Transcript Ievads_MolGen_2

Ievads
Molekulārajā Ģenētikā
DNS sintēze
(replikācija)
DNS
1. DNS un RNS Struktūras
2. Genoms
3. DNS Replikācija
RNS sintēze
(transkripcija)
4. DNS Reparācija un Rekombinācija
RNS
5. Transkripcija, mRNS nobriešana
6. Translācija
7. Gēnu Ekspresijas Regulācija
proteīnu sintēze
(translācija)
PROTEĪNS
8. Metodes, Gēnu Inženierija
aminoskābes
http://priede.bf.lu.lv/ Studiju materiāli / MolekularasBioloģijas / IevadsMolGen / LV
DNS
ģenētiskās informācijas nesēja visās šūnās
[daudzi vīrusi glabā ģenētisko informāciju RNS molekulā]
GENOMS
 organisma DNS viens (haploīds) komplekts
(organisma ģenētiskās informācijas kopums)
 iedalās:
fizikāli – HROMOSOMĀS
funkcionāli – GĒNOS un citos elementos
HROMOSOMA
diskrēta genoma vienība, kas satur vienu DNS molekulu
GĒNS
DNS segments, kas kodē proteīnu vai nekodējošu RNS (ncRNS)
 Prokariotiem parasti ir viena cirkulāra hromosoma
 Eikariotiem vienmēr ir vairākas lineāras hromosomas
haploīda baktērija
vica
kapsula
nukleoīds
prokariotu
šūna
diploīda šūna
goldži
aparāts
eikariotu
šūna
kodols
hromosomas
endoplazmatiskais
tīkls
mitohondrijs
haploīda šūna
Molecular Biology of the Gene, 5th Edition
hromosoma
plazmīda
Selektīvi iekrāsotas cilvēka mitotiskās hromosomas
Mitohondrijiem un hloroplastiem ir savs genoms
Cilvēka šūna
Kodola genoms
Mitohondriju genomi
Genomes, 2nd Edition
Genomu izmēri un gēnu skaits aptuveni korelē ar organisma kompleksumu
(modificēts)
Vīrusiem ir dažāda tipa mazi genomi
HIV genoms
Prokariotu genomi ir kompakti, t.i., veidoti gandrīz tikai no gēniem
Replikācijas sākums
(ori – origin of
replication)
E. coli genoms
bāžu pāri (bp)
~ 0.2% (9000 bp) E. coli hromosomas
RNS transkripti
E.coli hromosomas DNS
gēns a
gēns d
gēns b
gēns c
5000 nukleotīdu pāri
gēns e
gēns f
gēns g
Mitohondrijiem raksturīgas stipri minimizētas bakteriāla genoma versijas
Cilvēka mitohondriju genoms
ATF sintetāzes
subvienības
citohroma oksidāzes subvienības
NADH dehidrogenāzes
subvienības
= proteīnus kodējošie rajoni (13)
NADH dehidrogenāzes
subvienības
= tRNS gēni (22)
kopējais genoma garums = 16 569 bp
16S rRNS
12S rRNS
replikācijas sākums
citohroms b
Kompleksākos organismos gēnu blīvums samazinās
gēni
introni
atkārtotas sekvences
RNS polimerāzes gēns
starpgēnu rajoni
(57 gēni)
(31 gēns)
(9 gēni)
Cilvēks (2 gēni)
rajona garums, bp
Molecular Biology of the Gene, 6th Edition
Gēnu organizācija cilvēka hromosomā
cilvēka 22 hromosoma – 48 miljoni bp
heterohromatīns
10% hromosomas, ~ 40 gēni
1% hromosomas, 4 gēni
viens gēns ~ 34 000 bp
regulatorās
DNS secības
eksons introns
gēnu ekspresija
proteīns
saritināts proteīns
Lielu daļu cilvēka genoma aizņem atkārtotas sekvences
procenti
introni
retrovīrusiem līdzīgie elementi
DNS transpozonu ‘fosilijas’
TRANSPOZONI
vienkāršie sekvences atkārtojumi
segmentu duplikācijas
ATKĀRTOTAS SEKVENCES
proteīnus kodējošie rajoni
GĒNI
citas DNS sekvences
UNIKĀLAS SEKVENCES
Prokariotu DNS atrodas citoplazmā
Eikariotu DNS lokalizēta kodolā
Eikariotu šūna
Prokariotu šūna
Kodols
Nukleoīds
Nukleoīds
Kodols
Molecular Cell Biology, 4th Edition
Kodolā DNS ir saistīta ar proteīniem: HROMATĪNS
Proteīni:
• Histoni
- H1, H2A, H2B, H3, H4
• Ne-histonu proteīni
DNS un saistītie proteīni:
HROMATĪNS
Šūnas cikla laikā hromosomas eksistē atšķirīgos stāvokļos
interfāze
M fāze
DNS replikācija
Molecular Biology of the Gene, 5th Edition
Šūnas cikla laikā hromosomas eksistē atšķirīgos stāvokļos
Hromatīnam raksturīgi vairāki hierarhiskas organizācijas līmeņi
DNS dubultspirāle
DNS
Kodols, ko veido
8 histoni
Histons
H1
Linkera DNS
Nukleosoma
Metafāzes
hromosomas
Life The Science of Biology, 7th Edition
Interfāzes hromatīnam vērojamas dažādas pavedienveida formas
interfāze
M fāze
Molecular Biology of the Gene, 5th Edition
Hromosomas pamatvienība ir NUKLEOSOMA
nukleosoma
histonu
kodols
kodola DNS
(147 bp)
linkera DNS
(20-60 bp)
Molecular Biology of the Gene, 5th Edition
NUKLEOSOMA = 2x H2A, H2B, H3, H4 + DNS
linkera DNS
nukleosomu
ķēdīte
histonu kodols
nukleosoma ietver
~ 200 DNS bāžu pārus
AR NUKLEĀZI
SAŠĶEĻ
LINKERA DNS
atbrīvojas
nukleosomas
kodola daļiņa
DISOCIĀCIJA
oktamērais
histonu kodols
147 bāžu pāru
DNS fragments
DISOCIĀCIJA
Histoni ir nelieli, bāziski proteīni, kam raksturīgs kopējs motīvs:
centrālā kompaktā struktūra (“histone fold”)
N-gala aste
H2A-H2B dimērs
kompaktā histonu struktūra
H3-H4 tetramērs
Molecular Biology of the Gene, 5th Edition
Nukleosomas veidošanās
Molecular Biology of the Gene, 5th Edition
Nukleosomu ķēdīte (10nm hromatīna pavediens) tālāk veido 30-nm fibrillu
6-kārtīga kompaktizācija
40-kārtīga kompaktizācija
30nm
fibrilla
Molecular Biology of the Gene, 5th Edition
30nm fibrillas veidošanā piedalās linkera histons H1 un kodola histonu N-gala astes
30nm
fibrilla
Molecular Biology of the Gene, 6th Edition
Tālākā DNS kompaktizācija ietver 30nm fibrillas cilpu veidošanos uz kodola matricas
DNS
DNS cilpa
hromosomas matrica
(“scaffold”)
1000-kārtīga kompaktizācija
Molecular Biology of the Gene, 5th Edition
DNS
Interfāzes hromatīna struktūra ir dinamiska – hromatīna struktūras REGULĀCIJA
augsts gēnu
ekspresijas
līmenis
hromatīna cilpas domēns
30nm
fibrilla
histonus modificējošie
fermenti;
hromatīna pārveidošanas
kompleksi;
RNS polimerāze
proteīni, kas veido hromosomas matricu
Nukleosomu izvietojumu uz DNS ietekmē ne-histonu proteīni
sekvences specifiski
DNS saistošie proteīni
nukleosoma
30nm
fibrilla
Hromatīna struktūrai raksturīgas divu tipu izmaiņas
gēna aktivācijas proteīns
histonu acetilāze
hromatīna pārveidošanas
(remodelēšanas) komplekss
specifiskas acetilācijas
pārveidotas nukleosomas
vispārējie transkripcijas faktori
un RNS polimerāze
TRANSKRIPCIJAS AKTIVĀCIJA
Tipiskas histonu modifikācijas
nukleosoma
acetilēts lizīns
metilēts arginīns
metilēts lizīns
fosfoserīns
Recombinant DNA, 3rd Edition
Modifikācijas piešķir hromatīnam noteiktu nozīmi - Histonu
modifikācijas
Koda Hipotēze
‘nozīme’
heterohromatīna veidošana,
gēnu apklusināšana (“silencing”)
gēnu ekspresija
gēnu ekspresija
Hox gēnu apklusināšana,
X hromosomas inaktivācija
heterohromatīna proteīni
nukleosomas
histonu
modifikācijas
heterohromatīns
eihromatīns
Molecular Biology of the Cell, 5th Edition
Interfāzes hromatīna tipi
1. Eihromatīns
–
–
“parastā” forma
satur (potenciāli) aktīvus gēnus
2. Heterohromatīns
–
–
–
kompaktāka forma, kas inaktivē gēnus
specifiskas histonu modifikācijas
papildus proteīni (HP1)
–
konstitutīvs
–
fakultatīvs
• vienmēr un visur
• centromēras, telomēras u.c.
• nesatur gēnus
• noteiktās šūnās vai noteiktā laikā
• satur neaktīvus gēnus
Mitotiskās hromosomas veido hromatīns tā kondensētākajā formā
DNS dubultspirāles
rajons
hromosoma
nukleosomu ķēdīte
30nm fibrilla
centromēra
hromosomas rajons
izvērstā veidā
kondensēta
hromosomas daļa
mitotiskā
hromosoma
REZULTĀTS: KATRA DNS MOLECULA IEPAKOTA HROMOSOMĀ,
KAS IR 10 000 REIŽU ĪSĀKA PAR TĀS GARUMU
hromatīda
Katrai mitotiskai hromosomai ir raksturīga
specifiska joslu aina (pēc krāsošanas)
50 miljonu
bāžu pāru
Katra eikariotu hromosoma satur 1 centromēru, 2 telomēras un daudzas replikācijas iniciācijas vietas (ori)
telomēra
ori
kodola
membrāna
centromēra
mitotiskā
vārpstiņa
DNS replikācija
kinetohora
mitoze
Molecular Biology of the Gene, 5th Edition