24.02.2004r.

Genom człowieka - całkowity DNA komórki, obejmujące wszystkie geny oraz odcinki między genowe.

Informacja genetyczna człowieka zapisana jest w genomie:

• jądrowym:

• ponad 3 miliardy par zasad DNA

• 24 liniowe cząsteczki DNA o różnej długości (od 55 do 250 Mb) i każda zawarta w odrębnym chromosomie (22 pary autosomów i 2 chromosomy płci);

• mitochondrialnym:

• dwuniciowa kolista cząsteczka DNA;

• 16569 pz (ok. 0,0005% genomu jądrowego).

Struktura genomu (3000 Mb)

• sekwencje genomu i sekwencje związane z genami (900 Mb)

• sekwencje kodujące białka (geny 90 Mb)

• sekwencje niekodujące (810 Mb) pseudogeny, fragmenty genów, intron

• sekwencje pozagenowe (2100 Mb)

• sekwencje pojedyncze o małej liczbie kopii (1680 Mb)

• sekwencje powtarzające się rozproszone w genomie (420 Mb).

Geny (niewielka część sekwencji unikatowych) - 10% całego genomu.

• podstawowe jednostki dziedziczenia zawarte w chromosomach i zbudowane z DNA lub RNA (u niektórych wirusów), w których zapisana jest informacja o kodowanym produkcie;

• geny i związane z nimi sekwencje regulacyjne stanowią około 75% genomu;

• w całym genomie jest około 50000 genów;

• gen strukturalny (w wyniku jego ekspresji powstaje białko) występuje w postaci pojedynczej kopii w haploidalnym genomie

(komórki somatyczne - diploidalne 22 pary autosomów i 1 para chromosomów płci; gamety - haploidalne: 23 chromosomy);

• około 20% genów (geny metabolizmu podstawowego - housekeeping genes) podlega ekspresji we wszystkich tkankach, geny konstytutywne funkcjonujące przez cały okres życia komórki;

• około 80% genów podlega ekspresji jedynie w określonym czasie i miejscach, np. ekspresja genu insuliny w komórkach β wysp trzustkowych.

Intronowo-eksonowa struktura genów (geny nieciągłe) - charakterystyczne dla większości organizmów eukariotycznych.

W strukturze genu mogą być zawarte:

• fragmenty kodujące - eksony;

• elementy niekodujące - introny, fragmenty regionu flankującego 5', fragmenty regionu flankującego 3'.

Eksony - sekwencje reprezentowane w dojrzałym mRNA

• funkcjonalne części genów, których sekwencje kodują białka;

• sekwencja eksonu może występować w zbliżonej formie w jednym lub kilku innych genach, tzw. rodziny genów (gr. gena) o identycznej lub podobnej sekwencji (np. geny RNA rybosomowego).

Introny - sekwencje wycinane z pierwotnego transkryptu mRNA zanim dojrzała forma mRNA opuści jądro komórkowe

• niekodujące sekwencje DNA, które przerywają sekwencje kodujące;

• stanowią znaczną część większości genów eukariotycznych;

• funkcja nierozstrzygnięta (nie wiadomo, czy istnieje):

• wspieranie procesu mieszania genów podczas crossing over;

• modyfikacja czasu niezbędnego dla replikacji i transkrypcji DNA;

• różnią się długością, powodując zmienną długość genów: u eukariotów introny są dłuższe od eksonów;

• nie wykazują pokrewieństwa z innymi sekwencjami w genomie pomimo, że zawierają większość rozproszonych wielokrotnie powtórzonych sekwencji.

Granice pomiędzy eksonami i intronami nie są przypadkowymi sekwencjami zasad - przeważnie pierwsze duże zasady intronu od końca 5' to GT, a ostatnie od końca 3' to AG.

Region flankujący 5' - obecne sekwencje niezbędne do prawidłowego przebiegu transkrypcji

• najbliżej końca 5' znajdują się dowolne regiony z sekwencjami regulatorowymi;

• region promotorowy (sekwencje bezpośrednio przylegające do sekwencji eksonu), z którym wiąże się polimeraza RNA II w celu zapoczątkowania transkrypcji.

Region flankujący 3' - sekwencje terminacyjne

• sekwencje rozpoznawcze dla odcięcia transkryptu pierwotnego mRNA;

• sekwencje poliadenylacji (od końca 3' łańcucha mRNA dodane zostaje 100 - 200 zasad adeninowych, tworzy się tzw. ogon poly A).

Geny nie podlegające regulacji - pseudogeny:

• niefunkcjonalne sekwencje nie podlegające transkrypcji, translacji, a będąc zmiennymi elementami rodzin genowych;

• typ 1 - pseudogeny zwykłe, pochodzące z genów funkcjonalnych, które zostały unieczynnione z powodu wielu szkodliwych mutacji (zachowują strukturę eksonów i intronów);

• typ 2 - retropseudogeny, które zostały utworzone przez wprowadzenie do genomu retrotranskryptu, tj. odwrotnego transkryptu mRNA genów funkcjonalnych - cDNA (nie posiadają promotora oraz intronów)

Wstawianie retropseudogenów następuje w miejscach losowych.

Sekwencje powtarzalne - powtórzenia rozproszone w całym genomie

• sekwencje długie LINE (long interspersed nuclear elements) do 7000 pz

• sekwencje krótkie SINE (short interspersed nuclear elements) 90 - 500 pz

• LTR (long terminal repeats)

• transpozony DNA

• sekwencje powtórzone tandemowe

• sekwencje satelitarne (10% sekwencji powtórzonych) - tandemowe powtórzenia krótkiej sekwencji, zblokowane w określonych miejscach chromosomu, głównie w centromerach i na końcach chromosomów

(nazwa pochodzi od właściwości DNA w czasie wirowania w gradiencie gęstości chlorku cezu, jako „satelita” pojawia się DNA, które jest oddzielone od innych form DNA w gradiencie)

• sekwencje minisatelitarne - bloki wielokrotnych kopii motywu zawierającego od 10 do 100 pz (całkowita długość powtórzeń około kilka tysięcy par zasad)

• sekwencje mikrosatelitarne - bloki wielokrotnych kopii motywu zawierającego od 1 do 6 pz (całkowita długość powtórzeń do kilkuset pz)

Sekwencje ruchome (transpozony) - fragmenty DNA zdolne do przemieszczania się w obrębie genomu, ulegają insercji w inne lokalizacje chromosomów.

• transpozony - sekwencje DNA ulegające bezpośredniej transpozycji w obrębie tego samego chromosomu za pośrednictwem mechanizmu „wytnij i wklej”, bez przepisywania na mRNA (transpozycje konserwatywne);

• retrotranspozony - fragmenty DNA, które mogą ulegać transpozycji na drodze DNA-RNA-DNA, zawierają pełną informację genetyczną, kodującą białka enzymatyczne niezbędne do retrotranspozycji wewnątrzkomórkowej, są to przekształcone pseudogeny, wywodzące się z genów kodujących krótkie cytoplazmatyczne RNA (transpozycja replikacyjna).

Mechanizm przemieszczania się transpozonów.

Przedstawione na rysunku donorowe i docelowe odcinki DNA mogą być fragmentem tej samej cząsteczki DNA (np. genomu bakteryjnego) lub znajdować się w różnych cząsteczkach DNA (np. w chromosomie bakteryjnym i w plazmidzie).

Przemieszczanie się eukariotycznych retrotranspozonów.

Transpozony przemieszczają się ulegając najpierw przepisaniu na RNA, na podstawie którego następnie tworzona jest kopia dwuniciowego DNA. Kopia DNA ulega insercji w docelowym miejscu cząsteczki DNA. (A) Podczas niereplikacyjnej transpozycji typu „wytnij i wklej”, transpozon jest wycinany z donorowego DNA i integrowany z docelowym DNA, pozostawiając opuszczone miejsce w postaci rozciętego DNA donorowego. (Donorowy DNA może być naprawiony różnymi sposobami, ale czasem powstają w nim delecje lub dochodzi do rearanżacji.)

Miejsce docelowe może znajdować się na tej samej cząsteczce DNA, która zawiera sekwencję donorową lub na innej. Ze względu na podobieństwo tego mechanizmu do replikacji wirusów znanych jako retrowirusy, transpozony tego typu są nazywane retrotranspozonami.

Genom mitochondrialny:

• mitochondria - organella wewnątrzkomórkowe, dziedziczące się prawie wyłącznie po matce

• w plemniku ok. 20 mitochondriów;

• w komórce jajowej dziesiątki tysięcy;

• w komórce somatycznej średnio około 1000 - najwięcej w tkance mięśniowej poprzecznie prążkowanej, mięśniu sercowym, nerce i ośrodkowym układzie nerwowym.

mtDNA:

• dwuniciowa kolista cząsteczka DNA o 16569 pz (ok. 1% całkowitego DNA w komórce)

• nić lekka L - zapisana informacja o sekwencji 1 białka i 8 tRNA

• nić ciężka H (zawiera większość genów)

• 22 geny kodujące tRNA;

• 2 geny kodujące rRNA;

• 13 genów kodujących białka;

• pętla D - region między genami, w którym zachodzi inicjacja transkrypcji DNA (87 pz);

• nie zawiera intronów;

• nie ulega rekombinacji;

• niewiele możliwości naprawy DNA;

• liczba mutacji ok. 10 razy wyższa niż w DNA jądrowym (w mitochondriach zachodzi proces tlenowego oddychania wewnątrzkomórkowego - ok. 3% tlenu ulega przemianie w wolne rodniki tlenowe o właściwościach mutagennych);

• mutacje mtDNA kodującego białka mogą powodować choroby, które przekazywane są przez komórkę jajową od chorej matki - do wszystkich jej dzieci, niezależnie od płci, np. atrofia nerwów wzrokowych Lebera; dalszym pokoleniom cechę tę przekazują tylko córki (dziedziczenie niemendlowskie).

2

---