WYKŁAD 3.
Replikacja− proces, w którym podwójna nić DNA (podwójna helisa) ulega skopiowaniu.
Metylacja DNA- proces przyłączania grup alkilowych (metylowych) (-CH3) do zasad azotowych nukleotydów, w szczególności do cytozyny, rzadziej do adeniny (w pozycji 6) w fazie S cyklu komórkowego. Są to zmiany odwracalne. Produktem metylacji cytozyny jest zazwyczaj 5-metylocytozyna, czasem N4-metylocytozyna. W proces ten zaangażowane są enzymy z grupy metylaz DNA (DNMT1!!!) Metydylacja jest odpowiedzialna za utrzymywanie odpowiedniej specyfikacji tkankowej i warunkuje:
prawidłowy rozwój zarodkowy, piętnowanie genomowe, inaktywację chrom. X, modyfikacje chromatyny.
ZACHOWAWCZA- metylacja cytozyny w nowo syntezowanej nici po replikacji i podziale komórki.
Miejsca w metylacji DNA rodziców służą jako matryca do prawidłowych metylacji nowych nici DNA
Metydylacja DE NOVO- dodawanie nowych grup metylowych w nowych pozycjach na obu niciach DNA dzięki dwóm współpracującym metylotransferazom.
Pietnowanie genomowe- ekspresja specyficzna dla allelu, zalezna od rodzicielskiego pochodzenia. (genom może zawierać określone genomy w których ekspresji ulega np. tylko matczyna część genu)
Genetyczny udział męskiego i żeńskiego zestawu chromosomów jest niezbędny do rozwoju prawidłowej zygoty ssaka.
Wymazywanie piętna- w zawiązkowych komórkach płciowych
Ustanawianie p.- w gametach
Nadawanie p.- w zygocie
Inaktywacja chromosomu X- w czasie wczesnego rozwoju zarodkowego u ssaków płci żeńskiej, jeden z chromosomów X zostaje zinaktywowany. Jest to mechanizm równoważenia ekspresji genów chromosomów X między komórkami samicy i samca.
Transkrypcyjne wyciszanie genów inaktywowanegoX nie jest pełne. Część genów mających allele homologiczne na Y mogą ulegać ekspresji.
MUTACJE DNA: miejsca podatne na nie mogą ulegać hydrolizie, niekontrolowanej metylacji, utlenianiu. Mogą być SPONTANICZNE (podczas replikacji) i INDUKOWANE.
np. Sąsiadujące ze sobą zasady tymidynowe pod wpływem UV tworzą dimer tymidynowy – szczególnie narażone są komórki skóry. Dzięki stabilności DNA, zmutowana część dzięki ligazie i polimerazie może być wycięta i wstawiony poprawny nowy fragment.
MUTACJE PUNKTOWE:
SUBSTYTUCJA
Tranzycja – zamiana pirymidyny na inna pirymidyne
Transwersja- zamiana puryny na pirymidne
INSERCJA- wstawienie dodatkowego fragmentu DNA
DELECJE- usunięcie fragmentu DNA
Poślizg replikacyjny- przesunięcia względem siebie nici matrycowej i kodującej, co powoduje, że część matrycy może być powielona dwukrotnie.
Depurynacja- modyfikacja DNA polegająca na hydrolizie zasady purynowej (adeniny lub guaniny od reszty nukleotydu (deoksyrybozy i reszty fosforanowej) W wyniku powstaje sam cukier bez zasady. Aparat replikacyjny pomija takie miejsce na nici matrycowej → delecja jednego nukleotydu w nowo syntezowanej nici.
Deaminacja-(dezaminacja) -reakcja chemiczna polegająca na eliminacji z cząsteczki ązek_chemiczny"związku chemicznego grupy aminowej (-NH2), najczęściej z wydzieleniem amoniaku.
DEAMINACJE NUKLEOTYDÓW:
cytozyna → uracyl
adenina → hipoksantyna
guanina → ksantyna
tymina → x
Alkilacja guaniny → 5-bromouracyl
PODSTAWOWY MECHANIZM NAPRAWCZY DNA:
Rozpoznanie i usunięcie uszkodzonego fragmentu. Nukleaza. Zerwanie wiązania kowalencyjnego.
Wypełnienie luki przez polimerazę naprawczą
Nieciągłość łańcucha likwiduje ligaza DNA- enzym łączący fragmenty okazaki podczas replikacji
MUTACJE CHROMOSOMOWE:
Deficjencja- utrata fragmentu chromosomu
Duplikacja- podwojenie fragmentu chromosomu
Inwersja – obrucenie fragmentu chromosomu o 180 stopni
Translokacja- fragment chromosomu zostaje przeniesiony na inny homologiczny chromosom
Chromosom kolisty- tworzy się podczas utraty końcowych odcinków chromosomu i połączeniu się ze sobą powstałych w ten sposób zakończeń
Izochromosom- nieprawidłowy chromosom powstający w wyniku poprzecznego podziału chromosomu, pozbawiony jednego ramienia
Chromosom dicentryczny- zawiera 2 centromery
ABERRACJE CHROMOSOMOWE
Nondysjunkcja- nieprawidłowy rozdział chromosomów do przeciwległych biegunów wrzeciona podziałowego w czasie podziału komórki.
Podczas I podziału mejotycznego: powstanie disomii i nullisomii w osobnych gametach
Podczas II podziału mejotycznego: powstanie disomii i nullisomii w jednej gamecie i drugiej normalnej gamety.
Nullisomia- brak którejś pary chromosomów homologicznych, są letalne
Disomia- stan, w którym dany chromosom występuje w komórce w 2 kopiach tworzących parę chromosomów homologicznych.
Trisomia-jest to obecność dodatkowego (trzeciego) chromosomu w danej parze homologicznej
Aneuploidia-zaburzenie ilości materiału genetycznego i oznacza, że jego ilość w komórkach nie jest wielokrotnością zawartości DNA w jednym garniturze chromosomów typowym dla danego osobnika lub gatunku (euploidia), ale ma wartość pośrednią.
Poliploidia-występuje, gdy dany organizm ma więcej niż dwa kompletne zestawy chromosomów
Triploidia-poliploidia polegająca na obecności w komórce dodatkowego zestawu chromosomów
Monosomia-utrata jednego chromosomu z pary homologicznej, która wtedy zawiera tylko jeden chromosom zamiast dwóch
Translokacja – mutacja polegająca na przemieszczeniu fragmentu chromosomu w inne miejsce tego samego lub innego chromosomu. Ten rodzaj mutacji jest przyczyną m.in. Białaczki szpikowej
Translokacja wzajemna.
Praktyczne znaczenie mają dwa rodzaje translokacji - wzajemna i robertsonowska (zwana także fuzją centryczną chromosomów akrocentrycznych), obserwowane w patologii człowieka:
Translokacja wzajemna: dwa chromosomy wymieniają między sobą odcinki. Całkowita liczba chromosomów pozostaje niezmieniona, a dwa spośród nich mają nieprawidłowe kształty
Translokacja robertsonowska: łącza się całe lub prawie całe ramiona długie chromosomów. Miejscem połączenia jest rejon centromeru. Dochodzi do utraty ramion krótkich. W kariotypie stwierdza się brak chromosomu.
Translokacja zrównoważona: zasadniczo nie zmienia się ilość materiału genetycznego, ale następuje zmiana jego rozmieszczenia w genomie. Liczba chromosomów może być prawidłowa lub zmieniona. Aberracja ta może nie przejawiać się fenotypowo. Często problem pojawia się dopiero, gdy posiadacz zaczyna myśleć o potomstwie, gdyż u dziecka może wtedy pojawić się translokacja niezrównoważona.
Translokacja niezrównoważona: zmianie ulega ogólny skład genowy. Ilość materiału jest większa, a liczba chromosomów jest prawidłowa. W tym przypadku zawsze dochodzi do ujawnienia fenotypowego choroby.
EKSPRESJA GENU – proces, w którym informacja genetyczna zawarta w genie zostaje odczytana i przepisana na jego produkty, które są białkami lub różnymi formami RNA.
U eukariotów regulacja oraz przepisywanie na mRNA odnosi się do pojedynczego genu. Proces ten zachodzi w kilku etapach:
zainicjowanie transkrypcji genu przez czynniki transkrypcyjne
synteza pre-mRNA przez polimerazę RNA
obróbka potranskrypcyjn,a dzięki której powstaje dojrzały mRNA
transport mRNA z jądra komórkowego do cytoplazmy
rozpoznanie mRNA przez rybosom i translacja białka
degradacja mRNA
fałdowanie białka (nabywanie struktury trzeciorzędowej białka)
SPICLING- element obróbki potranskrypcyjnej, składanie genu, wycinanie intronów – usunięcie intronów (sekwencji niekodujących) i połączenie eksonów (sekwencji kodujących)
GEN- podstawowa jednostka dziedziczenia, zlokalizowana w chromosomach decydująca o przekazywaniu cech potomstwu. Posiada część proksymalną i dystalną (rejon regulatorowy) , sekwencje kodujące i niekodujące.
Gen jest odcinkiem łańcucha DNA, zawierającym pewną liczbę nukleotydów których sekwencja stanowi informację genetyczną, warunkującą syntezę określonych białek (biosynteza białka) RNA, co w dalszej konsekwencji w toku skomplikowanych ciągów reakcji prowadzi do wykształcenia się określonej cechy organizmu. Geny występują także u bakteri i wirusów nie posiadających chromosomów.
POLIMERAZA DNA- enzym katalizujący syntezę DNA w czasie replikacji lub naprawy DNA. wiąże się do specyficznej sekwencji o długości ok. 60nm.
Transkrypt niestabilny: u procariota natychmiastowa translacja, u eucariota transkrypt modyfikowany.
Kierunek odczytu nici matrycowej : 3' → 5'. Kierunkowość działania polimerazy DNA warunkuje, która nić będzie matrycową. Zalezy to od kierunku promotora.
Histony wchodzące w skład chromatyny podlegają ,modyfikacjom potranslacyjnym chromatyny. Jest to konieczne do przeprowadzenia replikacji DNA lub transkrypcji. Najczęstsze modyfikacje, którym podlegają histony w trakcie cyklu komórkowego, to:
acetylacja i deacetylacja
metylacja i dimetylacja- modyfikacje te są rzadko spotykane wśród innych białek
fosforylacja i defosforyzacja
ubikwityzacja
Wśród kwasów rybonukleinowych wyróżnia się m.in.:
informacyjne lub matrycowe RNA (mRNA) -kodują białka
rybosomalne RNA (rRNA)- stanowią część struktury rybosomu i uczestniczą w syntezie białka
transferowe RNA (tRNA)- w procesie biosyntezy białka pośredniczą między mRNA i aminokwasami w odczytywaniu kodonów
małe jądrowe RNA (snRNA) – pełniące funkcje enzymatyczne przy wycinaniu intronów z transkryptu. Uczestniczą w spiclingu, transporcie białek do ER i innych procesach komórkowych.
TRANSKRYPCJA- powstawanie łańcucha RNA komplementarnego do jednej z nici DNA
jednostka transkrypcji- odcinek DNA od promotora do terminatora
inicjacja transkrypcji- łączenie się głównych czynników transkrypcyjnych
Najważniejsza kontrola ekspresji genu ma miejsce na poziomie transkrypcji (inicjacja!). W komórkach eukariotycznych sposobem regulacji ekspresji genów jest występowanie specjalnych białek, które mogą hamować lub pobudzać proces transkrypcji genów (silencery lub enhancery).
1.kontrola transkrypcji
2.spicling
3.kontrola translacji
4.kontrola aktywności białka
REDAGOWANIE RNA- deaminaza jelitowa przekształca Cytozynę w Uracyl (generacja przedwczesnego kodonu stop)
Tylko zdefosforylowana polimeraza może inicjować transkrypcję.
„Czapeczka” przyłączana przez polimerazę RNA
PAP-Polimeraza Poli-AAA
Dojrzały transkrypt jest eksportowany do cytozolu.
Synteza rybosomów jest procesem bardziej skomplikowanym i zachodzi w jąderku, gdzie rRNA łączy się z odpowiednimi białkami. W wyniku tych procesów tworzą się kompleksy rRNA-białko, które można nazywać pierwotnymi podjednostkami. Zanim jednak znajdą się one w cytoplazmie, poddawane są kilkustopniowej procedurze dojrzewania. Po jej przejściu, już jako gotowe podjednostki, wędrują do cytoplazmy i dopiero tu łącza się ze sobą tworząc kompletny rybosom.
Rybosom składa się z dwóch, różniących się od siebie podjednostek: dużej (60S u Eucaryota lub 50S u Procaryota) oraz małej (40S u Eucaryota lub 30S u Procaryota)
Białka wiążące DNA– szeroka klasa białek posiadających motywy strukturalne pozwalające im na wiązanie się do dwu- lub jednoniciowego DNA. Przykładem takich białek mogą być czynniki transkrypcyjne których funkcją jest regulacja ekspresji genów oraz polimerazy zależne od kwasów nukleinowych zaangażowane w replikację DNA i transkrypcję na mRNA.
Domeny wiążące DNA
helisa-skręt-helisa (ang. helix-turn-helix)
zamek leucynowy (suwak leucynowy, ang. leucine zipper, bZIP)
helisa-pętla-helisa (ang. helix-loop-helix)
uskrzydlona helisa-pętla-helisa (ang. winged helix-loop-helix)
Palec cynkowy, – rodzaj domeny białkowej występującej w białkach wiążących DNA i biorący bezpośredni udział w związaniu cząsteczki kwasu nukleinowego przez białko. Palec cynkowy składa się z dwóch antyrównoległych β-kartek i α-helisy. Obecność jonu cynku(Zn2+) jest kluczowa dla stabilności domeny – w przypadku jego braku nie dochodzi do powstania wystarczająco dużej domeny posiadającej hydrofobowy rdzeń i przez to funkcjonalnej.
Zamek leucynowy (suwak leucynowy) – trójwymiarowy białkowy motyw strukturalny łączący ze sobą białkowehelisy α. Zamki leucynowe stanowią często fragment białek wiążących DNA w różnych czynnikach transkrypcyjnych, a zatem biorą udział w regulacji ekspresji genów. Spotyka się je zarówno w prokariotycznych, jak i w eukariotycznych białkach regulatorowych, przy czym u tych drugich są znajdowane częściej. RodzinabZip czynników transkrypcyjnych oprócz zamka leucynowego zawiera region zasadowy, który poprzezwiązania wodorowe oddziałuje z większym rowkiem cząsteczki DNA.