wykłady mówione kumulacja inzynieria-genetyczna, Biol UMCS, V semestr, Inżynieria genetyczna


Inżynieria genetyczna - kurs podstawowy

Prowadzący: dr hab. Andrzej Mazur

Wymiar: 45 godz. (15 godz wykład, 30 godz. lab), 3,5 p.

Semestr: V

Wymagana: zaliczone kursy genetyki i biochemii

Rozliczenie: zaliczenie z ocenią liczoną do średniej - test

Program:

Narzędzie słuzące rekombicaji DNA in vitro

nzymy stosowane w rekombinacji in vitro: restryktazy, polimarazy, ligazy, enzymy modyfikujące DNA. Elektroforeza DNA w żelach agarozowych i poliakrylamidowych. Klonowanie genów: wktory, łeńcuchowa reakcja polimerazy (PCR), metody wprowadzanie DNA do komórek bakterii, drożdży, roślin i ziwerząt. Rekombinacja DNA: identyfikacja i selekcja zrekombinowanych genów w biorcach

Literatua

1. Brown, T.A. Genomy, PWN 2009

2. Piotr Węgleński Genetyka molekularna PWN 2006

3. Markiweicz Z. Biologia molekularna bakterii, PWN 2006

4. Szala, S. Terapia Genowa. PWN 2003

5. Kofta, W. Podstawy inżynierii genetycznej. Prószyński i S-ka 1999

6. Gajewski, W. Węgleński, P. Inżynieria genetyczna. PWN 1986

7. Primrose S.B. Zasady analizy genomu. Przewodnik do mapowania i sekwencjonowania DNA różnych organizmów. WNT 1999;

8. Sambrook, J. Fritsch, E.F. Maniatis T, Molecular Cloning, A Laboratory Manual;

9. Lewin, B. Genes VII. Oxford University Press 1999

www.dnai.org

www.dnaftb.org

http://serwisy.umcs.lublin.pl/andrzej.mazur

inżynieria genetyczna kurs podstawowy

skrypty do ćwiczeń, materiały do wykładu, etc.

Endonukleazy restrykcyjne - molekularne nożyczki

Inżynieria genetyczna - nauka o technikach badawczych pozwalających na ingerencję w material genetyczny organizmów w celu wyizolowania i charakterystyki określonych genw oraz zmiany ich właściwości dziedzicznych

Nie należy utożsamiać inzynierii genetycznej z biotechnologią

Biotechnologia to pojęcie szersze, obejmuące wszlkie menipulacje żywymy organizmami (zwłaszcza mikrooganizmami) w celu osiągnięcia okreslonych korzyści.

Inżynieria genetyczna istnieje od ok. 40 lat, biotechnologia od niepamiętnych czasów

Współczasena biotechnologia opiera się w dużej mierze na technikach inżynierii genetycznej

Klonowanie genu ludzkiej insuliny i pdorukcja zrekobminowanej nsuliny w bakteriach

Transfer genu insuliny

Tneimy plazmid enzymem restrykcyjnym, dodajemy ludzie cDNA do plazmidu (łączenie przez linkerowe DNA, zrekombinowany lasmid, transformacja bakterii, klonowanie genu

Aby manipulować genami niezbędne są odpowiednie narzędzie molekularne, które pozwalają uzyskać tzw. zrekombinowane DNA (umożliwiają rekombinację materiału genetycznego in vitro czyli w probówce).

Najważniejsze z nich to:

- enzymy restrykcyjne,

- ligazy,

- wektory

Klonowanie genu ludzkiej insuliny i produkcja zrekombinowanej insuliny w bakteriach

1869 - odkrycie DNA (Miescher)

1944 - funkcja DNA: przechowywanie informacji genetycznej (Avery)

1953 - podwójna helisa - odkryce struktury DNA (Crick, Watson)

1955 - Arthur Kornber wyizolował polimerazę DNA

Odkrycie enzymów restrykcyjnych

1962r. - Arber i Dussoix - wyjaśnili zjawisko restrykcji - ograniczenia orzowju fagów w E.coli. Zidentyfikowali endonukleazę, która trawiła niechroniony (o inym wzrocłó metylacji)DNA. Metylacja charakcterystyczna dla gospodarza bakteryjnego chroniał DNA przed restrykcją.

Enzymy restrykcyjne jako narzędzie w inżynierii genetycznej i molekularnej

Enzymy restrykcyjne (ER)

- pod względem biochemicznym są endonukleazami - przecinają szkielet fosfocukrowy w DNA

- ER działają na określone sekwencje w DNA (miejsce rozpoznania): żeby sttrawić DNA enzym restrykcyjny musi „zobaczyć” określony ciąg liter

- Podział enzymów restrykcyjnych na klasy I, II i III

Główne różnice pomiędzy klasami enzymów ER dotyczą:

* wzajemnej lokalizacji systemu restykcji i metylacji DNA

W klasie I i III te dwie aktywności są w obrębie jednego kompleksu nzymatycznego złożonego z dwóch lub trzech heterologicznych podjednostek, w II są rozdzielone

* lokalizacji miejsca trawienia względem miejsca rozpoznania DNA

* enzymy poszczgólnych klas różnia się także wymaganiami co do kofaktorów

Endonuklazay restrykcyjne I klasu

- aktywność metylacji i ATP-zależnej restrykcji na tym samym białku

- substratem jest dwuniciowy DNA (dsDNA) zawierający określoną sekwencję - miejsce rozpoanania

Enzymi klasy I

Endonukleazy restrykcyjne III klasy

- substratem jest dsDNA

- aktywność metylacji i ATP-zależnej restrykcji są w tym samym białku

- rozpoznają asymetryczne miejsca 6-7 nukleotydowe

Endonukleazy restrykcyjne II klasy

- posiadają rozdzielona aktywność restryktazy i metylazy, ich geny zwykle siąsiaduja w genome

- substratem jest dwuniciowe DNA - dsDNA (nieliczne enzymy mogą przecinać określone sekwencje w jiednonicowym ssDNA).

- w większości przypadków enzymy typu II trawią obywada pasma DNA w obrębie miejsca rozpoznania 0 którekitje sekwencji (4-13 nukleotydów)

Większość enzymór restrykcyjnych nie przecina zmetylowanego DNA na jednym lub obu pasmach ich miejsca rozpzoanania, choć nieliczne wymagają metylacji

- do aktywnośc in vitro bezwględnie wymagają jonów magnezu

Trawienie DNA zachodzi tylko w specyficznym miejscu

BamH1 plus DNA (TATGGATCCATA) - na specyficznym odcinku enzym może się dopaswać i przeciąć

Większość enzymw restrykcyjnych wiaże się do sekwencji palindromowych jako dimery

Właściwości miejsca rozpoznania ER klasy II

- większość miejsc rzpoznania jest ścislym palindromem z symetrią rotacyjną

- ma długość 4,5,6,7,8 nt

- niekiedy palindrom może być przerwany przez serie 1-9 dowolnych nt np. Sfi i GGCCNNNNNGGCC

Długość sekwencji rozpoznawanej warunkuje częstość trawienia DNA

np.: (zakładając że G + C = 50%)

enzymy z 8 nt sekwencją rozpoznania tną DNA co ok 65 kpz (służą np. do konstrukcji bibliotek genomowych)

z 6nt sekwencią rozpoanania tną DNA co 4096 bp (4^6) (wygodne do klonowania genów)

4 nt sekwencją rozpoznania trawioną DNA z częstością co 256 bp (4^4) (tworzenie tzw. odcisków palca DNA - fingerprinting)

Enzymy rzadkotnące:

- rozpoznają 7-8 nukleotydowe sekwencje np.:

SapI 5'-GCTCTTC-3'

Sgf1 5'-GCGATCGC-3'

- enzymy, które rozpoznają sekwencje bogate w pary GC albo AT

SmaI rozpoznaje 5'-CCCGGG - 3' trawi co 78 kb;

NotI rozpoznaje 5'-GCGGCCGC - 3' trawi co 10 MB

Niktóre enzymy pochodzące z różnych bakterii rozpoznają identyczne sekwencje, są to tzw. izoschizomery i mogą przecinać te sekwencje w dokładnie taki sam sposób

Neoizoschizomery - enzymy rozpoznające taką samą sekwencje ale przecinające ją w inny sposób.

Przykłady

SmaI 5'...CCC'GGG...3'

XMaI 5'.. w innym miejscu tnie

Trawienie enzymami restrykcyjnymi tworzy wolne końce DNA

Lepkie końce mogą być róznej długosć (zwykle są 2 lub 4 nt, ale mogą być taże 1 lub 3 nt) i mogą mieć nadmiernści typu 5' lub 3', w zależności do użytego enzymu restrykcyjnego.

BamH1 - nadmierności typu 5'

Kpn1 - nadierności typu 3'

Moga też tworzyć tępe końce

Jeśeli lekpkie końca są ze sobą komplementarne, ligaza może je bardzo łatwo polączyć niezależnie od pochodzenie DNA, tworząc formy rekombinacyjne

Możemy łączyć ze sobą również końce tępe ale jest to troche trudniejsze

Enzym tnie obie nici DNA po tej samej stronie, razem z obcym DNA

Frgamenty DNA łączą się z lepkimi końcami

BamHI

5'-G^CATCC-3'

3'-CCTAG^G^5'

nie izoschizomery ale dają komplementarne lepkie końce, może je połączyc i żaden enzym restrykcyjny już nie przetnie

Użycie ER in vitro

Czynniki wpływające na aktywnośćenzymór restrykcyjnych

Skład buforu:

- enzymy mają różne prefernecje jeśli chodzi o siłę jonową (stęż. soli) i kationy (Na lub K). Zwykle pracują w pH 8.8. Bufory są zwykle dostarczane razem z enzymem przez producenta. Źle dobrany bufor powoduje albo brak trawienia albo tzw. częściowe trawienie.

- można trawić równoczście kilkoma enzymami dobierając pośrednie warunki reakcji

Bufor do przechowywania:

Tris-EDTA, DTA jest inhibitorem działania enzymór restrykcyjnych, ale nie w stężeniach poniżej 0,005 mM

Temperatura inkubacji:

Większość enzymór pracuje w 37C, u psychotrofilii niżej, u ermofili wyżej

Na wydajność trawienia duży wpływ ma czystość DNA:

kontaminacja solami (np. z innych buforów - ważne przy wielokrotnych trawieniach), inhibitory, nukleazy mogą powodować trawienie częściowe lub jego kompletny brak DNA

Rodzaj użytego DNA

Aktywność gwaździsta (star activity, relaxation of specificity - rozluźnienie specyficzności)

Enzym w niestandardowych warunkach tnie DNA w miejscacj innych niż miejsce rozpoznania, np.

BamHI (GGATCC) może trawić sekwencje: NGATCC, GPuATCC, GGNTCC

Niestandarwode watunki

- nieoptymlany bufor

- za mało DNA w stosunku do enzymu

- za długa inkubacj, eyc

Zastosowanie enzymór restrykcyjnych

1. Izolacja wybranych fragmentów DNA (np. genów)

2. Rekombinowanie DNA in vitro i klonowanie genów

3. Mapowanie fizyczne genomów

4. Diagnostyka (np. chorbów) i identyfikacja (np. ustalanie pokrewieństwa)

Zastosowanie enzymów w diagnostyce chorób genetycznych

Analiza polimorfizmu DNA

RFLP - restriction fragment lenghtpolymorphism. Różnice w dłg. freagmentów restrykcyjnych tworzonych po cięciu DNA restryktazami II typu.

Wykrywa się głównie przez trawienie DNA amplifikowanego w reakcji PCR, podobny wzór cięcia

Wykrywanie mutacji przy pomocy enzymów restrykcyjnych

np.: anemia sierpowata

Nrmalny gen globiny Zmutowany gen globiny

CTGAC CTCTC

CACTC GACAC

Trawienie enzymem DdeI → elektroforeza agarozowa

Dwa framenty o dłg: Jeden dłuższy fragment

Elektroforeza kwasow nukleinowych

Klonowanie genu ludzkiej insuliny i produkcja zrekombinowanej insuliny w bakteriach

Transfer genu insuliny

tniemy plazmid enzymami restrykcyjnymi - dodajemy cDNA, łączymy linkerem → otrzymujemy zrekombinowany plazmid - namnażamy go z bakteriach

Elektroforeza

- jest podstawową techniką wizualizacji kwasów nukleinowych pozwala bezpośrednio identyfikować częsteczki DNA i jest stosunkowo czuła

(po odpowiednim wyberwieniu żeu jesteśmy w stanie zobaczyć ng DNA)

- jest techniką rozdzielania fragmentów DNA

Podział technik elektroforezy DNA

- agarozowa (horyzontalna)

* w stałym polu elektrycznym - to będziem często robić, technika podstawowa

* w stałym polu (PFGE)

- akrylamidowa (wertykalna)

* denaturująca

* niedenaturująca

- elektroforezę w żelu aarozowym stosuje się do rozdzielania dużych cząsteczek DNA

- elektrofoerzę w żelu poliakrylamidowym stosuje się do rozdzielania małych fragmentów DNA

- elekroforeza DNA w żelu agarozowym w stałym polu elektrycznym jest rutynową techniką wizualizacji DNA i RNA

Funkcjonuje na zasadzie sita molekularnego, gdzie negaywnie naładowane cząsteczki poruszają się w polu elektrycznym w kierunku anody; krótsze wędrują szybciej, dłuższe - wolniej

Fragmenty DNA → idą przez pory między cząsteczkami żelu

Elektroforeza agarozowa

Agaroza jest naturalnym polimerem izolowanym z krasnorostow

Zalety elektroforezy agarozowej

- duży zakres rozdzielanych fragmentów DNA od kilkuset z do 40 kpz (w elektroforezie w stałym polu) i Mpz (w zmiennym polu elektrycznym)

- łatwość przygotowania żelu i elektroforezy

- jest nietoksyczna

Wady

- mała zdolność rozdzielcza żeli agarozowych

- agaroza jest stosunkowo droga.

Zestaw do prygotowania żelu agorozowych i elektroforezy

- nalewanie roztworu agarozy w buforze, wkładamy grzebień,

- nakładami probek do studzienek po zastygnięciu

- podłączami prąd, po dwudziestu minutach mamy

Przygotowanie probek

roztwór DNA miesza się z buforem próbkowym, który zagęszcza DNA (nie wypływa zestudzienek) pozwala obserwować migrację DNA

Barwienie żeli agarozowych

Bromek etydyny (EB) jest używany najczęściej, lecz jest silnie mutagenny. Należy unikać barwienia żelu przed elektroforezą (tzn. barwnik dodany do agarozy lub do buforu). Daje dość silne tło i żele powinno się odbarwiać przed archiwizacją.

SYBR Green, SYBR Gold bardzo czuły, nieszkodliwy, degraduje w lekko alkalicznych warunkach, WADA!!! - drogi.

GelRed bardziej czuły na małe ilości DNA niż EB.

Czynniki wpływające na stopiń migracji DNA w żelu agarozowym

Wielkość cząsteczki - dsDNA liniowe migruje w żelu z szybkością odwrotnie proporcjonalną do ilości par zasad (odwrotnie proporcjonalna do log10 z masy cząsteczkowej).

Konformacja DNA - superzwinięta kolista forma (CCC), otwarto kolista (OC) i liniowa (LIN) forma migrują w żelu z rózną szybkością. Wzglęðna ruchliwość tych form zależy od stęż. agarozy, natężenia pądu, siły jonowej buforu i gęstości superskrętów formy CCC. Najleiej dla odróżnienia form stosować odpowiednie markery (zwykłe plazimy i fragmenty DNA)

- najszybciej CCC, potem LIN, najwolniej OC

Nie można określić wielkości kolistej cząsteczki DNA porównując jej drogę migracji z liniowym DNA o znanej wielkości!!!

koliste mogą być mniejsze od liniowych, a migruje wolniej

koliste mogą być porównywane z kolistymi, a liniowe z liniowymi.

- stężenie agarozy - jest liniowa zależność midzy logarytmem mobilności elektroforetycznej DNA (µ) i stężeniem żelu (gamma) wg równania:

logµ = logµ0 - Kr gamma

gdzie µ0 jest swobodną ruchliwością DNA i Kr jest współczynnikiem opóżnienia, czyli stałą związaną z własnościami żelu oraz wielkością i kształtem cząsteczek.

Zakresy 0,5 - 2%, im bardziej stężony żel, tym lepiej rozdzielą się małe fragmenty, im mniej stęzony, tym lepiej duże fragmenty.

- obecność bromku etydyny w żelu i buforze

Interkalacja bromku etydyny powoduje spadek łdunku negatywnego w dsDNA i wzrsot sztywności i długości DNA. Stopień migracji jest opóżniony o około 15%.

Napięcie prądu - w niskim napięciu, stopień migracji liniowych fragmentów DNA jest proporcjonalny do zaaplikowanego napięci. W Wyższym napięciu mobilność wysoko-cząsteczkowych fragmentów nie jest proporcjonalna do napmięcia.

Skład buforu do elektroforezy - w roztworach o niskiej sile jonowej DNA migruje wolno, w buforach o zwbyt wysokiej sile jonowej przepływ ładunku powoduje wuedzilanie

Markery wielkości

Konwencjonalne oparte na DNA plazmidów i fagów.

plazmidowe DNA albo genom faga np. lambda, podzielone na określone fragmenty, następnie porownujamy z badanimi fragmentami

tzw. drabinki (ladders)

bardzo regularny rozklad prazków, co 50-500 pz

Izolacja DNA z żeli agarozowych

- zestawy do izolacji DNA z żelu oferowane przez firmy np. perełki szklane. DNA jest adsorbowane na silikonowych perełkach z rozpuszczonej agarozy w wysokim stęż. soli, a eluowane w niskim stęż. soli

- można też używać agarozy, które topi się i tężeje w niższej niż standardowa temperaturze (LMP - low melting point)

Agaroza, która została zmodyfikowana przez hydroksymetylację, które radukuje ilość wiazń wodorowych,ma niższą temp. topnienia i żelowania

Elektroforeza pulsacyjna - PFGE (Pulsed- Field Gel Electrophoresis)

Fragmenty dsDNA powyżej krytycnej wielkości ~40 kb migrują w żelu agarozowym ze stałą szybkością, niezależną od wielkości. Z tego powodu nie można ich rozdzielić w stałym prądzie na horyzontalnych żelach.

PFGE jest elektroforezą, w której pole elektryczne jest okresowo zmieniane co ozwala na rodział cząsteczek DNA do wk. rzędu Mpz. Rodział następuje ponieważ czase wymagany do zmiany kierunku migraci dla cząsteckzki DNA zależy od jej wielkośći w zmiennym polu elektrycznycm. Krótsze cząsteczki mogą szybciej reorientować się (tzn. zmieniać konformację i powracać do stanu pierwotnego) niż dłuższe i dlatego węrdują w żelu z większą szybkością. Dłuższe cząsteczki większość czasu potrzebują na reorientację w zmieniającym się napięciu pola niż na migrację. Różnica w czasie reorientacji jest tym czynnikiem, który decyduje o rozdzieleniu się fragmentw DNA o wlk. powyżej 40 kb.

CHEF - Cantour-Clamped Homogenous Electric Field Electrophoresis - elektrforeza w zmiennym, homogennym polu elektrycznym o kształcie sześciokąta foremnego

możemy dzięki temu bardzo dowolnie manipulować kątem i kireunkiem pola elektrycznego, kąt może sięgać nawet 120 stopni, → jeszcze większa potrzeba czestej reorientacji - rodzieleanie jeszcze większych cząsteczek.

zestaw do elektroforezy w zmiennym polu elektrycznym

- komora do elektroforezy

- zaprogramwany zasilacz

- chiller (chłodnica)

- pompa

Przygotowanie próbek

PFGE wymaga nieuszkodzonego DNA ponieważ każde uszkodzenie spodowujezmianę wyglądu prążków.

Najpierw umieszcza się bakterie lub inne komórki w agarozie, a następnie trawi sięjeenzymami litycznymi, co nie narusza DNA. DNA następnie można trawic enzymami restrykcyjnymi. Tak przygotowany peparat jest przycinany do odpowiedniej wielkości, wkładany do wejścia w żelu agarozowym izaklejamy agarozą.

Enzymy restrykcyjne w PFGE

Wybiera się enzymy, które:

- tną DNA rzadko np. rozpoznają 8-nukleotydowe sekwencj

- w rozpoznawanej sekwencji mają dużo par GC (jest rzadko spotykany u Eukaryota)

- w rozpoznawanej sekwencji mają dużo par AT (mogą być rzadsze u Prokaryota).

markerami w PFGE są albo kontakatemety DNA faga lambda (50 kb), albo chromosomy S. cerevisiae (200-2000 kb)

Zastosowanie PFGE

- rozdzielanie cząsteczek DNA w zakresie 50 kpz - 10 Mpz

Izolowane fragmenty mogą być użyte do klonowania

- konstrukotwanie mam prestrykcyjnych calych genomów bakterii oraz dużych regionow genomów eukariotycznych

- identyfikacja genomów w tzw. epidemiologii molekularnej.

Elektroforeza w żelu poliakrylamidowym

Polimer akrylamidu może służyć do rozdziełu dsDNA issDNA według wielkości i konformacji. Żele poliakrylamidowe mają trzy główne cechy korzystniejsze niż żele agarozowe:

- ich zdolność rozdzielcza jest tak duża, że mogą rozdzielać cząstezki różniące się długością równą 0,1% (tzn. 1 b w 1000 b);

- można rozdzielać większe ilości DNA - można rozdzielać do 10 µg DNA w jednej ścieżce (1cm x 1 mm) bez utraty zdolności rozdzielczej

- DNA odzyskane z żelu akrylamidowego jest bardzo czyste (metodami podobnymi do odzyskiwania z agarozy) i można go używać np. do iniekcji zarodków mysich.

Zdolność rozdzielcza zależy od wielkości porów jakie tworzy olimer, a to zależy od stężenia akrylamidu i N.N' - metylenbisakrylamidu oraz od szeregu innych czynników jak natężenie prądu czy grubość żelu

Zakres stężenia akrylamidu to 3,5% - 20%,w którym dzieli się fragmenty 6-2000 pz

Stosunek bisakrylamidu do akrylamidu wynosi 1:30

Żele akrylamidowe nie mogą być barwione przed elektroforezą,

Rodzaje żeli ekrylaminowych w elektroforezie DNA:

Żele denaturujące służą do rozdzielania i oczyszczania ssDNA lub RNA. Te żeele są polimeryzowane w obecność mocznika, formamidu lub formaldehydem co hamuje tworzenie par DNA. Zdeneturowany DNA migruje w ych żelach z szybkością niezależną od składu zasad i ich sekwencji. Stosuje się m.in. do rozdziału RNA, izolacji radioaktywncyh sond i do rozdziału produktów reakcji sekwencyjnych.

Żele niedenaurujące są używane do rozdziau i czyszczania dsDNA

Zasadniczo dsDNA migruje w żelach z szybkością odwrotnie proporcjonaln<a do log10 z ich wielkości. Jednakże syzbkość migracji zależy tez od skłądu zasad i fragmenty tej samej wielkości mogą migrować z szybkością różniącą się nawet o 10%. Zwykle służą do preparowania bardzo czystego DNA i do wykrywania interakcji DNA-białko (EMSA - Gel shift Assay)

3. Kombinacje plazmidów i bakteriofagów

fagemidy - fagemid jest wektorem plazmidowym który ma miejsce replikacji z bakteriofaga M13, f1

Bakteriofagi mogą replikować się zarówno dwuniciowo, jak i jednoniciowo

wygląda jak zwykły pazmid, można przestawić go na inne miejsce replikacji, żeby zaczął się replikować jako jednoniciowa cząsteczka DNA

kosmidy - miejsce cos faga lambda wstawione w plazmid - w główce zyskaliśmy pojemność oko 40 000 pz.

Po infekcji komórki, sekwencja wygląda jak plazmid

Fosmidy - specyficzna odmiana kosmidów

- plazmid uzyty do plazmid F - plazmid jednokopijny, niskokopijny, ma bardzo regulowane mechanizmy replikacyne, jest bardzo stabilny i nie pozwala się zgubić.

wprowadzone do niego DNA będzie w niewielkie ilośc kopii i będzie bardzo stabilne.

Białko wyprodukowane w bakterii nie będzie miało modyfikacji potranslacyjnej - podstawników niebiałkowych, ect, może nie być tak samo funkcyjne.

Dlatego stosuje się jako gospodarza organizm eukariotyczny - drożdże.

- możliwość modyfikacji potranslacyjnej

- dobry organizm modelowy - eukariot, ale jednokomórkowy i łatwy w hodowli.

- posiada podzielone geny, transkrypcja i tranlsacja taka sama jak u innych eukariotów

Jeżeli chcemy stworzyć w pełni funkcjonalne białko eukariotyczne to lepiej użyć drożdż

WEKTORY DROŻDŻOWE - wahadłowe, bifunkcjonalne

wahadłowość charakterystyczna dla wektorów eukariotycznych

Dla rodzaje systemów replikacyjnych - typowo bakteryjny i typowo eukariotyczny (drożdżowy)

YAC (Yeast artificial chromosome)

nie wygląda wcale jak chromosom, a plazmid

posiada część prokariotyczną - miejsce nicjacji replikacji, geny oporności, zapewnie replikację prokariotyczną, reszta to część euariotyczna

Po cięciu przybierze postać małego chromosomu drożdżowego (liniowa cząsteczka DNA) - wszystkie elementy pozwalające na trwanie w jądrze komórkowym.

Gen Sup4 pełni taka sama funkcje jak alfa-komplementacja w wektorach plazmidowych - pozwala rozdzielić drożdże,które dostłay wektor pusty i z DNA

- system selekcyjny (już nie może być to opornosc na antybiotyki)

Wektory do komórek ssaczych

- nie jest to system do powielania DNA w kom - można to robić w drożdżowych - jest to system dostarczanai DNA do komórki (w celu jego ekspresji - org transgeniczne, terapia genowa, ekspresja badanego bialka)

- są to wektory wahadłowe (w większości)

- zbudowane na bazie wirusów

System dostarczania DNA → musi być bezpieczny dla pacjenta, nie może przynosić szkody.

Musi dostarczać do komórek DNA specyficznie (do konkretnych tkanek i typów komórek) i stabilnie

Łatwość namnażania i użycia

Duża pojemność

Brak immunogenności - nie powoduje reakcji odpornościowej - biegunki, gorączki, alergii

Obecnie nie ma wektora który spełniałby wszystkie kryteria.

Jak bezpiecznie przerobić wirusa żeby nadawał się do użycia w komórkach eukariotycznych.

Zabrać z niego wszystko co jest mu niepotrzebne na jego etapie rozwoju.

Fragmenty wirusowe cis - muszą zostać

Trans - można wyrzucić, dostarczając tylko produktów tych genów

Retrowirusy

odwrócone powtórzenia - sygnał pakowania wirusa w otoczkę - białka płaszcza, odwrotna transkryptaza, glikoproteiny,

Bezpieczny, dwuskąłdnikowy ukąłd złożony

- pierwszy eement to plazmid w którym są odwrócone powtórzenia i sygnal pakujący - elementy cis wirusa, dostarczamy obcy gen i powielamy w bakterii.

- drugi składnik - linia komórek pakujących - linia kom eukariotycznych hodowanych in vitro, w genomie tych linii komórkowych znajdują się pozostałe geny wirusa, które mu zabraliśmy: gag, pol, env

plazmid z transgenem w bakterii namnażamy - izolujemy plazmid - wprowadzamy do linii komórek pakujących, które na chromosomie mają geny trans - wirus ulega transkrypcji, linia pakująca sytnetyzuje mu białka do spakowania się → spakowany retrowirus nie może się namnażać, ma tylko sekwencję pakującą → geny kodujące białka ma tylko kom linii pakującej, gdzie indziej nie namnoży się → infekcja kom docelowej, wirus przepisze się i zintegruje z genomem komórki docelowej, ale nie namnoży.

modyfikuje się np. HIV - jest w stanie zakażać również komórki, które się nie dzielą.

Adenowirus nie wstawi się do komórki gospodarza, ale może na nią zadziałać - nadaje się do nsizczenia komóek np. nowotworowych ale nie wprowadzania nowych genów.

herpeswirusy - np. Epstein-Barr ma dużą pojemność, z czego mało to geny cis.

niektóre wirusy opryszczki mają duże powinowactwo do neuronów

markery selekcyjne w wektorach eukarotyczne

do selekcji tzw. markery dominujące

antybiotykooporność - odporność na kanamycynę w kom. roślinnych - większość kom roślinnych wrażliwa

neomycyna - gen odporności na neomycynę oprzez gen bakteryjny Neo - sotoswana w kom zwierzecy linii komorkowych.

Hybrydyzacja kwasów nukleinowych

Zastosowania hybrydyzacji

- znajdowanie genu w plazmidzie

- lokalizacja danego genu na chromosomie i jego sąsiedztwa

Hybrydyzacja - pwstawanie stabilnych struktur dwuniciowych z cząsteczek jednoniciowych o komplementarnych sekwnecjach nukleotydów

Hybrydyzacja zachodzi już przy komplementarnych odcinkach długości kilkunastu (17) nt

w hybrydyzacji kwasów nukleinowych mogą pwostawać struktury hybrydowe różnego typu:

DNA-DNA

RNA-RNA - wyciszanei genów

DNA-RNA

Żeby wykorzystać hybrydyzację (jako narzędzie badawcze) należy spełnić przynajmniej dwa warunki:

Sonda molekularna

- wyznakowana znacznikiem (radioktywny lub nie) - uwidocznienie i zlokaliwoanie zhybrydyzwaonej z nim sekwencji

* sondy radioaktywne 32P, 35S, detekcja opiera się na autoradiografii - metoda czuła lecz toksyczna

* sondy fluorescenscyjne, np., rodamina, fluoresceina

* metody immunochemiczne, ctyochemiczne - nukleotyd związany z haptenem (biotyną, digoksygeniną). detakcja przy pomocy przeciwciał specyficznych dl danego haptenu.

Przeciwciała są sprzężone z umożliwiającymi cih uwidocznienie czasteczkami: alkaliczną dosfatazą, proksydazą.

Sposoby znakowania sond

- reakcja przesunięcie pęknięć w DNA

polimeraza I E.coli dodaje nukleotydy do wolnego końca 3' OH utworzonego wczśniej w dwuniciowym DNA przez działanie DNazy I. W tym samym czasie, polimeraza I egzonukleolitycznie usuwa nukleotydy od końca 5' pęknięci.

- reakcja przypadkowego startu replikacji

SOndy molekularne możemy uzyskać przez wyznakowanie końców cząsteczek kwasów nukleinowych

- 5' przez przeniesienie grupy fosforanowej z ATP na zdefosforylozwany koniec 5' koniec RNA lub DNA za pmocą np. T4 PNK (Kinazy polinukleotydowej z bakteriofaga T4). Jeżeli ATP jest wyznakowany w pozycji

- 3'

Przygotowanei docelowego DNA (target DNA0, w którym za pomocą sondy molekularnej będziemy szukać komplementarncyh odcinków

Najczęściej wygląda to tak:

- izolacja genomowego DNA

- podział na mniejsze fragmenty

proces przenoszenia DNA z żelu na membranę to „blotting”

1975 Edwin Suthern - „southern blotting”

DNA - cięcie - elektroforeza - przenoszenie na membranę

porowata substancja - bibula- żel- membrana-dociska się bibułą - ściśnięcie - wszystko to wbuforze alkalicznym - trzeba je zdenaturować do cząsteczk ejdnoniciowych, dlatego bufor alkaliczny.

proces trwa kilka dni, trzeba wymieniać bibuły, p kilku dniach mamy DNA

Elektrotransfer - elektroblotting

ujemne DNA idzie do anody

sond molekularna musi być zdenturowana.

Efekt: prążki zawierające poszukwiany gen zabarwiają się dzięku połączeniu z sondą.

1. DNA:DNA - hybrydyzaja Southerna

2. RNA-DNA (lub RNA-RNA) - hybrydyzacja typu northern - badanie poziomu ekspresji genów lub wizualizacji regionów, gdzie zachodzi ekspresja genów

Warunki hybrydyzacaji musząbyć odpowiednio dobrane

- tworzenie hybryd ssDNA lub NA jest odwracalne i zależy od

* długości komplementarnych sekwencji (minimalna długosć 17 nukleotydów)

* stężenia kwasów nukleinowych (dużo DNA lub RNA na filtrze, mało sondy molekularnej)

* temperatury

* siły jonowej

operując tymi parametrami możemy zhybrydyzować nawet fragmenty homooligczne w mniej niż 50%

Hybrydyzacja fluorescencyjna in-situ - FISH - bezpośrednio uwidacznia pzycję markera w cząsteczce DNA np. chromosomie po hybrydyzacji z sondą fluorescencyjną, lub diagnostyka chorób genetycznych

komórka - destamilizacja formamidem genomu - dodajemy sonðe

northern

sonda do krwi szczura, patrzymy w któ¶ymi regionie zacodzi największa ekspresja - np. w wątrobie, nerkach

zastosowanei hybrydyzacji w metodzie screeningu - przeszukwanie klonów bakteryjnych w poszukiwaniu danego genu.

lub gdy daną bakterię transformowaliśmy bankiem genów a szukamy jednego genu w danym klonie komórek

hybrydyzacja kolonijna - na celulozie lub innej membranie tworzymy replikę kolonii bakteryjnych, przyklejamy bakterie do membrany, liza, denaturacja, następnie

PCR - ang. polymerase chain reaction

reakcja łańcuchowa polimerazy → częściowa alternatywa do klonowania molekularnego → polimeryzacja cząsteczki DNA

1. Reakcja replikacji matrycy DNA in vitro

Matryca może pochodzić z dowolnego miejsca w genomie

In vivo - widełki replikacyne, maszyneria enzymatyczna

Jedna nić ciągła, druga w postaci fragmentów Okazaki

Cząsteczka DNA musi się rozplątać - wys. temperatura

Startery - musimy je zaprojektować

komplementarność → przyłączanie starterów do zdenaturowanej nici

Każdy startej się dołącza do innej nici

1 cykl składa się z takich etapów:

- reakcja denaturacji matrycy - 94o - 96o

- dołączanie się zaprojektowanych starterów do komplementarnej doń matrycy - primery doczepiają się - 50o - 56o

- elongacja 72o

Polimerza wydłuża startery - do każdej nici dołączony jeden - powstaje produkt pierwsozrzędowy

Pierwszorzędowe produkty amplifikacji to jeszcze nie są te pożądane, projekty

Produkt drugorzędowy - 1 nić jeszcze nie przypomina produktu pożądanego, druga już tak (?)

W cyklu 3 pojawiają się pożądane produkty i od teraz rosną w postępie wykładniczym - ilość produktu wprost proporcjonalna do ilości cykli

- otrzymujemy naszą cząsteczkę

klonowanie molekularne -częściowo zastępuje klonowanie w plazmidach

3 etapy

- denaturacja (30 s - 5 min, 64-96oC)

- przyłączanie

- wydłużanie

Dobór starteru

Polimerazy DNA

Inicjalnie: polimeraza I E. coli (fragment Klenowa)

nie jest ona jednak termostabilna, trzeba jej dodawać po każdym cyklu

Termostabilne polimerazy DNA z termostabilnych bakterii → obecnie uzyskuje się z rekomninantów, polimerazę Taq namnażamy w E. coli

- nie mają aktywności korektorskiej. częste błędy

- charakterystyczne zakończenie z pojedyńczą adeniną na końcu

Polimeraza Pfu

- jest aktywnośc sprawdzająca - zdolna do powielania genów do późniejszej ekspresji

- produkty mają tępe, równe końce

Polimeraza Tth

- może być odwrotną transkryptazą i zwykłą polimerazą w zależności od kofektora

Mn2+ → odwrotna transkryptaza

Mg 2+ → zwykła polimeraza

dobrze do przepisywania RNA na DNA i RT-PCR → zdolna przepisywać RNA w wys. temp.

Polimeraza Deep Vent

wysoce termostabilna

duża procesywność - możliwość klonowania długich odcinków DNA

Long PCR Enzyme Mix

mieszania polimeraz, np. Taq i Deep Vent do długiego prowadzenia PCR / klonowania dużych framgentów

wystarczy tylko jedna kopia matrycy do powielenia jej fragmentu

Zastosowania:

- powielania DNA do klonowania

- znakowanie fragm. DNA

- cykliczne sekwencjonowanie

- analizy eksperymentalne

- diagnostyka

- identyfikacja genów (RT-PCR)

Hot Spot PCR - poprawia specyficzność aplifikacji

- mieszanka do PCRu znajduje się w lodzie, żeby nie było falstartu

- dodanie polimerazy do mieszaniny na końcu

Asymetryczny PCR

- wymaga tylko jednego startera

- powielana jest jedna nić matrycy

Multipleksowy PCR

- wiele par starterów

klonujemy wiele znanych framgentów DNA naraz

Real-Time PCR

detekcja produktu w czasie rzeczywistym

kolonijny PCR

- matrycą jest kolonia, fragment tkanki

jeżeli zależy nam na szybkości

zdegenerowany PCR - startery są projektowane na podstawie kodowanego przez geny białka (są zdegenerowane)

Mapowanie genomów → badanie genowe organizmu

Przełom XX i XXI w.

2001 - genom człowieka

Genomika - badanie genomu

Genom - całkowite DNA komórkowe

Genomika strukturalna

Genomika funkcjonalna

Strukturalna → uzyskanie kompletnej sekwencji nukleotydowej → fizyczna mapa genowa o największej rozdzielczości → sekwencja nukleotydowa

Funkcjonalna → badania funkcji genomu → korelacja pomiędzy funkcjonowaniem komórki a genomem

Metody wysokoprzepustowe →genomika funkcjonalna → wiele genów naraz jest badanych

Genomika strukturalna

* badanie połączeń pomiędzy genami

* molekularna cytogenetyka

* mapy fizyczne

* sekwencjonowanie, EST

„omiki”

Badanie całego genomu, a nie pojedynczych genów i ich produktów

- globalne spojrzenie na całą komórkę

Jak należy to robić

- poznajemy skład nukleotydów

- transkryptom ( zestawy transkryptów)

- proteom (zestawy białek)

Metody wysokoprzepustowe

1. Transkryptomika

- badanie transkryptów mRNA które pojawiają się w komórce

komórka wyraża konkretne zestawy genów w zależności od stanu fizjologicznego, wieku i funkcji

Badanie transkryptomu jest powiązane z badaniem genomu → informacja o ekspresji w czasie i przestrzeni, informacja o tym które odcinki DNA są genami, etc.

2. Proteomika → zestaw powstających białek

nie każdy transkrypt jest translatowany na białko → z jednego trankskryptu może powstać wiele różnych białek (alternatywny splicing, redagowanie, modyfikacja potranslacyjna), jedno białko, lub wcale nic nie powstać → degradacja RNA, wyciszanie

Proteom → zestaw białek produktowanych w komórce w danym jej stanie fizjologicznym

2 tys. genów

> 1 000 000 białek

Genomika daje nam pełny obraz funkcjonowania żywych komórke i interakcji wewnątrz nich

Porównanie genomów Eukariota i Prokaryota

- wielkość genomu - ilość DNA w haploidalnej komórce - wartość C → constant, characteristic

Im większy organizm, tym większy genom

mikroorganizmy → małe genomy → lecz eukariota mimo że mają większe genomy od prokariota → między sobą ich genomy nie spełniają tej zależności

Paradoks wielkości C → koreluje tylko do pewnego stopnia z wielkością genomu

duży genom =/= złożony organizm

Duży genom = duża ilość materiału genetycznego =/= dużo genów

Genomy mniej złożonych organizmów są bardziej „wyładowane” genami, ponieważ dostępna przestrzeń jest wykorzystywana oszczędniej: geny leżą bliżej siebie, mogą na siebie zachodzić (wirusy)

Genomy prokariotów Genomy eukariotów

- małe - duże

- na ogół koliste, rzadko liniowe - liniowe

- brak centromerów, telomerów - centromery, telomery

- skondensowane geny, brak intronów - mało skondensowane geny, introny

- brak sekwencji powtarzających się - dużo sekwencji powtarzających się

Wraz ze wzrostem złożoności rośnie ilość intronów

Mapowanie fizyczne genomów

- konstrukcja map fizycznych wyskalowanych w jednostkach fizycznych

największą rozdzielczością jest sekwencja nukleotydowa - map mozliwie najlepsza

zajmuje się tym genomika strukturlna

Mapa genetyczna jest niewystarczająca - rozdzielczość zależy tylko od ilości crossing-over; czasami przekłamuje odległość genow, markery muszą być polimorficzne

sposoby podejscia do analizy genomow

- strategia hierarchiczna - robimy cos w okreslonej hierarchii

- strategi shotgun - przypadkowej fragmentacji genomu

wspolnym mianownikem jest to ze musimy rozebrac genom na kawalki, analizowac i poskaldac genom od nowa

do niedawna wydawalo się ze strategia hierarchiczna jest jedynie sluszna w przypadku zlozonych genomow, a przypadkowa fragmentacja nadaje się do gnomow bakteryjnych

teraz już się tak nie uwaza

wszystkie nowoczesne technologie sewkencjonownie next-generation to raczej shotgun

strategia hierarchiczna przestale mieć glowne znaczenie, chociaz z jej uzyciem poznalismy genom czlowieka i wielu organizmow modelowych

kontig klonow - strategia hierarchiczna

dzielenie genomu na mniejsze czesci - dziesiątki lub setki tys pz - zrobimy z nich biblioteke genomowa (wstawiamy fragmenty do specjalnych genomow)

mmay zbior fragmentow i musimy go poukladac tak zeby odtworzyc porządek framgneto DNA na chromosomie - ukladanie w kontigi

wybraniue ilosctam sporsod zbiorow i ich selekcja - badanei ich sekwencji nukleotydowej

umieszczenie w wektorze i kontig zajmuja dużo czasu

na ile fragmentów chcemy podzielić genom

czym podzielić genom

i w jakim wektorze sklonowac

ile klonow do podzielenia kazdego genomu.

wynika to z wielkosci genomu i odcinkow

dlugosc genomu/ dlugosc fragmentow - teoretyczna liczba potrzebnych klonow

ale musi być ich więcej bo klony czasem się powtarzajac

reprezentatywna bibliteka - stwarza prawdopodobienstwo ze znajdziesz tam kazdy, ale to kazdy segment genomu

3x większy nadmiar klonow - 95%

5x - 99%

wybór enzymu do podzielenia

enzym rozpoznający długie sekwencje - enzym ósemkowy, tnie rzadziej

lecz są rozmieszczone bardzo nierównomiernie - nie powstają równe cząstki

czyli enzym szóstkowy lub czwórkowy zmuszony do specjalnego działania - częściowe trawienie

jeżeli będzie dużo DNA a mało enzymu to przetnei tylko niektóre, losowe.

fragmenty nchodza an siebie co jest kluczowe dla kontigu

jaki wybrac wektor

właściwości wektora dotworzeni biblioteki genomowej: jest w stanei przyjąć i replikować się z dużą wstawką - bakteria z plazmidem wysokokopijnym nie wytrzymalaby takiego obciążenia

plazmidy niskokopijne, kosmidy i fosmidy o przeciętnej pojemności kilkudziesięcu tys. pz

sztuczny chromosom drożdżowy - obrzymia pojemność 200-1000 kb - duży, ale niewygodny

najlepsz wektory pośrednie: BAC i PAC

bakteriofag P1 zbudowany na bzie bakteriofaga P1 - usuwamy zbedną cześć i wstawiamy do bakterii - P1 ma pojemność 100 000 pz

miejsce PAC i pakaza - ładujemy DNA do główki

dwa miejsca loxP rozpoznawane pzez fagową rekombinację cre

liniowy DNA przekształca się w kolisty plazmid w E.coli posaidającej cre

p1-derived artifixil chromosomwe PAC

brak pakowania w głowkę

oparty na niskokopijnym plazmidzie F

ma też loxP .

100-300 kpz bo minęliśmy etpa pakowaia w główkę

BAC - szczutczny chormosom bakteryjny

nazwany tak bo wygląda jak mały chromosom ale nie ma nic wsolneog z chomosomem bakteryjnym

opary na pazmidie F

wyjścioo jest to bardzo nieduży plazmid

elementy plazmidu F - parB, parA, repE, oriS

alfa-komplementacja

marker selekcyjny odprosność na chloramfenikol

możliwość prznoesznia bardzo długich czasteczek DNA

biblioteka genomowa zaiwera cały genom

etap drugi: ukłdanie plazmidw - kontig klonów

ptrzymy gdzi wstawki powtarzają się, nachodzą na siebie, etc - potrzeba molekularnej metody ustalania ten sekwencji

jak można wykazać zę dwa fragmenty Dna mają ze sobą cokolwiek wspólnego:

1 - spacery po chrmosomie

hybrydyzacja southerna

docelowe DNA umieszczamy na filtrze lub membranie w postaci takich plamek - każda plamka - jeden zdeterminowany plazmid z innym fragmentem klonu

bierzemy jeden plazmid - z jego wstawki sonda molekularna hybdrydyzacja do reszty plazmidów - jak coś się zhybrydyzuje to znaczy ze swkencja się potwarza, następnie potwarzamy hybdyrzycaje do reszty wstawek.

niedobry sposob bo sekwencje potwarzające się wszystko psują

poza tym czasochłonna i pracochłonna

2. enzymy restrykcyjne

kawalki na siebie nachodza - beda mialy takie same miejsca restrykcyjne - prfil restrykcyjny se naklada w zachodzacym na siebie fragmencie

nakladajace się sekwencje identyfikue na podstawie identycznosci co najmniej 5 kolejnych iejsc trawienia - odscisk palca

jak za dużo miejsce restykrcyjnych to zaczynaja się ze soba zlewac

tylko kiedy fragmenty maja 50-100 kpz

3. metoda najlepsza - wykorzystanei reakcji PCR

etykietki typu STS - sequence tgged sites

jeśli te dwa framgnety lezay oboksiebie w genomie mozemy w ich obrebie powielic dany, znany nam framgnet wystepujacy w nich

odcinek wspolny musimy znac aby zaprojketowac parę starterow

sekwencja t musi być unikalna - nie może się pwotarzac

mamy ilestam klonow i iles sekwencji STS - projektujemy startety i uzywamy klonow do PCRu jak się powtarza etykietka to lezy na tym samym odcinku, ukladanie klonow staje się latwe

STS może być kazdym, dowolnym framgnetem genomu

drugi rodzja etykietek EST - expresed sequence tag - etykietki pochodzace tylko i wylacznie z genow

u eukariota genow jest nieduzo w stosnku do reszty genomow

bibloteka genomowa i rowlnolegle biblioteka genowa - izolacja mRNA - transkrypty genow przepisujemy na cDNA odwrotna tanskryptaza - i z tego robimy biblioteke da samych genow.

EST sluzy do okreslenie gdzie są geny w genomie.

taka jest przewag etykietek EST nad etykietkami STS.

Strategia hierarchiczna - po co to robimy

kontig jest pracochłonny

w przypadku genomu człowika

7 lat - same kontigi

Wybieramy minimalny zestaw sekwencji DNa o których wiemy, że pokrywa cały chromosom

Pozostałe pozwalają nam sprawdzić sekwencję DNA → niezaprzeczalna zaleta strategii hierarchicznej

Jeżeli mamy powtarzające się elementy to wiemy skąd ona się wzięła → bardzo duża zaleta strategii hierarchicznej

Wada: czasochłonność

Strategia shotgun

- zaczynamy od dekonstrukcji genomu

- izolujemy genomowe DNA

- dzielimy na bardzo małe odcinki 1,6 - 2,0 kpz

W NGS fragmenty jeszcze mniejsze

- szatkujemy genom przypadkowo

- najprostsze kawałki wkładmy do wektora pUC → potem sekwencjonujemy DNA → żeby móc odczytać pełną sekwencję genomu 6-8 x więcej niż wielkość genomu

jeszcze więcej w metodach NGS → wady: nie wiemy nic o pochodzeniu badanych fragmentów, jak pojawi się dziura to nie ma jej czym wypełnić

problemem są geny bogate w sekwencje powtórzone → potrzeba dodatkowych analiz

kompromis pomiędzy obiema strategiami

ukierunkowana strategia shotgun

- dzielimy genom na dużo małych fragmentów

szybko sekwencjonujemy genom

80% sekwencji genomu

równocześnie trochę większe fragmenty 10 i więcej kpz → wkładamy do wektorów, mniej niż w sekwencji hierarchicznej i znowu sekwencjonujemy → długie odcinki DNA pomagają nam wypełnić 20-10% sekwencji DNA

Techniki sekwencjonowania DNA

1. Metoda chemicznej degradacji DNA (Maxama i Gilberta - 1977) - rozkład cząsteczki DNA → metoda trudna

2. Klasyczna metoda terminacji syntezy łańcucha DNA - metoga Sangera lub dideoksy (Sanger i wsp. 1977) → opiera się na syntezie cząsteczek DNA

Obydwie metoday sprowadzają się do uzyskania puli cząsteczek DNA zakończonych określonymi nukleotydami A, C, G lub T różniących się o 1 nt

3. Metody sekwencjonowania „odmienne od tradycyjnych” (klasycznych)

- metody NGS = next generation sequencing np. takie w których nie używa się ddNTP - np. pirosekwencjonowanie

Metoda terminacji łańcucha metodą Sangera lub dideoksy

- do uzyskania cząsteczek DNA zakończonych określonym nukleotydem A, C, G lub T stosuje się synteze nowej nici DNA

- matrycą jest jednonicowe ssDNA ( trzeba najpierw namnożyc w wektorze)

- 3' dideoksynukleotydy - nie mają OH przy 3 węglu

- materiałem wyjściowym jest jednoniciowe ssDNA (w tradycyjnej metodzie DNA trzeba sklonować najpierw do wektora umożliwiającego uzyskanie jednoniciowego DNA)

Synteza

- matryca (1 niciowa)

- polimeraza

- starter

- dNTPs w tym jeden wyznakowany radioaktywnie

4 zestawy - do każdej mieszaniny innego rodzaju dideoksynukleotyd - bardzo mało wydajne

rozdzial elektroforetyczny DNA

Ile nukleotydów można przeczytać w jednej reakcji sekwencjonowania?

ok. 650 nt.

Jak długo się to przygotowywało

( = ok. tydzień)

Dzielenie długich fragmentów → rozdzielanie do plazmidów dających jednoniciową matrycę → moglibyśmy użyć następnie tego samego do sekwencjonowania → obecnie nie ma potrzeby już tworzenia jednoniciowej matrycy - cykliczne sekwencjonowanie wykorzystuje denaturację termiczną jak PCR

wędrówka startera → do poznawania brakujących sekwnecji, projektjujemy uniwersalny starter, potem starter z tego co się naaamplifikowało i tak się to przesuwa

można tak uzupełnić luki ok. 600 pz

Modyfikacja metody Sangera

1) rodzaj polimerazy

- wysoka procesywność - zdolność do syntezy odpowiednio długiego łańcucha DNA i dysocjacji dopiero po włączeniu ddNTP

- brak własności korektorskiej egzonukleazy 5' → 3', egzonukleazy 3' → 5'

pierwszą był nieskoprocesowny fragment Klenowa

teraz sekwenaza - zmodyfikowana polimeraza faga T7

2) zamiana radioizotopów 33P (słabsze promieniowanie, mniej wyraźne) na 35S (silniejsze promieniowanie, bardziej wyraźne) a następnie zastąpienie ich fluorescencją → używanie ddNTP do wyznakowania fluorescencyjnego → automatyczny sekwenator DNA

Sekwencjonowanie automatyczne (cykliczne)

Egzamin 30 stycznia 11:30.

Genomika funkcjonalna - jak komórka funkcjonuje, poziom I: analizy transkryptomu

Przed analizami eksperymentalnymi adnotacja genomu - komputerowe opisywanie sekwencji nukleotydowej - próbujemy wyszukać potencjalne geny i przypisać im spodziewane funkcje.

→ i tak jest to zawsze tylko przypuszczenie, trzeba ją potwierdzić eksperymentalnie.

Analiza transkryptomu: transkrytpów, jakie w komórce powstają → jeżeli powstaje transkrypt, dowód że jest to gen a nie pseudogen

Pseudogen - odcinek który wygląda jak gen ale nie transkrybuje się bo za dużo mutacji, popularne u eukariota

Dalsze pytania:

ile powstaje transkryptu, gdzie, pod wpływem jakich czynników, w jakim stanei fizjologicznym, etc.

Test hybrydyzacyjny typu Northern →test oparty na hybrydyzacji kwasow nukleinowych, jedn rodzaj kwasu nukleinowego umieszczony na stałej powieszni, denetruacja, kąpiel w roztworze z komplementarnym kwasem nukleinowym

Z komórki izolujemy RNA - trudniejsze, bo RNA jest nietrwałe, RNAzy są bardzo powszechne, bardzo rygorystyczne warunki,

analiza mRNA eukariotow troche łatwiejsza - poliadenylacja na końcu 3', łatwiej wyłowić je z całkowitego wyizolowanego RNA z komórki

kolumienka z ogokami polit, hybrydyzacja z ogonakami reszta przelatuje.

1-3% to mRNA

większość RNA to rRNA któ¶e jest nam niepotrzebne w tym eksperymencie.

Rozdzielić przez elektroforezę agarozową w warunkach denaturujących → nawet mimo jest jednoniciowy, żeby nie było struktur typu hairpin

czynnikiem denaturującym jest formalina

zdenaturowane RNA przenosimy przez blotowanie na membranę, jak w Southernie,

hybrydyzujemy z sondą molekularną - odcinkiem genomu, który podejrzewamy że jest genem

jeżeli est traknskrypt potencjalnego genu, to sonda go odnajdzie → wskaże miejsce gdzie się przyłączyła, bo jest wyznakowana

hybrydyzacja typu nothern jest dość trudna - bardzo dużo etapów, a RNA jest brdzo nietrwałe

alternatywa: RT-PCR, reakcja PCR połączona z odwrotną transkrypcją,

izolujemy mRNA, wkładamy do probówki, ze składnikami reakcji PCR (startery komplementarne do badanego odcinak DNA) + odwrotka transkryptaza

Jeżeli mamy transkrypt badanego odcinka DNA → odwrotna transkryptaza za pomocą starteru przepisze go na cDNA a następnie polimeraza powieli, wszystko w jednym etapie, żadnej preparatyki poza izolacją RNA

jeżeli mamy RNA do RT-PCR to nie może być domieszek DNA → wtedy wynik jest fałszywie dodatni, bo to DNA jest matrycą→ DNAza

W każdej komórce geny wyrażają się z różną wydajnością - zupełnie różne ilości transkryptów

Jak to pokazać (porównać ilość różnych transkryptów?)

Real-Time PCR (Q PCR) - wykrywanie produktu w czasie rzeczywistym =/= RT-PCR

Pozwala zmierzyć iość powstającego produktu DNA w trakcie amplifikacji. Sama nazwa wyjaśnia jak ona funkcjonuje, zwykle pottzeba elektroforezy ale nie w trakcie Q PCR .

Jest to prawie normalna reakcja PCR, można ją przprowadzić na wiele sposobów → używamy ją tam gdzie musimy zmierzyć ilość powstająceo produktu

Polimeraza musi mieć aktywność egzonuklezay 5'-3' - Taqi nie mają.

Sonda - oligonukleotyd, krótki odcinek pasujący do wnętrza odcinka który chcemy powielić - projektujemy sondę.

Barwnik fluorescencyjny i pochłaniacz fluorescencji, w jednym oligonukleotydzie nie świeci, świeci dopiero po degradacji sondy

Podczas elongacji polimeraza dochodzi do sondy i wycina (aktywność egzonukleazy 5'-3') go, uwolnienie barwnika fluorescencyjnego → barwnik zaczyan świecić → im więcej produktu, tym więcej błysków światła/większe natężenie etc.

Technika umożliwiająca zobaczyć czy się powiela i ile produktu sę powiela → wydajność zależy od ilości matrycy, a więc ilości potencjalnego transkryptu

Porównanie 3 genów →przepisujemy na cDNA, do Q PCR, powielamy, każdy badany fragment ma różny barwnik → im więcej transkryptu tym intensywniejsze świecenie → pokazywanei względnych róznic w poziomie trankrypcji genów.

Geny wyrażają się z różną intensywnością - niektórych białek komórka potrzebuje więcej, innych mniej, co na poziomie molekularnym decyduje? Promotor genu. Zależy od niego to jak często plimeraza DNA będzie inicjowała transkrypcję.

Jak zmierzyć aktywność promotora? Geny reporterowe - manipulacja DNA, w celu określenia poziomu transkrypcji.

Gen, którego efekt fenotypowy łatwo można zobaczyć lub zmierzyć.

Mamy badany gen poprzedzony regionem promotorowym, chcemy zobaczyć jak silny ma promotor. Określamy potencjalny promotor powyżej genu. Następnie wycinamy sobie go, powielamy PCRem, wstawiamy do wektora, gdzie jest gen reporterowy bez promotora, w miejsce promotora genu reporterowego wstawiamy potencjalny region promotorowy, genr eporterowy wyraża się tak jak aktywny jest badany regon promotorowy, więc będziemy mogli to zobaczyć (świecenie, fluorescencja np. GFP) = FUZJA TRANSKRYPCYJNA, łączenie odcinka regulatorowego plus genu reportowego

Gen reportorowy ma kodon start i miejsce wiązania rybosomu, natomiast region regulatorowy zastępujemy regionem badanym.

Przykłady

lacZ- beta-galaktozydaza, rozkłada barwny substrat który robi się niebieski - prosty test histochemiczny, badamy intenstywnośc koloru

lacZ bez promotora a w miejsce promotora MCS gdzie wstawiamy region regulatorowy

uidA - gen kodujący glukouronidaza (GUS), aktywność promotorów w tkankach roślinnych (brak tła)

gen kodujący lucyferazę - świeci przez ultenienie lucyferyny,

GFP i pochodne, promotor

Nobel 2008 chemia

analiza całego transkryptomu

→ macierze DNA, pokazuje jak wszystkie geny w genomie naraz się wyrażają

hybrydyzacja kwasów nukleinowych raz jeszcze → jeden rodzaj kwasu nukleinowego przywiązany do stałej powierzchni, a następnie kąpiemy go z sondą ktroa się przyłączy jeżeli jest komplementarna

macierz DNA - bardzo duży zbiór pojedyncych cząsteczek DNA na stałym nośniku - reprezentują cały genom lub pojedyncze geny z genomu.

Tą macierz poddajemy hybrydyzacji w roztowrze kwasu nukleinowego który wybarwimy.

Duży zbiór pojedynczych cząsteczek które odpowiadają pojedynczym genom z genomu

Nazewnictwo inne niż w tradycyjnych technikach hybrydyzacyjnych;

„probe” - sonda - kwas nukleinowy o znane sekwencji, unieruchomiony na nośniku

„target” - wolny kwas nukleinowy, zwykle wyznakowany, który poddajemu badanaiu

Sporo odmian i rodzajów macierzy

makro i mikromacierze

makromacierz - stara wersja macierzy, mała gęstość genów na macierz, prymitywna wersja macierzy

mikromacierze - wynalzeiono jak zminiaturyzować skalę macierzy → gęsto upakowae geny na małych rozmiarach

chip genowy, chip DNA → niepoprawne synonimy, nie każda macierz jest chipem genomowym

dwa typy mikromacierzy

- rodzaj sondy

- zastosowanie i przeznaczenie

I mikromacierz oligonukleotyodowa - bardzo krótkie, syntetyczne sekwencje DNA 20-80nt, opatentowany przez Affymetrix, Inc → chip genowy

II mikromacierz cDNA

znacznie dłuższe cząsteczki cDNA (odwrotna transkrypcja mRNA) 500~ 5000 pz.

reprezentacja naszych genów z genomu.

różnią się też przenzaczenim

I - mały kartridż kilka milionów którciotkich sekwencji DNA → różne egzony genów

nadaje się do wykazania że w jednej komórce różne geny wyrażają się z różną intensywnością

mamy macierz ze zbiorem olinukleotydów - mogą być to wszystkie geny, egzony,etc

z komórki izolujemy RNA/mRNA, pewnych traksnryptów jest więcej, jendym mniej → przepiscanie na cDNA → powstanei ich proporcjoanie do ilości matrycy → znakowanie, może być ponowna traksprycpjia, dzielenie na fragmenty, hybrydyzacja do macierzy → hybdryzycja do macierzy, macierz będzie w stanei wchłonąć różne ilości wyznakowaych cząsteczek DNA w jednym miejscu, lub mniej w zależności od tego ile teo jest.

Mikromacierze cDNA (format II)

Zastosowanie: porównanie dwóch komórek (np. zdrowej i nowotworowej) o różnych stanach fizjologicznych

macierz - cDNA - dwie komórki z rożnych stanów fizjologicznych, izolacja mRNA, odwrota transkrypcja ze znakowaniem na inny kolor, w jednym stanie fizjologiczym może być więcj jakiegoś mRNA

mieszanie w różnych ilościach, hybrydyzacja do jednej macierzy → hybrydyzacja na zasadzie współzawodnictwa → tam, gdzie jest więcej na taki kolor będzie bardziej świecić - hybrydyzacja kompetycyjna, współzawodnictwo, wygrywa bardziej liczy

Zastosowania technologii macierzy (poza badaniem profili ekpresji genów)

1. Wykrywanie rearanżacji w genomach - duplikacja jakiegoś genu spowoduje zwiększoną hybrydyzację do określonej sondy

2. Wykrywanie mutacji

3. Wykrywanie polimorfizmu SNP

4. Analiza wzorów metylacyjnych w DNA

Globaly (całościowy, kompleksowy) sposób analizy genomu.

Badanie funkcji genu

na poprzednich zajęciach mówiliśmy o analizie transkryptomu.

mówi nam, że dany odcinek genmu jest genem → nie mówi o jego funkcji

dziś będziemy mówili o funkcji

transpozon wprowadzamy do komórki bakterii, wbudowuje się w geny losowo, przerywa ich ciągłośc, fenotyp się zmienia → wymagania pokarmowe, ruchliwość, śluzowatość

z transpozonu robimy sondę molekularną, izolacja DNA, hybrydyzacja Southerna - znajdujemy DNA gdzie był transpozon klonujemy do wektora, identyfikujemy, sekwencjonujemy → mamy gen odpowiadajacy za dana funkcje

nielosowa analiza określonego genu:

- wyłączanie genu (mutacja) - najlepszy sposób, lecz nie wszystkie gey w genomie da się wyłączyć

- wyciszanie genu

- nadekspresja geu

Inaktywacja genu - organizmy takie jak bakterie, drożdże, haploidalny genom, mozliwość selekcji za pomocą antybiotyku

1. Izolacja genu z genomu - łatwe, znamy już genom, wycinamy lub powielamy gen, klonujemy do wektorów

2. Przerabiamy sklonowany gen, przerabiamy go w ten sposób że wyrzucamy jakąś część ('środek', pozostawiając 'końce') - u bakterii pomędzy końce wprowadzamy dodatkowy gen, w środku odporność na antybiotyki - konstrukt do mutagenezy, konstrukt do wyłączaia genu

3. Konstrukt wprowadzamy ponownie do wyjściowego genomu gospodarza na wektorze który nie będzie się sam utrzymywać w komórce ani replikować

4. Selekcjonujemy antybiotykiem wstawionym w konstrukt, komórka ginie lub ulega homologicznej rekombinacji (wbudowuje gen oporności w genom zamiast genu poprzedniego)

Analogiczna rzecz w komórkach eukariotycznych, orgnizm ssaczy np. mysz

- nie ma prostego ukladu jedna cecha - jeden gen - diploidalny genom, mało prawdopodobne że wyłączymy obydwa allele, jeżeli wyłączymi jeden z nich zmiana fenotypu mało widoczna

- nie można hodować myszy na płytce z selekcją na antybiotyk → trudna selekcja rekombinantów

Knockout genowy → nie używa się terminu mutacja przy zamierzonych zmianach.

infekcja wczesnego zarodka specjalnyn wektorem retrowirusowym z okreslonym konstruktem do knockoutu genowego

- najpierw izolujemy gen z genomu, klonujemy w bakteriach, przeksztalcamy w przerwany gen, nastepnei do wektorow wirusowych, do komorek linii pakujacej - mamy efektywne wiriony

izolcja zarodka we wczesnym stadium, infekujemy zarodek

retrowirusy maja tropizm do komorek dzielacych się, więc zarodek się swietnie do tego nadaje, wirus zainfekuje większość komorek, w tych komorkach zajdzie homologiczna rekombinacja w przynajmiej jednym z alleli

zarodek implantuje się do przygotowanej hormonalnie myszy

rodza się myszy chimeryczne, heterozygoty - więcej niż jedna linia komorkowa o roznych genotypach, część komorek ma allel z knockoutem a część nie

następnie krzyzumjmey myszy az knockout dojdzie do komorek generatywnych i otrzymujemy homozygoty z knockoutem

z zaplodnionej myszy izolujemy jajo, izolujemy je - dwa przedjadrza, meskie i zenskie

wkluwamy się do ednego z przedjadrzy wprowadzamy konstrukt do knockoutu, liczymy ze rekombinacja zajdzie - jadro to jest haploidalne, jak mamy rekombinacje to potem ta komorka po fuzji się dzieli mitotycznie - nie ma chimer → jak jest knockout, to heterozygota ma knockout w kazdej komorce

jajo wprowadzamy do matki zastepczej

z wykorzystaniem komorek macierzystych → niezdefiniowany w żadnym stopniu kierunek genetyczny → moze się przeksztalcic w kazda komorke

pozyskiwanie komroek mcierzystych z zarodka: komorki wezl zarodkowego, hodujemy je sobie in vitro, proste

w midzyczasie przygotowjemy konstruk do knockoutu genowego

- konce, srodek pusty, mamy konstrukt → wykorzystywanie antybiotykow jako ze mamy komorki in vitro

wyposazamy konstrukt genetyczny - w srodku mamy neomycyne (kom eukariotyczne są wrazliwe)

dodatkowo gen samobojczy

konstrukt wprowadzamy do linii komorkowej - elektrotransformacja

w komorkach dzieje się rekombinacja homologiczna w zamierzonym przeznasmiejscu, gen ix zostaje wymieniony na gen opornosci na neomycyne → odpornosc na neomycyne

niestety genom eukariotyczny jest duzy a konstrukt niewielki, wiele odcinkow genomu potencjalnie do siebie podobnych → niehomologiczna rekombinacja → wtedy komorka zabiera se soba gen samobojczy, również oporna na neomycyne, ale latwo można ja zabic

po wprowadzeniu konstruktu

- komorki w ktocyh brak rekombinacji w ogole

- komorki w których mamy homologiczna rekombinacje

- komorki z rekimbnincj w losowym miejscu

najpierw neomycyna - gina komorki które nie są rekombinantami

dodajemy gancyklowir → gin rekombinanty niehomologiczne

pozostaja komorki z zamierzonym knockoutem

kolejny zarodek pobrany od myszy, wprowadzamy komorki do zarodka mysiego, ten zarodek będzie chimera, implantacja do zasepczej matki przygotowanej hormonalnie

wybieramy myszy o odpowiednim kolorze siersci → potomstwo m być laciate → wtedy jest cimryczne, następnie krzyzowka wsteczka az calkowicie czarne potomstwo → nokaut dotarl do linii generatywnej.

SCID mouse (Severe Combined Immunodfeiciency Disease) (Immunodeficiency Diseases) - niedobór immunologiczny. Podobnie jak u ludzi, myszy SCID są niezdolne do walki z infekcjami,ale także np. do odrzucania przeszczepów

Crellox System

Cre rekombinaza miejscowo specyficzna, która działa na miejsce loxP (34 pz)

Dlaczego wycinanie DNA za pomocą CrelloxP jest takie użyteczne?

loxP pochodzi z bakteriofaga P1, a zatem nie występuje np. w roślinach czy u zwierząt. Dzięki temu sekwencje loxP mogą być sztucznie wstawiane do zwierząt i roślin w celu precyzyjnego wycinania określonych sekwencji DNA, bez obawy, że przy okazji wytniemy jakąś istotną część genomu.

uzyskujemy dwie linie myszy

1 linia myszy - we wszystkich komórkach swojgo caiał ma rekombinazję cre, pod promotorem wyrażającym się specyficznei wdanej tkance.

2. linia myszy - we wszystkich komórkach ciala dodatkowa kopia genu otoczona miejscami loxP

krzyżujemy dwie linie myszy - czekamy aż urodzi się nam potomstwo, w komórkach ich ciała mamy wszystkie te elementy razem → w specyficznych tkankach ekspresja cre, która wycina gen z komórki, w innych tkankach nic się nie dzieje.

Problem: trudno znaleźć całkowicie tkankowo-specyficzne promotory w eukariotach (wyrażajcych się tylko w jedne tkance)

Dramatyczna zmiana poziomu ekspresji genu

- do komórki trzeba wprowadzić dodatkową kopię genu, żeby pojawiło się znacznie więcej produktu - najlepiej w postaci cDNA - już po obróbce, bz intronów

zamiast 10 kopii białka pojawia się ich tysiąc - duża zmiana metabolizmu komórki → zmiana fenotypu, ta metoda nie zawsze skuteczna, komórka ma mechanizmy obronne (tak samo zresztą z knockoutem)

potranskrypcyjne wyciszanie genu

knockout - wyłączanie genu na poziomie genomu, istnieje ryzyko że wylączymy/popsujemy cos przy okazji

nadekspresja - niekoniecznie widoczna w fenotypie

wyciszanie - nie zmieniamy genomu, zaczajamy się na transkrypt - nie musimy docierac do jadra, tylko do cytoplazmy

antysensowne RNA - wiaze transkrypt i zapobiega translacji

RNAi - pocięcie transkryptu na kawałki

przepisaniu ulega tylko jedna nić (kodująca), jeżeli wprowadzamy spreparowany konstrukt genetyczny gdzie odcinek DNA jest tak zrobiony żeby była transkrybowana druga nić (komplementarna), powstaje ssRNA antysensowny, one hybrydyzują se sobą - dwuniciowa struktura - zablokowanie translacji

Dwuniciowe RNA ulega degradacji przez mechanizmy obronne komórki jako coś nienormalnego

Niemięknący pomidor - zablokowana translacja genu powodującego rozkład pektyn - antysensowne DNA

Interferencja RNA (RNAi)

w latach 80 pewna grupa naukowców pracujaca na petunii chciala uzyskac kwaity o intensywniejszej barwie niż wyjsciowa, dodano więcej kopii gnow odpowiedzialnych za barwe

dodano gen który wyrazal się zle - dużo antysensownego RNA, gen powodowal zanik barwy

molekularny mechanizm - nicien C. elegans - niszczenie transkryptow i blokowanie transkryptu genow

pojawiaja się krociotkie, dwuniciowe RNA, wystajace koncowki dwunukleotydowe 3'

komplementarne do genu odpowiadajacych transkrptow

mechanizm powszechny, tylko u drozdzy go nie ma

male czasteczi RNA z pociecia trawienia większych czasteczek dsRNA → dawna ochrona przez dsRNA wirusami

duza ilosc antysensownego RNA → zdolnosc twoarzenia dwuniciowych struktur sama ze soba → sygnal nienormalnosci dla komorki → wlaczenie genu rybonukleazy Dicer, trawienie dsRNA do siRNA (male, interferujace RNA) charakterystyczne dwunukleotyodowe koncowki → jedna nic komplementarna do transkryptu, kompleks nukleinowo-proteinowy, jedna z nici ulega oddzieleniu, tylko komplementary do transkrytpu RNA zostaje w RISC, ten kompleks przesuzkuje cytoplazme, jak znajduje komplementarny transkrypt to wiaze się z nicia w RISC i slicer rozcina transkrypt.

mozliwosc posttraksrypcyjnego wyciszania genu

- konstrukt geneyczny podowujacy powstawaniw dwuniciowego RNA

- albo wprowadzenie syntetycznego dsRNA lub siRNA

egzamin - forma pisemna, test wielokrotnego wyboru z ujemnymi punktami

pytania otwarte



Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
egzamin-immunologia, Biol UMCS, V semestr, Immunologia
Techniki, Biol UMCS, V semestr, Techniki labolatoryjne
Sprawdzanie prawa addytywności absorpcji światła dla mieszaniny dwuskładnikowej, Biol UMCS, V semest
Immunologia-pytania, Biol UMCS, V semestr, Immunologia
Spektrofotometria UV, Biol UMCS, I semestr, Chemia nieorganiczna
INZYNIERIA GENETYCZNA - wykłady, Studia UMCS, V semestr, Inżynieria genetyczna
pytania inzynieria, Studia UMCS, V semestr, Inżynieria genetyczna
zadania - genetyka, Biol UMCS, IV semestr, Genetyka
Egzamin Mikrob12007, Biol UMCS, III semestr, Mikrobiologia, Egzamin
TEST Z PRZEPIS W BHP DLA STUDENT W ODBYWAJ CYCH WICZENIA W ZAK ADZIE BIOCHEMII, Biol UMCS, VIII seme
Cykl azotowy, Biol UMCS, III semestr, Biochemia
tematy cwiczen - ii rok biologii, Biol UMCS, IV semestr, Biologia molekularna, Egzamin
WYKŁAD 3. Reakcje chemiczne, Inżynieria środowiska, inż, Semestr I, Chemia ogólna
biotechnologia wykl, Biol UMCS, VI semestr, Enzymologia
wykład 7, Studia, 1-stopień, inżynierka, Ochrona Środowiska, Genetyka, Genetyka ogólna (pokaz slajdó
Molekularna, Biol UMCS, IV semestr, Biologia molekularna, Egzamin
GO wykłady, ZUT-Energetyka-inżynier, VI Semestr, Gospodarka odpadami, Wykład
Egzamin poprawkowy z mikrobiologii, Biol UMCS, III semestr, Mikrobiologia, Egzamin

więcej podobnych podstron