Andrzej Wierzbicki
konspekt wykładu z genetyki ogólnej
wykład 6 „Genomy”
Translacja - dokończenie
-elongacja
-dostarczenie aminoacylo-tRNA do miejsca A kosztem energii
-na miejscu P poprzedni tRNA z peptydem (lub inicjatorowy tRNA)
-na miejscu A nowy aminokwas na tRNA
-połączenie nowego aminokwasu z peptydem
-peptydylotransferaza w dużej podjednostce
-przeniesienie peptydu ze starego tRNA z miejsca P na nowy aminokwas w miejscu A
-kosztem energii wiązania aminokwasu z tRNA
-translokacja
-usunięcie starego tRNA z miejsca P
-przeniesienie peptydylo-tRNA z miejsca A na miejsce P
-przesunięcie mRNA o trzy nukleotydy
-terminacja translacji
-kodon STOP – nie jest rozpoznawany przez tRNA, ale przez białkowe czynniki uwalniające
-uwolnienie polipeptydu
-dysocjacja rybosomu
-tRNA
-cząsteczki RNA odpowiedzialne za interpretację kodu genetycznego
-ogólne cechy
-60-95 nukleotydów
-spora część zasad jest posttranskrypcyjnie modyfikowanych
-część nukleotydów i ogólna struktura są identyczne dla wszystkich tRNA
-struktura
-wszystkie mają strukturę drugorzędową liścia koniczyny
-do końca 3’ dołącza się aminokwas (ramię akceptorowe)
-ramie D
-ramie T
-pętla antykodonowa
-przenoszenie aminokwasów
-dany tRNA łączy się tylko z jednym aminokwasem
-syntetaza aminoacylo-tRNA
-energia z hydrolizy ATP, wiązanie aminoacylowe ma wysoką energię – napędza tworzenie polipeptydu
-syntetazy aminoacylo-tRNA
-katalizują podobne reakcje, ale bardzo różnią się od siebie strukturą
-rozróżniają tRNA i aminokwasy
-w tRNA rozpoznają antykodon i często też inne elementy cząsteczki (można łatwo oszukać zamieniając element sekwencji)
-na slajdzie tRNAGln z syntetazą, rozpoznaje antykodon i ramie akceptorowe
-niektóre mają aktywność korekcyjną – jeśli pierwszy etap reakcji został przeprowadzony z błędnym aminokwasem, to zamiast drugiego etapu, hydroliza
-rozpoznawanie kodonu przez antykodon
-niektóre tRNA oddziałują z więcej niż jednym kodonem
-trzecia zasada antykodonu nie jest jednoznaczna
-G paruje z C i U
-A jest zamieniana w I i paruje z ACU
-jest mniej tRNA i antykodonów niż kodonów
Genomy
-definicja genu
-różne definicje genu
-różne sekwencje DNA, różne produkty
-szerokie i wąskie rozumienie genu
-definicja sekwencyjna versus definicja genetyczna
-anatomia genu
-różne elementy genu
-introny, egzony
-ATG, STOP
-miejsce wiązania rybosomu (tylko u Procaryota)
-miejsce startu transkrypcji
-terminator
-TATA-box,
-sekwencje regulatorowe – rozbudowane u Eucaryota
-enhancery
-grupy genów (gene clusters)
-niekiedy geny Eucaryota spełniające podobną funkcję leżą koło siebie
-powstały w wyniku duplikacji i nabrały nowych funkcji
-czasem są aktywowane po kolei
-geny hemoglobiny
-hemoglobina – tetramer, 2 łańcuchy z grupy alfa i 2 z grupy beta
-grupa (cluster) alfa (dwa funkcjonalne geny) i beta (trzy funkcjonalne geny)
-różnią się nieznacznie funkcją
-włączają się po kolei od wczesnego rozwoju zarodkowego do dorosłości
-geny hox
-determinują rozwój u zwierząt
-ułożone w cluster w tej samej kolejności w której aktywują się w rozwoju
-statystyka dotycząca genów
-liczba egzonów i intronów w genach różnych organizmów
-większość genów drożdżowych nie ma intronów
-u Drosophila i ssaków większośc genów ma introny
-Drosophila – najczęściej 1 do 4, pewna część ma ponad 5
-ssaki – większość 1 do 12, niektóre mają ponad 30 i nawet ponad 60
-długość egzonów
-u większości organizmów duże spektrum wielkości egzonów
-u ssaków jest mniej bardzo dużych egzonów
-większa ilość największych egzonów u drożdży i Drosophila wynika z istnienia genów bezintronowych
-długość intronów
-zdecydowanie dłuższe od egzonów
-największe do 60 kb
-przeciętne 1 kb
-długość genów
-egzony plus introny
-u drożdzy krótsze do 5 kb
-u Drosophila i ssaków zdecydowanie dłuższe do 100 kb
-długie geny biorą się z długich intronów
-u owadów, ptaków i ssaków egzony stanowią 1/6 długości genu
-wielkość genomów
-ile nukleotydów ma genom różnych organizmów?
-ile genów mają organizmy?
-duże spektrum wielkości genomów
-od 580 tys pz do 3,3 mld pz
-niektóre organizmy mają nawet do 100 mld pz (rośliny poliploidalne)
-długość genomu człowieka: liniowa cząsteczka DNA – 10 m, zapisane literami – z Londynu do Nowego Jorku
-od 470 do 25000 genów
-uwaga na spory rozrzut między danymi o wielkości genomu i liczbie genów z różnych źródeł
-dygresja na temat nazewnictwa biologicznego
-system wymyślony przez Linneusza (1707 – 1778)
-nazwa rodzajowa – grupy organizmów podobnych do siebie
-nazwa gatunkowa – wyodrębnienie gatunku
-oznaczenie kto jako pierwszy opisał
-zasada priorytetu
-problem z synonimami
-kaczki
-okładka plastikowa
-podział na wyższe taksony, jednostki taksonomiczne
-różnica między botaniką i zoologią
-czy wielkość genomu jest proporcjonalna do złożoności morfologicznej organizmów?
-wyraźna korelacja u niższych Eucaryota
-od mięczaków do człowieka wszystkie mają z grubsza tyle samo DNA
-wielkość genomu jest mało informatywnym parametrem
-lepsza korelacja minimalnej zaobserwowanej wielkości genomu w danej grupie organizmów
-genomy mogą zawierać dużo nadmiarowej informacji
-czy liczba genów jest proporcjonalna do złożoności organizmów?
-patrząc w dużej skali tak
-człowiek ma więcej niż drożdze i Drosophila, troche więcej niż C. elegans
-w małej skali nie – człowiek ma tyle samo genów co mysz
-najwyżej 1% genów ludzkich nie ma u myszy
-liczba genów nie determinuje złożoności, ważniejsza od ilości jest sprawność i regulacja
-subtelne różnice we wszystkich genach dają różnicę między myszą a człowiekiem
-dlaczego na gen przypada coraz więcej DNA w genomie?
-132000 pz na gen to zdecydowanie zbyt dużo
-między genami musi coś być
-co to jest?
-śmieciowy DNA
Sekwencje nie kodujące funkcjonalnych produktów
-pseudogeny
-sekwencje, które u dalekiego przodka kodowały coś, ale uległy uszkodzeniu
-najczęściej wcześnie wstawiony kodon stop
-może być dużo więcej zmian, pseudogen może być ledwo podobny do genu, może być obcięty
-dlaczego uszkodzenie genu i powstanie pseudogenu nie powoduje defektów?
-pseudogeny powstają gdy gen jest powielony
-druga kopia pozostaje funkcjonalna
-ślepa uliczka ewolucji genów
-najczęściej powstają w wyniku duplikacji fragmentu genomu
-większość organizmów ma widoczne duplikacje – fragment jednego chromosomu jest podobny do fragmentu innego chromosomu
-u człowieka też
-geny są powielone – jedna z kopii może ulec mutacjom (brak selekcji)
-powstaje pseudogen
-powstaje nowy gen
-niekiedy są pozbawione intronów – retropseudogeny
-powstają w wyniku odwrotnej transkrypcji mRNA
-na matrycy mRNA powstaje DNA, który jest wstawiany do genomu
-satelitarny DNA
-w sumie kilka procent genomu człowieka
-przy wirowaniu DNA genomowego w gradiencie gęstości większość DNA tworzy duży prążek, ale są też mniejsze prążki wyżej – satelitarne
-zawierają jakieś wyróżniające się DNA
-sekwencje powtarzalne
-pierwszy dowód na ich istnienie
-denaturacja DNA i mierzenie szybkości renaturacji – odnajdywania cząsteczek homologicznych
-gdy brak sekwencji repetytywnych renaturacja trwa powoli – muszą się odnaleźć dokładnie sekwencje komplementarne
-gdy sekwencje są repetytywne, renaturacja zachodzi szybko – mogą się połączyć dość dowolnie
-trzy piki renaturacji
-geny są we frakcji najwolniej renaturującej, nie powtarzalnej
-tandemowo powtórzone sekwencje
-różne sekwencje
-od powtórzeń jednego nukleotydu do elementów ponad 200 pz
-najwięcej w centromerach
-funkcja strukturalna przy rozdziale chromatyd
-minisatelity – setki powtórzeń jednostek kilku do 25 pz
-obecne w telomerach
-rola telomerów
-mikrosatelity – jednostka 1-4 pz powtórzona 10-12 razy
-wiele w genomie
-sekwencja (CA)n stanowi 0,5% genomu człowieka, (A)n 0,3% genomu
-zastosowanie mikrosatelitów
-często są bardzo zmienne
-polimeraza DNA kopiując często popełnia błędy na mikrosatelitach
-nie ma dwóch osób o identycznym układzie mikrosatelitów
-sposób wykrywania przestępców i analizy pokrewieństwa
-amplifikacja kilku-kilkunastu różnych mikrosatelitów i rozdział w żelu
-badania nad rozprzestrzenianiem się wiązów w Europie
-wyśledzili odmianę, która wywodzi się z Rzymu i jest obecna w Hiszpanii i Wielkiej Brytanii
-nie wydaje nasion, ale doskonale się rozmnaża wegetatywnie
-została rozpowszechniona przez Rzymian na tyczki do podtrzymywania winorośli
-badania kryminalistyczne
-przestępstwo, poszukiwania, prawie identyczny wzór, brat, zatrzymanie
-retrotranspozony i retrowirusy
-elementy rozproszone w genomie
-ulegają powieleniu przez etap pośredni RNA i odwrotną transkrypcję
-retrowirusy
-wirus ma w sobie RNA
-wprowadza je do komórki i tam jest on przepisany na DNA
-DNA zostaje wstawione do genomu
-produkcja RNA wirusowego i białek otoczki – odtwarzanie wirusów
-geny RT, otoczki i rdzenia oraz Long Terminal Repeat
-szereg groźnych wirusów: HIV, grypa etc.
-szereg wirusów nie dających objawów
-retrowirusy endogenne
-retrowirusy włączone na stałe do genomu
-u kręgowców
-wirus zaatakował pierwotne komórki płciowe
-niektóre mogą się uaktywnić (problem ksenotransplantacji)
-większość uszkodzonych i zupełnie nieaktywnych
-w genomie człowieka 1000, elementów retrowirusopodobnych 20000
-retrotranspozony
-podobne do retrowirusów, ale u bezkręgowców, pierwotniaków, grzybów i roślin
-geny RT i rdzenia oraz Long Terminal Repeat, część ma, część nie ma otoczki
-mogą występować w ogromnej liczbie, u kukurydzy połowa genomu to retrotranspozony
-pochodne retrotranspozonów
-pozbawione LTR i czasem RT
-LINE i SINE
-sekwencje Alu – u człowieka milion kopii
-można zgadnąć z jakiego genu pochodzi
-przypadkowo został najpierw raz powielony i potem się już dalej amplifikował
-transpozony
-skaczące geny
-inaczej niż retrotranspozony nie wykorzystują RNA
-przeskakują w inne miejsce lub się powielają
-mniej rozpowszechnione – u człowieka jest 1000 transpozonów
-Barbara McClintock
-błyskotliwe doświadczenia genetyczne
-przewidziała istnienie skaczących genów
-odrzucone aż do momentu scharakteryzowania tego zjawiska na poziomie molekularnym
-obserwowała mozaikowe zabarwienie nasion kukurydzy
-mozaikowość pojawiała się i znikała, była regulowana
-zwykle mają ITR i gen transpozazy
-czasem różne inne geny (oporność na antybiotyk u bakterii)
-transpozony złożone są flankowane całymi transpozonami prostymi
-porównanie sekwencji występujących w genomie człowieka
-geny i sekwencje pokrewne 30%
-sekwencje kodujące białko 3%
-DNA pozagenowy 60%
-sekwencje o małej liczbie kopii 56% (w tym obszary regulatorowe i różne sekwencje szczątkowe)
-sekwencje repetytywne 14%
-porównanie genomów różnych organizmów
-w miarę reprezentatywne fragmenty
-u E. coli gęsto napakowane geny
-u drożdży też gęsto, ale nie tak jak u E. coli
-u człowieka mniejszość to geny, reszta to inne sekwencje (retrotranspozony, repetytywne i inne)
-u roślin mnóstwo retrotranspozonów, bardzo mało genów
-przykładowy genom organizmu eukariotycznego
-Arabidopsis
-gęstość genów w różnych obszarach – przy centromerach i telomerach mniej genów
-transpozony – najwięcej w okolicy centromerów
-genom prokariotyczny
-są małe
-większość poniżej 5Mb
-są mniejsze (Mycoplasma 0,58, Bacillus megaterium 30)
-kolista cząsteczka
-silnie superhelikalna
-związana z białkami
-eksperyment pokazujący superhelikalność i podział na domeny
-trimetylopsoralen – wiąże się do DNA w sposób zależny od napięcia cząsteczki DNA spowodowanego przez superhelikalność
-ilość wiązanego przez chromosom bakteryjny trimetylopsoralenu jest taka, jak cząsteczek superhelikalnych – potwierdzenie, że jest superhelikalny
-czy jest wielkie koło, czy podzielony na domeny?
-rosnące dawki promieniowania – coraz więcej rozerwań DNA
-jeśli bez domen jedno rozcięcie powinno usunąć superhelikalność
-jeśli domeny, superhelikalność powinna maleć ze wzrostem dawki
-jest podział na domeny
-analiza statystyczna – 43 +- 10 domen
-często obecne są też mniejsze koliste cząsteczki DNA – plazmidy, niekiedy są na nich ważne geny
-duża różnorodność
-czasem chromosom bakteryjny jest liniowy
-czasem plazmidy są liniowe
-genom minimalny
-ciekawe pytanie ile najmniej genów potrzeba
-wyliczenia teoretyczne i eksperymenty z mutacjami
-Mycoplasma – około 300 genów
-genomy organellowe
-w komórce są obecne organella. w tym mitochondria i u roślin chloroplasty
-niektóre cechy dziwnie się dziedziczą – tylko po matce, cytoplazmatycznie
-w mitochondriach i chloroplastach jest DNA
-mitochondria i chloroplasty mają własny genom
-cechy genomów organellowych
-cząsteczki kuliste
-niewielki rozmiar – 16kb u ssaków, kilkadziesiat kb u grzybów, kilkaset kb u roślin
-zawierają zestaw genów biosyntezy białek i łańcucha oddechowego
-zestaw genów w organellach jest silnie zdekompletowany – spora część jest w genomie jądrowym
-białko produkowane normalnie i potem transportowane do organellum
-teoria endosymbiozy
-skąd się wzięły mitochondria i chloroplasty?
-skąd się wzięły Eucariota?
-Lynn Margulis – amerykańska badaczka, potem zdziwaczała
-szereg podobieństw między tymi organellami a bakteriami
-budowa genomu
-cechy aparatu biosyntezy białek
-dwie błony – wewnętrzna podobna do bakteryjnych
-niektóre egzotyczne organizmy mają inne endosymbiotyczne organizmy
-Guillardia
-ma endosymbionta eukariotycznego
-genom jądrowy – podobny do genomów eukariotycznych
-chloroplasty z własnym genomem
-Plasmodium – apicoplast
-ciekawa praca o chorobie mitochondrialnej z ostatniego numeru Science
-wiadomo, że nadciśnienie, hiperholesterolemia i hipomagnezemia są ze sobą często występują wspólnie i prowadzą do arteriosklerozy
-muszą mieć jakąś wspólną przyczynę
-zidentyfikowano dużą rodzinę z tymi zaburzeniami i stworzono rodowód
-zaburzenia wspólnie
-dziedziczenie cytoplazmatyczne – zapewne choroba mitochondrialna
-mutacja w tRNA Ile, tuż obok antykodonu
-zaburza funkcjonowanie mitochondriów i wywołuje pleiotropowe defekty
-są też inne podobne mutacje dające niespodziewane efekty