gen - odcinek DNA niosący informację o budowie jednego polipeptydu (czasem rodziny blisko spokrewnionych polipeptydów tzw. izoform) lub jednego

Transkrypt

1 gen - odcinek DNA niosący informację o budowie jednego polipeptydu (czasem rodziny blisko spokrewnionych polipeptydów tzw. izoform) lub jednego rodzaju funkcjonalnego RNA (rrna, trna, snrna, snorna,...)

2 sformułowanie jednej spójnej definicji molekularnej genu nie jest proste ze względu na istnienie: sekwencji regulatorowych czasem oddalonych o tysiące pz od kontrolowanego genu Pericuesta i in Reprod Biol & Endocrinol 4:5

3 sformułowanie jednej spójnej definicji molekularnej genu nie jest proste ze względu na istnienie: 5 i 3 UTRów (ang.untranslated region), intronów (genów podzielonych),

4 sformułowanie jednej spójnej definicji molekularnej genu nie jest proste ze względu na istnienie: 5 i 3 UTRów, intronów (genów podzielonych), alternatywnego składania mrna Pojedynczy gen, który podlega alternatywnemu składaniu eksonów może kodować rodzinę blisko spokrewnionych peptydów.

5 sformułowanie jednej spójnej definicji molekularnej genu nie jest proste ze względu na istnienie: sekwencji regulatorowych 5 i 3 UTRów, intronów (genów podzielonych), alternatywnego składania mrna, zjawiska transsplicingu, genów zachodzących na siebie, genów w genach, genów złożonych ze segmentów i wymagających rearanżacji by powstał gen funkcjonalny

6 GENY w rozwoju Drosophila

7 GENY w rozwoju Drosophila kaskada genów czynników transkrypcyjnych: geny efektu matczynego geny zygotyczne: geny ubytku geny reguły parzystej determinują osie ciała determinuja powstawanie dużych obszarów zarodka determinują powstawanie parasegmentów geny polarności segmentów geny homeotyczne LIFE: The Science of Biology, Purves et al, 1998

8 mutacje genów homeotycznych WT mutacja Antennapedia Photographs by F. R. Turner, Indiana University from page 78 of Shaking the Tree: Readings fram Nature in the History of Life edited by Henry Geea mutacja Bithorax

9

10

11 geny HOX są wysoce konserwowane, istotne dla rozwoju, występują od stawonogów do kręgowców zawierają homeobox 180 pz region kodujący domenę białka tzw. homeodomenę odpowiedzialną za wiązanie DNA kodują czynniki transkrypcyjne typu HTH regulujące aktywność genów, ich mutacje powodują zaburzenia rozwoju

12 przykłady prokariotycznych białek HTH aktywator represor operonu lac

13 smid/brian/biol3530/db_ch 15/BIOL2900_EvoDevo.htmla

14 geny HOX są wysoce konserwowane, istotne dla rozwoju, występują od stawonogów do kręgowców zawierają homeobox 180 pz region kodujący domenę białka tzw. homeodomenę odpowiedzialną za wiązanie DNA kodują czynniki transkrypcyjne typu HTH regulujące aktywność genów, ich mutacje powodują zaburzenia rozwoju kontrolują pozycję kończyn i innych struktur wzdłuż długiej osi ciała, dzielą zarodek na pola, z których rozwiną się specyficzne struktury w ludzkim genomie jest 39 genów HOX (liczba wskazuje na ich istotność) w 4 grupach sprzężeń (HoxA, B, C, D) przestrzenno-czasowa kolejność ekspresji genów homeotycznych koreluje z ich ułożeniem w chromosomie zjawisko kolinearności

15 kolinearność genów homeotycznych i determinowanych przez nie struktur na wzdłużnej osi ciała

16 Copyright 1994 Lydia Kibiuk Confocal image of septuple in situ hybridization exhibiting the spatial expression of Hox gene transcripts in a developing Drosophila embryo. Stage 11 germband extended embryo (anterior to the left) is stained for labial (lab), Deformed (Dfd), Sex combs reduced (Scr), Antennapedia (Antp), Ultrabithorax (Ubx), abdominal-a (abd-a), Abdominal-B (Abd-B). Their orthologous relationships to vertebrate Hox homology groups are indicated below each gene.

17

18 wrodzone zaburzenia spowodowane mutacjami genów HOX zespół ręczno-stopowo-genitalny - mutacja nonsens genu HOXA13 (peptyd skrócony o 20AA traci zdolność wiązania DNA) zaburzenia rozwoju palców rąk i nóg oraz genitaliów aniridia (brak tęczówki) mutacje genu PAX6 zespół Riegera - nieprawidłowy rozwój przedniej komory gałki ocznej i zębów mutacja PITX2 polisyndaktylia mutacja HOXD13 zespół Waardenburg typu I i III (wrodzona głuchota i zaburzenia pigmentacji) mutacje PAX3

19

20

21 Evolutionary history of Hox clusters in the vertebrate lineage Minguillón et al Int. J. Biol. Sci : A) Structure of the amphioxus and mammalian Hox clusters, and deduced cluster structure inferredfor thelastcommon ancestor of Cephalochordates and Vertebrates. Hox paralogous group 14 genes were lost in the lineage leading to mammals, and the two amphioxus Evx genes arose from a tandem duplication event in the amphioxus lineage. B) Duplications and losses of posterior Hox and Evx genes in the vertebrate lineage. The consensus cluster is shown for selected vertebrate lineages. A single duplication event (Hox13/Hox14) needs to be assumed in the vertebrate stem lineage. Further duplications in the cephalochordate lineage and gene losses in actinopterygian fishes and mammalians results in the actual gene content of the clusters.

22 Mapa doliny Matanuska-Susitna na Alasce oraz trawione trypsyną i barwione czerwienią Alizarin nieopancerzone cierniki z populacji z BootLake (A),BearPawLake (B) i Whale Lake (C) freshwater ich morski wędrowny opancerzony przodek Rabbit Slough (D) Cresko et al. (2004) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 101, Copyright 2004 by the National Academy of Sciences

23

24 Reprezentatywne fenotypy rodzicielskie całkowicie uzbrojonych (A) i słabo uzbrojonych cierników (B) i ich mieszańców pokolenia F 1 (C) i F 2 (D-G) Cresko et al. (2004) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 101, Copyright 2004 by the National Academy of Sciences

25 Fig. 5. Positions of Alaskan Mendelian lateral plate (Mendelian Lateral Plate Locus) and pelvic (Mendelian Pelvic Locus) loci on the stickleback linkage map (22) Cresko WA et al. (2004) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 101, Copyright 2004 by the National Academy of Sciences

26

27 Przyczyną redukcji pasa miednicowego u cierników słodkowodnych jest mutacja jednego z enhancerów (szare kółka) genu Pitx1 powodująca brak ekspresji genu Pitx1 w zawiązkach płetwy odbytowej w okresie embrionalnym. Płetwy odbytowe, u cierników przekształcone w kolce, są strukturami homologicznymi z tylnymi kończynami innych kręgowców. Gen Pitx1 warunkuje różnice strukturalne pomiędzy przednimi i tylnymi kończynami kręgowców. U formy słodkowodnej zauważalna jest asymetria zredukowanych kolców, kolec po lewej stronie jest nieco większy. Spowodowane jest to efektem genu Pitx2, którego produkt jest zbliżony do białka Pitx1. W odróżnieniu od Pitx1 gen Pitx2 ulega ekspresji tylko w lewej części ciała, normalnie warunkując asymetryczne położenie narządów, na przykład serca po lewej stronie. U cierników słodkowodnych, jego słaby efekt powoduje silniejsze rozwinięcie kolców po lewej stronie ciała. a, Inactivation of Pitx1 in laboratory mice causes a marked decrease in size of hindlimbs but not forelimbs (modified from refs 25, 27), and greater reduction on the right than left side. b, Sticklebacks show similar Pitx1-linked selective reduction and asymmetry in hindlimbs. c, Null mutations in Pitx1 in mice disrupt multiple functions and lead to neonatal lethality. In contrast, regulatory mutations in modular cisacting regulatory elements of sticklebacks could produce major morphological changes in particular body

28 Several biologists, including Sean Carroll of the University of Wisconsin suggest that "changes in the cis-regulatory systems of genes" are more significant than "changes in gene number or protein function". Carroll 2000 Cell 101:

29 CHROMATIN STRUCTURE plays a critical role in the regulation of transcription. Drosophila GAGA factor directs chromatin remodeling to its binding sites. We show here that Drosophila FACT, a heterodimer of dspt16 and dssrp1, is associated with GAGA factor through its dssrp1 subunit, binds to nucleosome and facilitates GAGA factor-directed chromatin remodeling. Moreover, genetic interactions between Trithorax-like encoding GAGA factor and spt16 implicate the GAGA factor- FACT complex in expression of Hox genes Ultrabithorax, Sex combs reduced and Abdominal-B. Chromatin immunoprecipitation experiments indicated presence of the GAGA factor-fact complex in the regulatory regions of Ultrabithorax and Abdominal-B. These data illustrate a crucial role of FACT in the modulation of chromatin structure for regulation of gene expression. Expression of Hox genes and its maintenance on specific regions govern body plans of multicellular organisms. Defect in the GAGAdFACT complex compromises maintenance of the expression of Hox genes such as Ubx and Abd-B, and results in homeotic transformations from haltere to wing and A6 to A5 segment.

30 ncrna typu mirna Diagram of the D. melanogaster BX-C showing Hox genes (arrows) Ultrabithorax (Ubx), abdominal-a (abd-a), and Abdominal-B (Abd-B), as well as a sampling of noncoding RNAs that derive from the intergenic regions. The intergenic regions bxd, iab-4, and iab-7 are transcribed and are known to be involved in proper segment-specific expression of the BX-C Hox genes (interactions with supporting evidence are shown as solid lines). The ability of these regions to affect activation states of the Hox genes is dependent on specific DNA binding sites within these regions and on ASH1 binding to noncoding transcripts such as RNAs from the bxd region, as well as on regulators possibly binding to other BX-C transcripts (dotted lines). (B) Depictions of the mouse Hoxa and Hoxb clusters. Indicated as hairpins are mirnas mir-10a, mir-196a-1, and mir-196b along with verified (solid lines) and predicted (dotted lines) interactions with Hox target genes. Also indicated is the position of Hoxa11 antisense transcripts (a11-as). Lemons & McGinnis 2006 Genomic Evolution of Hox gene clusters Science 313:

31 (B) Illustration with examples of the diversity of body morphologies produced by the expansion of bilaterial animals. An artist s conception of the hypothetical last common ancestor of all bilateral animals containing muscle tissue (red), a dispersed central nervous system (yellow), blood pumping organ (blue), as well as sensory organs and feeding appendages. This ancestor gave rise to all of the extant animals of the three major bilaterian clades (deuterostomes, ecdysozoans, and lophotrochozoans), which was accompanied by the expansion, diversification, and sometimes simplification, of Hox gene clusters. Lemons & McGinnis 2006 Genomic Evolution of Hox gene clusters Science 313:

32 gene regulatory network GRN Davidson at al Gene regulatory networks and the evolution of animal body plans gene Science 311:

33

34

35

36