1 / 74

Organizace a kontrola eukaryotického genomu

2008. Organizace a kontrola eukaryotického genomu. Organizace genomu. I prokaryotický genom není jen nahá DNA uložená v cytoplasmě, ale je spojena s řadou proteinů a je skládána do smyček Eukaryotický chromatin je však mnohem komplexnější

domani
Télécharger la présentation

Organizace a kontrola eukaryotického genomu

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript


  1. 2008 Organizace a kontrola eukaryotického genomu

  2. Organizace genomu • I prokaryotický genom není jen nahá DNA uložená v cytoplasmě, ale je spojena s řadou proteinů a je skládána do smyček • Eukaryotický chromatin je však mnohem komplexnější • DNA jednoho „průměrného“ chromosomu člověka měří 6 cm (!) • DNA všech 46 lidských chromosomů měří 2 metry (!!)

  3. Nukleosomy: „korálky na šňůře“ • První úroveň sbalení DNA realizují histony. Histonů je v chromosomu přibližně stejné množství jako DNA! • Histony jsou tvořeny převážně z + nabitých aminokyselin, jako je Arg a Lys, které se dobře vážou k negativně nabitým fosfátům DNA • Existuje 5 typů histonů: H1, H2A, H2B, H3 a H4 • Geny pro histony jsou prakticky totožné u všech eukaryot a dokonce i prokaryota mají podobné proteiny. Jedná se tedy jistě o velmi důležité a velmi konservativní geny

  4. Eukaryotický genom

  5. DNA eukaryotického chromosomu z vyvíjejícího se vajíčka mloka

  6. Nukleosomy • Nukleosom je tvořen oktamerem histonů: H2A,H2B, H3 a H4 jsou každý obsaženy dvakrát • Histon H1 funguje jako svorka mezi jednotlivými nekleosomy • Histony opouští DNA pouze při replikaci… • …naopak při transkripci zůstávají připevněny k DNA – zdá se, že změnou tvaru a pozice nějak umožní RNA polymeráze čtení minus řetězce DNA

  7. „Korálky na šňůře“ „Beads on a string“ N konec každého histonu směřuje ven z oktameru

  8. DNA so obtáčí kolem histonu prostorový model

  9. Histony • tradičně se myslelo, že přepisování DNA je řízeno transkripčními faktory sedající na 5´konec DNA • to je ale jen část příběhu • posttranslační úpravy histonů zřejmě odpovídají za regulaci genové exprese: na upravené histony nasedají proteiny, které určí, které části DNA budou přepsány RNA polymerázou (!) • velmi častá je acetylace N konců (to jsou ty, které „trčí“ ven) – acetylací se zmenšuje kladný náboj a histony jsou tak náchylnější k transkripci, neboť DNA se již na ně tak pevně neváže • schopnost acetylace je zřejmě klíčová pro život • pokud pokusně mají kvasinky zaměněný lysin na arginin (který si zachovává kladný náboj a nemůže být acetylován), kvasinky umírají

  10. Histony • acetylace je dynamický proces • transkripční koaktivátory obsahují acetyltransferázy které histonové lysiny acetylují, korepresory mohou obsahovat deacetylázy, které acetyly odstraňují

  11. Důležitost histonu H1 A: obvyklé sbalení DNA do 30nm vlákna E: bez H1 F: s H1

  12. Vyšší úroveň organizace chromosomů • Nukleosomy tvoří vlákno 10nm • Oproti nahé DNA nukleosomy 7x zkracují délku DNA • jádro buňky člověka obsahuje 3,3x107nukleosomů • S pomocí H1 vzniká 30nm vlákno • Oproti nahé DNA 30nm vlákno 40x zkracuje délku DNA • Toto 30nm vlákno tvoří smyčky, které jsou připevněny k nehistonovým bílkovinám, které tvoří tzv. proteinové lešení 300nm silné • Dalšími ohyby a skládáním těchto smyček vzniká chromosom – jedna chromatida je cca 700 nm silná

  13. 30 nm vlákno

  14. 300 nm vlákno

  15. Chromosom

  16. Chromosomy • Ovšem i interfásový chromosom si udržuje jistou úroveň sbalení • Předpokládá se, že v interfázi zůstává zachováno 30nm vlákno, které nehistonové proteiny váží k nukleární lamině a snad i k nukleární matrix • Toto připevnění tak dává každému z interfázových chromosomů své přesné místo v jádře a zabraňuje tak zamotání jednotlivých chromosomů

  17. Heterochromatin a euchromatin • I u interfázových chromosomů se některé jejich části nachází ve velmi kondensovaném stavu, tak že jsou barvitelné a pozorovatelné mikroskopem – jedná se o tzv. heterochromatin. Heterochromatinová DNA není přepisována • Euchromatin = „pravý chromatin“ je přepisován a nachází se v mnohem více rozvolněném stavu

  18. Odlišní exprese genů u odlišných buněk • všechny buňky našeho těla vznikly mitózou, první buňkou byla zygota • (téměř) všechny buňky našeho těla obsahují stejný genom • jak je tedy možné, že se naše tělo skládá z cca 200 typů buněk? (svalové, nervové…?) • typická lidská buňka přepisuje v daném čase jen asi 20 % svých genů • velmi diferencované buňky, jako jsou svalové buňky,přepisují dokonce ještě menší procento genů

  19. Odlišní exprese genů u odlišných buněk • jednotlivé buňky se tedy od sebe liší ani ne tak tím, že by obsahovaly odlišné geny, nýbrž tím, že odlišné geny jsou exprimovány • otázkou tedy jest, jak může RNA polymeráza najít v nezměrném moři písmen začátek správného genu, který má v této buňce v tomto čase přepsat

  20. Geny • „housekeeping genes“ – geny, které se přepisují ve všech buňkách • patří sem např. geny pro histony, geny pro ribosomální proteiny atd.

  21. v každé z těchto oblastí může proběhnout regulace genové exprese

  22. Kontrola genové exprese

  23. Kontrola genové exprese • Organizace chromatinu v jádře • DNA metylace. Zejména cytosin. Asi 5% cytosinů lidské DNA je metylováno. Velmi je metylována DNA neaktivního X chromosomu (Barrova tělíska). Metylované geny se předávají v jednotlivých mitózách dál, protože metylační enzymy jsou schopny je rozeznat a metylují dceřinný řetězec při replikaci – tapisérie metylovaných genů se tak při růstu tkáně předává dál. Metylace rovněž hraje roli při genovém imprintingu.

  24. Kontrola iniciace transkripce • transkripce začíná vytvořením transkripčně iniciačního komplexu = transkripční faktory + promotor + RNA polymeráza • kontrolní elementy = segmenty nekódující DNA, na které se navazují transkripční faktory (striktně vzato je i promotor kontrolním elementem)

  25. Kontrola iniciace transkripce

  26. Role transkripčních faktorů • RNA polymeráza nemůže sama zahájit transkripci • jen jeden transkripční faktor rozeznává TATA box, jiné rozeznávají proteiny - buď jeden druhý nebo RNA polymerázu • takto ale probíhá transkripce jen pomalu a nedokonale • klíčem k rychlé transkripci jsou kontrolní elementy

  27. Posilovače transkripce - enhancery • enhancery mohou být až tisíce pb vzdáleny od promotory proti proudu nebo i po proudu • mohou se dokonce nacházet i v intronech • do kontaktu s promotorem se dostávají ohybem DNA • aktivátor = transkripční faktor, který se váže na enhancer a popoří transkripci daného genu

  28. Posilovače transkripce

  29. Vazba transkripčních faktorů k DNA

  30. Posttranskripční mechanismy kontrolují genovou expresi • mezi syntézou primárního transkriptu a činností aktivního proteinu v buňce se může nacházet řada kontrolních kroků • může např. dojít k alternativnímu sestřihu

  31. Regulace degradace mRNA • prokaryotické mRNA mají typicky velmi krátkou životnost a enzymy je degradují po několika minutách - tím je také způsobeno, že bakterie pružně a rychle reagují na měnící se životní podmínky • u eukaryot mRNA přetrvává typicky hodiny, ale i dny a často i týdny • pověstná dlouhým životem je např mRNA pro oba globinové řetězce

  32. Regulace degradace mRNA • degradace mRNA začíná enzymatickým zkracováním poly(A) konce • to rozběhne aktivitu enzymů, které odstraní čepičku • po odstranění čepičky nukleázy rychle odbourají mRNA od 5´ konce

  33. Kontrola translace • většinou je regulována iniciace translace (připojení mRNA na malou podjednotku, připojení tRNAMet a připojení velké podjednotky) • např. v oocytu je velké množství předem připravených mRNA, které se po fertilizaci překládají ve správném čase a správném pořadí. • některé faktory zastavují translaci všech mRNA. Pokud např. ve vznikajícím erytrocytu je málo hemů, rewgulační proteiny zastavují celou translaci - většina mRNA je ovšem mRNA pro globiny

  34. Kontrola translace • v oocytech mnoha organismů je připraveno množství mRNA - teprve po fertilizaci dojde k rychlé aktivaci translačních iniciačních faktorů. Výsledkem je explozívíní přepis mnoha mRNA • některé řasy a rostliny za noci zastavují translaci, kterou aktivuje až světlo

  35. Posttranslační úpravy proteinů a jejich degradace • z insulinu musí být vyštěpena část řetězce, na jiné proteiny musí být navěšena sacharidová skupina, jiné proteiny mohou být aktivovány/deaktivovány reversibilním připojením fosfátové skupiny, jiné musí být dopraveny na správné místo v buňce - zde všude může probíhat regulace

  36. Posttranslační úpravy proteinů a jejich degradace • např. cystická fibrosa je způsobena tím, že (díky mutaci v genu) protein, který má být normálně membránový a obsahuje v sobě kanál pro transport chloridových iontů, se nedostane na své místo do plasmatické membrány a v cytoplasmě je rychle degradován • např. cykliny musí mít krátkou životnost a musí být rychle degradovány, aby pracovaly správně

  37. Posttranslační úpravy proteinů a jejich degradace • degradace začíná připevněním malé molekuly zvané ubiquitin na protein • obrovský proteinový komplex, zvaný proteasom, pak rozezná ubquitinovou „visačku“ a degraduje označený protein • cykliny, které vzdorují degradaci mohou způsobit rakovinu

  38. Proteasom degraduje proteiny

  39. Organizace genomu na úrovni DNA • U prokaryot většina DNA kóduje proteiny a jednotlivé geny jsou odděleny jen krátkými úseky nekódující DNA • U eukaryot naopak jen asi 1,5% (!) DNA kóduje proteiny • další malé procento kóduje nějaký jiný typ RNA než mRNA • Zbytek - nekódující DNA u eukaryot je tvořena částečně introny, ale především tzv. repetitivní DNA

  40. Tandemové repetice • Tandemové repetice jsou krátké sekvence nukleotidů, opakované mnohokrát za sebou, např. • GTTACGTTACGTTACGTTACGTTACGTTAC • Sekvence GTTAC se může až několik set tisíckrát opakovat – evoluční význam tohoto jevu (je-li jaký) je záhadou. Možná se jedná jen o „odpadní“ DNA • Počet nukleotidů v sekvenci je obvykle 2 - 10

  41. Tandemové repetice • Díky tomu, že tandemové repetice se opakují tolikrát za sebou, má tata část chromosomu poněkud jiné složení CG a AT než ostatní části chromosomu • Pokud je chromosom rozbit na malé kousky, tandemová DNA při centrifugaci vytvoří v centrifugační zkumavce pruh v poněkud jiné výšce, než zbytek chromosomu • Proto se této DNA začalo říkat „satelitní DNA“ • Nyní je tento termín užíván pro všechnu tandemovou DNA

  42. Satelitní DNA • Satelitní DNA se dělí na tři typy: • Satelitní DNA (100 000 – 10 milionů opakování) • Minisatelitní DNA (100 – 100 000 opakování) • Mikrosatelitní DNA (10 – 100 opakování)

  43. Satelitní DNA • Některé genetické choroby jsou způsobeny nesprávným počtem repetic • Fragilní X chromosom = mentální retardace. Počet repetic CGG na nepřekládaném začátku genu je u zdravých osob přibližně 30. U nemocných se tento triplet vyskytuje ve stovkách nebo i tisících opakováních. Počet opakování se zvyšuje v průběhu generací • Huntingtonova choroba: zde je triplet CAG překládán (do glutaminu). U zdravých osob je počet repeticí do 35, u nemocných 40 – několik set

  44. Satelitní DNA • Mnoho satelitní DNA se nachází v telomerách a v centromeře

  45. Vmezeřená repetitivní DNAIntrespersed Repetitive DNA • Tvoří 25% - 40% DNA savců • Repetice zde nenásledují těsně za sebou, ale jsou rozptýleny na různých místech genomu • Repetice je obvykle dlouhá stovky až tisíce pb a její jednotlivé kopie se obvykle mírně odlišují • Alu elementy: tvoří 5% genomu člověka. Jedná se o 300pb dlouhou repetici. Výjimka: Ale elementy se překládají do proteinu. Význam tohoto proteinu v buňce, je-li jaký, není znám

  46. Genové rodiny • U prokaryot i u eukaryot se většina genů vyskytuje jako unikátní sekvence DNA, v jediném provedení v haploidním genomu • Některé geny se však vyskytují ve více než jednom provedení. Soubor stejných nebo velmi podobných genů se nazývá multigenová rodina • Genovou rodinu můžeme chápat jako tandemovou repetici s velmi dlouhou (=jeden gen) repetiční jednotkou

  47. Genové rodiny • Některé genové rodiny obsahují identické geny tandemově uspořádané - např. geny pro histony • Většinou však genové rodiny neobsahují geny pro bílkoviny, ale pro RNA • Za příklad mohou posloužit rodiny pro rRNA – zde jedna jednotka obshuje geny pro tři rRNA (18S, 5,8S a 28S rRNA) • Tato jednotka se opakuje ve stovkách – tisících kopiích. Primární transkript je štěpen na tři rRNA. Takto má buňka materiál pro miliony ribosomů

  48. Genové rodiny

  49. Multigenové rodiny • Klasickým příkladem jsou geny pro globiny – proteiny, ze kterých se sestavuje hemoglobin • Rodina na chromosomu 16 obsahuje geny kódující různé verze α-globinu • Rodina na chromosomu 11 obsahuje geny kódující různé verze β-globinu • Různé verze globinových genů jsou přepisovány v různých fázích embryonálního a fetálního vývoje

More Related