Organizacja genomu Eukariota
Dodane przez pasqdnik dnia Kwiecień 15 2014 21:27:59

Organizacja genomu Eukariota



genom to calkowity DNA komorki obejmujacy zarowno geny jak i odcinki miedzygenowe

genotyp to opis genetycznej zawartosci organizmu

5`UTR – untranslated region/lider (powyzej kodonu inicjujacego)
3`UTR – untranslated region (ponizej kodonu terminacyjnego)

Genom czlowieka sklada sie z genomu jadrowego (3000 Mb) i genomu mitochondrialnego, w genomie przechowywana jest informacja genetyczna – genom jadrowy tworza liniowe czasteczki DNA w 22 parach autosomow i chromosomach X i Y.

Metody cytogenetyki molekularnej – materialy na ksero

Omówione prazki sa elementami mapy cytogenetycznej genomu, ktora przedstawia obraz wybarwionych chromosomow wybarwionych widziany pod mikroskopem. Wzory prazkow stanowia podstawe nie tylko identyfikacji i klasyfikacji, za ich pomoca mozna tez zlokalizowac zmiany w chromosomach towarzyszace roznym chorobom genetycznym.

5 q 11.2 – dlugie ramie chromosomu 5 pary, 1 region, 1 prazek, 2 podprazek
del(6q)
inv(6p)
del(1)(p12-p22)
[t(9;22)(q34-q11)] – translokacja przy bialaczkach, miedzy 9 a 22 para

Na bazie hybrydyzacji in situ barwnej (z POX i nadtlenkiem wodoru) oraz hybrydyzacji in situ izotopowej rozwinela sie fluorescencyjna hybrydyzacja in situ FISH (fluorescence in situ hybridizaiton). Jej zaletami sa duza specyficznosc, czulosc i szybkosc w uzyskiwaniu wyniku badania. Ogranicza jej stosotwanie wysoki koszt samej procedury i koniecznosc dysponowania wysokiej klasy aparatura. Badania z zastosowaniem FISH-a prowadzone na chromatynie interfazowej, chromosomach pro i metafazowych oraz rozluzionych wloknach chromatynowych nazwano cytogenetyka molekularna. Analize chromatyny jader interfazowcyh wyrozniono w tej technice nazwa cytogenetyki jader interfazowych.

Geny i sekwencje zwiazane z genami



W pojeciu tradycyjnym gen zdefiniowany jest jako locus o konkretnej lokalizacji, ktore moze ulegac mutacjom przejawiajacym sie fenotypowo.

Analizy fizyczne wskazuja jednak, ze badane regiony chromosomowe zawieraja ponad dwa razy wieksza liczbe genow, niz wynikaloby to z liczby regionow ulegajacych przejawiajacym sie fenotypowo mutacjom. Zdarza sie bowiem ze rozne mutacje w obrebie jednego genu moga wspoltworzyc efekt fenotypowy.

Gen to region DNA obejumjacy jednostke transkrypcyjna wraz z sekwencjami regulatorowymi.

Taka wizja genu rowniez nie jest zbyt wyrazna w kontekscie doniesien o prawdopodobnym istnieniu wielu genow kodujacych male regulatorowe RNA, ktore bezposrednio oddzialujace z transkryptami.
Powszechne i klopotliwe w obliczaniu genow u wielokomorkowych eukariota jest alternatywny splicing czasteczki mRNA, w wyniku ktorego z jednego typu pierwotnego transkryptu ppowstaja rozne warianty danego bialka.

Gen jest to liczba roznych jednostek transkrypcyjnych lub ich czesci, ktore moiga ulegac translacji tworzac jeden polipeptyd lub i ch zespol. Zgodnie z ta zasada ulegajacy alternatywnemu splicingowi transkrypt, ktory daje cale i skrocone bialko, traktowany jest jako pochodzacy z jednego genu.

u czlowieka 19000 genow bialkowych na ta chwile

Poza tymi watpliwosciami nie wiadomo takze, jak traktowac nakladajceg sie jednostki transkrypcyjne i geny wystepujace w obrebie intronow innych genow (geny intronowe).

Cistron



CISTRON – synonim pojeciu genu jako jednostki funkcjonalnej, wyznaczonej na zasadzie testu komplementacji w pozycjach cis i trans. Kazda para nukleotydow jest jednostka mutacji, a jednostka rekombinacji kazde wiazenie miedzynukleotydowe (fosfodiestrowe) w obrebie genu. Zerwanie wiazan fosfodiestrowych moze nastapic kazdymi dwoma sasiednimi nukleotydami.

Cistronem jest odcinek DNA, w ktorym para mutacji w konfiguracji trans powoduje albo brak okreslonego enzymu, albo wytworzenie tego enzymu w formie strukturalnie zmienionej.

Test cis-trans (test komplementacji)

Jest to test genetyczny pozwalajacy ustalic, czy dwie mutacje genu m1 i m2 zaszly w tej samej jednostce funkcjonalej czyli cistronie oraz okreslic granice danego regionu genetycznego. Dla przeprowadzenia tego testu porownuje sie heterzygoty, w ktorych badane mutacje znajduja sie w tym samym chromosomie (konfiguracja cis) ++/m1 m2 z takimi heterozygotami, w ktorych mutacje te znajduja sie na roznych chromosomach (konfiguracja trans) +m2/m1+

m1--------m2
+----------+

cis, + (produkt funkcjonalny)

m1--------m2
+-----------+

cis, + (produkt funkcjonalny)

m1---------+
+-----------m2

trans, + (funkcjonalny produkt)

m1-----------+
+-------------m2

trans, mutant (brak produktu)


Dwie mutacje recesynwe m1 i m2 zaliczna sie to tego samego cistronu, gdy ich konfiguracja trans daje fenotyp mutanta, zas konfiguracja trans daje fenotyp normalny. Jezeli jedna lub obie mutacje sa dominujace, to uwaza sie, ze naleza do tego samego cistronu, jezeli fenotyp heterozygoty cis rozni sie od fenotypu heterozygoty trans. Natomiast jezeli konfiguracje cis i trans maja identyczny fenotyp, dowodzi to, ze badane mutacje zaszly w ronzych cistronach.

Miedzy mutacjami tego samego cistronu moze zajsc wewnatrzcistronowa komplementacja, w ktorej niezalezne mutacje w tym samym cistronie w polozeniu trans moga dawac normalny fenotyp. Fakt ten wymaga krytycznego rozpatrywania wynikow testu cis-trans.

Struktura genu eukariota



Pod wzglede molekularnym gen jest regionem DNA ktory ulega transkrypcji. W ramach genu rozumianego jako jednostka transkrypcyjna nalezy wyroznic czesc strukturalna genu, czyli fragment DNA, w ktorym zawarta jest informacja genetyczna o produkcie (bialko, mRNA, tRNA), oraz sekwencje regulatorowe, ktore odpowiadaja za uruchomienia transkrypcji.

Czesc strukturalna sklada sie z eksonow, czyli sekwencji, ktore po transkrypcji uczestnicza w translacji, oraz intronow, ktore sa wycinane z pre-mRNA podczas skladania RNA (splicingu) i nie uczestnicza w translacji. Oprocz tego z obu stron czesci strukturalnej wystepuja sekwencje oskrzydlajace (UTR-untranslated region) czesci kodujacej pierwszego i ostatniego eksonu. Sekwencje oskrzydlajace nie podlegaja translacji.

Czesc regulatorowa genu obejmuje sekwencje promotora, wzmacniacza (enhancer) i wyciszacza (silencer). Promotor bezposrednio poprzedza czesc strukturalna genu i pelni kluczowa role w rozpoczeciu transkrypcji. W obrebie promotora wystepuja dwie sekwencje o szczegolnym znaczeniu.

W odleglosci 30 bp od miejsca inicjaci transkrypcji wystepuje sekwencja TATA (TATA-box), ktorej obecnosc jest niezbedna to przylaczenia pol II RNA. Przylaczenie polimerazy wymaga rownoczesnego powiazania grupy bialek (TFs) z promotorem. Sekwencja CAAT znajduje sie okolo 70-90 bp przed miejscem rozpoczecia transkrypcji.

Warto zwrocic uwage, ze wiekszosc genow (ok. 56%) zawiera w obrebie prootora sekwencje skladajaca sie z licznych powtorzen dinukleotydu CG, ktore sa nazywane wysepkami CpG – towarzysza one wszystkim genom ulegajacym powszechnej ekspresji (housekeeping genes), sa niezbedne do prawidlowego funkcjonowania komorki.

Housekeeping genes – koduja bialka niezbedne w kazdej typowej komorce: histony, elementy cytoszkieletu, enzymy podstawowego metabolizmu i sa czynne przynajmniej okresowo w wiekszosci tkanek. Wyspy CpG wystepuja srednio co 36 kpz, glownie w cytogenetycznych prazkach R (50% genomu). Ich liczba w haploidalnym genomie wynosi 45 tysiecy. Wyspy CpG to regiony niemetylowanego DNA, Liczace srednia 1000 bp z wysoko czestotliwoscia wystepowania dinukleotydu GC. Ulegaja one wzmozonemu trawieniu enzymami restrykcyjnymi sepcyficznymi dla sekwencji CpG.

Srednia dlugosc ludzkiego genu kodujacego bialko to 28 tysiecy nukeotydow, na co sklada sie przecietnie 8,8 eksony rozdzielonego przez 7,8 intronu. Sekwencje eksonowe sa dosc krotkie, zwykle 120 nukleotydow. Dlugosc intronow to od 100 nukleotydow do 100 tysiecy nukleotydow. Przecietna transkrypcja ludzkiego genu daje trzy alternatynwe RNA.

Eksony charakterystyczne dla naczelnych pochodza z ruchomych elementow genetycznych zwanych sekwencjami Alu (retrotranspozony). W genomie czlowieka znajduje sie okolo 1,4 mln kopii sekwencji Alu. Wiele z nich nadal sie powiela i wstawia w nowe miejsca w genomie z czestoscia raz na 100-200 urodzen. Okolo 5% alternatywnie skladanych eksonow w ludzkim genomie zawiera element Alu. Sekwencje te gromadza sie glownie z obrebie intronow i sa razem z nimi wycinane z pre-mRNA degradowane.

Niekiedy dochodzi jednak do przemiany utajonej intronowej sekwencji Alu w prawdziwy ekson i wystarczy do tego zmiana jednego nukleotydu w sekwencji DNA. Ma to miejsce podczas powielania genomu i zajscia bledu przy przepisywania sekwencji DNA, w wyniku ktorej powstanie miejsce skladania 5` lub 3` w sekwencji Alu. Wlacznie Alu to dojrzalego mRNA da nowe bialko. Jesli powstnaie rowniez oryginalny mRNA (Alu jest usuwany z pre-mRNA) to mutacja ta bedzie korzystan dla organizmu.

Jesli Alu bedzie zawsze wlaczany to mRNA, a oryginalnego mRNA nie bedzie powstana zaburzenia wywolane niewlasciwie wstawionymi sekwencjami Alu: zespol Alporta, zespol Slya, niedobor OAT.



Obecnie w genomie ludzkim okolo 500 tysiecy sekwencji Alu lezy w obrebie intronow, 25 tysiecy z nich mogloby na drodze jednonukleotydowej mutacji przemienic sie w eksony. Powstanie nowych bialek w wyniku wlaczania do mRNA eksonow pochodzacych z sekwencji Alu musialo odegrac istotna role w ksztaltowaniu gatunku ludzkiego.

Sekwencje regulujace typu wzmacniacz i wyciszasz moga byc polozone w znacznej odleglosci od genu, ktorego ekspresja znajduje sie pod ich kontrola, dzieki oddzialywania na nie czynnikow transkrypcyjnych. Wzmacniacz jest odpowiedzialny za nasilenie transkrypcji genu, a wyciszacz za spowolnienie tego procesu. Polozenie tych sekwencji jest bardo zroznocowane i moze wystepowac przed lub za genem, a nawet w jego obrebie (w jednym z intronow).

Geny eukariota sa wiec genami mozaikowymi tzn, ze odcinki kodujace eksony sa podzielone odcinkami niekodujacymi (intronami), a informacja zostala zapisana w sposob nieciagly. Odkrycie genow podzielonych obo teorii podwojnej helisy DNA jest jednym z najwzniejszych odkryc w genetyce (Sharp & Robert, nagroda Nobla 1993).

Laczna dlugosc intronow czesto przewyzsza dlugosc eksonow w danym genie. Laczenie czyli zestawianie eksonow jest procesem precyzyjnym, a informacja zapewniajaca jej prawidlowy przebieg znajduje sie w intronach. W 1982 roku Thomas R. Cech z University of Colorado stwierdzil, ze niektore introny w RNA maja zdolnosc do przeprowadzania tych czynnosci samodzielnie, bez udzialou bialek, za to odkrycie otrzymal nagrode Nobla w 1990 roku (wspolnie z S. Altmanem)

Cech stwierdzil, ze prekursor rybosomowego RNA orzeska Tetrahymena ulega samorzutnie splicingowi bez udzialu bialek, dzieki katalitycznej aktywnosci samego RNA intron zawarty w prekursorze rRNA zostaje z niego precyzyjnie usuniety. Uwolniony intron traci krotki odcinek 5`- koncowy przeksztalcajac sie w czasteczke RNA o dlugosci 395 nukleotydow, ktora katalizuje transformacje innych czasteczek. RNA. Pochodzacy z intronu RNA katalizuje rozszczepianie i laczenie lancuchow RNA w specjalnych miejscach sam nie ulegajac przy tym zuzyciu – jest wiec prawdziwym enzymem.

Pod koniec XX wieku Harry Noller z University of California w Santa Cruz wykazal, ze reakcji tworzenia wiazania laczacego AA w lancuch polipeptydowy (wiazanie peptydowe) nie katalizuje zadne z prawie 60 bialek wystepujacych w rybosomie ale 23S rRNA (u czlowieka 28s rRNA).
W doswiadczeniach wykorzystano rRNA zsyntetyzowany w probowce, ktory nie mial kontaktu ani z bialkami rybosomalnymi ani zadnymi innymi bialkami. Aktywnosci, ktora wykazywal syntetyczny rRNA nie mozna wiec bylo przypisac jakimkolwiek zanieczyszczeniom.

Udowiodniono, ze syntetyczny RNA ma aktywnosc peptydylotransferazy niezbedna do syntezy wiazania peptydowego w czasie translacji, byl to ostateczny dowod na to, ze 23s rRNA jest rybozymem i tym samym, ze przed swiatem DNA istnial swiat RNA.

Istnieje poglad, ze eksony, ktore mozna traktowac jako pewne jednostki strukturalne w obrebie genow, odpowiadaja obszarom strukturalnym bialka zwanymi domenami. Domeny maja charakter funkcjonalny, to znaczy, ze spelniaja one w czasteczce bialko okreslone zadania. Walter Gilbert wystapil z hipoteza, ze w procesie ewolucji zachodzilo laczenie sie eksonow w roznych kombinacjach, dzieki temy powstawaly bialka o odmiennych rozmieszczeniu domem i czesto o innych funkcjach. Taki proces, ktory mozna nazwac exonshuffling prowadzi do powstania nowych bialek znacznie szybciej niz byloby to mozliwe na drodze gromadzenia sie pojedynczynch mutacji.

Wielkosc genu, a konkretnie jego czesci strukturalnej, miesci sie w bardzo szerokich granicach od kilkuset par nukleotydow do ponad dwoch milionow pz. Przykladem bardzo malego genu jest SRY, ktory zawiera tylko jeden ekson, skladajacy sie z 669 nukleotydow. Produktem tego genu jest bialko o dlugosci 223 AA, odpowiedzialne za ukierunkowanie rozwoju nieroznicowanej gonady plodowej w jadro. Gigantycznym genem jset ludzki gen DMD kodujacy bialko dystrofine, ktore jest zbudowane z 3685 AA, gen ten jest zbudowany z okolo 2,5 mln pz i w jego sklad wchodzi 79 eksonow i 78 intronow, ale tylko 0,6% dlugosci tego genu obejmuje czesc kodujaca. Mutacje w tym genie odpowiedzialne sa za rozwoj choroby genetycznej dystrofii miesniowej Duchenne`a, ktora prowadzi do zaniku miesni, choruja tylko chłopcy.

Więcej na iuczelnia.edu.pl

W ramach naszej witryny stosujemy pliki cookies w celu świadczenia Państwu usług na najwyższym poziomie, w tym w sposób dostosowany do indywidualnych potrzeb. Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień dotyczących cookies oznacza, że będą one zamieszczane w Państwa urządzeniu końcowym. Możecie Państwo dokonać w każdym czasie zmiany ustawień dotyczących cookies.