Wykład 5
Genom człowieka
Wykład 5
Genom człowieka
Słownik
Gen
– jednostka dziedziczności określająca powstanie
jednego białka, rRNA lub tRNA (Johannsen 1909r.).
Genotyp – całość informacji zmgazynowanej w DNA.
Allel
– jedna z wersji genu w danym locus (miejscu)
na chromosomie. Allele danego genu mogą różnić się
kilkoma nukleotydami – kodowane przez nie białka
nieznacznie się różnią.
Locus
– miejsce położenia danego genu.
Fenotyp
– zespół cech danego organizmu.
Chromosom
Chromosom
– najbardziej skondensowana forma organizacji materiału
genetycznego wewnątrz komórki. Największy stopień upakowania
chromosomy osiągają podczas podziału jądra komórki (w metafazie).
U Eucaryota chromosomy zakończone są powtarzającymi się
sekwencjami nukleotydów tworzących
telomery
.
Telomery
1
Telos – koniec, meros – część.
Telomery są sekwencjami kończącymi DNA u
Eukaryota, są one niezbędne dla utrzymania
stabilności chromosomów.
Telomery zawierają konserwatywne ewolucyjnie,
krótkie sekwencje bogate w GT, powtarzające się
wielokrotnie.
U człowieka sekwencją taką jest 5’-TTAGGG-3’.
Telomery nie są upakowane w postaci nukleosomów,
mają strukturę poczwórnej helisy (DNA zorganizowane
jest w postaci pętli).
Telomery
2
W nici opóźnionej nie ma możliwości przyłączenia
startera poza końcem sekwencji i dlatego ostatnie
8-12 zasad nie zostaje zreplikowanych.
U ssaków długość telomerów przy narodzinach
wynosi 6 – 10 kpz, długość ta ulega skróceniu w
komórkach somatycznych przy każdym kolejnym
podziale komórkowym.
Długość telomerów nie zmienia się w komórkach
płciowych, macierzystych, szpiku kostnego. Dzieje
się tak dzięki
telomerazie
(zmodyfikowanej
odwrotnej transkryptazie), która do końca 3’
dołącza dodatkowe nukleotydy.
Telomery
3
Są to odcinki gdzie w kilkuset kopiach
występuje sekwencja
5’-TTAGGG-3’
.
Obecność tej sekwencji jest wynikiem
działania
telomerazy
, enzymu
mającego za zadanie wydłużanie
końca chromosomu.
Telomeraza jest białkiem o aktywności
odwrotnej transkryptazy, do którego
doczepiona jest cząsteczka RNA
(z sekwencją 5’-CUAACCCUAAC-3’)
służąca za przesuwającą się matrycę.
Na jej podstawie syntetyzowana jest nić
DNA.
Chromosomy metafazowe
U Eukariota chromosomy można obserwować
jako odrębne struktury jedynie podczas
podziału (chromosomy siostrzane po replikacji).
satelity
centromer
telomery
ramię długie (q)
ramię krótkie (p)
przewężenie wtórne
chromatydy
siostrzane
Satelity
Satelity mogą występować na końcach krótkich
ramion chromosomów akrocentrycznych z
wyjątkiem chromosomu Y.
Przewężenie przed satelitami jest odcinkiem
jąderkotwórczym chromosomów (organizator
jąderkowy – Nuclear Organizer Region, NOR).
Odcinki NOR charakteryzują się powtarzalnościa
sekwencji nukleotydów rDNA (kodującego pre-
rRNA).
Liczba chromosomów z przewężeniami wtórnymi
jest stała dla danego genomu.
Wzory prążków chromosomów
Barwienie chromosomów pozwala uwidocznić w nich strukturę
prążków. Wzór prążków (w danym barwieniu, np. G)
charakteryzuje chromosom.
Podział na obszary jest umowny ale np. w barwieniu G został
zatwierdzony przez organizacje międzynarodowe.
Numeracja prążków (np. q21.2):
• p lub q – segment (ramię)
• pierwsza cyfra - region
• druga cyfra - prążek
• po kropce - subprążek
Kariotyp
1
Kariotyp
– zestaw chromosomów występujący w komórce
somatycznej, charakteryzujący się ilością i morfologią
chromosomów.
Prawidłowy kariotyp człowieka zawiera 22 pary chromosomów
homologicznych (autosomów) oraz chromosomy płci X, Y
(heterochromosomy).
Kariotyp
2
Chromosomy człowieka podzielone zostały na grupy:
Grupa A: duże chromosomy 1-3, 1 i 3
metacentryczne, 2 submetacentryczny,
Grupa B: duże chromosomy 4 i 5, submetacentryczne,
Grupa C: średnie chromosomy 6-12 oraz X,
submetacentryczne,
Grupa D: duże chromosomy 13-15, akrocentryczne,
Grupa E: małe chromosomy 16-18, 16
metacentryczny, 17 i 18 submetacentryczne,
Grupa F: najmniejsze chromosomy 19-20,
metacentryczne,
Grupa G: najmniejsze chromosomy 21, 22,
akrocentryczne oraz Y akrocentryczny bez satelitów.
Ciałko Barra
U samic ssaków jeden z chromosomów X jest transkrypcyjnie
nieaktywny. Jest on przekształcony w heterochromatynę i
widoczny jest w postaci plamy z boku interfazowego jądra.
W nieprawidłowych kariotypach ilość ciałek Barra jest równy
ilości chromosomów X pomniejszonej o jeden:
• w przypadku zespołu Turnera (45, X) nie ma ciałka Barra
• dwa ciałka Barra występują u kobiet o kariotypie (47, XXX)
Hipoteza Lyon
Wybór chromosomu ulegającemu inaktywacji jest
przypadkowy (X od matki lub X od ojca). Ponieważ różne
chromosomy mogą być inaktywowane w różnych komórkach
we wczesnym stadium rozwoju embrionalnego możliwe jest,
iż różne partie ciała będą miały aktywne różne chromosomy
X. Ma to znaczenie jeśli różne allele genu są obecne w
różnych chromosomach (np. ubarwienie kotów „tricolor”).
Hipohydrotyczna dysplazja ektodermalna.
Mechanizm inaktywacji
Inaktywacja chromosomu X powodowana jest przez
ekspresję tzw. centrum inaktywacji X (XIC – X
inactivation center), umiejscowionego na
proksymalnej części ramienia p chromosomu X.
Najważnejszym genem tego regionu jest gen XIST
(X-inactive specific transript).
Produktem genu XIST jest RNA nie posiadające ORF,
nie podlegające translacji na polipeptyd. RNA
produkowane przez gen XIST prawdopodobnie
pokrywa chromosom X i inaktywuje go. Istotna jest
także metylacja DNA.
Organizacja genomu u Eukaryota
1
Rodziny genów
– występowanie genów w wielu identycznych
lub podobnych kopiach. Rodziny mogą być zlokalizowane w
jednym locus lub w wielu loci.
W niektórych rodzinach wielogenowych geny są identyczne i
kodują białka potrzebne komórce w dużych ilościach (np.
histony)
genom człowieka
3 000 000 kpz
geny i sekwencje
związane z genami
900 000 kpz
DNA kodujący
90 000 kpz
80 000 genów
DNA niekodujący
810 000 kpz
pseudogeny
introny, sekwencje
liderowe i
ogonowe
fragmenty
genów
DNA powtórzony
420 000 kpz
DNA unikalny
I niskokopiowy
1 680 000 kpz
powtórzenia
tandemowe
powtórzenia
rozproszone
DNA
satelitarny
DNA
minisatelitarny
DNA
mikrosatelitarny
elementy
LTR
transpozony
SIN E
LINE
30%
70%
DNA pozagenowy
2 100 000 kpz
Organizacja genomu u Eukaryota
2
Pseudogeny
– zmienione elementy rodzin genowych, nie
produkujące biologicznie aktywnego białka. Są one
zmutowanymi wersjami genów wyjściowych.
Przetworzone pseudogeny
– kopie mRNA przepisane na DNA, nie
mają promotora i intronów.
genom człowieka
3 000 000 kpz
geny i sekwencje
związane z genami
900 000 kpz
DNA kodujący
90 000 kpz
80 000 genów
DNA niekodujący
810 000 kpz
pseudogeny
introny, sekwencje
liderowe i
ogonowe
fragmenty
genów
DNA powtórzony
420 000 kpz
DNA unikalny
I niskokopiowy
1 680 000 kpz
powtórzenia
tandemowe
powtórzenia
rozproszone
DNA
satelitarny
DNA
minisatelitarny
DNA
mikrosatelitarny
elementy
LTR
transpozony
SIN E
LINE
30%
70%
DNA pozagenowy
2 100 000 kpz
Fragmenty genów
– brakuje im końców 5’ lub 3’ genu
wyjściowego.
Organizacja genomu u Eukaryota
3
Powtórzenia tandemowe
– wielokrotne powtórzenia sekwencji
nukleotydów występujące bezpośrednio po sobie.
Powtórzenia tandemowe w zależności od wielkości dzieli się na:
satelitarne
(jednostki do 200 pz ułożone w bloki od 100 do
5000 kpz),
minisatelitarne
(jednostki do 25 pz, bloki do 20 kpz)
oraz
mikrosatelitarne
(jednostka do 4 pz, bloki do 150 pz).
genom człowieka
3 000 000 kpz
geny i sekwencje
związane z genami
900 000 kpz
DNA kodujący
90 000 kpz
80 000 genów
DNA niekodujący
810 000 kpz
pseudogeny
introny, sekwencje
liderowe i
ogonowe
fragmenty
genów
DNA powtórzony
420 000 kpz
DNA unikalny
I niskokopiowy
1 680 000 kpz
powtórzenia
tandemowe
powtórzenia
rozproszone
DNA
satelitarny
DNA
minisatelitarny
DNA
mikrosatelitarny
elementy
LTR
transpozony
SIN E
LINE
30%
70%
DNA pozagenowy
2 100 000 kpz
Organizacja genomu u Eukaryota
4
Oprócz powtórzeń tandemowych w DNA występują
też
sekwencje powtórzone rozproszone
. Sekwencje
rozproszone dzieli się na SINE (short interspersed
nuclear elements) i LINE (long i.n.e.) oraz elementy
LTR (long terminal repeats – rozpoczynające i
kończące sekwencje genów retrowirusów).
genom człowieka
3 000 000 kpz
geny i sekwencje
związane z genami
900 000 kpz
DNA kodujący
90 000 kpz
80 000 genów
DNA niekodujący
810 000 kpz
pseudogeny
introny, sekwencje
liderowe i
ogonowe
fragmenty
genów
DNA powtórzony
420 000 kpz
DNA unikalny
I niskokopiowy
1 680 000 kpz
powtórzenia
tandemowe
powtórzenia
rozproszone
DNA
satelitarny
DNA
minisatelitarny
DNA
mikrosatelitarny
elementy
LTR
transpozony
SIN E
LINE
30%
70%
DNA pozagenowy
2 100 000 kpz
Organizacja genomu u Eukaryota
5
Transpozony
– „skaczące geny”, sekwencje DNA przemieszczające
się pomiędzy różnymi pozycjami wewnątrz genomu danej
komórki.
Typ I – retrotranspozony, przenoszą się przez transkrypcję do RNA
i odwrotną transkrypcję z powrotem do DNA.
Typ II - przenoszą się przez działanie transpozazy.
genom człowieka
3 000 000 kpz
geny i sekwencje
związane z genami
900 000 kpz
DNA kodujący
90 000 kpz
80 000 genów
DNA niekodujący
810 000 kpz
pseudogeny
introny, sekwencje
liderowe i
ogonowe
fragmenty
genów
DNA powtórzony
420 000 kpz
DNA unikalny
I niskokopiowy
1 680 000 kpz
powtórzenia
tandemowe
powtórzenia
rozproszone
DNA
satelitarny
DNA
minisatelitarny
DNA
mikrosatelitarny
elementy
LTR
transpozony
SIN E
LINE
30%
70%
DNA pozagenowy
2 100 000 kpz
VNTR
VNTR
– polimorfizm liczby powtórzeń tandemowych
(
v
ariable
n
umber of
t
andem
r
epeats).
Długość powtórzeń mikrosatelitarnego DNA jest
cechą osobniczą. Stosując PCR można analizować
VNTR i tym samym identyfikować daną osobę.
Badanie VNTR znajduje zastosowanie w
kryminalistyce (identyfikacja sprawcy), medycynie
sądowej (ustalanie ojcostwa), doborze organów do
przeszczepu, identyfikacji chorób genetycznych.
Genom mitochorndrialny
1
Oprócz jądra komórki Eukaryota zawierają również DNA w
mitochondriach i/lub chloroplastach.
Genom mitochondrialny jest kolisty (pochodzący od
Prokaryota?, hipoteza endosymbiotyczna), nie zawiera
intronów, silnie różni się wielkością w zależności od gatunku –
u człowieka 16,6 kpz.
mtDNA koduje 11 białek będących podjednostkami
kompleksów łańcucha oddechowego, 2 podjednostki syntazy
ATP, 22 rodzaje tRNA, 2 rodzaje rRNA. Inna białka
mitochondrialne syntezowane są poza mitochondriami.
Częstość mutacji mtDNA jest 10-20 razy większa od częstości
mutacji DNA jądrowego.
Heteropalzmia, homoplazmia.
Genom mitochorndrialny
2
Ponieważ mtDNA plemników nie pozostaje w zygocie to
cechy fenotypowe mitochondriów dziedziczone są wyłącznie
od matki (
dziedziczenie mateczne, cytoplazmatyczne
).
Ze względu na recesywność mutacji mtDNA krytyczny
stopień heteroplazmii jest wysoki (>70-80%).
Choroby mitochorndrialne
Mutacje mtDNA prowadzące do wystąpienia
pełnoobjawowych chorób zachodzą z częstością
1:5000.
Występują głównie mutacje punktowe (najczęściej
3243AG i 8344AG w genach kodujących tRNA oraz
1555AG i 1494TC w genach rRNA).
Choroby wywołane mutacjami mtDNA:
Zespół MELAS – miopatia mitochondrialna,
encefalopatia, kwasica mleczanowa, występowanie
incydentów podobnych do udarów.
Zespół LHON – dziedziczny zespół Lebera (zanik
nerwów wzrokowych).
Cukrzyca mitochondrialna.
MERRF – padaczka miokloniczna z czerwonymi
poszarpanymi włóknami.