04.01.2011

Upakowanie DNA

• Strukturę upakowania poznano w latach ’80-tych

• Struktura zależna od białek

• Oprócz DNA prokariotów występują plazmidy (np. u E. Coli)

• Nie znane konkretne białka pakujące DNA

• Długośc DNA u E. Coli jest większa niż u bakteriofaga T2

• Nukleoid=chromosom bakteryjny

• Długie cząsteczki DNA(RNA) muszą być upakowane w niewielkiej przestrzeni

• 1 para zasad = 660 Daltonba -> ciężar molekularny

• Wirusy są organizmami w miarę nie żywymi, w przeciwieństwie do organizmów eukariotycznych

• Organizmy zawierają dużo nadmiarowego DNA, kiedyś uznawano je za DNA śmieciowe, jednak ostatnio okazało się iż pełnią w organizmie pewne funkcje

• Rośliny są często poliploidalne dlatego ich liczba par zasad i średnia długość chromosomu są często niezwykle wysokie i długie

• W przypadku zwierząt poliploidalność jest zazwyczaj letalna, często powiązane z chorobami

• Łososie i pstrągi są poliploidamia

• Formy DNA:

  • Liniowa

  • Zrelaksowana

  • Zwinięta (na skutek działalności białek)

  • Skręty DNA są przeciwne do RNA

• Mitochondrialne DNA

  • Koliste

  • Może również występować w formie liniowej jednolitej (u orzęsków)

  • Ulega upakowaniu

  • Działanie jest cechą indywidulaną dla każdego gatunku

  • Stopień upakowania podobny jak u bakterii

  • Wielkośc genomów wacha się od 6000 do 2 000 000

• Chloroplastowe DNA

  • Pierwotnie zawierały tysiące genów

  • W trakcie ewolucji ilość genów uległa redukcji do kilkudziesięciu

• Chromosomy u eukariotów

  • Od 1 do nawet 1000

  • Najkrótsze i najlepiej widoczne w chromosomach metafazowych

  • Wielkość chromosomów jest przypadkowa

• Genom jądrowy człowieka

  • Zawiera 24 elementy

  • Podzielone na 4 grupy (a, b, c, d)

  • Najmniejszy chromosom u ludzi to 21-szy

  • Liczba chromosomów nie ma nic wspólnego z organizacją, jedynie pomaga w klasyfikacji

• Trzy typy chromatyny w chromosomie eukariotycznym

  • Euchromatyna (chromatyna aktywna)

  • Centromerowa chromatyna

  • Heterohromatyna – czasowo może stawać się euchromatyną (być aktywna)

• Skład chromatyny

  • DNA

  • RNA

  • Białka histonowe i nie histonowe

  • Nonchromatin nuclear constitutiens

• Białka histonowe

  • Budują strukturę

  • Występują w jednakowych proporcjach

  • Występuje 5 typów

    • H1 – bogaty w lizynę

    • , h2a, h2b – średnio bogate w lizynę

    • , h3, h4 – średnio bogate w argoninę

  • Bogate w lizynę lub argoninę

  • Wiałka wysoce konserwowane

  • Mutacje w histonach prowadzą do zaburzeń w strukturze

  • Struktury typów histonów są podobne

• Mutacje przypadkowe

• Struktura nukleosomalna chromosomu eukariotycznego

  • Podwójny noblista odkrył te strukturę

  • Są powtarzalne

  • 1.6 nawinięcia DNA na histon

  • Pełny histon zawiera histon H1 na zewnątrz – odpowiada za dalsze upakowanie DNA

  • „ogonki” histonów głównych pozwalają się komunikować z białkami zewnętrznymi (przyłączenie grupy metylowej powoduje kondensację i przejście w stan chromatyny nie aktywnej; przyłączenie grupy acetylenowej powoduje rozluźnienie struktury i umożliwia transkrypcję)

• Nukleosom

  • Podstawowa struktura chromatyny

    • Oktomer złożony z 2 histonów H2A, H2B, H3 i H4

    • Około 147 nukleotydów nawiniętych jest na nukleosom

    • Wraz z łącznikowym DNA jeden nukleosom zawiera ok. 200 nukleotydów

    • Histon H1 jest jedynym występującymn na zewnątrz

  • Występują białka niehistonowe

  • Ten sam odcinek DNA może być raz nawinięty na rdzeń nukleosomu lub znajdować się w części łącznikowej

  • Dołącznie białka niehistonowego do DNA uniemożliwia przyłączenie nukleosomu – jednocześnie określa miejsce przyłączenia kolejnego nukleosomu

  • Sekwencje podatne na zaginanie i odwracanie

• Histon H1 promuje powstanie struktury solenoidu

• Nukleosomy odgrywają aktywną rolę w transkrypcji, reperacji DNA, mitozie i „wyciszaniu genów”

  • Są modyfikowane na drodze

    • Acetylacji

    • Deacetylacji

    • Metylacji

• Struktura solenoidu

  • Podstawowa średnica chromatyny to 30nm

  • Występuje w formie:

    • Zwartej

    • Luźnej

    • Mieszanej (???)

• 5 stopni upakowania struktury chromatyny do chromosomu (chromosom metafazowy)

• Stopnie upakowania chromatyny

  • DNA

  • Nukleosomy

  • Solenoid

  • Pętle solenoidu (supersolenoid)

  • Całość odbywa się przy udziale białek

• Organizacja genomów eukariota

  • Domeny chromatynowe

    • Odcinki połączone z podstawą białkową (tzw. matriks) na odcinku bogatym w AT

    • Główna fgrakcja matrix w dzialących się komórkach to topoizomeraza II

    • Główna frakcja matrix w komórkach nie dzielących się

• Dynamiczna struktura chromatyny oddziałuje na ekspresję informacji genetycznej

• Nukleosomalna struktura chromatyny może być mniej lub bardziej zwarta

  • Struktura A – nukleosomy ułożone regularnie

  • Struktura B – nukleosomy są rozsunięte

• Upakowanie chromatyny w jądrze interfazowym

  • Euchromatyna – chromatyna aktywna transkrypcyjnie, o zredukowanym stopniu upakowania

    • Redukcja upakowania dotyczy nie tylko genów ulegających transkrypcji, ale rozciąga się poza obszat genu na całą pętlę

    • Histon H1 słabiej oddziałuje z rdzeniem nukleosomu

    • Histony H3 i H4 ulegają acetylacji na swoich N-końcowych odcinkach

    • DNA w obrębie euchromatyny jest demetylowana

    • Acetylacja jest częstsza w elementach ruchomych

    • Do acetylacji, metylacji i fozforyzacji są wykorzystywane enzymy

  • Heterohromatyna – chromatyna nie aktywna transkrypcyjnie o silnej kondensacji

    • Histony

• Najwięcej mitochondriów mają komórki jajowe

• Komórki mięśni zawierają znacznie więcej mitochondriów niż inne komórki

• Struktura chromosomu mitotycznego złożona z rusztowania białkowego

• Różnej modele upakowania solenoidu

• Centromery

  • Konstrukcyjny fragment chromosomu

  • Niezbędny dla prawidłowej segregacji podczas mitozy i mejozy

  • Ze względu na położenie centromeru, dzieli się chromosomy na kilka typów

    • Metacentryczny

    • Submetacentryczny

    • Akrocentryczny

    • Telocentryczny

• Chromosomy poiliteniczne (wyizolowane ze śninianek larw Drosophila)

  • Tworzą biwalenty’

  • Składają się z 1000-5000 chromatyd

  • Prążek obejmuje ok 10⁷ pz (par zasad)

• Chromosomy polteniczne

• „pufy” – miejsca aktywne transkrypcyjnie

• Chromosomy szczoteczkowe

  • Występują w oocytach kręgowców

  • Prezentują biwalenty

  • 0.5-0.8mm długości

• chromosomy Lampbrush’a

  • występują w oocytach kręgowców oraz spermatocytach niektórych owadów

    • diploten mejozy

  • wyglądają jak szczotki do czyszczenia lamp naftowych

• struktura genomu eukariotycznego

  • pojedyncze kopie, funkcjonalne geny

  • spacer DNA (rejodny nietranskrybowane pomiędzy powtórzeniami np.: w rDNA)

  • powtarzalne DNA

    • DNA funkcjonalne

      • Rodzaj genów (+pseudogeny)

        • Rodziny genów rozproszone

        • Rodziny genów tandemowe

      • Nie kodujące (sekwencje regulatorowe)

    • DNA o nieznanej funkcji („śmieciowe DNA”)

• Genom – cała informacja genetyczna zawarta w komórce/organizmie

• Elementy składowe typowego genu eukariotycznego

  • Elementy regulacyjne

    • Wzmacniacze – zwiększa ekspresję danego genu

    • Promotor

    • Wzmacniacze

  • Introny i eksony

• Gen – odcinek DNA ulegający transkrypcji

• Wirowanie DNA eukariotycznego w ScCL rozdziela genomowe Dna na 2 frakcje

• Satelitarne DNA

• Ułożenie genów bakteryjnych

  • Rozrzucone

  • Tandemowe – typowy dla genów powstałych na drodze duplikacji

• Geny bakteryjne zorganizowane są w jednostki transkrypcyjne – operony-.

• U prokariota ta sama sekwencja DNA może wchodzić w skład różnych genów

• Introny wchodzą w skład większości genów eukariotycznych

• Geny są najbardziej upakowane u bakterii a najmniej u eukariota

• Wielkość genomu skorelowana ze stopniem organizacji danego organizmu

• Geny mogą tworzyć rodziny genów

• Geny globiny ulegają ekspresji w kolejności swego położenia

• Geny histonów tworzą rodziny

• Chromosomy można barwić różnicowo

• SEKWENCJE CHARAKTERYSTYCZNE DUŻEGO GENOMU ROŚLINNEGO

  • ZABEZPIECZENIE KOŃCA CHROMOSOMU PRZED DZIAŁANIEM ENZYMÓW

  • ZABEZPIECZENIE PRZED ŁĄCZENIEM SIĘ CHROMOSOMÓW

• SSLP – polimorfizm długości prostych sekwencji

• Minisatelity – VNTR-zmienna liczbna powtórzeń tandemowych

  • Jednostka powtarzająca się do 25pz

  • Wykorzystuje się do identyfikacji osobników (np.: kryminalistyka)

• Mikrosatelity

• Powtórzenia tandemowe genomie są wynikiem zwielokrotnienia sekwencji wyjściowej na skutek poślizgu w czasie:

  • Replikacji

  • Rekombinacji

• Nie ma 2 osób o tym samym zestawie genomu mikrosatelitarnego

• Brak zależności między wielkością genomu a liczbą genów – „paradoks wartości N”

• Mechanizm determinujący różnorodność białek:

  • Alternatywne składanie eksonów (35% genów)

  • Alternatywnej poliadenylacji transkryptów

  • Postranslacyjne modyfikacje

• Geny mogą być różnie regulowane i aktywne w różnych tkankach

• Złożoność struktury i funkcji organizmu jest wynikiem:

  • Różnorodnoiści kombinowania funkcjonalnych domen białek

  • Wyrafinowanych mechanizmów regulacji ekspresji genów

    • Ogrom czynników transkrypcyjnych i poziomów regulacji

• Za mowę odpowiada gen i aparat głosowy