Trzy wielkie działy genetyki:

Transkrypt

1 Trzy wielkie działy genetyki: GENETYKA GENETYKA GENETYKA KLASYCZNA MOLEKULARNA EWOLUCYJNA (Mendel 1866) (Watson & Crick 1953) (Darwin-Wallace 1858)

2 Darwin, C. R. and A. R. Wallace On the tendency of species to form varieties; and on the perpetuation of varieties and species by natural means of selection. [Read 1 July] Journal of the Proceedings of the Linnean Society of London. Zoology 3: Darwin sformułował cztery główne twierdzenia: * świat istot żywych nie jest niezmienny * proces zmian jest ciągły i stopniowy * wszystkie gatunki są ze sobą spokrewnione * zmiany ewolucyjne są wynikiem doboru naturalnego. Dwie pierwsze tezy zostały (po fali niemerytorycznych dyskusji) przyjęte jeszcze za życia Darwina. Niezbitych dowodów na potwierdzenie trzeciej dostarczyła dopiero biologia molekularna. Teza czwarta zyskała potwierdzenie dzięki badaniom ekologicznym i biogeograficznym. Do sformułowania współczesnej teorii ewolucji, opartej na przemyśleniach Darwina, ale adekwatnej do stanu wiedzy w wieku XX, wybitnie przyczynił się Theodosius Dobzhansky swoją syntezą ewolucjonizmu Darwina z genetyką mendlowską opublikowaną w książce pt. Genetics and the Origin of Species (1937).

3 Między Mendel przetestował ok roślin grochu, badał 7 cech, z których każda miała dwie łatwo rozróżnialne formy. Innowacją było użycie czystych linii, zliczanie otrzymanych form potomstwa i analiza statystyczna wyników. Podsumowanie (prawo czystości gamet, prawo niezależnej segregacji cech) zostało zawarte w dwu wykładach, które wygłosił po niemiecku 8 lutego i 8 marca 1865 r. na zebraniach Towarzystwa Historii Naturalnej w Brnie, a następnie opisał w długim artykule opublikowanym w sprawozdaniach tegoż Towarzystwa zatytułowanych Verhandlungen des naturforforschenden Vereins w r Rozesłano 115 egz., jeden do biblioteki Darwina. Darwin nawet nie rozciął kartek artykułu Mendla, choć przeczytał inne artykuły tego numeru czasopisma.

4 Watson & Crick 1953

5 struktura DNA (podwójna spirala komplementarnych nici) - kolejność/sekwencja nukleotydów ATCG, - zasada komplementarności A-T i G-C i obu nici, -zdolność do replikacji/powielania identycznych cząsteczek * zapewnia WIERNOŚĆ przekazywania cech zarówno ogólnych charakterystycznych dla danego gatunku, jak i specyficznych gwarantujących podobieństwo między organizmami spokrewnionymi * umożliwia też ZMIENNOŚĆ cech co służy zachowaniu życia na Ziemi, umożliwia przystosowanie organizmów do w-ków środowiska i ewolucję gatunków

6 GENETYKA GENETYKA GENETYKA KLASYCZNA MOLEKULARNA EWOLUCYJNA prawa Mendla struktura DNA genetyka ilościowa mejoza i mitoza chemia DNA prawo Hardy ego-weinberga determinacja płci transkrypcja przewidywanie równowagi sprzężenie z płcią translacja ewolucja mapowanie chromosomów klonowanie DNA specjacja cytogenetyka (zmiany chromosomowe) kontrola ekspresji genów mutacje i naprawa DNA dziedziczenie pozachromosomowe

7 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, mirna...) zależność gen-polipeptyd wynik ekspresji genu (transkrypcji informacji z DNA na RNA oraz translacji kodu genetycznego zawartego w sekwencji kodującej mrna na sekwencję aminokwasów w białku) zależność gen(y)-cecha, genotyp-fenotyp sumaryczny wynik regulacji ekspresji genów przez sekwencje regulatorowe, interakcji alleli (zjawiska dominacji, współdominacji, kodominacji) i genów nieallelicznych (proste współdziałanie genów zaangażowanych w ten sam szlak metaboliczny, epistaza, kumulowanie się efektów genów cech ilościowych), zjawisk epigenetycznych oraz warunków środowiska

8 istnieją chromosomy bogate (11, 17,19) i ubogie w geny (18)

9 ncrna funkcjonalne RNA niekodujące białek trna rrna snrna snorna mirna grna pirna tmrna signal recognition particle RNA zmienności genetycznej (mutacjom, rekombinacjom) podlega całe DNA - zarówno geny białek, geny ncrna jak i DNA międzygenowe allel - jedna z powstałych na skutek zmienności genetycznej form danego odcinka DNA zajmującego określone miejsce (locus) w genomie

10 GENOM -całość informacji genetycznej danego gatunku 1pz (ang. 1 bp, base pair) 1000 pz = 1 kpz (ang. 1 kb, kilobase) 1mln pz = 1 Mpz (ang. 1 Mb, megabase)

11 genom człowieka = genom jądrowy + genom mitochondrialny haploidalny genom jądrowy 24 chromosomy 3200 Mbp; ~ genów genom mitochondrialny 16,6 kb; 37 genów

12 Wielkość genomów Prokariota -od 0,6 Mb (niektóre obligatoryjne wewnątrzkomórkowe pasożyty) do 10 Mb (niektóre sinice) liczba genów Eukariota - duża rozpiętość wartość C -całkowita długość haploidalnego genomu paradoks wartości C brak korelacji pomiędzy wielkością genomu a poziomem złożoności gatunku.

13 17 POWTÓRZENIA!!! Ohno S (1970) Evolution by gene duplication. London: George Allen and Unwin. 160 p.

14 tylko 5-10% typowego genomu kręgowców jest kodujące, co najmniej 20% stanowią sekwencje powtórzone Genome size (bp) E. coli (bacterium) C. elegans (nematode worm) 30 D. melanogaster (fruit fly) M. musculus (mouse) X. laevis (toad) N. tabacum (tobacco) Nonrepetitive Repetitive DNA DNA HUMAN GENOME powtórzenia tandemowe (satelitarne) rozproszone (LINE, SINE) zduplikowane geny i pseudogeny Coding DNA Genes and generelated sequences Nuclear genome 3000 Mb genes? ~30% ~70% Unique or moderately repetitive ~10% ~90% Pseudogenes Noncoding DNA Gene fragments Extragenic DNA Introns, untranslated sequences, etc. Two rrna genes Mitochondrial genome 16.6 kb 37 genes Unique or low copy number 22 trna genes 80% 20% Tandemly repeated or clustered repeats 13 polypeptideencoding genes Moderate to highly repetitive Interspersed repeats

15 powt. satelitarne: centromerowe, heterochromatynowe wlk. powtórzenia pz, ilość powtórzeń >1000 powt. minisatelitarne ( loci u czlowieka) wlk. powtórzenia pz, ilość powtórzeń do 1000 [np. sekwencje telomerowe (TTAGGG)n stabilizujące chromosomy i ulegające skróceniu z każdym cyklem komórkowym] powt. mikrosatelitarne ( loci u człowieka) wlk. powtórzenia 2-6 pz, ilość powtórzeń loci rozproszone, zwykle niehomologiczne, powstające w wyniku poślizgu replikacyjnego lub nierównego c-o mini- i mikrosatelity umożliwiają identyfikację ludzi w badaniu genetycznych odcisków palców (ang. DNA fingerprinting) powt. specyficzne dla chromosomu umożliwiają malowanie chromosomów

16 powt. rozproszone - elem. ruchome, transpozony stanowią 20-40% genomu, czasem >60% rozproszone między genami, wewnątrz intronów, UTRów i sekwencji kodujących klasa I - retro(trans)pozony - przeniesienie wymaga transkrypcji + odwrotnej transkrypcji + integracji tak powstałej kopii (kopiuj poprzez RNA i cdna & wklej) SINEs (short interspersed elements) rodzina Alu ~ 300 bp x >10 6 kopii w genomie człowieka rodzina Alphoid - heterochromatyna centromerowa, 170bp x ~10 3 kopii LINEs (long interspersed elements) rodzina LI 6400 bp x 10 4 kopii ψβ2 ε Gγ Aγ ψβ1 δ β elem. Alu i LINE w regionie genów ß-globiny na chromosomie 11 człowieka Alu repeats LINEs 10 kb

17 powtórzone elementy rozproszone w lokus genu retinoblastomy

18 powt. rozproszone - elem. ruchome, transpozony stanowią 20-40% genomu, czasem >60% rozproszone między genami, wewnątrz intronów, UTRów i sekwencji kodujących klasa I - retro(trans)pozony - przeniesienie wymaga transkrypcji + odwrotnej transkrypcji + integracji tak powstałej kopii SINEs (short interspersed elements) Alu family ~ 300 bp x >10 6 copies Alphoid family - centromeric heterochromatin, 170bp x ~10 3 copies LINEs (long interspersed elements) LI family bp x 10,000 copies klasa II - transpozony DNA przeniesienie wymaga (i) wycięcia z dotychczasowego locus + integracji w nowym miejscu (wytnij & wklej) lub (ii) replikacji + integracji kopii w nowym miejscu (kopiuj & wklej)

19 duplikacje genów prowadzą do powstawania: rodzin genów - rodzin wariantów genów zróżnicowanych w procesie ewolucji, rozproszonych lub zgrupowanych w klastery pseudogenów - niefunkcjonalnych kopii genów lub fragmentów genów powstałych podczas ekspansji rodziny genowej lub retrotranspozycji; mogą być pozbawione intronów; zawierają insercje, delecje, mutacje nonsens, zwykle nie są transkrybowane

20 geny i pseudogeny w klasterze genów HLA klasy I

21 ortologi homologiczne geny występujące u różnych gatunków o dużym stopniu homologii świadczącym o wspólnym genowym pochodzeniu, rozdzielone na skutek specjacji paralogi - homologiczne geny w tym samym genomie, pochodzące od wspólnego przodka, rozdzielone w wyniku duplikacji genu

22 porównanie rodzin paralogicznych genów α- i β-globiny człowieka sugeruje, że są one strukturalnie różne pod wieloma względami, różnice mogą wpływać na: transkrypcję, naprawę DNA, rekombinację i replikację Higgs 2004 Hematology Am Soc Hematol Educ Program 1: 1-13

23

24 Figure 7.6. Chromosomal distribution of the human histone gene family. Eleven clusters comprising a total of about 60 histone genes are distributed over seven human chromosomes. The two clusters on 6p contain the great majority of histone genes. Other clusters contain only one or two of the histone gene subtypes. Note that identical histones can be specified by genes on different chromosomes. Strachan & Read 1999 Human molecular genetics 2 John Wiley & Sons, Inc., BIOS Scientific Publishers Ltd