Wykład XIII
DNA pozajądrowy

0. ctDNA (cytoplazmatyczny = pozajądrowy)

1. mtDNA (mitochondrialny)

2. cpDNA = chlDNA (chloroplastowy)

CECHY mtDNA

0. mała cząsteczka, od 16-20 tys.pz

1. charakter haploidalny

2. kolisty, czysty (bez histonów)

3. Zasadniczo brak intronów (u niższych eukariotów są), DNA repetytywnego, pseudogenów i elementów ruchomych

4. brak zmetylowanych zasad

0. region kontrolny (pętla D, D loop) zawiera operon do replikacji i transkrypcji

1. układ genów swoisty dla dużych grup systematycznych (owady, nicienie, kręgowce)

2. dziedziczy się po matce

3. nie podlega rekombinacji

4. szybkie tempo gromadzenia

mutacji

mtDNA dziedziczony jest tylko po matce (?)

0. mtDNA wyłamuje się z reguły uniwersalności kodu genetycznego

AGA i AGG = stop (w jądrowym Arg)

AUA = Met (w jądrowym Leu)

AUA i AUU = kodon inicjujący (AUG w jądrowym)

0. geny mitochondrialne nie mają wspólnej przeszłości z genami jądrowymi – konsekwencja endosymbiotycznego pochodzenia

0. Pętla D składa się z 1 274 pz i zawiera operon do replikacji łańcucha H i transkrypcji łańcucha L i H

1. Replikacja mtDNA u ssaków zachodzi w sposób asynchroniczny:

- każda z dwu nici (H bogata w puryny i L bogata w pirymidyny) miejsce inicjacji (ori) ma w innym regionie - najpierw replikuje się nić H

(wewnętrzna)

- gdy zreplikuje się około 70%

nici H - rozpoczyna się synteza

nici L.

Replikacja nici H
przebiega zgodnie z ruchem
wskazówek zegara, a nici L
odwrotnie.

0. mtDNA koduje:

- 22 rodzaje tRNA

- 2 rodzaje rRNA

- 13 białek łańcucha oddechowego:

cytochrom b

3 podjednostki oksydazy

cytochromowej

2 podjednostki syntazy ATP

7 podjednostek

dehydrogenazy

Polimorfizm mtDNA u człowieka

0. Znana jest kompletna sekwencja ludzkiego mtDNA (od 16 558 do 16 576 pz)

1. Wykryto 657 miejsc polimorficznych (w tym 141 w regionie kontrolnym – pętla D).

0. Na podstawie badań sekwencji wykryto w polskiej populacji 2 europejskie typy mtDNA i jeden kaukazki.

1. Liczba wykrywanych typów mtDNA jest zależna od 2 czynników:

- liczby badanych miejsc restrykcyjnych

-stopnia zmienności mtDNA w obrębie populacji

Przyczyny częstych mutacji w mtDNA

0. mniejsza wydajność systemu naprawczego

1. większa częstość replikacji

2. zwiększenie tolerancji na substytucje w terminalnym nukleotydzie kodonu

3. nie chroni go struktura chromatynowa

4. mutaganami są wolne rodniki

powstające jako uboczny

produkt oddychania

0. Efekt mutacji mtDNA w fenotypie

zależy od:

- procentu zmutowanych cząsteczek u danej osoby

- do jakiej tkanki trafią większa liczba cząsteczek zmutowanych

0. Efekt mutacji częściej pojawia się u osób starszych

1. Najszybciej mutuje region kontrolny czyli pętla D

0. Najszybciej mutuje region kontrolny czyli pętla D

1. W pętli D wyróżnia się obszary (segmenty) o dużej zmienności = sekwencje Andersona.

2. Zmienność w obrębie tych sekwencji pomiędzy osobnikami niespokrewnionymi wynosi 3%.

3. Region ten jest wykorzystywany do identyfikacji osobników np. ze śladów biologicznych oraz do ustalania pokrewieństwa

Przykłady chorób mitochondrialnego DNA

0. Choroba Parkinsona

1. CPEO (chroniczny postępujący paraliż mięśni oka)

2. Cukrzyca

3. Dystonia

4. Zespół Lebera (neuropatia

oczna) – mutacja w genie

12SrRNA, zwykle 100%

cząst. mtDNA jest zmutowanych

Zmiany w mt DNA mogą być także wywoływane przez mutację w genach jądrowych - kodujących białka strukturalne mitochondriów lub białka związane z regulacją ich funkcji.

0. W chorobach wynikających ze zmian w mtDNA dziedziczonych w sposób matczyny stwierdza się różnorodność objawów wśród tej samej rodziny,

1. gdyż w komórce najczęściej koegzystują ze sobą DNA niosące patogenną mutację i DNA niezmutowane i jest to tzw. heteroplazmia.

CECHY cpDNA

0. występuje w chloroplastach i innych plastydach

1. podobny do bakteryjnego

2. Wielkość od 140 do 200 kpz (zależy od gat.)

3. kolisty

4. „czysty” (nie tworzy

kompleksów z histonami)

0. brak zmetylowanych zasad

1. rybosomy 70S

0. cpDNA koduje:

- rRNA (16S, 5S, 4,5S, 23S)

- tRNA (dla 32 tRNA u Marchantia polymorpha)

- syntetazy aminoacylo-tRNA

- polimerazy RNA, DNA oraz białka niezbędne do replikacji DNA i ekspresji genów

- białka rybosomalne

- białka bezpośrednio

związane z fotosyntezą

(białka wiążące chlorofil,

białka cytochromu b,f itp.)

Większość (2/3) białek

Chloroplastowych

Jest kodowana w DNA

jądrowym.

Pochodzenie mtDNA i cpDNA

0. Teoria endosymbiozy

Mitochondria i chloroplasty powstały na drodze endosymbiozy, w którą weszły bakterie wolnożyjące na bardzo wczesnym etapie ewolucji z progenotami czyli przodkami komórek Eucaryota.

Teoria ta opiera się na większym

podobieństwie budowy

i ekspresji genów tych organelli

do bakterii niż do eukariotów

Na te Święta co nadchodzą,
Życzę ciepła i miłości.
Niech Cię ludzie nie zawodzą,
I niech uśmiech w sercu gości...

SYSTEMY NAPRAWCZE DNA

0. Zmiany w składzie lub w strukturze DNA (powstają na skutek mutacji, błędów w replikacji i rekombinacji) są naprawiane przez SPECJALNY SYSTEM ENZYMÓW NAPRAWCZYCH

1. Procesy reperacyjne DNA zachodzą w czasie:

- przedreplikacyjnym

- podczas replikacji

- w okresie postreplikacyjnym

0. Reperacja uszkodzeń DNA wywołanych mutagenami chemicznymi:

- zasady azotowe po dezaminacji mogą samorzutnie oddysocjować

- mogą być wycinane endonukleazami

- uzupełnienie przez polimerazę DNA

- pęknięcia zespalane przez ligazy

0. Reperacja uszkodzeń DNA wywołanych mutagenami fizycznymi

- UV-dimery (fotodimery) są usuwane przez fotoliazę

- przez UVr-endonukleazy

Uvr-endonukleazy, kompleks enzymów, z których jeden (uvrA) koduje biało rozpoznające uszkodzony nukl. (dimer pirymidynowy)

0. uvrB i uvrC wycinają w

1. odległości 7pz na końcu 5’ i

2. w odl. 5pz na koncu 3’,

3. Ten odcinek 12pz jest usuwany

4. przez helikazę kod.

5. przez gen uvrD,

6. Teraz polimeraza DNA i ligaza

0. Naprawa pęknięć jednoniciowych

- powstają np. w wyniku działania promieni jonizujących

- działanie ligazy DNA

0. Naprawa pęknięć dwuniciowych

- powstają w wyniku działania pr. jonizujących, mutagenów chemicznych lub podczas rearanżacji genomowych (np. receptorów limfocytów T i B)

- zaangażowane są 4 grupy genów, których produkty są związane z łączeniem końców niehomologicznych NHEG (non-homologious end-joining)

0. Naprawa uszkodzeń DNA w czasie replikacji u E. coli – polimeraza DNA III

- usuwa mylnie włączone zasady

- częstość błędnie włączanych nukleotydów wynosi 10^-9

- właściwości korekcyjne – podjednostka E wycina w kierunku 3’ do 5’

- gen mut A łatwo mutuje (mutacja mutatorowa)

Znane są też mutacje antymutatorowe obniżające częstość mutacji spontanicznych

0. System naprawy SOS (Save Our Souls) DNA u E.coli

- geny represorowe genów SOS– lexA, lambda, recA

- geny kontrolujące podziały – umu

- geny kontrolujące enzymy naprawcze – uvr

- geny kontrolujące rekombinację - rec

System naprawy SOS (Save Our Souls) DNA u E.coli

0. Jest to odpowiedź na uszkodzenie DNA.

0. Najczęstszym komórkowym sygnałem aktywującym odpowiedź SOS jest obecność jednoniciowego DNA

SOS

0. System SOS regulują dwa kluczowe białka: LexA i RecA.

1. LexA jest represorem transkrypcji, przyłączającym się do sekwencji operatorowych (zazwyczaj określanych jako kaseta SOS, ang. SOS box).

2. LexA reguluje proces transkrypcji około 48 genów, w tym lexA i recA

Podczas inicjacji procesu
białko RecA przyłącza ssDNA

0. prowadząc do powstania kompleksów RecA–ssDNA.

1. RecA–ssDNA aktywuje autoproteazową aktywność LexA, czego skutkiem jest rozpad LexA i jego degradacja.

2. Brak represora powoduje transkrypcję genów SOS i dalsze przekazywanie sygnału w komórce, zahamowanie podziału komórki i wzrost syntezy białek odpowiedzialnych za śmierć komórki.

0. Gdy uszkodzenie DNA jest naprawione bądź pominięte przy użyciu polimeraz lub rekombinacji, ilość jednoniciowego DNA w komórce ulega zmniejszeniu –

1. maleje wiązanie LexA do kaset SOS

2. i zostaje przywrócona prawidłowa ekspresja genów.

NER

0. Naprawa przez wycięcie nukleotydu (ang. nucleotide excision repair, NER) – mechanizm naprawy DNA w komórkach mający na celu usuwanie uszkodzeń DNA spowodowanych czynnikami chemicznymi lub fizycznymi, takimi jak promieniowanie UV.

W mechanizmie NER u człowieka uczestniczą następujące białka:

0. XPA

1. XPC

2. TFIIH: XPB, XPD (helikazy)

3. RPA (HSSP)

4. XPG, ERCC1/XPF (egzonukleazy)

5. polimeraza DNA δ lub ε

6. ligaza.
   
   
   

Mechanizm NER usuwa duże uszkodzenia DNA zniekształcające strukturę podwójnej helisy

0. I-szy etap: uszkodzenie jest rozpoznawane przez białko XPA

1. II etap; powstaje kompleks XPC, XPB, XPD

2. III etap: endonukleaza XPG, XPF wycina fragment ok.. 30pz

3. IV etap: polimeraza DNA δ albo polimeraza ε zastępuje wycięty odcinek

4. Proces syntezy naprawczej kończy reakcja ligazy, łączącej końce wstawki z resztą nici DNA.

O ważnej roli mechanizmu NER u człowieka świadczą choroby genetyczne spowodowane mutacjami w genach kodujących białka biorące w nim udział

0. Do tej grupy schorzeń należą:

1. xeroderma pigmentosum, siedem postaci spowodowane mutacjami w genach kodujących XPA-XPG

2. zespół Cockayne’a, dwie postaci (A i B) spowodowane mutacjami w genie kodującym endonukleazę ERCC

3. trichotiodystrofia (TTD), spowodowana mutacjami w genach kodujących XPB, XPD albo inną podjednostkę TFIIH.

Naprawa rekombinacyjna

0. Naprawa rekombinacyjna potrzebuje wymaga identycznej lub prawie identycznej sekwencji genomu, która może być użyta jako matrycajdo naprawy uszkodzenia

1. Ta metoda pozwala na naprawę uszkodzonego chromosomu przy udziale siostrzanej chromatydy bądź chromosomu homologicznego jako wzoru.

Jak chromosom Y naprawia uszkodzenia?

0. chromosom X zawiera 165 Mbpz i 1438 genów, w chromosomie Y jest tylko 51Mbpz i 45 genów

1. Sądzi się, że to skutek braku mechanizmu reperacji.

2. Od całkowitej zagłady chronią go palindromy – jest ich 6 mln

Reperacja uszkodzonych genów w chromosomie Y zachodzi tylko dzięki istnieniu palindromowych kopii genów ulokowanych w poszczególnych odgałęzieniach chromosomu.

0. Proces pomiędzy chromosomami homologicznymi - dwa chromosomy między sobą wymieniają materiał genetyczny wszystkich 22 par, chromosom Y 'robi to sam ze sobą'!

1. I tylko dlatego zanik genów w chromosomie męskim przebiega z szybkością około 4,6 genu na milion lat.