Porównanie genomów

Porównanie genomów

Prokaryota i Eukaryota

Prokaryota i Eukaryota

Genom człowieka

Genom człowieka

-

-

DNA

DNA i wszystkie geny

zawarte w jednym haploidalnym zestawie
chromosomów.

Genom

człowieka

składa

się

z

23

chromosomów.

DNA człowieka zawiera około

3 x 10

3 x 10

9

9

par

par

zasad pz, co oznacza że posiada długość około

zasad pz, co oznacza że posiada długość około

3

miliardy

par

zasad

azotowych

lub

3

miliardy

par

zasad

azotowych

lub

nukleotydów

nukleotydów

,

,

50-100 tysięcy genów.

50-100 tysięcy genów.

DNA jest zorganizowany jako zestaw 23

DNA jest zorganizowany jako zestaw 23

chromosomów, z których każdy jest jedną,

chromosomów, z których każdy jest jedną,

dwuniciową cząsteczką DNA o długości 55-250

dwuniciową cząsteczką DNA o długości 55-250

milionów pz.

milionów pz.

Geny i sekwencje związane z genami stanowią

Geny i sekwencje związane z genami stanowią

25% DNA. Genów takich jest około 30 tysięcy. 

25% DNA. Genów takich jest około 30 tysięcy. 

Pozostała część zwana jest pozagenowym DNA,

Pozostała część zwana jest pozagenowym DNA,

jej funkcja jest nieznana.

jej funkcja jest nieznana.

Bakteria

Bakteria

Escherichia coli

Escherichia coli

zawiera 4 x 106 par zasad

zawiera 4 x 106 par zasad

azotowych

azotowych

Rodziny genów –rodzaje DNA

Rodziny genów –rodzaje DNA

Pewne geny występują w licznych kopiach o

Pewne geny występują w licznych kopiach o

identycznych lub podobnych sekwencjach,

identycznych lub podobnych sekwencjach,

które mogą być grupowane w rodziny.

które mogą być grupowane w rodziny.

Rodziny mogą być organizowane na wiele

Rodziny mogą być organizowane na wiele

sposobów: wszystkie geny w rodzinie są

sposobów: wszystkie geny w rodzinie są

zlokalizowane

w

tym

samym

locus

zlokalizowane

w

tym

samym

locus

chromosomowym.

chromosomowym.

 

Takim przykładem może być rodzina hormonów

Takim przykładem może być rodzina hormonów

wzrostu -zespół 5 genów.

wzrostu -zespół 5 genów.

Geny (5 genów) kodujące strukturę hormonu

Geny (5 genów) kodujące strukturę hormonu

wzrostu znajdują się na długim ramieniu 17

wzrostu znajdują się na długim ramieniu 17

chromosomu w powiązaniu z genami laktogenu

chromosomu w powiązaniu z genami laktogenu

łożyskowego.

łożyskowego.

• Geny mogą istnieć jako seria

zespołów genów w różnych
chromosomach. Przykładem mogą
być geny homoetyczne (GH), które
występują jako 4 zespoły a każdy z
nich zawiera około 10
indywidualnych genów.

Cechy chromosomów

Cechy chromosomów

• Chromosomy metafazowe podzielone są

podłużnie na dwie siostrzane chromatydy,
są utrzymywane razem przez centromer.
Centromer dzieli chromosom na ramię
krótkie -p i ramię długie –q

• Satelity są małymi fragmentami

chromatyny, dystalnymi do przewężenia
wtórnego na krótkich ramionach
chromosomów acrocentrycznych
(chromosomy 13,14,15,21 i 22)

Ze względu na położenie centromeru

Ze względu na położenie centromeru

wyróżnia się chromosomy

wyróżnia się chromosomy

• metacentryczne
• submetacentryczne
• akrocentryczne
• telocentryczne

Prążki

Prążki

Każdy chromosom ma naprzemienne ciemne

i jasne prążki

Numerowanie prążków
Zaczynając od centromerów każde ramię

jest podzielone na jeden lub więcej

regionów. Prążki są następnie numerowane

kolejno od centromerów do telomerów.

Prążkowanie o wysokiej rozdzielczości dzieli

prążki na podprążki

Geny homoetyczne człowieka - GH

Geny homoetyczne człowieka - GH

4 grupy GH chromosomy 2,7,12,17
• HOX 1(A) 7p21-p14
• HOX 2(B) 17q12.1-q22
• HOX 3(C) 12q12-q13
• HOX 4(D) 2q31-q37
• (p-krótkie ramię, q-długie ramię

chromosomu )

W niektórych rodzinach wielogenowych

W niektórych rodzinach wielogenowych

wszystkie geny są identyczne

wszystkie geny są identyczne i kodują
białka potrzebne komórce w dużych
ilościach.

Do takich białek należą histony.

W innych rodzinach geny nie są

W innych rodzinach geny nie są

identyczne i wykazują pewną rozbieżność

identyczne i wykazują pewną rozbieżność

sekwencji

sekwencji.

W niektórych przypadkach rozbieżność
jest tak duża, że geny kodujące białka, są
podobne, ale mają odmienne właściwości.
Do takich rodzin genów należą:

-rodziny α globin

-rodziny β globin

Geny te ulegają ekspresji na różnych
etapach rozwoju embrionalnego a także u
osób dorosłych.

Pseudogeny

Pseudogeny

Są to zmienione elementy rodzin
genowych, które nabyły jedną lub
więcej inaktywujących mutacji i nie
wykazują zdolności do spełniania
swojej funkcji a syntetyzowane białka
nie wykazują aktywności biologicznej

• Pseudogen to niedziałająca kopia genu

zawierająca błędy w obszarze kodującym,
co sprawia, że informacji genetycznej
zawartej w tym obszarze nie można
odczytać.

• Pseudogeny powstają na drodze duplikacji

genu i uszkodzenia dodatkowej kopii genu,
lub na drodze retropozycji, czyli odwrotnej
transkrypcji mRNA danego genu i integracji
do genomu.

Pozagenowy DNA

Pozagenowy DNA

składa się z sekwencji,

które nie są częścią genu (eksonami ani
intronami) ani pseudogenami.

Większość sekwencji pozagenowych (70-80%)
jest unikatowa lub występuje w małej liczbie
kopii.

-Pozostała

część

(20-30%)

składa

się

z

umiarkowanie

lub

często

powtarzalnych

sekwencji nukleotydów występujących jako
tandemowe ciągi powtórzeń lub sekwencji
wielokrotnie rozproszonych po całym genomie.

Rozproszone sekwencje powtórzone

Rozproszone sekwencje powtórzone

składają

się z

krótkich

krótkich i

długich

długich rozproszonych elementów

jądrowych

-SINE (ang. short interspersed nuclear elements)

-LINE ( ang. long interspersed nuclear elements).

Rozproszone sekwencje powtórzone pochodzą z
przetworzonych

pseudogenów,

które

nabyły

zdolności przemieszczania się w genomie.

SINE to

elementy Alu

elementy Alu sekwencji DNA.

Sekwencje te nie są identyczne, ale na tyle
podobne, że klasyfikuje się je jako rodzinę.

• Średnia długość Alu wynosi 250

pz. Występują w około 700 000
kopiach (300 000 - 900 000) i są
rozproszone po całym genomie.
W większości występują w
intronach niektórych genów.

Elementy typu LINE są znacznie dłuższe od
elementów SINE.

L1

L1

LINE

LINE -długość 6500 pz występują w 60 000

kopiach.

Sekwencje te mają zdolność kopiowania przy
udziale enzymu odwrotnej transkryptazy.

Przemieszczają się one w genomie w wyniku
transpozycji.

Elementy LINE są retroelementami.

Zespoły sekwencji powtórzonych

Zespoły sekwencji powtórzonych

W genomie ludzkim znajdują się
regiony, w których powtarzające się
sekwencje

połączone

są

końcami

tworząc długie szeregi tandemowe,
określa się je jako satelitarny DNA,
obecnie częściej jako powtarzający się
DNA. Występują w trzech formach
zależnie

od

długości

zbioru

powtarzających się sekwencji:

1. Satelitarny DNA składający się ze

zbiorów powtarzających się

sekwencji o długości między 100 a

5000 kpz

2. Minisatelitarny DNA posiada zbiory

krótszych, powtarzających się

sekwencji o długości między 20 a

100 kpz.

3. Mikrosatelitarny DNA charakteryzuje

się krótkimi powtarzalnymi
sekwencjami o długości
powtarzających się sekwencji
najwyżej do długości 4 pz.

Bardzo powszechne są w nim

dwunukleotydowe powtórzenia CA.

Mikrosatelitarny DNA stanowi 0,5%

genomu.

Powtórzenia mononukleotydowe to

kolejne 0,3% całego genomu.

Polimorfizm ilości tandemowych

Polimorfizm ilości tandemowych

powtórzeń VNTR

powtórzeń VNTR (VNTR-ang.
variable number tandem repeats)

Zespolone sekwencje powtórzone-
powtórzenia CA wykazują
polimorfizm polegający na różnej
liczbie składających się na nie
jednostek w danym locus.

Zmienność występuje między
osobami oraz pomiędzy parami
chromosomów danej osoby.

Zastosowanie VNTR

Zastosowanie VNTR

• W danej lokalizacji VNTR, między

osobnikami i między parami chromosomów

danej osoby, występuje znaczna

zmienność.

• Można się posłużyć tzw. łańcuchową

reakcją polimeryzacji (PCR) aby wykryć

takie zmienności.

• Dane te mogą być użyte w badaniach

sądowych w celu identyfikacji osób w

sprawach kryminalnych oraz w genetyce

medycznej w celu identyfikacji nosicieli

chorób genetycznych.

Transpozony DNA

Transpozony DNA

Transpozony eukariotyczne wykazują zdolność
do transpozycji w sposób bezpośredni z DNA na
DNA.

Występują

dwa

odrębne

mechanizmy

transpozycji



transpozycja

replikacyjna

–polega

na

bezpośrednim

oddziaływaniu

między

transpozonem

donorowym

a

miejscem

docelowym prowadzącym w rezultacie do
powstania kopii elementu donorowego

• transpozycja konserwatywna - zakłada
wycięcie elementu i powtórne wstawienie w
nowe miejsce.

Oba mechanizmy wymagają enzymów, które są
zwykle kodowane przez geny w obrębie
transpozonu.

Eukariotyczne genomy organellarne

Eukariotyczne genomy organellarne

Genomy organellarne są mniejsze niż
jądrowe.

-mniej

genów

-od

12

dla

zielenicy

Chlamydomonas

reinhardtii

do

92

u

pierwotniaka

Reclinomonas

americana

Genomy

te

kodują

niektóre

białka

znajdujące się w organellach komórkowych.

Pozostałe białka kodowane są przez geny
jądrowe, syntetyzowane w cytoplazmie i
transportowane

do

organellum

komórkowego.

Struktura genów jądrowych Eucaryota

• W materiale genetycznym prokariontów istnieją

tylko geny ciągłe, nie zawierają żadnych wtrętów

niekodującej informacji.

Geny eukariontów takie wtręty zwykle zawierają.

Noszą one nazwę intronów.
• Powstały w wyniku transkrypcji hn RNA

(heterogeneous nuclear RNA) eukariontów,

zawiera również sekwencje intronowe, które

rozdzielają od siebie egzony - właściwe odcinki,

kodujące informację o strukturze wynikowego
białka.

• Egzony są krótkie.
Mają długość od 150-300 nukleotydów.
• Introny mają duży zakres zmienności,

a najdłuższe z nich mają 60 000
nukleotydów.

Egzony

Egzony -funkcjonalne części genów, sekwencje
kodują białka

Introny

Introny

-niekodujące

sekwencje

DNA

o

nieznanej funkcji.

Pomiędzy egzonami i intronami występują
granice,

które

nie

są

przypadkowymi

sekwencjami zasad azotowych.

Przeważnie

pierwszymi

dwiema

zasadami

azotowymi intronu od końca 5

’

są zasady GT, a

ostatnimi dwiema zasadami od końca 3

’

są

zasady AG.

• Początek fazy odczytu stanowi

tryplet ATG, który jest uniwersalnym
kodonem inicjacji translacji
znajdującym się na końcu 5’ genów

.

  

Sekwencja TATA

Sekwencja TATA.

Regiony TATA wiele par zasad AT.

Sekwencja TATA pomocna jest w nakierowaniu
właściwych enzymów do prawidłowego miejsca
inicjacji transkrypcji

 

Sekwencj

Sekwencj

e

e

CCAAT

CCAAT –biorą udział w regulacji

transkrypcji

  Kodon terminacji.
Zakończenie transkrypcji jest oznaczone trypletem
terminacji na końcu 3’ genów. Tym trypletem może
być TAA, TAG, TGA

Replikacja DNA

Replikacja DNA

-proces kopiowania

-proces kopiowania

własnego DNA przez

własnego DNA przez

komórkę

komórkę

• Replikacja jest niezbędna do

przekazywania informacji
genetycznej komórkom potomnym.

• Replikację przeprowadzają enzymy

zwane polimerazami DNA.

• Syntetyzują one nową nić DNA

komplementarnie w stosunku do nici
służącej jako matryca.

• Synteza DNA przebiega zawsze w kierunku

5’ -3’.

• Replikacja jest procesem

semikonserwatywnym, co oznacza że
każda powielana dwuniciowa cząsteczka
DNA zawiera jeden łańcuch pochodzący z
rodzicielskiej cząsteczki a drugi jest na
nowo syntetyzowany.

Mechanizm replikacji jest taki sam u

większości organizmów.

Różnice dotyczą tylko enzymów i

innych białek zaangażowanych w ten
proces.

Widełki replikacyjne

Widełki replikacyjne

• W trakcie replikacji DNA w komórce, cały

genomowy DNA ulega progresywnie
rozplataniu, powstaje jednoniciowy DNA,
stanowiący dla polimeraz DNA matrycę do
syntezy nowej nici.

• Rozplatanie dwuniciowej helisy zaczyna

się w określonym miejscu cząsteczki DNA,
ori (ang. replication origin) i stopniowo
przesuwa się wzdłuż cząsteczki zazwyczaj
w obu kierunkach.

.

• Sekwencje ori zawierają przeważnie

odcinki bogate w słabe pary zasad
AT.

Widełki replikacyjne

Widełki replikacyjne

• Rejon, w którym rozplata się

dwuniciowa helisa, następuje synteza
nowego DNA.

W rejonie widełek replikacyjnych dochodzi

do następujących procesów:

• Rozplecenie dwuniciowej helisy.
Za rozplecenie helisy DNA odpowiedzialny

jest enzym helikaza.

• Po rozdzieleniu nici DNA białka, SSBP(ang.

Single Strand Binding Protein) wiążące się

z jednoniciowym DNA przyłączają się do

poszczególnych łańcuchów, zapobiegają

odtworzeniu dwuniciowej helisy.

Synteza nici wiodącej i opóźnionej

Synteza nici wiodącej i opóźnionej

• Polimerazy DNA syntetyzują DNA

tylko w kierunku 5’-3’.

• W związku z tym, że ułożenie nici w

helisie DNA jest antyrównoległe –nici

biegną w przeciwnych kierunkach,

potrzebne są inne mechanizmy

umożliwiające replikację każdej z obu

nici.

• Jedna nić DNA, nić wiodąca jest

kopiowana w sposób ciągły, druga
nić opóźniona syntetyzowana jest we
fragmentach w sposób nieciągły.

• Fragmenty syntetyzowanej nici

opóźnionej zwane są fragmentami
Okazaki

.

Inicjacja replikacji:

Inicjacja replikacji:

Polimerazy DNA do inicjacji replikacji DNA

wymagają obecności krótkiego
dwuniciowego rejonu zawierającego
starterowy odcinek RNA.

Rejon taki jest syntetyzowany przez

polimerazę RNA, prymazę, zdolną do
rozpoczęcia syntezy w obecności
jednonicioweo DNA.

.

• Prymaza syntetyzuje krótki starter

RNA na matrycy nici opóźnionej,
tworzy się krótki odcinek.

Prokaryota

Genom bakteryjny posiada jedno
miejsce początku inicjacji, „ori” (ang.
replication origin) replikacji DNA -

replikon

replikon

Eukaryot
a

Genom eukariotyczny posiada
wiele miejsc początku inicjacji
(ori)

replikacji

DNA

–

replikonów.

replikonów.

Komórka ssaków zawiera od 50
do

100 000 replikonów.

U Prokaryota replikacja DNA
rozpoczyna się od
unikatowego, pojedynczego
miejsca ori, od którego w
przeciwnych kierunkach
przesuwa się para widełek
replikacyjnych.

Powstaje forma pośrednia

theta

theta

θ

θ. Gdy widełki

replikacyjne spotykają się i
połączą replikacja zostaje
zakończona.

Prokaryota

Prokaryota

• Replikacja DNA cząsteczek wymaga

rozplecenia dwuniciowej helisy DNA.
Rozplatanie DNA w określonym
miejscu powoduje, że helisa
znajdująca się pod widełkami
replikacyjnymi obraca się.

Prokaryota

• W przypadku kolistych cząsteczek

DNA, które nie mają wolnych końców,
obroty te wprowadzają superskręty
helisy, uniemożliwiając przesuwanie
się widełkom replikacyjnym.

• Problem ten komórki prokariotyczne

rozwiązały poprzez aktywność
enzymów zwanych
topoizomerazami.

Prokaryota

Są dwa typy tych enzymów:
Topoizomeraza DNA I i topoizomeraza DNA

II.

Topizomeraza DNA I tworzy przejściowe

pęknięcie z jednej nici DNA w bliskiej
odległości przed widełkami replikacyjnymi.

Umożliwia to cząsteczce DNA swobodny

obrót pękniętej nici wokół drugiej,
usuwane są superskręty.

Prokaryota

• Następnie topoizomeraza DNA I

ponownie łączy ze sobą końce
pękniętej nici.
Po zakończeniu replikacji
bakteryjnego DNA dwie potomne
koliste cząsteczki DNA są ze sobą
splecione.

Za ich rozdzielenie odpowiedzialny jest

enzym topoizomeraza DNA.

II.

Prokaryota

• Następnie topoizomeraza DNA II

łączy ponownie ze sobą końce
pękniętych nici.

U Eukaryota powstaje wiele
widełek replikacyjnych, które
przesuwają

się

w

obu

kierunkach, tworzą się „bąble
replikacyjne”.

Eukaryota

Prokaryota

Upakowanie

genomu

bakteryjnego.

- koliste.

Eukaryota

  Upakowanie genomu
eukariotycznego.

liniowe -

nukleosom

nukleosom

Prokaryota

U Prokaryota np. u bakterii
Escherichia coli dwa enzymy
odpowiedzialne są za syntezę
DNA

-

-

polimeraza DNA I

polimeraza DNA I

-polimeraza

-polimeraza

DNA

DNA

III

III

Eukaryota

Synteza DNA katalizowana jest
przez pięć polimeraz:

-

-

polimeraz

polimeraz

a

a

α,

α,

-

-

polimeraz

polimeraz

a

a

β,

β,

-

-

polimeraz

polimeraz

a

a

γ,

γ,

-

-

polimeraz

polimeraz

a

a

δ,

δ,

-

-

polimeraz

polimeraz

a

a

ε

ε

Prokaryota

Inicjacja replikacji DNA

Inicjacja replikacji DNA.

-Synteza DNA -krótkie odcinki
RNA - startery (ang. primer).

Proces syntezy primera RNA na

Proces syntezy primera RNA na

matrycy nici opóźnionej DNA

matrycy nici opóźnionej DNA

katalizowany jest przez enzym

katalizowany jest przez enzym

prymazę.

prymazę.

Prokaryota

U bakterii Escherichia coli enzym polimeraza

DNA III rozpoczyna syntezę DNA,

rozpoznając powstały dwuniciowy

fragment DNA/RNA.

Synteza fragmentu DNA kończy się w

momencie napotkania przez polimerazę

DNA następnego startera.

Na tym etapie polimeraza DNA I usuwa

niepotrzebny już starter RNA i zastępuje
go nukleotydami DNA.

Eukaryot
a

U Eukaryota proces replikacji przebiega nieco

U Eukaryota proces replikacji przebiega nieco

inaczej.

inaczej.

-Startery do syntezy DNA stanowią krótkie odcinki
RNA.

Polimeraza DNA α

Polimeraza DNA α zawierająca aktywność

prymazy odpowiedzialna jest za inicjację syntezy
DNA.

-DNA replikują

polimerazy DNA α i DNA

polimerazy DNA α i DNA

δ

δ, przy

czym polimeraza DNA α syntetyzuje nić opóźnioną
a DNA δ syntetyzuje nić wiodącą.

-Pozostałe polimerazy DNA pełnią funkcję
pomocniczą. Polimeraza ε jest odpowiedzialna za
proces naprawy DNA, natomiast

polimeraza γ

polimeraza γ

replikuje mitochondrialny DNA.

Prokaryota

Długość

fragmentów

Okazaki:

1000-2000

par

zasad azotowych (pz).

Eukaryot
a

Długość fragmentów Okazaki:

100-200 par zasad azotowych
(pz).

Ligacja

Ligacja

Końcowy etap syntezy nici opóźnionej

polega na połączeniu ze sobą
fragmentów Okazaki wiązaniami
fosfodiestrowymi.

Reakcję ta katalizuje enzym ligaza

DNA.

 

                            

Replikacja DNA u Eukaryota
• Zanim komórka podzieli się na dwie

komórki potomne musi zreplikować
swój materiał genetyczny.

• Podział komórki eukariotycznej jest

procesem ściśle regulowanym i
zachodzi w kilku etapach, w cyklu
komórkowym.

Eukaryota

• Czas trwania cyklu komórkowego

zasadniczo trwa kilka godzin.

• Najdłuższą fazą jest faza G1, podczas

której komórka przygotowuje się do
podziału.

• Po fazie G1 następuje faza S, w czasie

której zachodzi replikacja DNA.

• Kolejna, krótka faza G2 poprzedza fazę M

.

Eukaryota

• W fazie M zachodzi mitoza, rozdział

chromosomów do komórek
potomnych.

Eukaryota

• Niektóre komórki, np. neurony

przestają się dzielić, pozostają w
fazie G0.

Eukaryota

• Ze względu na wyjątkową długość

chromosomów eukariotycznych

replikacja DNA musi być inicjowana w

wielu miejscach ori aby zapewnić

ukończenie procesu powielania w

czasie.

DNA replikowany z jednego miejsca ori

nosi nazwę replikonu.

Eukaryota

• W typowej komórce ssaka znajduje

się od 50 do 100 000 replikonów.

• Rejony zawierające geny aktywne

transkrypcyjnie replikują się jako
pierwsze, później ulegają replikacji
rejony transkrypcyjnie nieaktywne.

Eukaryota

• W czasie przesuwania się widełek

replikacyjnych DNA zostaje
rozpleciony i uwolniony ze struktury
nukleosomu.

Eukaryota

• Po przejściu widełek replikacyjnych

zostaje ponownie odtworzona
struktura nukleosomu.

Eukaryota

Replikacja liniowych chromosomów

eukariotycznych napotyka na
problemy, które nie występują u
Prokaryota

Główny problem polega na tym, że

koniec 5’ nici opóźnionej nie może
ulec replikacji z powodu braku
miejsca dla startera RNA inicjującego
replikację.

Eukaryota

Powoduje to niebezpieczeństwo, że

chromosomy będą ulegały skróceniu
z każdą rundą replikacyjną a tym
samym będą traciły informację
genetyczną.

Eukaryota

Problem ten został rozwiązany

następująco:

• Na końcach chromosomów znajdują

się specyficzne struktury, telomery.

• Telomery zawierają zorganizowane

tandemowo krótkie, powtarzające się
niekodujące sekwencje.

.

Eukaryota

• U człowieka sekwencja ta opisana

jest następująco:

5’ TTAGGG 3’

Eukaryota

• Pod koniec replikacji koniec nici 3’

wiodącej wystaje poza koniec 5’ nici
opóźnionej.

• Enzym zwany telomerazą zawiera

cząsteczkę RNA, która jest częściowo
komplementarna do sekwencji
powtarzającej się, występującej na
końcu 3’ nici wiodącej.

Eukaryota

• Telomeraza wydłuża nić wiodącą

używając RNA jako matrycy.

• Następnie enzym odłącza się i wiąże

z nowym końcem telomerowym,
wydłużając nić wiodącą.

• Proces wydłużania może zachodzić

wielokrotnie zanim oddysocjuje
telomeraza.

Eukaryota

• Wydłużona, dosztukowana nić wiodąca

służy następnie jako matryca do replikacji
końca nici opóźnionej.

• Te dwa procesy, podczas których końce 5’

DNA ulegają skróceniu podczas
podstawowej replikacji i wydłużeniu
wskutek aktywności telomerazy, są
wzajemnie zrównoważone, dzięki czemu
całkowita długość chromosomów pozostaje
w przybliżeniu taka sama.

Ekspresja genów

Ekspresja genów

• Transkrypcja
• Translacja

Transkrypcja

Transkrypcja

Transkrypcja jest pierwszym etapem ekspresji

genów.

Polega on na syntezie RNA na matrycy DNA

przez polimerazę RNA.

Dwie nici helisy DNA są nazywane

odpowiednio nicią matrycową i nicią
niematrycową.

RNA jest syntetyzowany na nici matrycowej

DNA.

RNA ma sekwencję niematrycowej nici DNA.

Transkrypt

Transkrypt

• Syntetyzowana cząsteczka RNA

nazywa się transkryptem.

• Może ona ulegać translacji z

utworzeniem białka lub może być
wykorzystywana jako RNA
rybosomowy albo RNA
transportujacy.

• Synteza RNA zachodząca podczas

transkrypcji polega na polimeryzacji
substratów, którymi są trifosforany
rybonukleotydów: ATP, GTP, UTP, CTP.

Grupa 3’OH jednego rybonukleotydu

reaguje z 5’ fosforanem innego
nukleotydu, tworzy się wiązanie
fosfodiestrowe.

• Kolejność, w jakiej do rosnącego łańcucha

RNA dołączane są rybonukleotydy jest

wyznaczana przez kolejność zasad

azotowych w matrycowym DNA.

• Nowe nukleotydy są dodawane do 3’końca

rosnącego łańcucha RNA.

• Transkrypt powstaje w kierunku 5’-3’ a

ponieważ komplementarne pary zasad

mogą się tworzyć tylko między łańcuchami

ułożonymi antyrównolegle, nić matrycowa

biegnie w kierunku przeciwnym, czyli 3’-5’.

Prokaryot
a

U organizmów prokariotycznych

U organizmów prokariotycznych

syntezy wszystkich rodzajów RNA

syntezy wszystkich rodzajów RNA

dokonuje jedna polimeraza RNA.

dokonuje jedna polimeraza RNA.

U bakterii Escherichia coli
polimeraza RNA złożona jest z
pięciu podjednostek- dwie α

, jedna

β, jedna β

’

, jedna podjednostka δ (α

2

, β, β

’

, δ).

Taka podjednostka nazywa się
holoenzymem.

 

Eukaryota

U Eukaryota występują trzy jądrowe polimerazy RNA:
RNA I, RNA II, RNA III transkrybujące różne klasy
genów:

-polimeraza RNA I transkrybuje trzy spośród czterech
genów kodujących r-RNA-18S, 28S i 5,8S.

-

polimeraza II transkrybuje geny kodujące białka.

-

polimeraza III transkrybuje geny kodujące t-RNA i 5S r-

RNA.

-polimerazy RNA pozajądrowe występujące w
mitochondriach i chloroplastach uczestniczą w
transkrypcji DNA organelli komórkowych.

Prokaryot
a

Sygnały do zainicjowania transkrypcji zawarte są w
sekwencjach zasad promotora, położonego
bezpośrednio przed sekwencją genu ulegającą
transkrypcji.

Promotor zawiera specyficzne sekwencje nukleotydów
działające jako miejsca przyłączania się polimerazy
RNA.

Dwa elementy sekwencji rozpoznawane przez
polimerazę RNA u Escherichia coli są określane jako
sekwencja -10 oraz sekwencja 35.

Mogą być nieduże odstępstwa, ale wszystkie sekwencje
odpowiadają tzw. „sekwencji zgodnej”-10-35.

Prokaryota

• Za rozpoznanie i wiązanie się polimerazy

RNA z promotorem jest odpowiedzialna
podjednostka δ, rozpoznająca kasetę -35.

• Po związaniu się enzymu z promotorem

powstaje najpierw zamknięty kompleks
promotorowy, w którym odcinek DNA
stanowiący promotor pozostaje w postaci
dwuniciowej helisy.

Prokaryota

• Enzym wiąże się z DNA na odcinku około

60pz, obejmującym kasety -10 i 35.

• Aby rozpoczęła się transkrypcja,

dwuniciowa helisa ulega dysocjacji w
rejonie kasety -10, bogatej w pary zasad

A-T tworząc otwarty kompleks

promotorowy (in. kompleks inicjujący).

Prokaryota

• Podjednostka δ oddysocjowuje od

otwartego kompleksu, pozostawiając
rdzeń enzymu.

• Jednocześnie dwa pierwsze

rybonukleotydy wiążą się z DNA,
tworzy się pierwsze wiązanie
fosfodiestrowe i w ten sposób zostaje
zainicjowana transkrypcja.

Elongacja

Elongacja

Prokaryota

• Podczas elongacji polimeraza RNA

przesuwa się wzdłuż cząsteczki DNA i

w miarę przemieszczania się topi i

rozplata dwuniciową helisę DNA.

• Enzym dołącza nukleotydy do końca

3’ rosnącego łańcucha RNA w

kolejności dyktowanej przez ułożenie

zasad azotowych w matrycowej nici

DNA.

Prokaryota

• Przeważnie najpierw transkrypcji ulega

sekwencja liderowa o różnej długości w
różnych genach a dopiero po niej
sekwencja kodująca genu.

• Na drugim końcu sekwencji kodującej

również znajduje się odcinek niekodujący
aminokwasów określany jako niekodująca
sekwencja 3’końcowa i dopiero po niej
transkrypcja się kończy.

Prokaryota

• Podczas transkrypcji w danym czasie

rozpleceniu ulega niewielki odcinek
dwuniciowej helisy.

• Rozpleceniu ulega odcinek DNA o

długości 12-17 par zasad.

Terminacja

Terminacja

• Terminacja transkrypcji zachodzi w

określonych miejscach znajdujących
się w pewnej odległości za
sekwencją kodującą genu.

Palindrom

Palindrom

• U Escherichia coli do terminacji dochodzi przy sekwencjach

palindromowych

(Palindrom (gr. palindromeo – biec z powrotem). Sekwencje

te wykazują symetrię polegającą na tym, że ich pierwsza

połowa jest dokładnie komplementarna do drugiej.
Sekwencja palindromowa w genetyce oznacza taką

sekwencję DNA, dla której sekwencja komplementarna jest

identyczna (przy założeniu, że obie sekwencje czytamy z

uwzględnieniem polarności nici; zgodnie z przyjętym

obyczajem - od końca 5' do 3'):

• 5' A A T T 3'

3' T T A A 5'

lub

• 5' A G G C C T 3'

3' T C C G G A 5'

Spinka

Spinka

W jednoniciowej cząsteczce RNA następuje

tworzenie się komplementarnych par zasad

między dwoma następującymi po sobie odcinkami

łańcucha, czyli tworzenia się struktury określanej

jako spinka lub struktura typu nasada-pętla.

Prokaryota

Spinka działa jako sygnał terminacji.
Terminacja transkrypcji obejmuje oddzielenie

się od matrycy transkryptu i polimerazy
RNA, która następnie ponownie asocjuje z
podjednostką δ i przechodzi do kolejnej
rundy transkrypcji.

Prokaryota

m-RNA Prokaryota jest

policistronowy

policistronowy.

-jeden wspólny promotor uczestniczy

podczas translacji kilku białek.

Eukaryot
a

m-RNA Eukaryota -

monocistronowy

monocistronowy.

Podczas transkrypcji genów kodujących białka,
katalizowanej przez polimerazę II tworzy się
transkrypt pre-mRNA, zawierający kodujące egzony i
niekodujące introny, ulegające usunięciu w procesie
splicingu.

Splicing katalizuje grupa małych jądrowych
rybonukleinoprotein (snRNP - ang. small nuclear
ribonukleoproteins).

Kompleks pre-mRNA i snRNP nazywa się

spliceosom

spliceosom

. Spliceosom katalizuje reakcję rozcięcia

i ligacji - łączenia, prowadzące do wycięcia intronu i
połączenia ze sobą egzonów.

Eukaryota

• W wyniku splicingu, eukariotycznej

transkrypcji - hn RNA, zamieniony

zostaje na mRNA, składający się z

egzonów, których kolejność jest taka

sama jak na hn RNA i DNA.

Eukaryota

• Koniec 5’ mRNA podlega modyfikacji

polegającej na przyłączeniu 7-
metyloguanozyny –cap.

• koniec 3’ ulega poliadenylacji,

powstaje ogon poli A zawierający
około 250 reszt adenylowych.

.

Translacja

Translacja

Translacja jest procesem odpowiedzialnym
w komórce za syntezę białek.

W czasie translacji informacja zakodowana w

cząsteczce mRNA zostaje wykorzystana do
ustalenia kolejności aminokwasów w
białku.

Cząsteczki tRNA pełnią w tym procesie

kluczową rolę, dostarczając do rybosomu
aminokwasy w kolejności wyznaczonej
przez sekwencję nukleotydową mRNA.

W komórkach znajduje się zazwyczaj
od 31 do 40 rodzajów tRNA, z których
każdy jest odpowiedzialny za
specyficzne wiązanie jednego z 20
aminokwasów.

Oznacza to, że kilka rodzajów tRNA

może wiązać ten sam aminokwas.

Izoakceptory

Izoakceptory

• Transferowe RNA rozpoznające ten

sam aminokwas nazywane są
izoakceptorami.

• Przed rozpoczęciem translacji

aminokwasy zostają połączone
kowalencyjnie ze specyficznymi
tRNA.

• tRNA rozpoznają kodony mRNA

oznaczające określone aminokwasy.

Aminoacylacja

Aminoacylacja

• Przyłączanie aminokwasu do tRNA

nazywa się aminoacylacją lub
ładowaniem.

• Aminokwas zostaje połączony

kowalencyjnie z końcem ramienia
akceptorowego tRNA, występuje tu
sekwencja nukleotydowa
5’ CCA 3’.

• Wiązanie zostaje utworzone

pomiędzy grupą karboksylową
aminokwasu i 3’ hydroksylem
ostatniej adenozyny ramienia
akceptorowego.

Antykodon

Antykodon

• Rozpoznanie kodonu przez tRNA

odbywa się poprzez pętlę
antykodonową tRNA.

Translacja u

Translacja u

Prokaryota

Prokaryota

Inicjacja translacji

Pierwszym czytanym kodonem
mRNA w procesie translacji jest
kodon starterowy/ kodon inicjujący
translację:

AUG , GUG lub UUG

Translacja u

Translacja u

Eukaryota

Eukaryota

Inicjacja translacji

Pierwszym kodonem inicjacji translacji jest

kodon AUG

Mała podjednostka rybosomowa
wiąże się z mRNA w miejscu
„powyżej” kodonu AUG,
sekwencji Shine-Dalgarno

5

’

AGGAGGGU 3,

’

znajdującej się

w odległości około 10
nukleotydów od kodonu startu.

Translacja u
Prokaryota

Translacja u Eukaryota

Mała podjednostka rybosomowa
rozpoznaje strukturę cap na
końcu 5’ mRNA, następnie
przesuwa się wzdłuż mRNA w
kierunku 3

’

do kodonu

starterowego AUG.

Translacja u
Prokaryota

U bakterii metionina związana z
inicjatorowym

T-RNA jest modyfikowana przez przyłączenie
grupy formylowej CHO do grupy aminowej
tego aminokwasu NH.

Kompleks składający się z mRNA małej
podjednostki rybosomowej i tRNA nazywa się
kompleksem inicjującym.

Zaminoacylowany tRNA aminokwasem
formylometioniną łączy się z kodonem
starterowym AUG.

Translacja u Eukaryota

t-RNA zaminoacylowany

aminokwasem metioniną łączy się
antykodonem z kodonem AUG
znajdującym się na mRNA.

Translacja u
Prokaryota

W inicjacji translacji biorą udział
białkowe czynniki inicjujące:

-IF1

- IF2

-IF3

Translacja u Eukaryota

  W inicjacji translacji Eukaryota
uczestniczy około dziewięciu
białkowych czynników inicjujących.

Translacja u
Prokaryota

W procesie elongacji translacji biorą
udział dwa czynniki elongacyjne:

-EF-Tu zaangażowany w proces wiązania
aminoacylo-tRNA z miejscem A.

-EF-Ts bierze udział w procesie
regeneracji aminoacylo-tRNA.

Zachodzi hydroliza GTP.

-za translokację odpowiedzialny jest
białkowy czynnik elongacyjny -EF-G.

Translacja u Eukaryota

W procesie elongacji translacji
biorą udział czynniki elongacyjne:

-eEF1
-eEF2

Translacja u
Prokaryota

W procesie terminacji translacji u
Escherichia coli biorą udział trzy
czynniki terminacyjne:

-RF1 rozpoznaje kodony stopu UAA
i UAG

-RF2 rozpoznaje kodony stopu UAA
i UGA

-RF3 pełni rolę pomocniczą.

Terminacja translacji u
Eukaryota

W procesie terminacji translacji
bierze udział jeden czynnik
białkowy:

- eRF, który do wiązania się z
rybosomem wymaga obecności

GTP.

Translacja u
Prokaryota i
Eukaryota

Po terminacji translacji polipeptyd
o strukturze pierwszorzędowej
odrywa się od rybosomu.

Rybosom rozpada się na dwie
podjednoski.

mRNA zostaje uwolniony.

Postranslacyjne modyfikacje

Postranslacyjne modyfikacje

Po translacji zsyntetyzowany polipeptyd

może ulec modyfikacjom prowadzącym do
powstania funkcjonalnego białka.

Modyfikacje mogą polegać na dodaniu

małych grup chemicznych: metylacji,
fosforylacji, acetylacji lub hydroksylacji ale
także dużych grup: lipidowych i
oligosacharydowych (glikozydacja).

• Pewne modyfikacje takie jak

fosforylacja regulują aktywność

enzymów.

• Rozcinanie łańcuchów

polipeptydowych jest powszechnym

rodzajem modyfikacji,

może to być:
• usuwanie pojedynczych

aminokwasów z końców polipeptydu.

• usuwanie wewnętrznych fragmentów

peptydowych,

• usuwanie sekwencji sygnałowej

białek sekwencyjnych,

• rozcinanie polipeptydów na mniejsze

peptydy.

Cechy kodu genetycznego

Cechy kodu genetycznego

• trójkowy – trójka zasad koduje jeden

określony aminokwas

• jednoznaczny – danej trójce

odpowiada tylko jeden aminokwas

• zdegenerowany – dany aminokwas

może być kodowany przez kilka
trójek

• niezachodzący – trójki odczytywane są

kolejno, bez możliwości odczytania trójki
na przykład jako jedynej zasady z jednej
trójki i dwóch z drugiej

• bezprzestankowy – rozpoczęte

odczytywanie przebiega bez przerw

• uniwersalny – te same zasady obowiązują

wśród roślin i zwierząt