GENOMY PROKARYOTA I EUKARYOTA
Piotr Nowosad
EFEKT KOC
COWY
Po zakończeniu seminarium powinieneś:
- zdefiniować pojęcie  genom ;
- charakteryzować organizmy prokariotyczne i eukariotyczne;
- wykazać różnice w budowie DNA i RNA;
- omówić cechy genomu prokariotycznego;
- scharakteryzować genom eukariotyczny.
Czy genom jest sumą wszystkich genów?
Każdy organizm żywy jest zdolny do funkcjonowania dzięki informacji genetycznej, która
utrzymuje go przy życiu, warunkuje rozwój oraz podatność lub odporność organizmu na
szereg czynników środowiska zewnętrznego i wewnętrznego. Informacja taka jest
zakodowana w formie sekwencji zasad azotowych na nici DNA
Genom, to cała informacja
tworząc geny, których ekspresja umożliwia syntezę
genetyczna komórki.
polipeptydów. Cała taka informacja genetyczna każdego
organizmu jest określana terminem  genom . Jednak genom nie składa się jedynie z
informacji genetycznej podlegającej ekspresji, czyli zawartej w genach. W skład genomu
wchodzą również sekwencje niekodujące, znajdujące się w obrębie genów (introny), a także
sekwencje znajdujące się pomiędzy genami (sekwencje intergenowe). Ponadto, genom jest
utworzony nie tylko z DNA związanego z chromosomami, lecz
Genom niektórych wirusów
także z DNA znajdującego się poza nimi. Zatem genom każdej
tworzy wyłącznie RNA.
komórki jest utworzony przez wszystkie cząsteczki DNA.
Oznacza to, że w przypadku organizmów eukariotycznych jest on tworzony zarówno przez
DNA jądrowy, jak również organellowy tj., mitochondrialny i chloroplastowy. Ggenom
komórka bakteryjna komórka zwierzęca komórka roślinna
DNA bakteryjne DNA DNA DNA
mitochondrialne chloroplastowe jądrowe
DNA DNA
mitochondrialne jądrowe
prokariotyczny składa się natomiast z informacji zawartej zarówno w chromosomie, jak i w
plazmidzie (o ile występuje w komórce). Logicznym wnioskiem jest zatem stwierdzenie, iż
genomy różnych organizmów powinny wykazywać odmienne cechy.
W trakcie tego seminarium zostaną omówione wybrane cechy genomów organizmów
prokariotycznych oraz eukariotycznych.
Prokaryota czy Eukaryota?
W systematyce organizmów można wydzielić dwa główne działy: Prokaryota
(prokarionty) oraz Eukaryota (eukarionty). Organizmy
Prokaryota: pro  przed;
prokariotyczne nie posiadają jądra komórkowego oraz błony
caryon  jądro.
jądrowej. DNA prokariontów nie jest połączone z histonami
i tworzy dość luz
ną strukturę zwaną chromosomem (genoforem) na obszarze stanowiącym
odpowiednik jądra komórkowego (nukleoid). Dział Prokaryota obejmuje organizmy
jednokomórkowe takie, jak np. bakterie, sinice i mikoplazmy. Często prokariontom nadaje się
rangę królestwa Prokaryotae.
Odmiennie niż u Prokaryota, komórki organizmów eukariotycznych posiadają dobrze
wykształcone jądro komórkowe, które otoczone jest błoną
Eukaryota: eu  właściwy,
jądrową. Do działu Eukaryota zalicza się zarówno organizmy
prawdziwy; caryon  jądro.
jednokomórkowe oraz wielokomórkowe. Obejmuje on m. in.
następujące królestwa: Protista, Fungi, Plantae oraz Animalia.
Cechy genomu Prokaryota
Genom prokariotyczny jest utworzony głównie przez pojedynczą, kolistą cząsteczkę
DNA, która tworzy pierścieniowy chromosom. DNA chromosomu bakteryjnego nie jest zwią-
zany z histonami, choć białka izolo-
wane z komórek Escherchia coli
wykazują do nich duże podobień-
stwo. Upakowanie DNA w komór-
ce prokariotycznej jest możliwe
dzięki skręceniom superhelikalnym
oraz aktywności enzymatycznej to-
poizomeraz. W ten sposób tworzo-
ne są duże pętle (domeny) zwierają-
ce dodatkowe superhelikalne skręty
DNA. Wszystkie domeny są połączone w jednym miejscu zwanym rdzeniem białkowym.
W komórce bakteryjnej często występuje dodatkowa, kolista cząsteczka DNA  plazmid.
Zawiera ona dodatkową informację genetyczną, która warunkuje szereg nowych właściwości
komórki, jak np. oporność na działanie antybiotyków. W zależności od
rodzaju plazmidu  nowa informacja genetyczna może zostać zintegrowana
z DNA chromosomowym lub też przekazana innej komórce bakteryjnej.
PLAZMID
Uważa się, że jedna z możliwości powstawania
Jedna komórka bakteryjna
oporności komórek bakteryjnych na działanie
może zawierać jednocześnie
antybiotyków (lub innych czynników mutagen-
kilka typów plazmidów.
nych) związana jest plazmidami. Wyróżnia się
CHROMOSOM
pięć typów plazmidów w zależności od zawartych w nich genów kodujących
pewne właściwości: plazmidy wirulencji, plazmidy kolicynowe kodujące
białka antagonistyczne dla innych bakterii, plazmidy degradacyjne zawierające geny powodu-
jące zdolność metabolizowania związków chemicznych, plazmidy typu F umożliwiające
transmisję genów pomiędzy komórkami bakterii (koniugacja)
Czasem obecność różnych
oraz plazmidy typu R, które warunkują nie tylko powstawanie
typów plazmidów w komórce
oporności na działanie antybiotyków, lecz również transfer tej
wyklucza się nawzajem.
cechy do innych, nawet gatunkowo odmiennych komórek bakte-
ryjnych.
Pozostałe cechy genomu prokariotycznego zostały opisane na przykładzie E. coli. Bakte-
ryjne genomy są o wiele mniejsze
Porównanie wielkości genomów wybranych gatunków bakterii
niż eukariotyczne, a także zawie-
Wielkość genomu
rają mniej genów (od kilkuset do
Bakteria
(w mln par zasad = Mpz)
kilku tysięcy genów). Są one bar-
Borrelia burgdorferi 1,44
dziej skondensowane i zwarte niż
genomy eukariotyczne. Charakte-
Helicobacter pylori 1,66
ryzują się także brakiem genów
Haemophilus influenzae 1,83
nieciągłych, co oznacza, że nie
Mycobacterium tuberculosis 4,40
występują w nich introny. DNA
Echerichia coli 4,64
genomu prokariotycznego zawie-
ra unikalne sekwencje zasad azo-
towych, co oznacza, że każdy gen występuje w genomie tylko raz. Charakterystyczne dla ge-
nomu bakteryjnego są również tzw. sekwencje insercyjne. Są to transpozony, czyli sekwencje
DNA, które mogą przemieszczać się zarówno w obrębie danego genomu bakteryjnego, jak
również z jednego genomu do drugiego.
Charakterystyczne dla genomu prokariotycznego są również enzymy, które katalizują
powstawanie nowych nici DNA w procesie replikacji  polimerazy DNA. Do swojej
aktywności wymagają nici wzorcowej (matrycy), której sekwencja jest odczytywana
w kierunku 3 5 , natomiast jednoczesna synteza nowej nici odbywa się w kierunku 5 3 .
U Procaryota można wyróżnić trzy polimerazy oznaczane cyframi rzymskimi (I, II i III).
Głównym enzymem replikacyjnym jest Pol DNA III (replikaza), której stężenie w komórce
jest najniższe. Charakteryzuje się ona wysokim poziomem aktywności, lecz przy tym niższą
wiernością replikacji w porównaniu z pozostałymi polimerazami. Dokładnie przeciwne
właściwości wykazuje Pol DNA I, której stężenie w komórce jest wysokie, aktywność
replikacyjna niższa w porównaniu do Pol DNA III, lecz za to wierność replikacji wyższa.
Inaczej mówiąc, Pol DNA I syntetyzuje nową nić DNA powoli lecz dokładnie, podczas gdy
Pol DNA III szybko lecz z większa liczbą pomyłek. Nie oznacza to, ze Pol DNA I nie
popełnia pomyłek w czasie syntezy nowej nici. Pomyłki polimeraz w czasie syntezy są
jednym ze z
ródeł spontanicznych uszkodzeń DNA, które mogą doprowadzić do mutacji.
Obok wielu mechanizmów naprawy uszkodzeń DNA istnieje jeden, który zależy wyłącznie
od polimeraz DNA. Posiadają one zdolność do autokorekty
Wszystkie polimerazy wykazują
i mogą poprawiać swoje własne błędy replikacyjne. Jest to
zdolność do autokorekty.
możliwe dzięki ich aktywności egzonukleazowej 3 5 ,
która umożliwia sprawdzenie i ewentualne usunięcie nieprawidłowo sparowanych
(wprowadzonych) nukleotydów. W komórce prokariotycznej Pol DNA I bierze udział
w różnych systemach naprawy uszkodzeń DNA oraz spełnia pomocniczą rolę w procesie
replikacji. Jej funkcja jest związana z usuwaniem starterów z fragmentów Okazaki (dzięki
aktywności egzonukleazowej 5 3 ) oraz syntezie fragmentów nowej nici DNA.
Cechy genomu Eukaryota
Genomy gatunków eukariotycznych
Wielkości wybranych genomów eukariotycznych
posiadają zróżnicowaną wielkość, jednak
Wielkość genomu
przewyższającą wielkość genomów pro-
Organizm
(w mln par zasad = Mpz)
kariotycznych. Pomimo tego, błędem jest
muszka owocowa 140 korelowanie poziomu rozwoju ewolucyj-
nego z wielkością genomu, jak również
człowiek 3 000
nie można oceniać stopnia skomplikowa-
mysz 3 300
nia organizmu tylko na podstawie wiel-
pszenica 17 000
kości jego genomu. Genom eukariotycz-
ny jest utworzony przez genom jądrowy, który zawiera większość informacji genetycznej
oraz genom organellowy, w którym znajduje się niewielka część całkowitego DNA komórki.
Genomy organellowe (mitochondrialne i chloroplastowe) w większości mają formę kolistych
cząsteczek DNA i swoją budową przypominają genomy organizmów prokariotycznych.
Cecha ta wskazuje na ewolucyjne pochodzenie organizmów eukariotycznych, których
komórki powstały prawdopodobnie na drodze endosymbiozy prymitywnych organizmów
prokariotycznych. W odróżnieniu jednak od genomów prokariotycznych, genomy
mitochondrialne oraz chloroplastowe zawierają kilka cząsteczek DNA. Ponadto, DNA
organellowe wykazuje zdolność do samodzielnej replikacji, niezależnej od replikacji DNA
chromosomalnego.
Mitochondrialny DNA (mt DNA)
Genom mitochondrialny zawiera geny kodujące mt tRNA, mt rRNA i niektóre podjednostki
białek łańcucha oddechowego (cytochromu b, syntazy ATP, oksydazy cytochromowej oraz
dehydrogenazy NADH). Podane poniżej cechy mt DNA charakteryzują mt DNA człowieka:
" jest dziedziczony w linii matczynej;
" składa się z 2 do 10 kolistych cząsteczek DNA;
" zawiera około 37 genów oraz 17 kpz;
" geny są ułożone w sposób ciągły (brak intronów);
" jest transkrybowany w całości;
" kod genetyczny mt DNA wykazuje pewne odstępstwa od kodu standardowego, np. kodon
UGA koduje tryptofan, podczas gdy w jądrowym DNA jest sekwencją  stop , natomiast
kodony AGA i AGG w mt DNA są sygnałami terminacyjnymi, podczas gdy w jądrowym
DNA kodują argininę;
" nie jest połączony z histonami i dlatego jest bardziej narażony na działanie czynników
mutagennych (np. na powstające in situ wolne rodniki pochodzenia tlenowego);
" wykazuje wyższą (nawet 10-krotnie) częstość mutacji niż DNA jądrowy.
Cloroplastowy DNA (cp DNA)
DNA chloroplastowy zawiera więcej genów niż DNA mitochondrialny. Są to przede
wszystkim geny kodujące cp tRNA, cp rRNA oraz geny dla około 50 polipeptydów (w tym
białek aparatu fotosyntetycznego).
Genom jądrowy
Składa się z wielu liniowych cząsteczek DNA, które w połączeniu z histonami tworzą
odrębne chromosomy, czyli stałe i samo-odtwarzające się składniki jądra komórkowego.
Oczywiście chromosomy są zdecydowanie krótsze niż zawarty w nich DNA. Typowy
chromosom eukariotyczny zawiera 1-20 cm DNA, który dzięki swoistemu mechanizmowi
upakowania mieści się w chromosomie. Istotnym elementem mechanizmu pakowania DNA
są specyficzne białka  histony. Stanowią one 40-50 % składu chromatyny. Wykazują one
charakter silnie zasadowy, z uwagi na wysoki poziom
Lizyna i arginina stanowi 30%
zawartej lizyny i argininy. Histony są białkami tkankowo
wszystkich aminokwasów w histonie
i gatunkowo niespecyficznymi co oznacza, że cechuje je
ogromny konserwatyzm; wykazują podobna budowę niezależnie od gatunku, osobnika czy
tkanki. Wyróżnia się pięć klas histonów: H1 (zw. łącznik nukleosomowy), H2a i H2b (histony
brzegowe) oraz H3 i H4 (histony rdzeniowe). Histony tworzą nukleosom, czyli podstawową
jednostkę strukturalną chromatyny. Rdzeń nukleosomu składa się z dwóch kopii histonów
H2A, H2B, H3 oraz H4 tworząc oktamer histonowy (dwa tetramery histonów brzegowych
i rdzeniowych). Natomiast histon H1 jest usytuowany poza rdzeniem i spina chromatynę.
W poszczególnych stopniach upakowania DNA chromosomach można wyróżnić następujące
poziomy: chromatyna (DNA + histony) solenoid domeny chromatyda
chromosom.
Typowy chromosom metafazowy składa się z następujących elementów:
centromeru  najbardziej skondensowanego regionu chromosomu, do
satelita
którego przyłącza się w kinetochorach wrzeciono podziałowe w cza-
sie mitozy (stąd częsta nazwa synonimowa  kinetochor); utworzony
telomer
jest głównie z powtarzających się sekwencji.
telomeru  region końcowy każdego chromosomu (chromatydy). Ich
funkcja jest bardzo istotna, ponieważ oznaczają naturalne końce
chromosomów; utworzone są z wielu kopii powtarzalnej sekwencji
(u człowieka 5 -TTAGGG=3 ).
satelity  krótkie segmenty chromosomu oddzielone od reszty prze-
centromer
wężeniem, związane z tworzeniem jąderka.
Można wyróżnić kilka typów chromosomów: metacentryczny, o rów-
chromatyda
nych ramionach chromatyd; submeta-
Kariotyp człowieka nie zawiera
centryczny, w którym centromer jest
chromosomów telocentrycznych.
delikatnie przesunięty ku jednemu z
końców chromatyd; akrocentryczny, o ramionach chromatyd wyraz
nie
zróżnicowanych w długości; telocentryczny, w którym brak jest jednego
z ramion. Zestaw wszystkich chromosomów w komórce somatycznej,
o liczbie i morfologii charakterystycznej dla
Liczba chromosomów wybranych gatunków
danego organizmu (gatunku) tworzy kario-
Organizm Liczba chromosomów typ. U człowieka genom zawiera 22 pary
autosomów oraz 1 parę heterochromosomów
muszka owocowa 2 x 4
XX lub XY (46, XX lub 46, XY). podobnie
mysz 2 x 20
jak to miało miejsce przy omawianiu wiel-
człowiek 2 x 23
kości genomu Eukaryota tak i teraz nie
można twierdzić, iż liczba chromosomów
skrzyp polny 2 x 54
świadczy o zaawansowaniu ewolucyjnym
jakiegoś gatunku.
Geny organizmów eukariotycznych są genami nieciągłymi, oznacza to iż informacja
o sekwencji aminokwasów nie jest ciągła, lecz jest poprzerywana odcinkami niekodującymi.
Sekwencje kodujące nazywane są eksonami, natomiast sekwencje niekodujące w obrębie
genu to introny. Jeżeli przyjmiemy za 100% całą sekwencję geno-
Jedynie 3-5% całego DNA
mu jądrowego organizmów eukariotycznych to okaże się, iż
człowieka zawiera eksony.
ekspresji ulegają sekwencje stanowiące jedynie kilka procent
całego genomu jądrowego, a zatem większość genomu jądrowego stanowią sekwencje nie-
kodujące, które podlegają procesowi transkrypcji, jednak nie translacji. Ponadto geny w geno-
mie jądrowym są rozproszone, czyli rozmieszczone w różnych miejscach chromosomów i są
porozdzielane niekodującymi intergenowymi odcinkami DNA (DNA intergenowy, między-
genowy, pozagenowy). Co więcej, geny nie są rozłożone równomiernie w kolejnych chromo-
somach a pewne fragmenty genomu wcale nie zawierają genów (np. sekwencje DNA w cen-
tromerach lub telomerach).
Genom człowieka obejmuje ok. 25 000 genów. Jednak geny i sekwencje związane
z genami stanowią około 30% całego jądrowego DNA. Na sekwencje związane z genami
składają się:
" eksony;
" introny, sekwencje początkowe i sekwencje końcowe genu;
" pseudogeny  sekwencje DNA homologiczne do prawidłowych genów, które w wyniku
mutacji nie mają już zdolności do ekspresji, zwykle na skutek utworzenia kodonu  stop ;
" fragmenty genów  są efektem dawnych zdarzeń, które na skutek delecji lub rekombinacji
doprowadziły do fragmentacji genu.
Pozostałe 70% DNA jądrowego stanowi tzw. DNA pozagenowy (intergenowy).
Obejmuje on sekwencje, które nie są w żaden sposób związane z genami, a zatem nie
podlegają ekspresji (nie są także intronami). W ramach DNA pozagenowego można
wyróżnić:
" sekwencje unikatowe, które stanowią większość intergenowego DNA i jak wskazuje
nazwa, charakteryzują się małą liczbą kopii;
" sekwencje powtarzające się w genomie jądrowym:
powtarzające się sekwencje rozproszone w genomie; wśród nich wyróżniamy:
LTR  są to długie powtórzenia końcowe (long terminal repeats), które odgrywają
istotną rolę w procesie transpozycji;
SINE  są to krótkie rozproszone elementy jądrowe (short interspersed nuclear
elements), które pomimo braku genu odwrotnej transkryptazy mogą ulegać
transpozycji; w genomie człowieka najlepiej poznanym elementem SINE jest
sekwencja Alu, o wielkość 300 pz, która występuje w prawie milionie kopii
rozproszonych po całym genomie jądrowym; jakkolwiek pochodzenie sekwencji
Alu nie jest wyjaśnione zakłada się, iż powstały one jako pseudogen, który nabył
cechy transpozonów i poprzez replikowanie zdolność do przenoszenia się w wielu
kopiach w obrębie genomu jądrowego;
LINE  są to długie rozproszone elementy jądrowe (long interspersed nuclear
elements), które zawierają gen odwrotnej transkryptazy; sekwencja znaną
z ludzkiego genomu jądrowego jest element LINE 1 (L1 LINE), który wykazuje
długość ok. 6 000 pz i występuje w ok. 60 000 kopii; sekwencje LINE dzięki
transpozycji mają zdolność przemieszczania się w obrębie genomu, a poprzez
odwrotną transkrypcję mogą wprowadzać w odległych nawet miejscach genomu
jądrowego nowe kopie sekwencji;
powtórzenia tandemowe, występują seryjnie, jako ciągi zespolonych sekwencji,
w ramach których można wyróżnić:
DNA satelitarny  są to sekwencje zawierające motywy o długości do 200 pz,
które tworzą grupy o długości do 5000 kpz, zlokalizowane głównie
w centromerach chromosomów;
DNA minisatelitarny  są to motywy zawierające 10-100 nukleotydów,
występujące w zespołach o długości do 20 kpz; sekwencje minisatelitarnego DNA
występują w telomerach chromosomów;
DNA mikrosatelitarny  to proste powtórzenia tandemowe wielkości 2-4 pz,
które tworzą grupy do 150 pz.
Warto pamiętać, że liczba chromosomów w komórkach danego organizmu oraz liczba
genów nie jest skorelowana ani ze stopniem skomplikowania, ani z wielkością genomu tego
organizmu. Jest raczej odzwierciedleniem zdarzeń ewolucyjnych, które ukształtowały
strukturę genomów w różnych organizmach.
Zalecane piśmiennictwo:
1. Brown T. Genomy. PWN, 2001.
2. Drewa G., Ferenc T. Podstawy genetyki dla studentów i lekarzy. Urban & Partner, 2003.
3. Passarge E. Genetyka. Ilustrowany przewodnik. PZWL, 2004.
4. Winter P.C., Hickey G.I, Fletcher H.L. Genetyka. Krótkie wykłady. PWN, 2004.