Podstawy genetyki IV. Rekombinacja, mutacje, interakcje genetyczne część 1

Transkrypt

1 Podstawy genetyki IV Rekombinacja, mutacje, interakcje genetyczne część 1

2 2 Rekombinacja

3 Rekombinacja Procesy pękania i ponownego łączenia łańcuchów nukleotydowych Opisana w związku z crossing-over Pierwotna funkcja naprawa pęknięć nici po replikacji, odblokowywanie widełek replikacyjnych Crossing-over utrzymuje chromosomy homologiczne razem ułatwia segregację Bardzo ważna funkcja dla zapewnienia ewolucyjnej dynamiki genomu (wtórna) 3

4 Typy rekombinacji Rekombinacja homologiczna (ogólna) zachodzi między fragmentami DNA o znacznej homologii pomiędzy dwiema cząsteczkami lub w obrębie jednej crossing-over, naprawa DNA 4

5 Typy rekombinacji Rekombinacja umiejscowiona Zachodzi między cząsteczkami mającymi jedynie krótki obszar homologii Regulowana przez specyficzne enzymy Np. integracja genomów fagowych 5

6 Typy rekombinacji Transpozycja Przeniesienie fragmentu DNA z jednej pozycji w genomie w inną Replikatywna: przenoszona kopia sekwencji Konserwatywna: przenoszona sekwencja oryginalna Różne mechanizmy (z udziałem DNA i odp. białek, retrotranspozycja za pośrednictwem RNA itp.) 6

7 Modele rekombinacji homologicznej Holliday Meselson-Radding 7

8 Konwersja genu Zmiana allelu w trakcie mejozy, zmienia rozkład z 2:2 na 3:1. Nie da się wyjaśnić w modelu Hollidaya. 8

9 Model pęknięć dwuniciowych 9

10 Model pęknięć dwuniciowych Konwersja genu przez MMR Możliwe jest wiele sposobów rozcięcia podwójnej struktury Hollidaya, dających wymianę nici, brak wymiany, konwersję itp 10

11 Maszyneria rekombinacyjna Wiele różnych wariantów, niektóre enzymy zachowane od bakterii do ssaków, inne specyficzne Kompleks RecBCD tworzy dwuniciową cząsteczkę z wolnym jednoniciowym końcem. Helikaza + nukleaza inne warianty: RecF, RecE RecA wiąże koniec jednoniciowy, inwazja nici RuvA, RuvB, RuvC przemieszczanie się rozgałęzienia, rozłączenie struktury Hollidaya U eukariontów i niekt. bakterii w rozłączaniu bierze udział topoizomeraza 11

12 Rekombinacja i naprawa DNA Gdy maszyneria widełek replikacyjnych napotka miejsca z uszkodzeniami DNA, w nici potomnej powstaje luka. Replikacja często się zatrzymuje (kolaps widełek replikacyjnych) Naprawa postreplikacyjna polega na wykorzystaniu nieuszkodzonej cząsteczki potomnej do uratowania replikacji Mechanizm rekombinacji homologicznej główna funkcja 12

13 Naprawa przez rekombinację Np. przy próbie replikacji obszaru z fotoproduktami Powstaje luka, ale synteza kontynuowana za luką 13

14 Naprawa przez rekombinację Mechanizm odwrócenia widełek 14

15 Naprawa przez rekombinację Próba replikacji pękniętej nici kolaps widełek 15

16 Naprawa pęknięć dwuniciowych ń ę

17 Rekombinacja umiejscowiona Przykłady Integracja faga (np. λ) do genomu Wykorzystywana przez ruchome elementy genetyczne (transpozony, wirusy, niektóre introny) Specyficzne enzymy rekombinazy (np. integraza λ) Wykorzystywana w inżynierii genetycznej (system rekombinazy Cre) Delecje warunkowe Usuwanie markerów selekcyjnych 17

18 Transpozycja Nie jest odrębnym mechanizmem rekombinacji Proces wykorzystujący rekombinację do przenoszenia fragmentów DNA Transpozycja DNA replikatywna konserwatywna Retrotranspozycja Przepisanie RNA na DNA odwrotna transkryptaza Integracja utworzonego DNA do genomu (integrazy) Np. retrowirusy, retrotranspozony, niektóre mobilne introny 18

19 19 Mutacje

20 Powstawanie mutacji Spontaniczne powstają przypadkowo, środowisko może wpływać na częstość (np. mutageny) mutacji, ale nie na to, w którym genie zachodzą Indukowane powstają w odpowiedzi na czynnik selekcyjny 20

21 Test fluktuacyjny Luria i Delbrück 1943 Pojawianie się mutantów E. coli opornych na faga T1 Jeżeli pojawiają się w odpowiedzi na kontakt z fagiem, to fluktuacje liczby opornych kolonii z każdej hodowli będą niewielkie Jeżeli pojawiają się spontanicznie, to liczba opornych kolonii będzie zmienna, zależnie od tego, kiedy w hodowli pojawił się mutant Założenie w nieobecności faga mutacja jest obojętna (neutralna) indukowane 21 spontaniczne

22 Poziom molekularny DNA Podstawienia (punktowe) Tranzycje zmiana puryny w purynę, pirymidyny w pirymidynę Transwersje zmiana puryny w pirymidynę i vice versa Delecje i insercje Rearanżacje na dużą skalę 22

23 Mutacje poziom kodu genetycznego Podstawienia Niesynonimiczne Zmiany sensu (missense) Nonsens (nonsense) Synonimiczne (ciche) Zmiany fazy odczytu zmienia sekwencję i/lub długość kodowanego białka poniżej miejsca wystąpienia Delecje lub insercje w białku delecje lub insercje wielokrotności 3 nukleotydów delecje lub insercje eksonów Deficjencja rozległa delecja, np. obejmująca cały gen 23

24 Mutacje efekty fenotypowe Klasyfikacja Mullera nullomorfy hipomorfy hipermorfy antymorfy neomorfy 24

25 Nullomorfy Brak jakiejkolwiek funkcji genu Tzw. allele null, inna nazwa: amorfy Nullomorfy: transkrypcyjne (brak transkryptu) translacyjne (brak białka wykrywalnego przeciwciałem) inaktywacyjne (obecne białko, ale całkowicie nieaktywne) najpewniejszy sposób na uzyskanie nullomorfa deficjencja (pełna delecja) Często recesywne Dominacja (lub kodominacja) w przypadku efektu ilości białka - haploinsuficjencja 25

26 Hipomorfy Obniżona aktywność produktu, niewystarczająca do uzyskania dzikiego fenotypu homozygoty Obniżenie ilości produktu lub produkt o obniżonej aktywności Np. obniżona transkrypcja, splicing, stabilność, translacja obniżona aktywność katalityczna Często recesywne 26

27 Hipomorfy vs. nullomorfy Df deficjencja, czyli całkowita delecja, m badana mutacja Deficjencja jest zawsze nullomorfem Jeżeli genotyp m/df daje cięższy fenotyp niż m/m, to m jest hipomorfem, jeżeli taki sam, to nullomorfem Wprowadzenie kolejnych kopii allelu m daje fenotyp coraz lżejszy, przy nullomorfach bez różnicy Uzyskanie hipomorfa zamiast nullomorfa może utrudnić analizę fenotypu, ale... Hipomorfy mogą być jedynym sposobem na badanie ważnych genów 27

28 Hipermorfy Fenotyp wynika z: nadmiaru produktu genu (np. nadekspresja) nadmiernie wysokiej aktywności produktu Df deficjencja, czyli całkowita delecja, m badana mutacja Fenotyp m/+ cięższy niż m/df; zwykle też m/m cięższy od m/+ Prosty sposób uzyskania gen na plazmidzie w wielu kopiach (np. drożdże) 28

29 Antymorfy Zmutowany produkt ma działanie antagonistyczne wobec dzikiego Fenotyp podobny do fenotypu nullomorfa lub hipomorfa, ale z definicji dominujący Zwiększenie dawki allelu dzikiego może osłabić (odwrócić) fenotyp Możliwe odwrócenie (pseudorewersja) przez kolejną mutację znoszącą ekspresję zmutowanego allelu Inny termin mutacje dominujące negatywne (dominant negative) 29

30 Antymorfy Mutacje w genach podjednostek tubuliny blokujące polimeryzację Advanced Genetic Analysis: Finding Meaning In A Genome RS Hawley, MY Walker, Blackwell

31 Antymorf zespó Marfana Dominująca mutacja w genie FBN1 kodującym fibrylinę białko tkanki łącznej Zmutowane białko blokuje polimeryzację białka prawidłowego Defekty tkanki łącznej, aorty i zastawek serca, wysoki wzrost, arachnodaktylia Ok. 1:5 000 osób 31

32 Neomorfy Aktywność genu w niewłaściwym miejscu lub czasie np. mutacje heterochroniczne (ekspresja w niewłaściwym czasie) Przykład: chłoniak Burkitta: translokacja fragmentu chromosomu 8 na 14 przenosi gen c-myc pod kontrolę silnego promotora IGHα aktywnego w limfocytach Niewłaściwa aktywność, ale nie toksyczna dla produktu dzikiego Wiele mutantów regulatorowych Np. białko pozbawione domeny odpowiadającej za regulację aktywności, konstytutywnie aktywne 32

33 Neomorf Antennapedia (Antp 73b ) Sekwencja genu Antp przeniesiona w pobliże promotora genu ulegającego ekspresji w głowie Rozwój odnóży na segmencie głowowym 33

34 Inne terminologie Mutacje utraty funkcji (loss-of-function) nullomorfy i hipomorfy w klasyfikacji Mullera Mutacje nabycia funkcji (gain-of-function) neomorfy i hipermorfy w klasyfikacji Mullera Mutacje dominujące negatywne antymorfy niekiedy zaliczane do nabycia funkcji albo utraty funkcji częste niejednoznaczności Mutacje letalne mogą należeć do którejkolwiek z powyższych klas, definiowane przez fenotyp 34

35 Mutacje utraty funkcji Null całkowita utrata funkcji. Np. deficjencja. Częściowa utrata funkcji (hipomorf). Dotyczy poziomu produktu lub jego aktywności. Warunkowe np. temperaturo-wrażliwe utrata aktywności tylko w warunkach restrykcyjnych - np. podwyższona (ts) lub obniżona (cs) temperatura. Ważne narzędzie do badania genów, w których mutacje null są letalne 35

36 Mutacje letalne Badane za pomocą alleli warunkowych uzyskiwanych naturalnie (poszukiwanie mutantów np. ts) konstruowanych, przykłady dla drożdży: reprymowalne promotory (np. tet-off) fuzje z sekwencją peptydową powodującą degradację białka w podwyższonej temperaturze (degron) uszkodzenia w sekwencji 3 UTR mrna: DAmP (decreased abundance by mrna perturbation) 36

37 Dominacja i recesywność Dominację i recesywność należy rozpatrywać pod kątem konkretnego fenotypu np. u myszy allel A Y dominujący pod względem koloru, recesywny letalny poziomu organizacji (komórka vs. organizm) np. supresory nowotworów (p53, Rb) Na poziomie komórkowym recesywne komórka z jednym allelem dzikim funkcjonuje prawidłowo Na poziomie organizmu (rodowody) dominujące u heterozygot rozwija się zespół chorobowy częstego występowania rzadkich nowotworów (zespół Li-Fraumeni, retinoblastoma) u heterozygot prawdopodobieństwo zmutowania jedynej pozostającej kopii w jednej z bardzo wielu komórek i rozwinięcia się nowotworu jest wysokie 37

38 Dominacja i recesywność Mutacje nullomorficzne i hipomorficzne (utraty funkcji) z reguły są recesywne Jeden allel pozostaje aktywny i wytwarza produkt. Ilość produktu (enzymu) nie jest limitująca (limituje zwykle substrat) Ponieważ są to najczęstsze mutacje, to większość izolowanych mutacji jest recesywna Wyjątek: haploinsuficjencja Jedna kopia (allel) nie wystarcza do zapewnienia odpowiedniej ilości produktu Np. białka rybosomalne Mutant Minute u Drosophila: heterozygota opóźniony rozwój, anomalie rozwojowe; homozygota letalna U drożdży stwierdzono dla około 3% (~200) genów Zdarza się haploinsuficjencja warunkowa heterozygota objawia fenotyp tylko w konkretnych warunkach środowiska 38

39 Haploinsuficjencja Rodzinna hipercholesterolemia Mutacje w genach LDLR (receptor LDL low density lipoprotein) i ApoB (apolipoproteina B część kompleksu LDL odpowiedzialna za oddziaływanie z receptorem) Heterozygoty: podwyższony poziom LDL we krwi, miażdżyca, choroby serca ok. 40 r. życia leczenie: statyny, dieta Homozygoty: ciężkie schorzenia serca i naczyń już w dzieciństwie leczenie: trudne, wysokie dawki statyn, przeszczep wątroby 39

40 Haploinsuficjencja warunkowa Anemia sierpowata Mutacje w genie β-globiny Choroba recesywna, ale w warunkach niskiego ciśnienia (wysoko w górach) heterozygoty chorują warunkowa haploinsuficjencja Dodatkowy fenotyp oporność na malarię, fenotyp dominujący 40

41 Mutacje dominujące Haploinsuficjencja nullomorfów i hipomorfów Hipermorfy Antymorfy więcej kopii allelu dzikiego może odwrócić fenotyp Neomorfy 41

42 Rewersja i pseudorewersja Rewersja: mutacja powrotna, w tej samej pozycji przywraca dziki allel Pseudorewersja: mutacja w innej pozycji tego samego genu przywraca dziki fenotyp Np. mutacja blokująca (całkowicie lub częściowo) ekspresję dominującego allelu antymorficznego lub neomorficznego może przywrócić dziki fenotyp heterozgoty 42

43 Rewersja UAU -> UAA -> UAC tyr stop tyr UGG -> UGA -> CGA trp stop arg Dotyczy tego samego kodonu, ale nie musi przywracać tego samego aminokwasu, może dotyczyć tego samego lub innego nukleotydu Podstawienia często rewertują, ale rozległe delecje - nigdy 43

44 Pseudorewersja Supresja wewnątrzgenowa Specyficzna względem allelu Narzędzie do badania oddziaływań między aminokwasami wewnątrz białka Np. w syntazie tryptofanu: mutacja pseudorewersja backcross Gly > Glu > Glu210 Cys > Gly210 Cys174 aktywna nieaktywna aktywna nieaktywna Niespecyficzna względem allelu Zmienia ogólne własności białka niwelując efekt pierwszej mutacji (np. silniejsze wiązanie substratu, większa stabilność itp.) Pseudorewersja mutacji antymorficznych generuje allel null (recesywny), przywraca dziki fenotyp heterozygocie 44

45 Komplementacja Advanced Genetic Analysis: Finding Meaning In A Genome RS Hawley, MY Walker, Blackwell 2003 trans cis a b + a + b + ===== ====== a + b a b Test komplementacji zwany też testem cis-trans: Tylko w układzie trans da odpowiedź w układzie cis zawsze fenotyp dziki

46 Komplementacja wewnątrzgenowa Dwie mutacje w tym samym genie w układzie trans komplementują Mutacje w dwóch niezależnych domenach białka Transwekcja jedna z mutacji w elemencie regulatorowym, który może działać w układzie cis (np. enhancer) Wymaga parowania chromosomów homologicznych w komórkach somatycznych w interfazie nie u wszystkich organizmów. Obserwowane głównie u Drosophila Advanced Genetic Analysis: Finding Meaning In A Genome RS Hawley, MY Walker, Blackwell

47 Fenokopia Osobnik, u którego fenotyp identyczny z fenotypem jakiejś mutacji powstał w wyniku działania czynników środowiska Np. Drosophila karmiona pokarmem z dodatkiem soli srebra jest fenokopią mutanta yellow (żółte ciało) Skutki uboczne niektórych leków antypsychotycznych fenokopia wrodzonej choroby Parkinsona Działanie interferującymi RNA lub oligonukleotydami (np. morfolinowymi) fenokopia mutacji hipomorficznej (lub nullomorficznej) genu docelowego 47

48 48 Interakcje genetyczne

49 Interakcja genetyczna Fenotyp podwójnego mutanta AB nie jest sumą fenotypów mutacji A i B Dla ujęcia ilościowego wymagana jest liczbowa miara fenotypu Np. czas podziału (czas generacji) czas wymagany do podwojenia liczby komórek w hodowli Ujęcie jakościowe wymaga dobrze zdefinowanych, dyskretnych (0,1) fenotypów np. letalność Epistaza ( epistasis, Bateson 1909) jeden z rodzajów interakcji W genetyce populacji przyjęło się nazywanie epistazą wszystkich typów interakcji genetycznych (Fisher, 1918 epistacy ) terminologia do dzisiaj niejednoznaczna 49

50 Interakcje Łagodzące (alleviating interactions) Fenotyp podwójnego mutanta lżejszy, niż przewidywany dla sumowania fenotypów mutantów pojedynczych Syntetyczne, pogarszające (synthetic, aggravating interactions) Fenotyp podwójnego mutanta cięższy, niż przewidywany dla sumowania fenotypów pojedynczych mutantów 50

51 Interakcje agodzące Supresja Fenotyp mutacji (a) znoszony przez mutację w innym genie (b) Podwójny mutant ab ma fenotyp dziki lub bliski dzikiemu Epistaza Fenotyp mutacji (a) maskowany przez mutację w innym genie (b) Podwójny mutant ab ma fenotyp taki sam, jak mutant b obecność mutacji b narzuca fenotyp niezależnie od allelu genu a 51

52 Interakcje syntetyczne Syntetyczne wzmocnienie Fenotyp podwójnego mutanta silniejszy (lub nieoczekiwany) niż suma fenotypów pojedynczych mutacji Syntetyczna letalność Pojedyncze mutacje nie są letalne, podwójny mutant letalny Niekomplementacja niealleliczna (SSNC second-site non-complementation) Dwie recesywne mutacje a i b w podwójnej hetrozygocie dają fenotyp zmutowany 52

53 Supresja Fenotyp mutacji (a) znoszony przez mutację w innym genie (b) Różne grupy mechanizmów Informacyjne np. translacyjna supresja mutacji nonsens Ilościowe Interakcyjne ( zamka i klucza ) Zmieniające ten sam szlak Zmieniające inny szlak obejście zmiana środowiska komórki obniżenie/podwyższenie aktywności szlaku antagonistycznego 53

54 Supresja informacyjna Supresory związane z przekazywaniem informacji genetycznej (informational suppressors) Najbardziej znana supresja translacyjna nonsens Też zmiana transkrypcji, obróbki RNA, stabilizacja RNA Z reguły supresja jest specyficzna wobec konkretnego allelu Wiele supresorów informacyjnych może działać na mutacje w różnych genach (np. supresory nonsens) Przydatne w badaniu ekspresji genu, ale nie w badaniu funkcji konkretnych genów 54

55 Supresja nonsense Mutacja w antykodonie trna umożliwia rozpoznawanie jednego z kodonów STOP Czy supresory nonsense powodują powstawanie zbyt długich białek? I co z oryginalym kodonem? 55

56 Supresja ilościowa Mutacja regulatorowa zwiększa ekspresję genu, kompensując efekt mutacji hipomorficznej Zwiększenie ilości produktu innego genu kompensuje brak (lub obniżoną aktywność) produktu genu Różne mechanizmy Aktywacja ekspresji (mutacja elementów regulatorowych cis i trans) Duplikacja genu Supresja plazmidami wielokopiowymi Często niezależna od konkretnego allelu 56

57 Przyk ad supresji wielokopiowej mtexo (degradosom) kompleks 2 białek w mitochondriach drożdży odpowiedzialny za degradację RNA Podjednostki: RNaza (Dss1p) i helikaza RNA (Suv3p) RNaza bez helikazy ma >10x słabszą aktywność, niż w kompleksie Delecja genu helikazy suprymowana przez Nadekspresję (z plazmidu wielokopiowego) genu RNazy Nadekspresję (z plazmidu wielokopiowego) genu innej helikazy RNA (Mss116p) Drożdże są idealnym systemem do poszukiwania tej klasy supresorów (biblioteki genów na plazmidach wielokopiowych) 57

58 Supresja przez interakcję Mechanizm zamka i klucza mutacja supresorowa zmienia miejsca interakcji tak, by pasowały do zmutowanego białka Silnie specyficzna wobec allelu Rzadko spotykana Uogólniona zmiana (np. wzmocnienie) interakcji Mutacja supresorowa ogólnie wzmacnia siłę interakcji tak, że toleruje osłabienie wywołane mutacjami w drugim białku Często wzajemne (mutacja a supresorem b, a b supresorem a) 58

59 Supresja przez interakcję Mutacje ts (wrażliwe na wysoką temperaturę) w genach ACT1 (aktyna) i SAC6 (fimbryna, białko wiążące aktynę) Zmutowane białko Sac6p silniej wiąże aktynę, zarówno zmutowaną, jak i dziką Powstają nowe miejsca kontaktu między białkami Supresja wzajemna 59

60 Supresja w obrębie tego samego szlaku W tym samym szlaku o Jeżeli mutacja jest nullomorfem, to supresja możliwa tylko przez mutację genu kodującego białko leżące poniżej w szlaku. o Dla hipomorfów możliwa też supresja w elemencie leżącym powyżej (silniejszy sygnał powyżej kompensuje defekt). Mutant o podwyższonej aktywości B 60

61 Supresja w innym szlaku Obejście (bypass) Np. u E. coli mutanty permeazy maltozowej suprymowane przez mutacje genu permeazy laktozowej zmutowane białko nabiera zdolności transportu maltozy Mutacje odblokowujące (np. przez inaktywację represora) alternatywną drogę Zmiana środowiska komórkowego Np. defekty genów zaangażowanych w wycinanie intronów w mitochondriach drożdży suprymowane przez mutacje w genach kodujących mitochondrialne trasportery jonów Mg 2+ Mg 2+ to kofaktor w reakcji splicingu, wzrost stężenia kompensuje defekty czynników wspomagających reakcję Przywrócenie równowagi Mutacje osłabiające transkrypcję suprymują defekty szlaku degradacji RNA 61