BUDOWA I FUNKCJA GENOMU LUDZKIEGO Magdalena Mayer Katedra i Zakład Genetyki Medycznej UM w Poznaniu 1. Projekt poznania genomu człowieka: Cele programu: - skonstruowanie szczegółowych map fizycznych i genetycznych całego genomu człowieka, - zlokalizowanie wszystkich genów w obrębie genomu człowieka, - wypracowanie metod przechowywania i udostępniania uzyskanych danych; ulepszenie metod sekwencjonowania, - uzyskanie wiedzy na temat skutków społecznych, ideologicznych i etycznych nowych technologii genetycznych. 15 luty 2001 odczytanie genomu ludzkiego 2003 r. podsumowanie działalności programu, ogłoszenie kompletnych sekwencji genomu 2. Genom-budowa Genom - całkowity DNA komórki lub organizmu, obejmujący zarówno wszystkie geny, jak i odcinki międzygenowe. Genom zawiera około 20000-25000 genów, ale odcinki kodujące stanowią tylko 1-3% całego genomu. Około 30% stanowią sekwencje ulegające transkrypcji oraz sekwencje związane z genami. Pozostała część genomu to różne klasy sekwencji powtarzających (repetytywnych) oraz sekwencje unikatowe. Geny i sekwencje związane z genami to: eksony, introny, pseudogeny, fragmenty genów, sekwencje regulatorowe, sekwencje początkowe i końcowe genów. Pozagenowy DNA to: sekwencje unikatowe, sekwencje powtórzone (repetytywne). Typy sekwencji powtórzonych: 1) Sekwencje powtórzone rozproszone (transpozony i retrotranspozony) - długie LINE (ang. long interspersed nuclear element) długie rozproszone sekwencje jądrowe; sekwencje o długości około 6,4 kb. Najbardziej znana to sekwencja LINE-1
- krótkie SINE (ang. short interspersed nuclear element) - krótkie rozproszone sekwencje jądrowe sekwencje o długości około 100-400 bp. Najbardziej znana to sekwencja Alu. 2) Sekwencje powtórzone tandemowe (zwarte) - satelitarne większość powtórzeń występuje w regionach centromerowych chromosomu, odgrywając tam prawdopodobnie funkcję strukturalną; powtórzenia dochodzą do setek tysięcy par zasad, - minisatelitarne fragmenty długości sięgającej 20 kbp, z powtarzającą się jednostką długości około 25 bp; występują najczęściej w telomerach lub w pobliżu końców chromosomu; funkcja nieznana - mikrosatelitarne powtórzenia krótkie, zwykle poniżej 150 bp, a jednostka powtórzona to 1-, 2-, 3-, 4 pary zasad; funkcja nieznana. Powtórzenia tego typu znalazły zastosowanie jako marker molekularny (np.ustalanie profilu genetycznego kryminalistyka).
20-25tys. genów Źródło: Przykłady analiz DNA (pod redakcją Ryszarda Słomskiego), Wydawnictwo AR w Poznaniu, Poznań 2004; zmodyfikowano
3. Budowa fizyczna genomu. Genom jądrowy: - zbudowany z około 3 Gp (3 miliardy par zasad) - złożony z 24 różnych dwuniciowych liniowych cząsteczek DNA chromosomów - zakres wielkości cząsteczek (chromosomów) od 55 Mbp do 250 Mbp - wśród chromosomów wyróżniamy autosomy i heterosomy Genom mitochondrialny: - zbudowany z około 16 kbp (dużo mniejszy niż genom jądrowy) - kolista dwuniciowa cząsteczka DNA - występuje w mitochondrium w kilku kopiach - obecny we wszystkich mitochondriach - obecny w wielu kopiach w komórce (mamy wiele mitochondriów w jednej komórce) Genom jądrowy Genom mitochondrialny 1% 3% 5% 2% 44% 45% 7% Wysoce konserwatywne (kodujące sekwencje) Wysoce konserwatywne (inne) 93% Powtórzenia związane z transpozonami Heterochromatyna Inne, nie-konserwatywne Źródło: Human Molecular Genetics wyd.3, Strachan T, Read AP,
4.. Gęstość genów Średnia gęstość występowania : 1 na 450pz w genomie mitochondrialnym 1na 40-45kpz w genomie jądrowym 5.. Rodziny genów Klasyczne rodziny genów Geny należące do klasycznych rodzin genów wykazują wysoki stopień homologii sekwencji nukleotydowych. Geny te kodują białka zawierające wysoce konserwatywne, duże domeny lub krótkie konserwatywne motywy np.: Rodzina genów Geny homeobox Geny PAX Geny SOX Liczba genów Domeny/motywy konserwatywne 38 Homeodomena składająca się z 60 aminokwasów 9 Domena składająca się ze 128 aminokwasów 8 Domena składająca się z 69 aminokwasów Superrodziny genów Geny należące do superrodzin kodują produkty o podobnym znaczeniu funkcjonalnym i wykazują jedynie niewielki stopień homologii sekwencji nukleotydowych. Przykładem mogą być: Superrodzina immunoglobulin Superrodzina globin 6.. Nakładanie się genów i geny wewnątrz genów W niektórych regionach chromosomów, w których zagęszczenie genów jest duże a sekwencja jest bogata w pary GC mamy do czynienia ze zjawiskiem nakładania się genów (ang. overlapping genes). Przykładem mogą być geny kompleksu HLA w chromosomie pary 16 (lokalizacja 16p21.3) Przykładem występowania genów wewnątrz innego genu jest gen NF1 zawierający w obrębie swojej sekwencji intronowej trzy inne, mniejsze geny: OGMP, EVI2B i EVI2A. Geny ulegają transkrypcji z nici antysensownej, w przeciwieństwie do genu NF1, który transkrybowany jest z nici sensownej.
7.. Mapowanie genomu Mapowanie fizyczne: - przypisanie genów specyficznym miejscom (locus) na chromosomie - jednostką mapowania fizycznego jest para zasad (bp) Mapowanie genetyczne: - ustalenie względnego położenia genów poprzez pomiar tendencji dwóch genów do bycia przekazywanymi (segregowania) razem w czasie mejozy, - podstawą mapowania genetycznego jest zjawisko rekombinacji, które zostało odkryta przez Morgana, - pozwala na identyfikacje genów tylko na podstawie ich efektu fenotypowego, bez znajomości sekwencji oraz funkcji białka, PRZYDATNE BAZY DANYCH: USCS Genome Browser, Ensemble - - umożliwiają wyszukiwanie genów, sekwencji, sekwencji homologicznych, polimorfizmów, rejonów ewolucyjnie konserwatywnych, dane dotyczące ekspresji genów NCBI www.ncbi.nih.gov/ - zawiera bazy danych dotyczące: - BLAST odszukiwania homologicznych sekwencji - ENTREZ wyszukiwania struktur białkowych - PubMed baza literaturowa - OMIM katalog chorób genetycznych