DNA superhelikalny eukariota DNA kolisty bakterie plazmidy mitochondria DNA liniowy wirusy otrzymywany in vitro

Transkrypt

1 DNA- kwas deoksyrybonukleinowy: DNA superhelikalny eukariota DNA kolisty bakterie plazmidy mitochondria DNA liniowy wirusy otrzymywany in vitro RNA- kwasy rybonukleinowe: RNA matrycowy (mrna) transkrybowany z DNA, służy jako matryca do syntezy białka RNA rybosomalny (rrna) wykonuje syntezę białek RNA transportujący/ transferowy (trna) dostarcza aminokwasy do syntezy białek mikro RNA (mirna); krótki interferencyjny RNA (sirna); mały jąderkowy RNA (snorna) regulują ekspresję genów 5 3 OH 1

2 Wiązania wodorowe 5 3 nić sensowna 3 5 nić antysensowna Długość kwasów nukleinowych mierzona w parach zasad (pz): dwa nukleotydy, znajdujące się na przeciwległych niciach, połączone wiązaniami wodorowymi; 1000pz= 1kpz; pz= 1Mpz Genom człowieka ma długość 3x10 9 pz= 3 000Mpz= 1milion zapisanych stron w standardowej książce= ułożone literki jedna za drugą na dystansie 5 000km w przypadku RNA długość podawana jest w NUKLEOTYDACH (nt) mierzona w jednostkach liczbowych nie należących do układu SI: Angstrem (À); 1 À=10-10 m Długość poszczególnych chromosomów człowieka (po rozwinięciu nici) waha się między 0,017 (chromosom Y) a 0,085m (chromosom 1); można stwierdzić, że przeciętnie w jednym jądrze komórkowym znajduje się ok. 1m DNA mierzona w jednostkach układu SI: Nano-metr (nm); 1nm= 10-9 m 3 000Mpz 10,2x10 5 nm 1,02m 2

3 GENOM JĄDROWY Całkowity DNA w jądrze komórki, obejmujący wszystkie geny i odcinki międzygenowe organizm Wielkość genomu jądrowego (Mpz) Saccharomyces cerevisiae- drożdże 12 Drosophila melanogaster- muszka owocowa 140 Locusta migratoria- szarańcza wędrowna 5000 Homo sapiens- człowiek 3000 Triticum aestivum- pszenica GENOM CYTOPLAZMATYCZNY Całkowity DNA mitochondrialny/ chloroplastowy (pozajądrowy), obejmujący wszystkie geny i odcinki międzygenowe organizm Wielkość genomu jądrowego (Kpz) Saccharomyces cerevisiae- drożdże 75 Drosophila melanogaster- muszka owocowa 19 Homo sapiens- człowiek 17 Zea mays- kukurydza- mitochondrium 570 Nicotiana tobacum- tytoń- chloroplast 156 ORGANIZACJA GENOMU jądrowego Geny i sekwencje związane z genami- 30% całego genomu w tym sekwencje kodujące 3% całego genomu! DNA powtarzający się (tandemowo i powtórzenia rozproszone) 14% całego genomu sekwencje pojedyncze lub o małej liczbie kopii z nieprzypisaną funkcją i pochodzeniem 56% całego genomu! 3

4 ROZPROSZONE SEKWENCJE POWTARZAJĄCE SIĘ LINE- (long interspersed nuclear elements) np. LINE-1 (6kpz x 850tys) SINE- (short interspersed nuclear elements) np. Alu (1Mpz) Transpozony np. mariner (1250pz) POWTÓRZENIA TANDEMOWE (DNA satelitarny) związane z centromerem powtórzenia telomerowe i subtelomerowe 5 -TTAGGG-3 inne powtórzenia tandemowe (mini- mikrosatelity) ORGANIZACJA GENOMU cytoplazmatycznego- mitochondrialnego (mtdna) Geny i sekwencje związane z genami- 99% całego genomu w tym sekwencje kodujące 93% całego genomu! Pętla D (D-loop) to jedyny region niezawierający genów. DNA powtarzający się tandemowo 1% całego genomu Geny mtdna kodują 13 białek biorących udział w fosforylacji oksydacyjnej RNA cytoplazmatyczny Rybosomalny RNA - rrna (tworzy podjednostki rybosomów) największa podjednostka rrna to ok. 7 tys. nukleotydów Rybosomalny RNA stanowi do 25% masy komórki!!!! Podjednostki rrna: * Prokariota ^ Eukarionty 5s RNA*^ 5.8s RNA^ 16s RNA* 18s RNA^ 23s RNA* 28s RNA^ Transportujący (transferowy) RNA- trna długość trna ok 70 nukleotydów Matrycowy (messenger) RNA-mRNA długość cząsteczek zależna od DNA sirna/mirna (interferencyjny); snrna/snorna; scrna 4

5 DNA vs RNA Występowanie: DNA- jądro komórkowe (dużo),cytoplazma (relatywnie mało), stała ilość w każdym jądrze komórkowym RNA- jądro komórkowe (relatywnie mało), cytoplazma (dużo), zmienna ilość w zależności od aktywności komórek Proporcje DNA : RNA w jądrze komórkowym ok. 2 : 1 Rola: DNA- koduje informację (transkrypt) RNA RNA- funkcje zróżnicowane, związane głównie z syntezą białek Struktura: DNA- dwuniciowa helisa w formie skręconej lub kolistej; jednoniciowy sporadycznie RNA- jednoniciowy, dwuniciowy sporadycznie KOD GENETYCZNY trójkowy: trzy kolejne trójki nukleotydów kodują jeden aminokwas-mrna niezachodzący: kolejne aminokwasy kodowane są przez kolejne trójki nukleotydów- mrna bezprzecinkowy: trójki nukleotydów nie są od siebie oddzielone żadnymi cząsteczkami; początek kodu wyznacza kodon START a koniec- kodon STOP- mrna zdegenerowany: kilka różnych trójek może kodować ten sam aminokwas- mrna uniwersalny: kod jest taki sam u wszystkich organizmów- DNA i mrna GEN- jednostka substancji dziedzicznej (DNA), zlokalizowana w chromosomie, bądź poza nim- w cytoplazmie (mitchondria, chloroplasty), różnej długości, zajmująca ZAWSZE to samo miejsce (locus) w tych samych chromosomach i posiadająca określony początek kodon inicjujący (promotor) i koniec- kodon terminacyjny (część terminalna) GEN- odcinek DNA o specyficznej sekwencji nukleotydów, stanowiącej informację genetyczną, pod kontrolą której odbywa się synteza określonych białek, lub łańcuchów aminokwasowych 5

6 geny ciągłe (promotor- kodon inicjujący /start/-ekson-kodon terminacyjny /stop/) STARTTOCOTUWIDAĆBĘDZIEWAŻNĄINFORMACJĄSTOP geny nieciągłe (promotor- kodon inicjujący /start/-(ekson-intron-exon) n -kodon terminacyjny /stop/) STARTTOCOTUBLEBLEBLEBLEWIDAĆBĘDZIEWAŻNĄBLEBLEBL EINFORMACJĄSTOP geny podzielone występujące w dwóch niezależnych częściach, które muszą zostać połączone przed procesem translacji STARTTOCOTUWIDAĆBLEBLEBLEBĘDZIESTOP STARTWAŻNĄINFORMACJĄSTOP AKTYWNOŚĆ GENU EKSPRESJA GENU- proces, w którym informacja genetyczna zawarta w genie zostaje odczytana i przepisana na łańcuch aminokwasowy, białko lub inną formę RNA PENETRACJA GENU- częstość ekspresji określonego genu wyrażona w procentach lub wartościach liczbowych. Ekspresja i penetracja genu mogą zmieniać się w ciągu życia i zależą zarówno od genotypu, rodzaju komórek jak i warunków środowiska RODZAJE GENÓW Geny strukturalne (ang.: structural genes)- ich mutacje powodują zmianę struktury kodowanego przez nie białka; budują organizm Geny regulatorowe (ang.: regulatory genes)- ich mutacje powodują zmianę ilości białka produkowanego przez geny strukturalne; wpływają na ekspresję genów strukturalnych Geny cytohomeostatyczne (ang.: houskeeping genes)- ich mutacje powodują brak produkcji białka; ulegają stałej i niezmiennej ekspresji we wszystkich tkankach (mają stałą penetrację) Pseudogeny- geny, które w procesie ewolucji straciły zdolność do ekspresji 6

7 ALLEL- odmiana tego samego genu 5.AAT TA GA T CAGATAAC 3 3. T TAA T C TA GTC TAT TG 5 5.AAT TAGAT TCGATAAC 3 3.T TAAT CTAAGC TAT TG 5 HOMOZYGOTA- dwa identyczne allele w zygocie HETEROZYGOTA- dwa różne allele w zygocie 19 PRAWO CZYSTOŚCI GAMET (I Prawo Mendla) W gamecie znajduje się połowa materiału dziedzicznego komórki pierwotnej. W gametach znajduje się połowa chromosomów homologicznych (w przypadku osobników diploidalnych- po jednym chromosomie z każdej pary). Chromosomy rozchodzą się losowo. W gamecie może znaleźć się co najwyżej jeden wariant danego genu. CO TO ZNACZY, ŻE GAMETY SĄ CZYSTE?! RELACJE MIĘDZY ALLELAMI TEGO SAMEGO GENU dominacja zupełna tylko jeden allel ulega ekspresji w heterozygocie dominacja niepełna- tylko jeden allel ulega ekspresji w heterozygocie a efekt jest słabszy, niż w przypadku ekspresji dwóch takich samych alleli kodominacja- dwa allele ulegają ekspresji w heterozygocie aa AA bb BB CC C C Aa Aa Bb Bb CC CC aa Aa Aa AA bb Bb Bb bb CC CC CC C C 7

8 PRZYKŁADY CECH WARUNKOWANYCH JEDNYM GENEM- dominacja niezupełna Zróżnicowana ekspresja jednej (układ heterozygotyczny) i dwóch kopii danego allelu (układ homozygotyczny) BB bb Bb PRZYKŁADY CECH WARUNKOWANYCH JEDNYM GENEM- kodominacja Każdy allel (w układzie heterozygotycznym) ulega ekspresji niezależnie od drugiego Antygeny na powierzchni erytrocytów DZIEDZICZENIE CYTOPLAZMATYCZNE Mitochondria żyją własnym życiem, Dzielą się i ulegają fuzjom, w zależności od zapotrzebowania energetycznego komórki 8

9 DZIEDZICZENIE CYTOPLAZMATYCZNE MERRF- niewydolność energetyczna mitochondriów (Myoclonic Epilepsy with Ragged Red Fibers - padaczka miokloniczna z czerwonymi poszarpanymi włóknami) HETEROLOPLAZMIA Heteroplazmia- stosunek ilości mtdna z mutacją do wersji dzikiej, jest przyczyną zróżnicowania natężenia cechy Zróżnicowana liczba zmutowanych genomów mitochondriów przedostaje się do poszczególnych gamet losowo wraz z mitochondrium Mitochondria po podziale są tak małe, że jeśli nie mają wydajnego procesu oddechowego= prawidłowo funkcjonującego genomu- zamierająjest to proces naturalnej eliminacji mutantów Co przeczy I prawu Mendla? Nondysjunctio- nierozejście się pary chromosomów homologicznych w anafazie I Nierozerwanie się chromatyd w anafazie II 9

10 ODDZIAŁYWANIE NIEALLELICZNEpomiędzy allelami różnych genów Poligeniczność-pojedyncza cecha uwarunkowana jest kilkoma genami (cecha poligeniczna) Oddziaływanie addytywne- pojedyncza cecha uwarunkowana jest sumującym się efektem wielu genów (cecha poligeniczna, addytywna) Oddziaływanie dopełniające pojedyncza cecha uwarunkowana jest współdziałaniem dwóch genów (efekt współdziałania nie jest addytywny!), dającym inny efekt niż każdego z genów oddzielnie. Oddziaływanie epistatyczne- pojedyncza cecha uwarunkowana jest jednym genem (epistatycznym), który hamuje /maskuje efekt pozostałych genów (hipostatycznych) ODDZIAŁYWANIE NIEALLELICZNE- DOPEŁNIAJĄCE SIĘ Dwa geny współdziałając powodują wystąpienie nowej formy danej cechy, odmiennej od tej, która występuje w przypadku działania każdego z nich osobno PPrr x pprr P PpRr F 1 P. Grzebień groszkowy p pojedynczy R. Grzeień różyczkowy r pojedynczy PR Pr pr pr PR Pr pr pr PPRR PPRr PpRR PpRr PPRr PPrr PpRr Pprr PpRR PpRr pprr pprr PpRr Pprr pprr pprr Cechy warunkowane dopełniającym się działaniem genów często pojawiają się, gdy najmniej ich oczekujemy ODDZIAŁYWANIE NIEALLELICZNE- EPISTATYCZNE gen lub geny z jednej pary alleli decydują o ujawnianiu się w fenotypie działania genów z innej pary geny z locus epistatycznego maskują ekspresję genów z locus hipostatycznego epistaza recesywna podwójna epistaza recesywna epistaza dominująca podwójna epistaza dominująca epistaza recesywna i dominująca 10

11 EPISTAZA RECESYWNA 9 : 3 : 4 Albinizm maskuje ujawnienie się koloru CCaa x ccaa P CA CA Ca ca ca CCAA CCAa CcAA CcAa CcAa F 1 Ca CCAa CCaa CcAa Ccaa ca CcAA CcAa ccaa ccaa C. pigment c brak pigmentu A. włos dwukolorowy (agouti) a włos jednokolorowy ca CcAa Ccaa ccaa ccaa PODWÓJNA EPISTAZA RECESYWNA 9 : 7 Włos typu REX ujawnia się w układzie recesywnym dwóch genów niezależnie od siebie R 1 R 1 r 2 r 2 x r 1 r 1 R 2 R 2 P R 1 R 2 R 1 R 2 R 1 r 2 r 1 R 2 r 1 r 2 R 1R 1R 2R 2 R 1R 1R 2r R 1r 1R 2R 2 R 1r 1R 2r 2 2 R 1 r 1 R 2 r 2 F 1 R 1 r 2 R 1R 1R 2r 2 R 1R 1r 2r 2 R 1r 1R 2r 2 R 1r 1r 2r 2 r 1 R 2 R 1r 1R 2R 2 R 1r 1R 2r 2 r 1r 1R 2R 2 r 1r 1R 2r 2 R 1. włos prosty- rdzeniowy r 1 włos karbowany (bezrdzeniowy) R 2. włos prosty- rdzeniowy r 2 włos karbowany (bezrdzeniowy) r 1 r 2 R 1r 1R 2r 2 R 1r 1r 2r 2 r 1r 1R 2r 2 r 1r 1r 2r 2 EPISTAZA DOMINUJĄCA 12 : 3 : 1 Dominująca biel epistatyczna nie jest albinizmem; pigment widoczny jest w skórze najczęściej w źrenicach oczu i na błonach śluzowych RRii x rrii P RrIi F 1 R. upierzenie czerwone rr upierzenie czarne I. upierzenie białe (epistatyczne) ii upierzenie nie białe RI Ri ri ri RI Ri ri ri RRII RRIi RrII RrIi RRIi RRii RrIi Rrii RrII RrIi rrii rrii RrIi Rrii rrii rrii 11

12 PODWÓJNA EPISTAZA DOMINUJĄCA 15 : 1 Przeźroczysta łuska karasia- podwójna epistaza dominująca loci D 1 i D 2 Wystarczy obecność przynajmniej jednego allelu dominującego w dowolnym locus aby łuska była niewidoczna. D 1 D 1 d 2 d 2 x d 1 d 1 D 2 D 2 P D 1 D 2 D 1 d 2 d 1 D 2 d 1 d 2 D 1 d 1 D 2 d 2 F 1 D 1 D 2 D 1D 1D 2D 2 D 1D 1D 2d 2 D 1d 1D 2D 2 D 1d 1D 2d 2 D 1 d 2 D 1D 1D 2d 2 D 1D 1d 2d 2 D 1d 1D 2d 2 D 1d 1d 2d 2 d 1 D 2 D 1d 1D 2D 2 D 1d 1D 2d 2 d 1d 1D 2D 2 d 1d 1D 2d 2 d 1 d 2 D 1d 1D 2d 2 D 1d 1d 2d 2 d 1d 1D 2d 2 d 1d 1d 2d 2 Co przeczy II prawu Mendla? Plejotropia- kilka cech jednocześnie uwarunkowanych jest jednym i tym samym genem (gen plejotropowy) Sprzężenie genów występuje, gdy dwa geny lub więcej położone są w bezpośredniej odległości w chromosomie i niemożliwe jest zajście crossing over między nimi GENY SPRZĘŻONE Gen W odpowiedzialny za białe (epistatyczne) umaszczenie kotów i niebieski kolor tęczówki okadziałanie plejotropowe Gen T odpowiedzialny za niewykształcenie przewodów słuchowych (wrodzona głuchota) Geny sprzężone nie segregują niezależnie! 12

13 Cechy jakościowe (mają rozkład 0,1 lub dyskretny- wartości w zbiorze policzalnym) Cechy monogenowe (warunkowane pojedynczym genem- mało!) Cechy uwarunkowane wzajemnym oddziaływaniem różnych genów Cechy ilościowe (mają rozkład ciągły; charakteryzują się zmiennym natężeniem, ich zbiór jest często niepoliczalny) Cechy poligeniczne warunkowane wzajemnym oddziaływaniem różnych genów w grupie genów mogą znajdować się tzw. geny główne (ang.: Major genes)- ich obecność w genotypie zwiększa wydajność/natężenie cechy o jedno odchylenie standardowe Ich natężenie zależy od wpływu środowiska! Masa ciała Jak dużą rolę odgrywa środowisko w kształtowaniu się cechy ilościowej? Ile genów jest zaangażowanych w efekt fenotypy tej cechy? Które geny odgrywają ważną rolę w określaniu fenotypu, a które tylko lekko go modyfikują? Czy allele różnych genów oddziałują addytywnie? 13