Możliwości współczesnej inżynierii genetycznej w obszarze biotechnologii

Transkrypt

1 Możliwości współczesnej inżynierii genetycznej w obszarze biotechnologii 1. Transgeneza - genetycznie zmodyfikowane oraganizmy 2. Medycyna i ochrona zdrowia 3. Genomika poznawanie genomów

2 Przełom XX i XXI wieku to okres dynamicznego rozwoju metod i projektów sekwencjonowania genomów ERA GENOMOWA: 1995 genom Haemophilus influenzae 1997 genom E. coli 1997 genom drożdży S. cerevisiae 1998 genom nicienia Caenorhabditis elegans 1999 genom Muszki owocowej 2000 genom rzodkiewnika A. thaliana 2001 genom człowieka

3 Genom całkowity DNA komórki obejmujący zarówno wszystkie geny jak i odcinki międzygenowe (niekodujące) Genomika obejmuje badania genomu na różnych poziomach jego działania (Thomas Roderick 1986) Genomika strukutralna Genomika funkcjonalna

4 Genomika strukutralna obejmuje wstępną fazę analizy genomu i ma ściśle określony punkt końcowy, którym jest uzyskanie mapy fizycznej genomu, o możliwie największej rozdzielczości czyli jego kompletnej sekwencji nukleotydowej Genomika funkcjonalna obejmuje różne poziomy badań funkcji genomu (zaczynając od analiz bioinformatycznych poprzez analizę tranksryptomu i proteomu komórki) i różne, zwykle tzw. wysokoprzepustowe (ang. hightroughput) metody badawcze mające na celu znalezienie odpowiedzi na pytanie: jak na podstawie informacji zgromadzonych w genomie, działa komórka, tkanka, organizm?

5

6 Wszystkie -omiki mają jeden wspólny mianownik: globalne (całościowe) spojrzenie na badany obiekt (żywa komórka), który nie ogranicza się do badania funkcji wybranych genów i białek, ale analizuje ich wiele na raz próbując spojrzeć na żywą komórkę z dalszej perspektywy

7 Jak możemy globalnie badać funkcje żywych komórek? Wysokoprzepustowe (ang. hightroughput) metody analizy

8 Genomika funkcjonalna: 1. Transkryptomika Profile transkrypcji genów w poszczególnych tkankach, a nawet w poszczególnych komórkach (np. w komórkach układu odpornościowego) różnią się: zależnie od okresu życia, czynników zewnętrznych itd. na poziomie molekularnym organizm jest sumą bardzo wielu różnych profili transkrypcyjnych swego genomu, rozłożonych zarówno w przestrzeni (różne tkanki i komórki), jak i w czasie (różne okresy w rozwoju, stany chorobowe itd.). Pojedynczy profil można nazwać stanem transkrypcyjnym któremu odpowiada określony zestaw transkryptów, tj. różnych mrna, który można też określić mianem programu transkrypcyjnego - transkryptomu. Analizy transkryptomu to badania wszystkich programów transkrypcyjnych, czyli transkryptomów, które składają się na tzw. globalny transkryptom organizmu. Analiza globalnego transkryptomu jest nieporównanie trudniejsza niż analiza samego genomu.

9 2. Proteomika Pojawienie się określonego transkryptu w komórce nie oznacza, że będzie on natychmiast wykorzystany do produkcji białka. W cząsteczce mrna zawartych jest wiele skomplikowanych motywów strukturalnych, które odbierają sygnały o stanie komórki. W zależności od wypadkowej tych sygnałów ten sam mrna może być wykorzystany do syntezy bardzo wielu, kilku lub tylko jednej kopii białka, może też być od razu zniszczony. A zatem, aby się dowiedzieć, jaki jest końcowy efekt konkretnego stanu transkrypcyjnego komórki/tkanki, musimy poznać wszystkie wyrażane w niej białka, czyli jej proteom Profil wszystkich białek organizmu możemy nazwać jego globalnym proteomem. Składa się na niego suma proteomów w poszczególnych tkankach, stanach fizjologicznych itp.

10 Proteomika c.d. Proteom jest jeszcze bardziej skomplikowany niż transkryptom: cząsteczki białek, już po syntezie, ulegają różnorodnym modyfikacjom, które w zasadniczy sposób zmieniają właściwości białka. Skomplikowany wzór modyfikacji nie jest bezpośrednio zakodowany w genie odpowiadającym danemu białku Modyfikacje są główną przyczyną tego, że liczba różnych rodzajów białek w organizmie wielokrotnie przewyższa liczbę genów zawartych w jego genomie. Przykład: genom ludzki zawiera poniżej 20 tysięcy różnych genów, a równocześnie w naszych organizmach występuje ponad milion różnych rodzajów białek.

11 Porównanie organizacji genomów Eukariotycznych i Prokariotycznych

12 Wielkość genomu: ilość DNA w haploidalnym genomie (np. komórkach rozrodczych), jest określana wartością C. C oznacza też: constant lub characteristic tzn. że wartość C jest stosunkowo stała i charakterystyczna dla danego gatunku ale zmienia się znacząco między gatunkami.

13 Wartość C jest większa u eukriota niż u prokariota

14 Wielkość genomu i zakres jego zmienności nie odzwierciedla w pełni złożoności organizmu: Paradoks wartości C Wielkość jest tylko do pewnego stopnia skorelowana ze złożonością organizmu

15 Paradoks wartości C - wyjaśnienie: Genomy mniej złożonych organizmów są bardziej wyładowane genami, ponieważ dostępna przestrzeń jest wykorzystywana oszczędniej: geny leżą bliżej siebie, mogą na siebie nachodzić (np. genomach bakterii i wirusów) Większe wartości C u wielu roślin i zwierząt wynikają z obecności dużej ilości powtórzonego DNA

16 Porównanie organizacji genomów prokariotycznych i eukariotycznych

17 Organizacja genomów eukariotycznych Genom człowieka: Genom jądrowy > 3 mld pz Genom mitochondrialny kolista cząsteczka pz

18 Geny eukariotyczne są podzielone: introny i eksony Pseudogeny niedziałające wskutek nagromadzenia mutacji kopie genów funkcjonalnych, które stały się niemożliwe do odczytania

19 Struktura ludzkiego genomu Genom człowieka Geny i sekwencje z nimi związane Regiony międzygenowe 30% 70% Regiony kodujące białka Introny, promotory, pseudogeny, Fragmenty genów Powtórzone Unikalne 2% 28% 50% 20% 10% Powtórzenia tandemowe Powtórzenia rozproszone 40% satelity Minisatelity Mikrosatelity

20 Żadnego odcinka genomu ludzkiego nie można uważać za rzeczywiście reprezentatywny dla całego genomu!!!

21 Organizacja genomów organellowych mtdna mitochondrialny DNA W większości eukariontów przybiera formę cząsteczki kolistej, tylko u niektórych jest liniowy Wielkość jest zmienna: a) zwierzęta mniej niż 20 kpz, człowiek ok. 16 kpz, niemal całość stanowią geny, brak w nich intronów (podobny do bakterii) b) Drożdże ok. 90 kpz, geny zawierają introny c) Rośliny wyższe kpz, zawiera insercje obcego DNA np. chloroplastowego, powtórzenia, pseudogeny.

22 Genom chloroplastowy ctdna Wielkość kpz Cząsteczka kolista Koduje średnio ok. 100 genów (wśród nich geny trna i rrna) Są geny podzielone intronami i takie, które intronów nie zawierają

23 Struktura genomu prokariontów Większość ale nie wszystkie bakterie mają pojedynczy kolisty chromosom, liniowe chromosomy wsytępuje u Borrelia burgdorfii, Streptomyces lividans, Rhodococcus fascians, dwa chromosomy np. u Rhodobacter spherioides, Brucella melitensis, Agrobacterium tumefaciens i wielu innych

24 Genomy bakteryjne nie mają centromerów (występują elementy centromeropodobne) Cechą charakterystyczną genomów bakteryjnych jest obecność plazmidów Elementy powtórzone w genomie bakteryjnym: a) Cechą charakterystyczną są powtórzenia genów kodujących trna b) Nie są znane powtórzenia tandemowe c) Występują sekwencje insercyjne (rozproszone) niewielka część genomu bakterii, zwykle mniej niż 20 kopii na genom d) Sekwencje powtórzone takie jak ERIC w genomie E. coli (enterobacterial repetitive intergenic consensus) i REP (repeated extragenic polindrome) może ich być kilkadziesiąt w genomie, w innych genomach występują również sekwencje tego typu ale nie są podobne do ERIC i REP Geny podzielone są rzadkością u bakterii Introny zidentyfikowano dotychczas w genomach kilku bakteriofagów w genie trna ser u archebakterii Acanthamoeba.

25 Genom drożdży (genom eukariotyczny) Genom jądrowy ok. 12 Mpz (16 liniowych chromosomów i kolisty plazmid 2µ) Genom mitochondrialny ok. 90 kpz, kolisty Zawiera ok genów - bardzo dużo jak na mały genom eukariotyczny Stosunkowo nieliczne geny drożdży są nieciągle Zawiera niewiele rozproszonych sekwencji powtórzonych