KOD GENETYCZNY

Kod genetyczny – sposób zapisu informacji genetycznej. Określa, w jaki sposób sekwencja RNA jest tłumaczona na sekwencję informacji w białku. Przyporządkowuje trójką nukleotydów w RNA znaczenie. Błędne jest stwierdzenie: poznanie kodu genetycznego jakiegoś organizmu (tak naprawdę chodzi o genom, a kod genetyczny jest ciągle ten sam).

Cechy kodu genetycznego:

1. Trójkowy – kodony = trójki nukleotydów, zapisują aminokwasy

2. Jednoznaczny – każda trójka ma jednoznaczne znaczenie, jedna trójka może zapisywać tylko jedną informację

3. Zdegenerowany – jeden aminokwas może być zapisywany przez różne trójki nukleotydów (tylko tryptofan i metionina są zapisywane tylko przez jeden kodon)

4. Występują kodony przestankowe = kodony stop – UAA, UAG, UGA- nie istnieją dla nich w komórce tRNA, nie zapisują aminokwasów, ich znaczenie – terminują, kończą translację

5. Nieuniwersalny (czasami też jest pisane, że jest uniwersalny;)) – z drobnym przybliżeniem jest uniwersalny. Przez długi czas sądzono, że jest to kod uniwersalny. Dopiero w 1970 wykazano, że nie jest uniwersalny (Sanger – podwójny noblista; 1958 – metody sekwencjonowania białek; 1970 – opracowanie metod analizy sekwencji DNA – stąd metoda Sangera – stwierdzili, że znaczenie genomów jest inne w genomie mitochondrialnym – np. zamiast kodonu stopu, ten kodon koduje tryptofan). Wyjątki od tej reguły są skatalogowane, odczytywanie kodonu w zależności od kontekstu – tylko w niektórych warunkach odczytywanie tych kodonów jest zmienione.

Gen ulega transkrypcji – powstaje mRNA (5’3’) – na obu końcach istnieją odcinki nie podlegające translacji: 5’ UPR, 3’ UTR; translatowany jest tylko fragment mRNA pomiędzy nimi. Ich długość jest różna dla różnych mRNA. Translacja kończy się w miejscu przy kodonie stop, a rozpoczyna w miejscu inicjatorowym, miejscu inicjacji (zwykle AUG, kodon metioniny; oprócz tego mogą być GUG i UUG – walina i leucyna)

Kod trójkowy został określony na zasadzie dedukcji przez Marshalla Nirenberga wraz z jego znajomym matematykiem. To on zasugerował, że kod musi być trójkowy. Powstała hipoteza. Dwójkowy i jedynkowy kod nie wyczerpywałby wszystkich możliwości.

W jaki sposób można było to sprawdzić?

Sprawdzono znaczenie najprostszego kodonu, czyli UUU. Chemicy zsyntetyzowali polimer składający się z samych UUU. Poprzez to powinno powstać białko w warunkach laboratoryjnych składające się tylko z jednego typu aminokwasu. Tym aminokwasem była fenyloalanina. UUU zawsze znajduje się po lewej stronie (bo był pierwszy). W podobny sposób przypisano znaczenie pozostałym kodonom.

Często przyjmuje się, że kod genetyczny jest uniwersalny. Ekspresja genu eukariotycznego w komórce prokariotycznej (np. wytwarzanie insuliny w komórkach bakteryjnych). Gdyby kod genetyczny nie był uniwersalny, wtedy ten eksperyment nie byłby możliwy. Można też wprowadzać zmiany w kodzie genetycznym i spodziewać się rezultatów w postaci wytwarzanych białek (znowu uniwersalność kodu).

FUNKCJE BIAŁEK – ogromna różnorodność

1. Kataliza biochemiczna – enzymy

2. Struktura – np. białka budujące cytoszkielet komórki, tworzące strukturę włosów

3. Ruch – struktur wewnątrzkomórkowych jak i całych organizmów, (białka kurczliwe: aktyna, miozyna)

4. Transport – transport w osoczu (zależy od np. albuminy – transportuje wiele substancji: tłuszcze, hormony), ale też białka transportujące substancje do wnętrza komórki (kanały i pompy błonowe)

5. Regulacja procesów komórkowych – białka sygnałowe, wiele z nich działa w ten sposób, że reagują z sekwencjami genów i kontrolują ich ekspresję

6. Ochrona organizmu – chronią np. przed czynnikami wywołującymi reakcję alergiczną, przeciwciała, biorące udział w krzepnięciu krwi

7. Magazynowanie – np. ferrytyna (gromadzi żelazo w organizmach eukariotycznych)

Aminokwasy posiadają różne grupy funkcyjne – łączone w różnych sekwencjach i o różnej długości skutkuje to posiadaniem różnorodnych białek pełniących różnorodne funkcje

EUKARIOTYCZNE GENOMY JĄDROWE

Genom jądrowy – zbiór liniowych cząsteczek DNA, które są obecne w chromosomach (brak wyjątków). Zmienność dotyczy liczby chromosomów (przynajmniej dwa). Nie ma jednak zależności pomiędzy złożonością organizmu a liczbą chromosomów (np. drożdże – 16, muszka owocowa – 4). Liczba chromosomów nie ma też prostego związku z wielkością genomu (niektóre salamandry posiadają genom będący wielokrotnie większy od genomu człowieka, ale jest on podzielony na około dwukrotnie mniej chromosomów)

Z liniowością cząsteczek DNA wiąże się pewien problem (długie cząsteczki (nawet 5cm) o małej średnicy (dwóch zasad)). W jaki sposób dochodzi do kondensacji cząsteczek DNA?

Budowa chromatydy została określona na podstawie eksperymentów:

1. Analiza ochrony przed nukleazą chromatyny izolowanej z jąder komórkowych człowieka. – Chromatynę cechuje wyjątkowa regularność. Eksperyment polegał na: wyizolowaniu chromatyny poddanie jej działaniu enzymu – nukleazy – trawiącej jedynie DNA. a) enzym użyty w bardzo małej ilości – niewyczerpujące trawienie, nie do końca b) nukleazę użyto w takiej ilości, że całkowicie trawiła chromatynę. W obu przypadkach przebiegało trawienie. Produkty trawienia zbadano za pomocą elektroforezy (polega na poruszaniu się w polu elektrycznym cząsteczek obdarzonych ładunkiem, taką cząsteczką może być białko, ale też DNA oraz kompleksy białka z DNA; elektrofereza wykonywana jest najczęściej w żelu; w jej wyniku następuje rozdział cząsteczek ze względu na wielkość małe wędrują szybciej niż większe). W przypadku b) jeden rodzaj produktów o długości DNA ok. 140 par zasad a) różne produkty, pasma, których ruchliwość odpowiadała fragmentom DNA o długości 200, 400 par zasad (wielokrotność 200); wynik ten wskazywał na to, że chromatyna musi posiadać regularną strukturę, która jest długości 200 albo więcej par zasad. Następnie przeprowadzono obserwacje w mikroskopie elektronowym. Doprowadziło to do stworzenia modelu chromatyny – struktury regularnej, powtarzającej się – nukleosom (powtarzający się fragment) – kompleks DNA i białek. Każdy nukleosom składa się od 140 do 150 par zasad (wynik trawienia wystarczającego). Połączenia między nukleosomami od 190 do 220 par zasad (wynik trawienia niewystarczającego)

Nukleosom – białka je budujące to histony: H2A, H2B, H3 i H4. W każdym z nukleosomów oktany (osiem histonów, para każdego typu histonu) – taka cząstka to oktamer. Histony H1 – histony łącznikowe – utrzymuje nukleosom w całości, jednak nie jest konieczny (nieraz występuje wewnątrz nukleosomu, nieraz na chromatynie łączącej). Ogony – końce N białek histonowych – zlokalizowane na zewnątrz nukleosomów (niektórzy uważają, że oddziaływania między nimi stabilizują strukturę chromatyny, jednak ich modyfikacje destabilizują strukturę – rozluźnienie struktury)

W czasie interfazy chromatyna występuje w formie włókna chromatynowego (o średnicy 30nm) – jest to struktura z nukleosomami zwinięta w strukturę wyższego rzędu. Może być opisana modelem solenoidu albo spirali. Obserwuje się też chromosomy metafazowe – jeszcze głębsza kondensacja do struktur nie znanych obecnie do końca – skutkuje to skondensowaniem 5cm DNA tak, że może występować w komórce człowieka, skondensowaniem do chromosomu (chromosomy metafazowe są obserwowane pod mikroskopem świetlnym).

Chromosomy są utrzymywane jako całość dzięki centromerowi (jego położenie wydziela ramię długie i krótkie, co charakteryzuje poszczególne chromosomy), charakterystyczne też są sekwencje telomerowe (są różnej długości, położone są na końcach chromosomów)

Do charakteryzowania chromosomów stosuje się różne techniki barwienia (charakterystyczny rozkład prążków na chromosomach np. prążki G – ciemne pasma bogate w sekwencje AT, a jasne GC). Każda z nich daje charakterystyczny obraz dla danego chromosomu. Obserwując rozkład prążków a także długość ramienia długie i krótkiego można określić, jaki to chromosom. (21 chromosom najmniejszy; Y też względnie mały – występuje w nim bardzo duży fragment heterochromatyny – chromatyny zazwyczaj nieaktywnej, jest bardzo ubogi w geny)

U niektórych organizmów występują minichromosomy (względnie krótkie, ale bogate w geny) np. genom kury – trzydzieści ileś chromosomów, mało genów, ale też 33 minichromosomy (1/3 chromosomów) ale zawierają dużą ilość genów)

Chromosomy B – występują u niektórych osobników danego organizmu (nie w całej populacji) – takie dodatkowe chromosomy u człowieka prowadzą do poważnych zaburzeń i chorób genetycznych, ale u roślin i grzybów (są jakby fragmentem dużych chromosomów w tych organizmach) są cechą korzystną. Ich występowaniu towarzyszy większa śmiertelność organizmów. Preferowane układy, w których nie ma dodatkowych chromosomów B.

Chromosomy holocentryczne – nie mają pojedynczego centromeru tylko ich więcej. Występują u nicieni.

Typowy wygląd chromosomów metafazowych:

DNA w obszarze centromerów – sekwencja wyznaczająca długość ramienia (Arabidopsis thaliana – rzodkiewnik pospolity)

• 0,9 – 1,2 *10^-6 odcinki, powtarzające się sekwencje (180 kwas-zasad)

• U ludzi 1500 – 30000 kopii kwas-zasad- sekwencje α

• W centromerach też występują geny (niewiele)

• Centromer wyjątkowo specyficzny u drożdży (saccharromyces cerevisiae0

• Składają się z 1 sekwencji

• 125 par zasad, b. krótka

• Sekwencja: CDE1, CDE2, CDE3 – sekwencje konserwowane, zachowane w toku ewolucji

CDE2 – bogata w pary AT niewielkie podobieństwo

• Poza sekwencją DNA, występują też białka, by centromer mógł pełnić swoje funkcje

ROLA KINETOCHORÓW PODCZAS PODZIAŁU JĄDRA KOMÓRKOWEGO

Kinetochor – kompleks białek

CENTROMERY SSAKÓW

Centromery ssaków zawierają nukleosomy CENP-A i H₃ w rdzeniu centromerów

***

Telomery – końcówki chromosomów z wielokrotnie powtarzającymi się sekwencjami nukleotydów. Ich synteza nie jest prosta. Jest syntetyzowana przez specjalny enzym – telomerazę (polimerazę DNA). Matrycę do syntezy przynosi ze sobą. Oprócz tego są jeszcze inne białka stabilizujące strukturę: TRF1 i TRF2. One oddziałując z zakończeniami chromosomów powodują, że zakończenie telomeryczne jest stabilne. Odkrycie telomerazy zostało nagrodzone noblem, bo dzięki niej dowiedziano się jak są tworzone telomery.

Telomery wraz z wiekiem ulegają skracaniu. Niektórzy uważają, że ten proces jest limitem długości życia. W stanie nowotworowym są niestabilne telomery (nie wiadomo czy przyczyna czy skutek). Są preparaty pobudzające telomerazę, ale nie jest to sposób na nieśmiertelność ;)

WŁAŚCIWOŚCI GENETYCZNE EUKARIOTYCZNYCH GENOMÓW JĄDROWYCH

Gdzie znajdują się geny? Jak wygląda dystrybucja genów na chromosomach?

Lokalizacja genów na chromosomach nie jest jednorodna (różni się gęstość genów w pewnych częściach – np. w centromerach jest ich więcej). Np. u arabidopsis thaliana średnie zagęszczenie genów wynosi 20 genów na 130 par zasad, ale jest zróżnicowana, bo może wynosić od 1 do 40 genów. W obszarze centromeru jest najmniejsza gęstość, następnie wzrasta w kierunku zakończeń, ale nie jest równomierna.

Gęstość poznawano poprzez barwienie chromosomów techniką G-banding. Powstają ciemne prążki (bogate w AT) i jasne (bogate w GC). Pary AT w genomie przeważają – 59,7% wszystkich par nukleotydów. Aby część została wybarwiona musi dany fragment zawierać więcej niż ta liczba – więcej niż 60%. Geny zawierają od 45-50% par AT. Zatem prążki ciemne na widmie muszą być ubogie w geny. Pierwotnie uważano, że prążki jasne odpowiadają genom, ale to jest błędne rozumowanie – znacznie więcej genów niż prążków, aczkolwiek ich lokalizacja może być w ten sposób poznawana. Ten eksperyment pokazywał, że dystrybucja genów w chromosomach ludzkich jest nierównomierna.

Organizacja w dystrybucji zróżnicowanej jest znacząco różna, gdy zaczniemy porównywać chromosomy zwierząt różnych gatunków.

Chromosom człowieka

Fragment chromosomu 12 o długości 50000 par zasad – próbka reprezentatywna. Fragment ma charakter mozaiki. Na nią składa się sekwencja 4 genów (PKP2 – koduje białko biorące udział w syntezie dezmosomów – miejsca łączenia się komórek u ssaków, SYB1- koduje białko błonowe – bierze udział w tworzeniu pęcherzyków, które łączą się ze zdefiniowanymi białkami w komórce, FLJ10143 – w momencie powstawania mapy genowej, funkcja jego produktów nie była znana, CD27 – gen, który koduje jeden z receptorów czynnika martwicy nowotworów, reguluje szlaki istotne w apoptozie). Każdy z tych genów jest nieciągły: są sekwencje egzonowe i intronowe – nieraz przeważają introny nieraz egzony (częściej introny przeważają). Dodatkowo występują sekwencje rozproszone – tzw. powtarzające się rozproszone sekwencje – występują one w wielu miejscach w genomie ( nie tylko w prezentowany odcinku) – zostały one podzielone na pewne kategorie. Takich sekwencji rozproszonych jest 88. Większość z nich znajduje się w rejonach międzygenowych, ale część znajduje się w obrębie intronów.

Sekwencje rozproszone:

1. LINE – długie rozproszone elementy jądrowe – na schemacie oznaczone kolorem purpurowym

2. SINE – krótkie rozproszone elementy jądrowe

3. LTR – długie powtórzenia końcowe

4. DNA transposons – transpozony DNA – ruchome elementy genetyczne – występuje ich dużo w genomie człowieka

Dodatkowo występują sekwencje mikrosatelitarne – powtarzane są wielokrotnie krótkie sekwencje pierwotne – motywy wielokrotnie powtarzane – jest ich bardzo dużo. Jeden z nich w prezentowanym fragmencie to sekwencja CA powtarzana 12 razy. Ale mogą być to inne nukleotydy. Około 30% sekwencji prezentowanego odcinka składa się z DNA, który nie może być opisany i skategoryzowany. Jego funkcja jest nieznana – ale jednak nie została utracona w czasie ewolucji. Kiedyś był pogląd, że najważniejszą częścią genomu są fragmenty kodujące geny, a reszta jest nieistotna. Ale okazało się, że sekwencje pozagenowe też pełnią ważną rolę, dając np. RNA jako produkty, który pełni ważną rolę. Najbardziej wyróżniającą cechę w badanym fragmencie jest to, że względnie mało miejsca jest zajmowanych przez gen, dodatkowo udział części egzonowych w genach stanowi tylko 9,5%, co jest odróżniające w porównaniu do innych gatunków. To i tak jest dużo jak dla człowieka, bo ogólnie egzony zajmują około 1,5%.

SKŁAD GENOMU CZŁOWIEKA

1. Genom składa się z 3200 miliona par zasad

• Geny stanowią 1200 milionów – w tym egzony 48 milionów, a sekwencje pokrewne – 1152 milionów (na nie składają się pseudogeny, fragmenty genów, introny i UTR- fragmenty nie ulegające replikacji)

• Międzygenowy DNA 2000 milionów par zasad – sekwencje powtórzone 1400 milionów (LINE, LT, SINE, DNA transposons) a inne regiony 600 milionów (mikrosatelity i inne)

ZAKRES WIELKOŚCI GENOMÓW W RÓŻNYCH GRUPACH EUKARIOTÓW

Najprostsze organizmy eukariotyczne mają względnie małe genomy, aczkolwiek ten zakres może bywać bardzo duży. Największe genomy obserwuje się u roślin. Czy złożoność organizmu koreluje z liczbą genów w jego genomie? Gdyby istniała taka prosta zależność, można by dojść do nieprawdziwych wniosków, ponieważ nie istnieje taka zależność. Jest to tzw. paradoks C. Genomy są zatem zorganizowane w sposób bardziej zwarty, fragmenty niekodujące są lepiej zagospodarowane.

ROZMIARY GENOMÓW EUKARIOTYCZNYCH

Gatunek FUNGI - grzyby - Saccharomyces cerevisiae - Schizosaccharomyces pombe - Aspergillus nidulans PROTOZOA - pierwotniaki - Tetrahymena pyriformis INVERTEBRATES - bezkręgowce - Caenorhabditis elegans - nicień - Drosophila melanogaster – muszka owocowa, wywilżna karłówka xD - Bombyx mori (silkworm) - Strongylocentrotus pupuratus (jeżowiec) - Locusta migratoria (locust) – szarańcza wędrowna, bliskim jej krewnym jest pasikonik VERTERBRATES – kręgowce - Takifugu rubripes – rozdymka – używana do badania kanałów jonowych w biochemii - Homo sapiens - Mus musculus – mysz domowa - Gallus gallus – chicken PLANTS –rośliny - arabidopsis thaliana - Oryza sativa – ryż - Zea mays – kukurydza - Pisum sativum - Triticum aestivus - Fritilaria assyrica

Wielkość genomu w Mb (liczba genów) 12,1 (6100) 12,5 (4900) 25,4 190 97 (19000) 180 (13600) 490 845 5000 400 3200 (30000-40000) 3300 1200 (20000-25000) 125 (25500) 466(40000) 2500 4800 16000 120000

C. elegans jest bardzo dokładnie opisanym organizmem wielokomórkowym, dlatego jest powszechnie stosowany w laboratorium. Wnioski wyciągane na podstawie tych badań są przenoszone na wyższe organizmy eukariotyczne w tym człowieka. B. mori też jest dość powszechnie stosowany w laboratorium – jest to jedwabnik morwowy, motyl. We wczesnych fazach rozwoju larwy w ostatnim stadium rozwoju przędą kokon. Kiedy on już powstanie larwa w kokonie ulega przeobrażeniu – powstaje poczwarka, a następnie motyl. Dla gospodarki ważne są te kokony, z których odwijana jest pojedyncza nić jedwabiu i tkany jest produkt na sprzedaż.

Larwy przed rozpoczęciem tworzenia kokonu wędrują w poszukiwaniu spokojnego miejsca – czasami można kupić żywność (np. kaszę) z jajkami moli spożywczych, to pojawiają się one w kuchni, na ścianach, itd.

FRAGMENT GENOMU DROŻDŻOWEGO

Jest on bardziej zwarty. Na fragmencie 26 genów kodujących białka i 2 kodujące tRNA. W całym genomie drożdżowym występuje ponad 200 intronów, dla człowieka jest to około 300000. W drożdżach występuje sekwencja typu LTR: Ty2. Jest bardziej oszczędnie zorganizowany. Krótkie sekwencje międzygenowe, geny zwarte (bez sekwencji intronowych).

Im bardziej złożony organizm tym mniej zorganizowany sposób zorganizowania genomu.

Już u muszki owocowej pojawiają się geny nieciągłe, jednak nie są jeszcze one aż tak wyraźne jak np. u człowieka.

ZAWARTOŚĆ GENOMÓW DROŻDŻY, MUSZKI OWOCOWEJ I CZŁOWIEKA

Gęstość genów – średnia liczba genów na ilość par zasad

1. Drożdże:

• Gęstość – 496

• Średnia ilość intronów na gen – 0,04

• Udział sekwencji rozproszonych – 3,4%

1. Muszka owocowa:

• Gęstość – 76

• Średnia ilość intronów na gen – 3

• Udział sekwencji rozproszonych – 12%

1. Człowiek:

• Gęstość – 11

• Średnia ilość intronów na gen – 9

• Udział sekwencji rozproszonych – 44%

PORÓWNANIE GENOMÓW CZŁOWIEKA, DROŻDŻY, MUSZKI OWOCOWEJ I CZŁOWIEKA

Kukurydza:

• W sekwencji 50kb znajduje się jeden gen

• Dominującym składnikiem są powtórzenia rozproszone, w szczególności fragmenty LTR

Zwiększanie ilości genomu, nie idzie w parze z wielkością genów, ponadto podobne organizmy nie muszą mieć podobnej długości genomu, np. pierwotniaki (choć liczba genów nie zmienia się tak drastycznie, nie zmienia się ilość genów, a ilość sekwencji międzygenowych). Podobnie jest u owadów.

Duże rozbieżności w ilości genów miedzy innymi człowieka (30000-40000) jest spowodowana tym, że ilość genów nie istnieje w korelacji z ilością białek. Istnieje zjawisko splicing, które powoduje, że geny mogą być składane na różne sposoby.

Jak można sklasyfikować geny?

Najprostszym sposobem grupowania genów jest ich klasyfikowanie poprzez funkcje (chodzi o funkcje jego produktu białkowego). Nie zawsze jest to proste, nie każda funkcja jest dokładnie opisana.

KATEGORIE W KATALOGU GENÓW CZŁOWIEKA:

1. Ekspresja, replikacja i utrzymanie ciągłości genomów – 23,2%

2. Przekazywanie sygnałów biologicznych – 21,1%

3. Pełniące różne biochemiczne funkcje metaboliczne komórki – 17,5%

4. Inne aktywności (procesy transportu, fałdowania białek, białka strukturalne) – 38,2%

DRUGA METODA KLASYFIKACJI GENÓW

• Pierwotna informacją jest sekwencja genu i na jej podstawie przewiduje się funkcje białka

• Metoda ta jest bardzo dobra, przy opisywaniu genów kodujących białka, których funkcje są nieznane

Paradygmat a dogmat – dogmat nie podlega modyfikacją, jest trwały, paradygmat to dogmat, który w pewnych warunkach może ulec zmianie

Paradygmat w biochemii i biologii molekularnej: Struktura pierwszorzędowa białka (sekwencja aminokwasów) określa strukturę trzeciorzędową (paradygmat zakłada stabilną strukturę trzeciorzędową), która determinuje funkcję białka. Czyli poznanie struktury pierwszorzędowej białka pozwala na przypuszczanie, jak będzie wyglądać struktura trzeciorzędowa, czyli funkcja. Strukturę pierwszorzędową można poznać poprzez poznanie kolejności nukleotydów w RNA.

Bardzo wiele białek składa się z domen, która posiada podobną strukturę do innych białek z tą domeną i ich funkcja jest podobna. Gdy z białka wyizoluje się domenę, to ona zachowa swoją strukturę i funkcję. Domena jest minimalną jednostką struktury trzeciorzędowej pełniącej określone funkcje.

We fragmencie DNA szukamy sekwencję, która jest sekwencję genu, następnie z tego fragmentu odczytujemy pierwszorzędowe białko. Następnie staramy się zgadnąć, czy konkretna struktura pierwszorzędowa może odpowiadać strukturze domeny. To pozwala na przypuszczanie, jaka jest funkcja białka.

DOMENY:

1. Domena palca cynkowego – jest formowana przy udziale jonów cynku na +2 stopniu utlenienia. Jest zaangażowana w procesy oddziaływania z kwasem nukleinowym np. ekspresji genów.

2. Domena śmierci – obecna w wielu białkach, odpowiedzialna za apoptozę.

Porównanie katalogu genów

PRZYKŁADY DOMEN BIAŁKOWYCH ZAKODOWANYCH W RÓŻNYCH GENOMACH

DOMENA	FUNKCJA	Ilość genów w genomie zawierające domenę
		CZŁOWIEK
Palec cynkowy typu C2H2 (dwie reszty cysteiny dwie hisytydyny)	Wiązanie DNA	564
Palec cynkowy typu GATA (od sekwencji, którą rozpoznaje	Wiązanie DNA	11
Homeobox (homeotyczna)	Wpływa na ekspresję genów podczas rozwoju w szczególności org eukartiotycznych podczas rozwoju embrionalnego	160
D. Śmierci	Programowana śmierć komórek	16
Connexin (koneksynowa)	Przekazywanie sygnałów elektrycznych	14
Ephrin	Wzrost komórek nerwowych	7

ZWIĄZEK MIĘDZY KATALOGIEM GENÓW CZŁOWIEKA A KATALOGAMI GENÓW INNYCH GRUP ORGANIZMÓW

1. Kręgowce i inne zwierzęta – 24% wspólnych

2. Tylko kręgowce – 22% charakterystyczne dla kręgowców

3. Eukarioty i prokarioty – 21%

4. Zwierzęta i inne eukariota – 32%

5. Tylko u innych naczelnych – 1%

RODZINY GENÓW - grupy genów o identycznej albo bardzo podobnej sekwencji

1. Rodzina kodująca rybosomalny RNA – genom ludzki zawiera około 2000 genów kodujących 5S rybosomalny RNA, są one zgrupowane na chromosomie 1; 28S, … są kodowane przez około 280 kopii DNA, skupione są one w grup na chromosomach: 13, 14, 15, 21, 22. Każdy z tych fragmentów ma po 50/60 kopii tych powtórzeń. Każda z jednostek transkrypcyjnych na różnych chromosomach ma praktycznie identyczną sekwencję

HEMOGLOBINA – RODZINA ZŁOŻONA

Białko występujące w krwi człowieka

Składa się z 4 jednostek zwanych globinami

4 łańcuchy polipeptydowe: 2alfa i 2beta

Tetramer składa się zatem z 2alfa globin i 2beta globin, które są kodowane przez niezależne rodziny genowe. Geny te są umieszczone na różnych chromosomach. W obu rodzinach mamy do czynienia z różną ekspresją genów (geny eksrepsjonowane w różnych okres życia, np. we wczesnym stanie embrionalnym, następnie w okresie płodu czy życia). W przypadku rodzin złożonych (np. beta i alfa globin) poszczególne geny dają produkty, które różnią się nieco strukturą i funkcją, które jest zależne najczęściej od okresów rozwoju. Musi być to zróżnicowanie, ponieważ, hemoglobina płodowa musi mieć znacznie wyższe powinowactwo do tlenu, które jest uzyskiwane przez to, że hemoglobina płodowa ma inny skład, choć zbudowany z podobnych podjednostek

Geny te tworzą wielką rodzinę – rodzinę genów globulinowych

W rodzinie alfa globin 4 pseudogeny, a w beta jeden pseudogen; pseudogeny – są to geny niefunkcjonalne, geny pozorne, nieaktywne, są czymś w rodzaju reliktów – geny pozostałe po przodkach, których znacznie zanikło wraz z ewolucją

PSEUDOGENY

2 grupy pseudogenów:

1. Gen uległ dezaktywacji przez mutację (np. przez promieniowanie) – geny te ulegają naprawie, ale naprawa nie zawsze jest skuteczna, bardzo wiele mutacji jest mutacjami cichymi – zmiana w DNA, ale brak w białku (bo kod jest zdegenerowany), ale zdarzają się też takie sytuacje, że dochodzi do inaktywacji genu – gen traci funkcję i staje się zbędny; ten gen nie ulega ekspresji i jako zbędny gromadzi mutacji – poprzez to sekwencja, która kiedyś była genem, może przestać mieć strukturę genu i w niczym go nie przypominać

2. Retropseudogeny – mamy gen funkcjonalny – podlega on transkrypcji transkrypt – po obróbce nie zawiera już sekwencji intronowych – zachodzi odwrotna transkrypcja (nietypowe, ale możliwe), matrycą jest RNA na którego podstawie powstaje DNA – z tego zjawiska w szczególności korzystają retrowirusy (np. HIV) to nowe DNA (reintregowany gen) jest pozbawiony sekwencji intronowych, ale to jeszcze nie czyni go pseudogenem; powodem braku aktywności jest brak sekwencji kontrolnych, które zazwyczaj znajdują się powyżej genu, zatem w nowym transkrypcie brak sekwencji promotorowych i kontrolnych, otrzymujemy czystą sekwencję genową, która nie jest aktywna

INNE RELIKTY GENOWE – GENY SKRÓCONE I FRAGMENTY GENÓW

Krótkie odcinki, które pochodzą z całych sekwencji genów

RODZINY ZŁOŻONE

Mogą występować na różnych chromosomach

ALDOLAZA

Białko, kluczowy enzym ciągu glikolitycznego

Geny są zlokalizowane na różnych chromosomach, te geny są jednak bardzo podobne sobie i dają białka o podobnych właściwościach

MIĘDZYGENOWE DNA

Ich transkrypt mRNA wpływa na ekspresję innych genów – wcześniej te fragmenty uważano za śmieciowe

Często występują powtarzające się sekwencje – powtórzenia

Powtórzenia:

1. Sekwencje rozproszone – położone w przypadkowych miejscach

2. Sekwencje tandemowe – mamy jednostkę sekwencji, która jest powtarzana w wielu kopiach powstaje DNA satelitarny

Ultrawirowanie – w probówce roztwór chlorku cezu – probówka obraca się bardzo szybko, działa na nią siła dośrodkowa – w probówce ustala się gradient gęstości chlorku cezu – zaobserwowano główne pasmo oraz pasma dodatkowe towarzyszące głównemu (jak satelity, stąd nazwa) – zazwyczaj 3 prążki satelitarne – zawartość par GC w prążkach satelitarnych jest nietypowa ze względu na tandemowe powtórzenia sekwencji – DNA satelitarne występuje w sekwencjach centromerów.

Oprócz sekwencji tandemowych jeszcze inne elementy sateliarne: minisatelity i mikrosatelity. To też są sekwencje tandemowe – jednak nie występują podczas utlrawirowania. Minisatelity: powtórzona jednostka długości 20 par zasad, Mikrosatelity: poniżej 150 par zasad, powtórzona jednostka ok 13 par zasad. DNA, które występuje w centromerach, jest przykładem minisatelity – głównie występuje na końcach chromosomów w telomerach. Mikrosatelity – w wielu miejscach genomu; najbardziej typowe jest powtórzenie dwunukleotydowe, powtórzenie CA – występuje w dużym stopniu u człowieka. Nie jest jasne, jaka jest rola sekwencji mikrosatelitarnych, brak przypuszczeń; są one wykorzystywane w eksperymentach genetycznych, ponieważ zaobserwowano, że każdy ma charakterystyczny zestaw sekwencji mikrosatelitarnych – charakterystyczny ze względu na lokalizację sekwencji, a także ze względu na ilość powtórzeń w kontretnej sekwencji mikrosateliarnej; jest to wzór charakterystyczny dla każdego człowieka; identyczny jest możliwy jedynie dla bliźniąt jednojajowych, w przypadku rodzeństwa część może się powtarzać, ale zawsze występują różnic. Minisatelity – znakowanie końców naturalnych chromosomów – inne funkcje nieznane.

ZASTOSOWANIE ANALIZY MIKROSATELITÓW DO USTALANIA PROFILI GENETYCZNYCH

Przy dochodzeniu ojcostwa

GENOMY PROKARIOTYCZNE I ORGANELLI EUKARIOTYCZNYCH

Prokarioty – bakterie i archeony

GENOMY PROKARIOTYCZNE – WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE

Brak jądra komórkowego – DNA jest inaczej organizowany niż w jądrze eukariotycznym, jednak widać, że DNA też jest skupiony wewnątrz komórki – tutaj w formie nukleoidu.

SUPERSRKĘCENIE (DNA)

Kolista cząsteczka DNA – chromosom E. Coli - rozwinięcie kawałka – następuje superskręcenie DNA

Jeżeli nić DNA pęknie to struktura ulega rozwinięciu – jednak tylko jedna domena. Gdyby jednak było tak, ze chromosom E. Coli nie jest przytwierdzony do łańcucha polipeptydowego to rozwiązaniu uległa by cała struktura

Rdzeń białkowy – składa się z 2 białek – topoizomerazy pierwszej i .. oprócz tych białek występują białka HU – kompleksują DNA – nie wiadomo, czy są rozmieszczone równomiernie, czy są miejsca preferowane – ponadto nie wiadomo, czy nie są ograniczone tylko do rejonu białkowego

U archeonów nie występują białka HU, ale znalezione inne białka, bardziej podobne do histonów niż HU i dzięki nim powstają struktury bardzo podobne do nukleosomów.

WYKRES ZALEŻNOŚCI WIĄZANIA TRIMETYLOPSORALENU OD DAWKI PROMIENIOWANIA

Związek ten wiąże się tylko z domeną rozwiniętą

Na skutek promieniowania DNA ulega uszkodzeniu (uwalniające się promieniowanie z uszkodzonej elektrowni powoduje fragmentację DNA). Kolejne dawki promieniowania powodują związanie kolejnych porcji związku – podczas kolejnych dawek promieniowania kolejne DNA ulegają pęknięciu, a domeny rozwiązaniu (zatem każda domena rozwiązuje się niezależnie)

E. COLI Z DNA UWOLNIONYM W WYNIKU SZOKUOSMOTYCZNEGO

Ciśnienie osmotyczne zdecydowanie różne od ciśnienia osmotycznego komórki powoduje rozerwanie błony komórkowej – komórka traci ciągłość a DNA opuszcza komórkę – wylewa się na zewnątrz.

ZAWIERAJĄ GENY LINIOWE:

BORRELIA BURGDORFERI

Organizm prokariotyczny – odpowiedzialny za wywoływanie boreliozy – atakuje układ nerwowy człowieka po ukąszeniu przez kleszcza

STREPTOMYCES COELICOLOR

AGROBACTERIUM TUMAFACIENS

Pasożytują na korzeniach roślin, ale też na częściach nadziemnych – powoduje guzowatość (najczęściej korzeni) – na roślinie powstaje narośl zrakowaciała, w której zachodzi zmiana charakteru metabolizmów – powoduje syntezę związków zwanych opinami, które potrzebne są bakteriom

PLAZMIDY

Fragment DNA – cząsteczka, która replikuje niezależnie od chromosomalnego DNA komórki prokariotycznej – koliste cząsteczki mniejsze od chromosomu, mogą występować w wielu kopiach, jednak nie wszystkie takie są. Produkty kodowane na plazmidach nie są konieczne komórce do funkcjonowania, przeżycia, jednak dają pewne korzyści. Replikują niezależnie od komórki bakteryjnej.

PLAZMID ODPORNOŚCIOWY

Odporność na antybiotyki

PLAZMID WARUNKUJĄCY PŁEĆ

Jeżeli posiada to może dochodzić do koniugacji między bakteriami (np. plazmid typu F)

PLAZMID KILLER

Komórka zabija inne bakterie (np. Col – plazmid produkuje colicin)

WIRULENCJA

Warunkuje patogenność (np. Ti Agrobacterium tum)efaciens

PRZYKŁADY ORGANIZACJI GENOMÓW

Virbrio cholerae – wywołuje cholerę na skutek egzotoksyn wydzielanych na zewnątrz komórki bakteryjnej (objawy to duże odwodnienie organizmu)

Vibrio cholerae – dwie koliste molekuły: główny chromosom – 2,961Mb (ponad 70% genów); megaplasmid 1,073Mb (1115 genów)

Na megaplasmidzie też znajdują się istotne geny, ale też takie, które odpowiadają tylko plazmidom, np. integron – który służy przenoszeniu genów plazmidowych. Zatem typowy podział na plazmid i chromosomalny DNA zaczyna zawodzić w tym przypadku.

Deinococus radiodurans – cztery koliste molekuły: chromosom 1 – 2,649Mb (2633 genów); chromosom 2 – 0,412Mb (369 genów); megaplazmid 0,177Mb (145 genów); plazmid 0,046Mb (

Na plazmidach też znajdują się niezbędne geny.

W 1956r. Andersen prowadził badania, sprawdzające, czy możliwa jest sterylizacja żywności przez promieniowanie wysokoenergetyczne (np. przy rozpadzie radioizotopów, takie samo powstaje w reaktorze jądrowym). To promieniowanie jest szkodliwe zarówno dla euka jak i prokariotów, ponieważ uszkadza DNA. Organizmy jednam posiadają mechanizmy naprawy uszkodzonego DNA, jednak one działają tylko w pewnym zakresie, nie przy tak dużych zmianach. Pewne dawki były uznawane jako skuteczne, które powodowały śmierć wszystkich organizmów. Deinococus radiodurans przeżywa takie promieniowanie jako jeden z nielicznych. Stwierdzono też, że jest niewrażliwy na działanie wysokich temperatur, a także związków, które dla innych organizmów są toksynami.

Borrelia burgdorfen B31 – liniowa cząsteczka DNA, 7 lub 8 kolistych cząsteczek – liinowy chromosom i 16 lub 17 liniowych lub kolistych plazmidów

Dla niektórych plazmidów tez określono, że zawierają niezbędny składnik genomu.

Może to świadczyć o tym, że genomy bakteryjne tak samo jak eukariotyczne mogą być podzielone na części (genom wieloczęściowy).

WŁAŚCIWOŚCI GENETYCZNE GENOMÓW PROKARIOTYCZNYCH

Dzięki technikom sekwencjonowania DNA – szybkie poznanie genomów organizmów oraz możliwość porównywania zburzone zostały pierwotne poglądy.

Genom E. coli szczep K12

Najbardziej typowy szczep – z niego wywodzą się szczepy używane w laboratoriach inżynierii genetycznej. Zaledwie 11% całej sekwencji genomu E. coli jest sekwencją niegenową i ona jest sekwencją rozproszoną – typowa budowa dla prokariotów (bardzo mało niewykorzystanej przestrzeni – ta skondensowana forma może umożliwiać szybką replikację DNA – im mniejsza jest cząsteczka tym większa łatwość syntezy – ale na to dowodów nie ma)

50kb fragment genomu E. coli

Mało przestrzeni międzygenowych; 43 geny – zajmują ponad 80% całej sekwencji; nieraz sekwencje między genami bardzo małe (np. thrA, thrB oddzielone 1 nukleotydem, a między thrB i thrC nie ma w ogóle przerwy)

Te trzy geny składają się na operon – dają produkty do syntezy tyroniny – podlegają wspólnej ekspresji

Geny prokariotyczne są z reguły krótsze – nawet jeżeli się bierze tylko sekwencje egzonową (stanowią 2/3 genu eukariotycznego). W żadnym genie nie ma intronów – w rzeczywistości u E. coli nie ma sekwencji intronowych, ale są wyjątki np. u archeonów czy w przypadku fagów – ale to już wirusy. Ponadto w genomie brak sekwencji powtarzających się (sekwencje IS186 i IS1 – sekwencje insercyjne – elementy genetyczne, ulegające transpozycji (mogą się wycinać – informacja o tym jest w sekwencji – i mogą być wbudowane w innym miejscu genomu) – jest ich bardzo mało, bądź nie ma ich wcale (np. u bakterii Campylobacter jejuni – bakteria patogenna zwierząt ciepłokrwistych, która często jest obecna w ich odchodach – zakażenie nią jest znacznie częstsze niż Salmonellą; Neisseria meningitidis – blisko 4000 kopii sekwencji insercyjnych – można wyróżnić około 15 typów – prawie 11% całego genomu))

POJMOWANIE OPERONU

Dwa operony E. coli

Operon – grupa genów, które są położone obok siebie w genomie. Geny, które składają się na operon podlegają wspólnej ekspresji – oznacza to, iż to skutkuje jednym transkryptem – na nim prowadzona jest translacja odpowiedniej ilości białek (w zależności od ilości genów) – u eukariotów z reguły nie występuje taki sposób ekspresji.

Operon laktozowy

3 geny, ich produkty biorą udział w przekształcaniu laktozy w glukozę i galaktozę. Komórka używa tych produktów jako źródła energii i węgla. Aby możliwy był rozkład laktozy konieczne są 3 białka (permeaza laktozowa – transport przez błonę komórkową, beta-galaktozydaza – hydrolizuje galaktozę, transacetylaza – funkcja nie znana, ale też konieczne). Te 3 produkty białkowe są połączone celem – przekształcenie laktozy w glukozę i galaktozę. W komórkach E. coli znajduje się dużo operonów (podobnie u np. Bacillus subtilis – zanieczyszczają produkty spożywcze, skutkiem jest śluzowatość pieczywa). W większości przypadków produkty mają wspólny mianownik – funkcję.

Operon tryptofanowy

5 genów 5 białek – przekształcenie kwasu chorismic do tryptofanu. Dowód, że istnieją takie operony, które ulegają jednej transkrypcji, ale nie można ich połączyć wspólnym celem. (u Aquifex aeolicus – u tych mikroorganizmów operony odbiegają od definicji – brak jest wspólnego celu dla wszystkich białek – można to określić na podstawie produktów otrzymywanych dzięki tym białkom – ta struktura operon jest typowa dla tych kilku organizmów)

WIELKOŚĆ GENOMÓW I LICZBA GENÓW U RÓŻNYCH PROKARIOTÓW

Organizm	Wielkość genomów Mb	Średnia liczba genów
BAKTERIE
Mycoplasma genitalium	0,58	500
Streptococcus penumaniae	2,16	2300
Vibrio cholerae	4,03	4000
Mycobacterium tuberculosis	4,41	4000
Escherichia coli K12	4,64	4400
Versinia pesetis	4,65	4100
Pseumonas aeruginosa	6,26	5700
ARCHAEA
Methanococcus jannaschii	1,66	1750
Archaeoglobus fulgidus	2,18	2500

Mycoplasma genitalium – w cewce moczowej człowieka (wywołuje zapalenia); zakażenie występuje bardzo łatwo, drogą płciową; może prowadzić do bezpłodności (obniżenie liczby i jakości plemników); jest to pasożyt

NIEPEŁNE KATALOGI GENÓW E. COLI I MYCOPLASMA GENITALIUM

Geny zaangażowane w syntezę białek – 4288 470

Biosynteza aminokwasów – 131 1

Biosynteza kofaktorów – 103 5

Itd.

Ile genów jest potrzebnych do tego, aby komórka była komórką żywą – prokariotyczną (a nie wirusem)????

1. Przeprowadzano eksperymenty mutagenezy – sprawdzano, czy po usunięciu niektórych genów, komórka wciąż jest komórką żywą – otrzymano dane, że komórka żywa wymaga od 255 do 365 genów.

2. Pojawienie się sztucznej komórki – zsyntezowano DNA wymaganego do otrzymania życia; połączono te geny w komórkach drożdżowych; tak otrzymany sztuczny genom wprowadzono do mykoplazmy pozbawionej jej informacji genetycznej – rzeczywiście w ten sposób możliwe jest otrzymanie życia w warunkach laboratoryjnych.

U bakterii wyróżnia się szczepy – niektóre z nich są patogenne a inne nie. Możliwy jest transfer materiału genetycznego zachodzący między szczepami, ale również między różnymi bakteriami, pomiędzy bakteriami i archeonami, a nawet pomiędzy bakteriami i archeonami i z nich geny zostały przeniesione do alg (praca ukazała się w Science ok tydzień temu)

Helicobacter pylori – bakterie, które jak pokazano pod koniec XX wieku są odpowiadają za chorobę wrzodową żołądka, a także chorób dwunastnicy (początkowo uważano, że to przez kwasy żołądkowe, ale przewód pokarmowy powinien być przed nimi chroniony w drodze ewolucji). Wielu badaczy nie wierzyło, że helicobacter jest za to odpowiedzialny. Badacz wypił zawiesinę bakterii i zachorował – ok 70% osób jest zakażony helicobacter u krajów mniej rozwiniętych, u bardziej ok 30%. Jeden ze szczepów ma genom większy drugi mniejszy. 1406 genów się powtarza w obu szczepach – jest to bardzo znacząca ilość. Stwierdzono, że 6-9% genów jest unikatowa dla danego szczepu.

U człowieka występują niepatogenne szczepy E. coli, ale też oprócz nich występują wysoce patogenne (zakażenia były w Niemczech u osób jedzących zdrową żywność, zawierającą kiełki. Okazało się, że za infekcję o bardzo ciężkim przebiegu odpowiada szczep E. coli bardzo patogenny, który znajdował się na kiełkach, które pochodziły z Egiptu). Porównując szczep K12 (4,6Mb) ze szczepem patogennem (5,53Mb; około 200 miejsc określonych jako wyspy - 1387 genów, których nie ma szczep K12 – kodują one toksyny i białka odpowiedzialne za patogenność tego szczepu). W przypadku K12 też występują unikatowe odcinki. Tworzą one wyraźnie wyznaczone DNA w genomie, którego z kolei nie ma w szczepie patogennym. Taka zmienność nie mieści się w rozumowaniu gatunku u eukariotów, podobnie z wymianą materiału. Gdyby to była prosta zależność wymiany nie obserwowano by różnic występujących między szczepami – przepływ informacji jest wybiórczy.

WPŁYW POZIOMEGO TRANSFERU GENÓW NA ZAWARTOŚĆ GENOMÓW PROKARIOTYCZNYCH

U E. coli ilość genów, które ulegają transferowi to 12,8%. Ciekawym przykładem jest mykoplazma, która nie zawiera genów od innych organizmów prokariotycznych.

Niezidentyfikowane organizmy prokariotyczne – aby badać organizm, trzeba mieć opracowane warunki hodowli takiego organizmu, a różnorodność tych organizmów jest bardzo duża. Istnieją też organizmy, dla których nie są znane warunki hodowli. Rozwiązaniem tego jest metagenomika – poddaje się analizie DNA, nie wchodząc w szczegóły, nie zastanawiając się z jakiego organizmu dane DNA pochodzi. Stosuje się je głównie dla organizmów prokariotycznych. Pierwszym takim projektem było pobranie próbek z Morza Sargasowego. Wiele DNA organizmów się pokrywało, ale inne były zupełnie nowe.

EUKARIOTYCZNE GENOMY ORGANELLARNE

Genomy organelli są obecne w mitochondriach i chloroplastach (już w ubiegłym wieku w latach 60 wykazano, że oprócz genomu w jądrze, może istnieć informacja genetyczna poza jądrem komórkowym – niektórych krzyżówek nie dało się opisać tylko na genomie jądrowym).

TEORIA ENDOSYMBIOZY

Bazuje ona na prostych obserwacjach

1. Procesy ekspresji genów, które zachodzą w mitochondriach i chloroplastach, są bardzo podobne do tego, co się obserwuje w komórce prokariotycznej

2. Budowa i organizacja genów w organelli jest bardzo podobna do budowy i organizacji genów prokariotycznych

Można zatem powiedzieć, że geny w organellach są bardziej podobne do genów prokariotycznych, niż do eukariotycznych występujących w jądrze.

Można zatem przypuszczać, ze mitochondria i chloroplasty są reliktami bardzo dawnych bakterii, które żyły w pewnym związku symbiotycznym z innymi komórkami eukariotycznymi, do których wniknęły i przekształciły się w mitochondria i chloroplasty.

Cyanophora paradoxa

• Mikroorganizm, pierwotniak, który żyje w wodzie.

• Wewnątrz struktury – cyjanella – nie są chloroplastami, a bardziej przypominają „połknięte” cyjanobakterie – może to być przykład na bardzo wczesne stadium endosymbiozy, które nie jest tak rozwinięte, jak w przypadku chloroplastów w przypadku eukariotów

Riketsje

• Pasożyty, które pasożytują w komórkach eukariotycznych (człowieka, innych ssaków, stawonogów, a także owadów)

• Są odpowiedzialne za bardzo poważną chorobę – powszechną w czasie II wojny światowej – tyfus

WŁAŚCIWOŚCI GENOMÓW ORGANELLI

• Zasadniczo wszystkie organizmy eukariotyczne posiadają mitochondria w swoich komórkach, a te które przeprowadzają fotosyntezę, dodatkowo chloroplasty.

• Na początku sądzono, że te genomy mają charakter kolisty – koliste cząsteczki DNA – jednak analiza mikroskopii elektronowej mówi nam, że mogą to być również liniowe cząsteczki (np. w mitochondriach). Przeważają jednak koliste cząsteczki

• W przypadku chloroplastów niekiedy dużemu kolistemu genomowi towarzyszą małe w kształcie kulek (np. bruzdnice – Dinoflagellata – organizm jednokomórkowy, czasami tworząca kolonie; ich genom organellarny czasami jest podzielony na fragmenty – na małe kółka – poszczególne geny są zlokalizowane na poszczególnych kółkach – 1 kółko= 1 gen)

• Genomy organellarne występują w wielu kopiach – przeciętne mitochondrium zawiera 10 identycznych cząsteczek genomu mitochondrialnego – nie wiadomo dlaczego? ;) w komórce jeśli chodzi o genom jądrowy są co najwyżej 2 kopie, a w mitochondrium nawet 10000 kopii

Chlamydomonas reinhardti

• Zielenica

• Nawet 1000 kopii genomu organellarnego w chloroplastach

• Po krzyżowaniu komórek zostaje tylko jedna kopia – nie ma to wpływu na funkcjonowanie komórki

• W organizmie tym występuje tylko jeden chloroplast

WIELKOŚĆ GENOMÓW MITOCHONDRIALNYCH I CHLOROPLASTOWYCH (kb)

Plasmodium falciparium – odpowiedzialny za malarię – 6

Chlamydomonas reinhardtii – 16

Mysz – 16

Człowiek – 17

Metridium senile – krasnorost – 17

Drosophila melanogaster – muszka owocowa – 19

Alga – 26

Aspergillus nidulans – grzyb filamentowy? – 33

Reclinomonas americana – pierwotniak, który zasiedla słodkie wody, głównie w Ameryce Północnej – 69

Saccharomyces cerevisiae – drożdże – 75

Największe genomy mitochondrialne występują u roślin

PRAWIDŁOWOŚĆ – jeżeli chodzi o różnice to w obrębie zwierząt nie są aż tak duże, natomiast olbrzymie genomu występują u roślin. U organizmów względnie złożonych (z wyjątkiem roślin) genomu mitochondrialne są względnie kompaktowe, zwarte. (genom mitochondiralny człowieka: geny bez sekwencji intronowych, odstępy międzygenowe są bardzo małe, oprócz nich jeszcze geny kodujące RNA; genom mitochondrialny saccharomyces – genom mitochondrialny jest większy, ale ta wielkość jest skutkiem dość długich sekwencji, które nie są sekwencjami genowymi) Podobna prawidłowość, jeżeli weźmie się pod uwagę genomu mitochondrialne roślin.

GENOMY CHLOROPLASTÓW – mniej zróżniocwane

Groszek – 120

Marchantia polymorpha – 121

Alga – 195

Struktura taka, jak w genomie mitochondrialnym człowieka (dla ryżu).

JAKIE GENY ZNAJDUJĄ SIĘ NA GENOMACH ORGANELLI

Genomy organellarne są mniejsze od genomów jądrowych, ilość genów również jest mniejsza.

Plasmodium falciporum – 3 geny kodujące białko (te 3 produkty stanowią tylko część łańcucha oddechowego) ; 2 geny kodujące RNA (rRNA)

Geny kodujące białka to głównie białka łańcucha oddechowego dla każdego organizmu, bo mitochodnria to miejsce, gdzie zachodzi oddychanie komórkowe. Mogą to też być inne białka jak np. białko rybosomalne (1 dla drożdży, 7 u arabidopsis); są też geny kodujące transportujące RNA; występuje mała ilość intronów (8 u drożdży, 23 arabidopsis, 1 dla chlamydomonas, dla reszty 0)

PO CO JEST GENOM MITOCHONDRIALNY

Trudno jest to wyjaśnić na drodze eksperymentów, ale istnieje pogląd, że te produkty białkowe, które są kodowane przez geny organelli mają takie właściwości, że prawdopodobnie nie mogłyby być transportowane przez błonę mitochondrium. Białka te są bardzo hydrofobowe – transport przez błony byłby niemożliwy, albo wiązałby się z utratą struktury

GENOMY WIRUSÓW I RUCHOME ELEMENTY GENETYCZNE

Wirusy są najprostszą formą „życia” – w odróżnieniu od najprostszej komórki prokariotycznej (jak np. mycoplasma genitalium) wirus nie ma zdolności do replikacji poza komórką, jest całkowicie uzależniony od komórki. Niektóre wirusy posiadają enzymy zdolne do syntezy DNA i RNA, ale większość korzysta z polimerazy DNA i RNA komórki gospodarza. Wykorzystują też rybosomy oraz cały aparat translacyjny komórki gospodarza. Z powodu tej zależności geny wirusa (ich organizacja) jest bardzo podobna do genów komórki gospodarza. To skutkowało tym, że geny eukariotyczne były najpierw badano dla wirusów atakujących komórki eukariotyczne. Dopiero ta wiedza była potem rozszerzana dla samych komórek eukariotycznych. Pomimo tych wszystkich zastrzeżeń i faktu, że wirusy są martwe poza komórką, mówi się, że informacja genetyczna wirusów jest w rzeczywistości genomem.

BAKTERIOFAGI

Wirusy infekujące komórki bakteryjne.

Składają się one z dwóch elementów: białka i kwasu nukleinowego. Białko tworzy otoczkę – kapsyd – wewnątrz którego znajduje się kwas nukleinowy.

Budowa:

20 ścienna – ikosaedralna

Filamentowa – nitkowata – protomery białkowe zorganizowane są w taką nitkowatą strukturę o kształcie walca; fagiem, który przyjmuje taką strukturę jest fag M13 – fag, który jest powszechnie stosowany w laboratoriach inżynierii genetycznej – wykorzystywany do pozyskiwania DNA w formie pojedynczej nici

Główki i ogonka – materiał genetyczny jest umieszczony w główce, a ogonek przydatny w infekcji, zaopatrzony w łapki, które ułatwiają przyczepienie się do komórki bakteryjnej.

CECHY NIEKTÓRYCH BAKTERIOFAGÓW I ICH GENOMÓW

Fag – atakuje – struktura – struktura genomów (forma w fagu) – wielkość genomu kb – liczba genów

Lambda – Escherichia coli – główka z ogonkiem – dsDNA L – 49,5 – 48

fiX174 – E. coli – ikosaedr – ssDNA C – 5,4 – 11

f6 – Pseudomnas phaselicola – ikosaeder – dsRNA L podzielony na fragmenty (trzy) – 2,9; 4,0; 6,4 – 13

M13 – E. coli – nitkowaty – ssDNA C – 6,4 – 10

MS2 – e coli – ikosadr – ssRNA L – 3,6 – 3

PM2 – Pseudommonas aeruginosa – ikosaedr - dsDNA L – 10,0 – średnio: 21

SPO1 – Bacillus subtilis – główka z ogonkiem – dsDNA L – 150 – 100+

T2, T4, T6 – E coli – główka z ogonkiem – dsDNA L – 166 – 150+

T7 – e. coli – główka z ogonkiem – dsDNA L – 39,9 – 55+

Wektory, które są pochodnymi M13 mają identyczną strukturę DNA

pseudomonas są ciekawe – to pałeczka ropy błękitnej – bakteria, która występuje w glebie – po wniknięciu do rany warunkuje powstawanie ropy, trudne do leczenia

GENOM fiX174 – ZAWIERA GEY ZACHODZĄCE NA SIEBIE

Dwie ramki odczytu – dwa różne odczyty informacji – translacja i transkrypcja rozpoczyna się w innym miejscu.

Bywa, że jeden gen całkowicie zawiera się w drugim.

T4 – duża liczba genów kodująca osłonkę – białka fagowe. Mimo to fag i tak musi korzystać z białek komórki gospodarza, aby zreplikować i skutecznie infekować kolejne komórki.

CYKL LITYCZNY BAKTERIOFAGA T4 – KRZYWA WZROSTU

Do 22 minuty (czas latencji) liczba zainfekowanych komórek się nie zmienia. Potem wzrasta gwałtownie i ustala się mniej więcej na stałym poziomie aż do uzyskania stanu nasycenia.

CYKL LITYCZNY BAKTERIOFAGA T4 – ZDARZENIA MOLEKULARNE

1. Fag przyczepia się do komórki bakteryjnej – proces odwracalny, związany z oddziaływaniem białek faga z białkiem na błonie bakteryjnej – białko receptorowe Ompc – białka odpowiedzialne za transport substancji do wnętrza komórki bakteryjnej – kanał transportowy. Białka faga tworzą kompleks z białkiem Ompc – jest to odwracalne

2. DNA faga jest wstrzykiwany do wnętrza komórki bakteryjnej, od tego momentu czas 0 – początek zdarzeń

3. Najpierw transkrypcja genów fagowych; depolimeryzacja genomu komórki bakteryjnej (5 minuta – już brak) w wyniku czego nukleotydy wykorzystywane do biosyntezy cząsteczek fagowych; w tym czasie też replikacja genomu faga

4. Po 5 minucie synteza kapsydowych białek – białek osłonki tego bakteriowirusa

5. Po 12 minutach składanie dojrzałych fagów (formowanie dojrzałych fagów)

6. Liza komórki bakteryjnej i wydostanie się fagów na zewnątrz (po 22 minutach od momentu wstrzyknięcia)

Z jednej komórki po replikacji powstaje od 200 do 300 fagów

Większość przechodzi przez cykl lityczny

CYKL LIZOGENICZNY INFEKCJI – NA PRZYKŁADZIE BAKTERIOFAGA LAMBDA

Też składa się z główki i ogonka, wewnątrz DNA typu ds L. Ten genom jest wstrzykiwany do wnętrza komórki bakteryjnej

1. DNA jest wbudowany do chromosomu bakteryjnego – za ten proces odpowiedzialna jest rekombinacja (chromosom bakteryjny ulega pęknięciu i w to miejsce wklejane jest DNA faga) – nie jest to przypadkowe miejsce – identyczne sekwencje około 15 nukleotydów określa miejsce na chromosomie.

2. Po wbudowaniu bakteriofag w formie ukrytej może przez wiele pokoleń pozostawać w komórce bakteryjnej (w formie profaga istnieje w komórce i jej komórkach potomnych)

3. W pewnych warunkach (zazwyczaj niebezpiecznych dla komórki bakteryjnej – czyli takich, które mogą doprowadzić do jej śmierci, a co za tym idzie do śmierci faga) dochodzi do uwolnienia faga – fag jest wycinany i wchodzi na drogę lityczną, znaną jak dla faga T4 – ekspresja genów, replikacja DNA, synteza białek kapsydowych, składanie i uwalnianie.

Może wybierać, czy będzie replikował na drodze litycznej, czy lizogenicznej.

Bakteriofag lambda jest bardzo ważny bo z niego wywodzi się szereg wektorów w inżynierii genetycznej – są one tak przygotowane, że droga lizogeniczna jest wykluczona, dochodzi zatem do lizy komórek.

WIRUSY EUKARIOTYCZNE

Ich kapsydy są bardzo często 20-ścienne, są też czasami nitkowate. Struktura główki i ogonka nie jest obserwowana dla wirusów eukariotycznych.

Kapsyd, który tutaj występuje, bardzo często jest otoczony błoną lipidową – dodatkowy składnik struktury wirusa – tworzy ona jeszcze coś w postaci dodatkowej koperty – w niej mogą być zanurzone białka charakterystyczne dla wirusa – ta błona komórkowa jest częścią błony komórki gospodarza – wirus opuszczając komórkę gospodarza zabiera część błony komórkowej, jednak białka w niej zanurzone są wirusa.

GENOMY WIRUSY EUKARIOTYCZNYCH

Może składać się z kilku części, liniowe lub koliste, podzielone lub nie na fragmenty, DNA lub RNA, albo ds albo ss

Bardzo często jest to RNA – te największe eukariotyczne przewyższają prokariotyczne

WIRUS – GOSPODARZ – GENOM – ROZMIAR kb – LICZBA GENÓW

Adnovirus – ssaki – ds; L DNA – 36.0 – 30

Hepatitis B (żółtaczka) – ssaki – częściowo ds; C DNA – 3.2 – 4

Influenza virus (grypa) – ssaki – ss; podzielona na fragmenty L RNA – 22.0 – 12

Parvovirus – ssaki – ss L DNA – 1.6 – 5

Poliovirus (atakuje układ nerwowy – często paraliż; po szczepionce w krajach rozwiniętych praktycznie przestał istnieć) – ssaki – ss L RNA – 7.6 – 8

Reovirus – ssaki – ds.; podzielony na fragmenty L RNA – 22.5 – 22

Retrovirusy – ssaki, ptaki – ss L RNA – 6.0-9.0 – 3

SV40 – małpy (w eksperymentach w laboratorium można też inne organizować) – ds C DNA (pozornie wydaje się, że jest to plazmid) – 5.0 – 5

Mozaika tytoniowa – rośliny – ss L RNA (z reguły dla roślin) – 6.4 – 6

Vaccina virus – ssaki – ds C DNA – 240 – 240

Większość wirusów przechodzi tylko lityczny cykl infekcji. Niektóre natomiast podlegają integracji. Bardzo często wirusy eukariotyczne koegzystują z komórką nawet przez wiele lat (nawet jeżeli cykl lityczny). Dopiero pod koniec może dojść do lizy komórki, gdy dojdzie do replikacji wirusa. Niektóre infekują komórkę nie doprowadzając do lizy – wysyłają cząstki wirusa na zewnątrz, które infekują kolejne. Są też takie, które są odpowiednikiem fagów lizogenicznych – zdolnośc włączenia się do genomu gospodarza (zarówno wirusy DNA jak i RNA – najlepszym przykładem są retroelementy wirusowe)

RETROWIRUSY

Ich proces replikacji obejmuje odwrotną transkrypcję. Retrowirusy właściwe charakteryzują się tym, że posiadają genom w postaci cząsteczki RNA. Są też pararetrowirusy – ich genom jest DNA – ale też w którymś miejscu zachodzi odwrotna transkrypcja.

W latach 70 howard Termin i David Baltimore badali retroelementy wirusowe – ciekawiło ich przejście RNA w DNA – odkryli białko, które nazwali odwrotną transkryptazą – jest polimerazą DNA, która syntetyzuje DNA na matrycy z RNA. W 1975 za odkrycie tego enzymu i badania nad nim otrzymali Nagrodę Nobla.

CYKL ODWROTNEJ TRANSKRYPCJI U RETROWIRUSÓW

Retrowirus z RNA – retrowirus „właściwy” – w jego wnętrzu występuje odwrotna transkryptaza i Integraza.

Osłonka białkowa otoczona jest jeszcze błoną lipidową – wirus zbliża się do komórki i jego błona zlewa się z błoną gospodarza i wpycha genom do wnętrza komórki. Tam wirusowy RNA ulega odwrotnej transkrypcji i powstaje wirusowy DNA, na nim syntezowana druga nić a następnie Integraza wkleja DNA do genomu gospodarza. Jest to podobny proces do integracji bakteriofaga lambda – tam integracja była kierowana przez taką samą sekwencję w genomie faga i gospodarza – w przypadku retrowirusa jest to proces przypadkowy, nie jest kierowany przez żadną sekwencję.

GENOM RETROWIRUSA

Składa się z trzech genów: gag, pol i env. Dają one jednak wiele produktów. Oprócz nich jeszcze dwa charakterystyczne elementy struktury LTR – obecne na końcach genomu wirusa. Są one bardzo ważne dla procesu replikacji retrowirusa. Wirus replikuje w oparciu o te sekwencje.

HIV – HMAN IMMUNODEFICIENCY VIRUS – retrowirus

Wirus, który powoduje AIDS (zespół nabytego niedoboru odporności)

BUDOWA:

Kapsyd – we wnętrzu którego 2 cząsteczki RNA – genom jest zdublowany – oprócz tego odwrotna transkryptaza a także Integraza. Następnie kapsyd i potem białka (białka rdzenia), osłonka lipidowa (w niej białka specyficzne dla tego retrowirusa).

Gag – koduje białka rdzenia

Pol – koduje odwrotną transkryptazę i inwertazę, a także inne ewentualne białka

Env – koduje białka envelope – czyli osłonki lipidowej

Produkty białkowe powstają jako duże białka, z których białka poszczególne są wycinane – czyli powstają w postaci tzw. poliprotein.

Proteaza – trawi poliproteinę

GP120 – ważne białko, specyficznie rozpoznaje specyficzne dla fagów tych komórek, które są przez niego atakowane

W latach 80 (83-84) pokazano, że HIV jest przyczyną AIDS i 2 grupy badawcze tym wirusem się zajmowały – Luc Montagnier z Francji; Robert Gallo w Stanach Zjednoczonych – zasługi obu laboratoriów są znaczne, jednak Nagrodę Nobla dostali Francuzi.

HIV – CYKL REPLIKACYJNY

Wirus HIV rozpoznaje limfocyt – dochodzi do integracji między receptorem CD4 a białkiem GP120 – do wnętrza jest przenoszony genom i odpowiednie białka.

Już gotowe DNA wirusa ulega transkrypcji – opuszcza ono jądro komórkowe – następnie translacja w proteiny wirusa, następnie proteaza trafi białka – wirus jest kompletowany.

HIV – INFEKCJA

W kilku pierwszych tygodniach po infekcji liczba limfocytów dość szybko maleje – one ulegają zniszczeniu po obciążeniu wirusem. Obserwuje się też wzrost liczby kopii RNA. Skutkuje to wzrostem zakażeń – okres, gdzie nieco wzrasta liczba limfocytów T, a potem już tylko spadek liczby limfocytów (proces postępuje w latach). Po wzroście ilości RNA wirusowego, spada ona gwałtownie, a następnie powoli wzrasta.

LICZBA ŻYJĄCYH LUDZI ZARAŻONYCH HIV

Liczba ta ciągle wzrasta. Liczba nowych osób zakażonych maleje, a liczba śmierci spowodowanych HIV też już maleje. Najczęściej zakażenie krwi dochodzi przez transfuzję, a nie kontakty seksualne.

TERAPIA HIV

Często jest terapią skojarzoną – leki przeciw różnym białkom, które są konieczne dla aktywności wirusa.

WIRUSOID – jeszcze prostsze od wirusów

Cząsteczka RNA o długości 320 – 400 nukleotydów, która nie koduje swoich białek kapsydu, ale przenosi się z komórki do komórki wkapsydzie wirusa wspomagającego. Jako niekiedy postrzega się je jako pasożyty wirusów wspomagających. Opisano nawet taki układ, który wydaje się układem symbiozy (wirus wspomagający z trudnością replikuje, gdy w kapsydzie jest nie jest obecny wirusoid).

Często atakuje on rośliny (także atakowane przez wiroidy – nie zawierają genów i nigdy nie są otoczone kapsydem – przenoszą się pod postacią samego RNA, można je jednak nazwać genomem)

WIROIDY

Obejmują patogeny, które niszczą plantacje, np. drzewek cytrusowych

Oba ulegają replikacji np. przez białka komórek gospodarza bądź białka wirusów wspomagających.

AUTOKATALITYCZNE CIĘCIE POŁĄCZONYCH GENOMÓW W CZASIE REPLIKACJI WIROIDÓW

PRION

Niezwykły czynnik zakaźny zbudowany wyłącznie z białka. Niosą sobą informację, ale nie jest ona połączona z kwasem nukleinowym – ani z DNA, ani z RNA. Powodują chorobę tylko za pomocą białek.

Kołowacizna owiec czy kóz (screpi??) – później przeniesiona na bydło, które po padnięciu były poddane utylizacji i przerabiane na paszę – bydło, którym podawano taką paszę zapadały w chorobę.

U ludzi opisano kilka stanów patologicznych, które sa związane z prionami. Choroba Croytzfelda – Jacoba.

PRION – STRUKTURA PrP^C i PrP^SC

W normalnej strukturze przeważają elementy helikalne (z indeksem c – takie białko jest produkowane w mózgu człowieka – nie powoduje żadnych stanów patologicznych, ale funkcja jest nieznana)

Typ sc – przypuszczalna konformacja powodująca stan patologiczny – białko w tej konformacji posiada bardzo dużo struktur beta – kiedy cząsteczki przyjmują takie struktury dochodzi między cząsteczkami do interakcji – powstają złogi odkładające się w tkance nerwowej, które prowadzą do choroby. Przejście jednej konformacji w drugą może zajść w określonych warunkach – można to przejście wywołać, poprzez umieszczenie w określonym roztworze. Jeżeli białko patogenne tworzy kompleks z normalnym białkiem, to ta konformacja staje się patogenna i jest to zmiana nieodwracalna i przenosi się dalej.

Gdy taką chorobę odkryto, likwidowało się całe stado, by nie zarażać człowieka (profilaktyka, bo nie wiadomo, czy poprzez zjedzenie zarażonego białka wywołana jest choroba u człowieka)

RUCHOME ELEMENTY GENETYCZNE

POWTÓRZENIA ROZPROSZONE (INTERSPERSED REPEATS)

Rozproszone w genomie sekwencje powtarzające się (często w liczbie kilku tysięcy kopii; charakterystyczne np. dla genomu człowieka)

TRANSPOZYCJA

Przeniesienie się elementu mogący przemieszczać się z jednego miejsca cząsteczki DNA w drugie

RETROTRANSPOZYCJA

Transpozycja za pośrednictwem RNA

Retrotranspozon ulega transkrypcji; otrzymujemy ss RNA, który ulega odwrotnej transkrypcji; powstaje ds DNA (kopia retrotranspozonu); może ona ulec integracji z DNA

Retrowirusy i retrotranspozony to retroelementy.

Retroelement – element genetyczny, który ulega transpozycji za pomocą RNA

1. Mają sekwencje LTR – potrzebne są do integracji, do replikacji tych retroelementów

2. Nie mają sekwencji LTR

Retroelement TY2 – element typu LTR, retroelement endogenny (nie retrowirus), który był odkryty w komórkach eukariotycznych; występuje w 25 do 35 kopii w większości genomów drożdży

Rekombinacja homologiczna pomiędzy LTR na obu końcach elementu Ty mogłaby doprowadzić do powstania sekwencji delta. Sekwencja delta – fragment sekwencji Ty zredukowany do samej sekwencji LTR – występują w dużej ilości (ok 100 w genomie); ich rola nie jest znana.

Retroelement wirusowy – na końcach sekwencje LTR; trzy geny: gag, pol i env.

Oprócz elementu Ty w komórkach drożdżowych inne retroelementy. Element Ty1 – zawiera sekwencje LTR na końcach oraz odpowiedniki genów gag i pol (brak odpowiednika env) – niepełny retroelement. Element Ty3/gypsy(dla drozofili) – zawierają gag, pol, „env” – można je traktować jako wbudowane w genom „kopie wirusów”.

ELEMENTY PODLEGAJĄCE TRANSPOZYCJI W GENOMIE CZŁOWIEKA

Klasa (typ elementów, które podlegają transpozycji) – rodzina – liczba kopii w genomie – udział typu w genomie

LTR retroelementy – ERV – 240000 – 4,7

LTR retroelementy – MaLR – 285000 – 3,8

Są to praktycznie sekwencje retrowirusowe (ale zawierają mutację, dzięki czemu są nieaktywne; niektóre mają jednak znaczenie funkcjonalne i mogą funkcjonować jako wirusy; większość jest jednak nieaktywna)

Nie wszystkie transpozony RNA są transpozonami zawierającymi sekwencje LTR:

Sekwencje SINE – krótkie, rozproszone elementy jądrowe; stanowią najwięcej kopii

LINE – długie rozproszone elementy jądrowe; są dłuższe, dlatego ich udział jest większy, choć występuje mniej kopii (wyróżniono trzy grupy: LINE-1,2,3; LINE-1 – przynajmniej w części reprezentantów jest zdolna do transpozycji; 2,3 doszło do jakiś mutacji, brak zdolności do transpozycji

Retropozon – retroelement nie mający LTR

LINE – gag (koduje białka osłonki) i gen pol (koduje enzymy); występuje charakterystyczny element poly(A) na 3’ końcu (odwrotna transkryptaza nie zawsze prowadzi syntezę do końca, dlatego bardzo wiele elementów LINE-1 jest skróconych; tylko ok. 1% tych sekwencji LINE jest długości 6kb; reszta znacznie krótsza)

SINE – te elementy są znacznie krótsze, ok. 0,3kb; zawierają sekwencje poly(A); najbardziej rozpowszechnionym elementem z grupy sine jest sekwencja Alu (więcej niż 1mln kopii w genomie człowieka; stanowi ok 10% całej informacji zawartej w genomie; składa się z dwóch połówek (części lewej i prawej), są one praktycznie identyczne, w prawej jest część z intersekcją)

Wszystkie rodzaje RNA: tRNA i 7 rodzajów sRNA; w komórkach eukariotycznych 3 rodzaje polimeraz. Polimeraza typu III syntezuje wszystkie rodzaje tRNA, które są sekwencjami typu Alu.

TRANSPOZONY DNA – charakterystyczne dla DNA eukariotycznego, u prokariotów mniej rozpowszechnione; zajmują szczególne miejsce, bo transpozony DNA u eukariotów odkryte zostały u kukurydzy i były związane z ciekawym fenotypem;

E. Coli – TRANSPOZONY PROKARIOTYCZNE

IS – sekwencja insercyjna

IS1; IS186 – kodują transpozazy (enzym, odpowiedzialny za transpozycję); sekwencja tego transpozonu zawiera enzym odpowiedzialny za jego przemieszczanie!; na końcach sekwencji IS znajdują się sekwencje niekodujące: ITR – odwrócone terminalne powtórzenia; sekwencje IS mogą ulegać transpozycji replikacyjnej albo konserwatywnej; sekwencje IS są elementami bardziej złożonych sekwencji, które występują w DNA – transpozonów złożonych

Transpozon złożony – po raz pierwszy zdiagnozowany u E. Cocli – na jego końcach znajduja się sekwencje IS; wewnątrz transpozonu znajdują się sekwencje nadające cechy odporności (np. Te10 przenosi oporność na tetramecynę; ogólnie różnego rodzaju antybiotyki); niektóre z transpozonów złożonych mają na swoich końcach identyczne sekwencje IS, a inne zupełnie różne (w przypadku np. sekwencji ITR mamy do czynienia z powtórzeniem odwróconym, a, gdy strzałki w tę samą stronę to powtórzenie proste);

Transpozon typu TN3 – zawiera na końcach sekwencje typu ITR – czyli takie, jak występują w sekwencji IS – nie potrzebuje zatem do transpozycji tych znajdujących się na końcach sekwencji IS (zawiera własnym gen kodujący transpozazę)

TRANSPOZONY EUKARIOTYCZNE

ZRÓŻNICOWANIE ZABARWIENIA ZIAREN KUKURYDZY W WYNIKU TRANSPOZYCJI W KOMÓRKACH SOMATYCZNYCH

RODZINA TRANSPOZONÓW Ac/Ds. U KUKURDZYZY

DYSGENEZA MIESZAŃCÓW – po poddaniu krzyżowaniu muszki, które są z hodowli laboratoryjnej z muszkami typu dzikiego zaobserwowano, że jeżeli skrzyżujemy samicę z hodowli lab z samicę z hodowli dzikiej to potomstwo jest sterylne (ponieważ muszki, które żyją w środowisku naturalnym zawierają bardzo aktywny transpozon typu P; pojawił się on poza laboratorium w połowie ubiegłego wieku) po skrzyżowaniu samicy z hodowli dzikiej z samcem z linii laboratoryjnej prowadzi do normalnego potomstwa (muszka z poza hodowli lab posiada też transpozony typu P, jednak z niewyjaśnionych powodów jest ona zahamowana; teoria: za hamowanie transpozycji odpowiedzialne są białka, które znajdują się w komórce samicy)

DROGI EWOLUCJI GENOMÓW

GENOMY PIERWSZYCH 10 MLD LAT

Kosmolodzy szacują, że świat powstał mniej więcej 14mld lat temu – jest skutkiem wielkiego wybuchu. 10mld lat temu z powstałych gazów podczas wielkiego wybuchu zaczęły powstawać galaktyki. Nasza galaktyka powstała mniej więcej 4,6mld lat temu. 3,5mld lat temu powstały pierwsze komórki. Znacznie różniła się jedynie atmosfera – brakowało w niej tlenu. Pierwotną formą makrocząsteczek nie były białka, tylko RNA – jest on nie tylko cząsteczką funkcjonalną, ale też enzymatyczną (są to tzw. rybozyny). Rybozyny w dzisiejszym świecie mogą prowadzić trzy reakcje: cięcie autokatalityczne (wycinanie fragmentów cząsteczek RNA przez te same cząsteczki – tę reakcję katalizują introny); rnaza T (trawi inne cząsteczki RNA); reakcja syntezy białka (synteza wiązań peptydowych jest katalizowana przez RNA).

Pierwsze cząsteczki RNA musiały ulegać replikacji – na początku była ona przypadkowa.

POWSTAWANIE NOWYCH GENÓW

Pierwsze komórki eukariotyczne, które przypominały glony pojawiły się ok. 1,4mld lat temu. 0,9mld lat temu pojawiły się już organizmy wielokomórkowe podobne do glonów. 640mln lat temu powstały wielokomórkowe zwierzęta. 350mln lat temu powstały rośliny, owady, inne zwierzęta, zaraz potem pojawiły się dinozaury, które około 65mln lat temu wyginęły. Pierwsze istoty humanoidalne powstały około 4,5mln lat temu.

Mogą powstawać przez duplikację, bądź przez nabywanie nowych genów od innych gatunków.

POWSTAWANIE PRZEZ DUPLIKACJĘ

Duplikacja może mieć 3 skutki:

1. Po duplikacji nowa kopia jest korzystna, zwiększona ilość produktów tego genu jest korzystna – obie kopie pozostają

2. Jedna kopia po duplikacji ulega degradacji – traci funkcjonalność, np. po mutacji

3. Jedna kopia ulega mutacji i zyskuje nowe funkcje; nowa kopia zyskuje cechy, które skutkują pozytywną zmianą dla komórki

Przykłady:

1. Rodziny wielogenowe – obejmują geny o identycznej lub prawie identycznej sekwencji, np. geny kodujące rRNA

Modele duplikacji genów, tzw. tandemowych – dostajemy rodziny genów, których poszczególne kopie są blisko siebie położone

1. Nierówny crossing-over – nierówne ułożenie chromosomów homologicznych – po zajściu crossing-over jeden chromosom homologiczny jest zduplikowany

2. Nierówna wymiana chromatyd siostrzanych

3. Amplifikacja DNA

4. Podczas replikacji DNA

POCHODZENIE RETROPSEUDOGENU

Gen – transkrypcja – powstaje RNA – odwrotna transkrypcja – powstaje DNA – reintegracja – włączany jest pseudogen

W ANTYSENSOWNEJ KOPII RNA GENU ZACHOWANE SĄ JEGO INTRONY

Normalny promotor – transkrypcja genu – powstaje sensowne RNA – ulega splicing – dalej odwrotna transkrypcja – powstaje pseudogen (brak intronów i sekwencji promotorowej)

Antysensowne RNA powstają dość często:

Promotor (po drugiej stronie genu) – powstanie nici antysensownej – nie podlega ona splicingowi (nie są to prawidłowe sygnały, nie są one odczytywane) – może ulec odwrotnej transkrypcji – może być wstawiana do genomu w dowolnej pozycji (nawet daleko od kopii macierzystej) – w ten sposób prawdopodobnie powstają rodziny genów, które są rozrposzone;

Duplikacje dotyczą względnie krótkich odcinków DNA

Czy możliwe są duplikacje całych chromosomów?

Duplikacja całych genomów niesie zazwyczaj fatalne skutki – jest to zjawisko o nazwie aneuploidii – zmiana liczby chromosomów 2n + x (monosomy – 2n-1; trisomy – 2n+1; tetrasomy, pentasomy etc – 2n+2,2n+3…)

Jedyny znany przykład trisomii u człowieka, która nie skutkuje śmiercią to zespół Downa; pozostaje prowadzą albo do poronienia podczas rozwoju płodowego, albo skutkują bardzo poważnymi zmianami w rozwoju, które doprowadzają do śmierci w krótkim czasie po porodzie.

Trisomia związana jest z nierozdzielaniem się chromosomów podczas mejozy (brak dysjunkcji). W pierwszym podziale mejotycznym brak rozdzielenia chromosomów – gamety są diploidalne. Gameta diploidalna łączy się z haploidalną – skutek: trisomia.

Pierwszy podział mejotyczny z rozdzieleniem, drugi bez – też trisomia.

Trisomia chromosomu 21 – zespół Downa.

ZESPÓŁ DOWNA

• 47 chromosomów

• 1:800 urodzeń

• Wyróżnia się 12 – 14 charakterystycznych cech

• Przedwczesne starzenie się, białaczka, choroba Alzheimera

• Przyczyną są nieprawidłowe podziały związane z pierwszym podziałem mejotycznym – gamety diploidalne względem chromosomu 21; zaburzenie to dotyczy głównie komórek jajowych (prawdopodobieństwo występowania choroby Downa u dziecka rośnie wraz z wiekiem matki – wraz z wiekiem kolejne komórki jajowe starzeją się)

EUPLOIDY

Zwiększenie ilości kopii chromosomów (ilość n)

Organizm wytwarza diploidalne gamety – po połączeniu z innymi gametami diploidalnymi daje: 4n.

Gamety diploidalne powstają na skutek nieprawidłowej mejozy

Organizmy tetraploidalne mogą się nawet skutecznie rozmnażać. Podczas mejozy mogą powstawać typowe rodzaje biwalentów. Autopoliploidy nie mogą się krzyżować z organizmami gatunku, z którego pochodzą (diploidalne z tetraploidalnymi).

Organizmy tetraploidalne występują bardzo często u roślin, np. oenothera lamarckiana.

Znane są też zwierzęta tetraploidalne, np. lagostomus maximus (wiskacz)

Podczas autopoliploidii zwiększa się liczba genów, ale nie zwiększa się ich repertuar (brak nowych genów, tylko wzrost kopii już istniejących), zwiększa się jednak szansa nabycia nowych kopii poprzez mutacje. Często nie wpływa to negatywnie na funkcje życiowe organizmu i w ten sposób mogą być nabywane nowe kopie.

DOMENY STRUKTURALNE SĄ POSZCZEGÓLNYMI JEDNOSTKAMI W ŁAŃCUCHU POLIPEPTYDOWYM, KODOWANYMI PRZEZ CIĄGI NUKLEOTYDÓW

Duplikacja domen następuje wtedy, gdy odcinek kodujący domenę strukturalną ulega duplikacji w skutek np. nierównego crossing-over, bądź innego mechanizmu. W wyniku duplikacji powstaje nowa wersja genu z podwojoną jakąś sekwencją, co może być korzystne, ale nie musi. Powstaje nowy produkt, który może być bardziej stabilny. Duplikacja domen wydłuża sam produkt, ale też gen (geny eukariotów są dłuższe od prokariotycznych).

Powstawanie nowych genów przez tasowanie domen – dochodzi do wymiany sekwencji, która koduje sekwencję między genami – powstaje nowy gen z innymi domenami niż do tej pory – daje nowe białko, z nowymi cechami strukturalnymi.

W przyszłym tygodniu brak wykładu;)

Koło za 2 tyg we wtorek – 11.06 – podział na ogłoszeniu (do środy)

GENOMY ROZDZIAŁY:

Eukariotyczne genomy jądrowe (7)

Genomy prokariotów i organelli prokariotycznych (8)

Genomy wirusów i Ruchome elementy (9)

Drogi ewolucji genomów (18)

Być może (19) ale chyba nie