika z działania specyficznych mechanizmów regulacyjnych
(m.in. metylacji DNA, modyfikacji białek histonowych czy ekspresji
antysensownych RNA lub RNAi).
" Zmiany w ekspresji genetycznej, które są w pewnym stopniu
dziedziczone, lecz nie dotyczÄ… zmian w sekwencji DNA.
"  Środki znakujące DNA muszą przetrwać okres replikacji DNA i
podziału komórki.
Epigenetyka  badanie dziedziczności pozagenowej
.
" Fraga MF et al. (2005) Epigenetic differences arise during the lifetime of monozygotic twins. PNAS 102:10604-10609.
" Rodríguez-Rodero S et al. (2010) Epigenetic regulation of aging. Discov Med. 10:225-33.
" Feng S et al. (2010) Epigenetic reprogramming in plant and animal development. Science 29:622-7.
Proc Natl Acad Sci U S A. 2005 July 26; 102(30): 10604 10609.