Prokaryota. Genetyka molekularna i genomika

Podobne dokumenty
Genetyka molekularna Prokaryota

Prokaryota. Genetyka molekularna i genomika

Prokaryota. Genetyka molekularna i genomika

Ekspresja genu. Podstawowe mechanizmy i pojęcia

Ekspresja genu. Podstawowe mechanizmy i pojęcia

WPROWADZENIE DO GENETYKI MOLEKULARNEJ

WPROWADZENIE DO GENETYKI MOLEKULARNEJ

Zmienność ewolucyjna. Ewolucja molekularna

wykład dla studentów II roku biotechnologii Andrzej Wierzbicki

Geny i działania na nich

wykład dla studentów II roku biotechnologii Andrzej Wierzbicki

Dr. habil. Anna Salek International Bio-Consulting 1 Germany

TATA box. Enhancery. CGCG ekson intron ekson intron ekson CZĘŚĆ KODUJĄCA GENU TERMINATOR. Elementy regulatorowe

Regulacja Ekspresji Genów

TRANSKRYPCJA - I etap ekspresji genów

Analizy DNA in silico - czyli czego można szukać i co można znaleźć w sekwencjach nukleotydowych???

października 2013: Elementarz biologii molekularnej. Wykład nr 2 BIOINFORMATYKA rok II

wykład dla studentów II roku biotechnologii Andrzej Wierzbicki

Wykład 14 Biosynteza białek

Analizy DNA in silico - czyli czego można szukać i co można znaleźć w sekwencjach nukleotydowych???

WYKŁAD: Klasyczny przepływ informacji ( Dogmat) Klasyczny przepływ informacji. Ekspresja genów realizacja informacji zawartej w genach

Mechanizmy zmienności ewolucyjnej. Podstawy ewolucji molekularnej.

Zmienność ewolucyjna. Ewolucja molekularna

Analizy DNA in silico - czyli czego można szukać i co można znaleźć w sekwencjach nukleotydowych???

Zmienność ewolucyjna. Ewolucja molekularna

DNA musi współdziałać z białkami!

Nowoczesne systemy ekspresji genów

Jak działają geny. Podstawy biologii molekularnej genu

Podstawy genetyki III. Biologia molekularna genu, replikacja, mutageneza, naprawa DNA

Możliwości współczesnej inżynierii genetycznej w obszarze biotechnologii

Ekspresja informacji genetycznej

Escherichia coli. System pbad

Podstawy genetyki molekularnej

The Role of Maf1 Protein in trna Processing and Stabilization / Rola białka Maf1 w dojrzewaniu i kontroli stabilności trna

wykład dla studentów II roku biotechnologii Andrzej Wierzbicki

Historia informacji genetycznej. Jak ewolucja tworzy nową informację (z ma ą dygresją).

Translacja i proteom komórki

SCENARIUSZ LEKCJI BIOLOGII Z WYKORZYSTANIEM FILMU Transkrypcja RNA

Księgarnia PWN: B. Alberts, D. Bray, K. Hopkin, A. Johnson, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, P. Walter Podstawy biologii komórki. Cz.

THE UNFOLDED PROTEIN RESPONSE

wykład dla studentów II roku biotechnologii Andrzej Wierzbicki

Genetyka. Krótkie wykłady H. Fletcher, I. Hickey, P. Winter,

TRANSLACJA II etap ekspresji genów

Możliwości współczesnej inżynierii genetycznej w obszarze biotechnologii

Regulacja transkrypcji genów eukariotycznych

Numer pytania Numer pytania

Prokariota i Eukariota

Podstawy genetyki III. Biologia molekularna genu, replikacja, mutageneza

Poziomy transfer genów w ewolucji. Ruchome elementy genetyczne i wirusy w ewolucji genomów

Wprowadzenie. DNA i białka. W uproszczeniu: program działania żywego organizmu zapisany jest w nici DNA i wykonuje się na maszynie białkowej.

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

ZNACZENIE RNA W REGULACJI EKSPRESJI GENÓW

Spis treści. Księgarnia PWN: Terry A. Brown - Genomy. Część 1 Jak bada się genomy 1 Rozdział 1 Genomy, transkryptomy i proteomy 3

Transkrypcja i obróbka RNA. Materiały dydaktyczne współfinansowane ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.

BIOINFORMATYKA. edycja 2016 / wykład 11 RNA. dr Jacek Śmietański

WARUNKI ZALICZENIA PRZEDMIOTU- 5 ECTS

1. Na podanej sekwencji przeprowadź proces replikacji, oraz do obu nici proces transkrypcji i translacji, podaj zapis antykodonów.

Chapter 7. Podsumowanie. Joanna M. Lubelska, Sonja-V. Albers and Arnold J.M. Driessen

Bezpośrednia embriogeneza somatyczna

Zarówno u organizmów eukariotycznych, jak i prokariotycznych proces replikacji ma charakter semikonserwatywny.

BioFizMat 5. Bistabilny przełącznik genetyczny

Fragment cząsteczki DNA stanowiący matrycę dla syntezy cząsteczki lub podjednostki białka nazywamy GENEM

Co to jest transkryptom? A. Świercz ANALIZA DANYCH WYSOKOPRZEPUSTOWYCH 2

SYLABUS. Wydział Biologiczno-Rolniczy. Katedra Biochemii i Biologii Komórki

Gen eukariotyczny. Działanie i regulacja etapy posttranskrypcyjne

Wybrane techniki badania białek -proteomika funkcjonalna

Poziomy transfer genów w ewolucji. Ruchome elementy genetyczne i wirusy w ewolucji genomów

Wybrane techniki badania białek -proteomika funkcjonalna

Gen eukariotyczny. Działanie i regulacja etapy posttranskrypcyjne

Nośnikiem informacji genetycznej są bardzo długie cząsteczki DNA, w których jest ona zakodowana w liniowej sekwencji nukleotydów A, T, G i C

Podstawy genetyki III. Biologia molekularna genu, replikacja, mutageneza, naprawa DNA

Zgodnie z ogólnie przyjętą konwencją, geny na schematach przedstawia się od lewej do prawej, w kierunku transkrypcji. Nić DNA z taką samą sekwencją

Translacja czyli biosynteza białek. Materiały dydaktyczne współfinansowane ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.

Zawartość. Wstęp 1. Historia wirusologii. 2. Klasyfikacja wirusów

Zmienność ewolucyjna. Ewolucja molekularna

Podstawy genetyki III. Biologia molekularna genu, replikacja, mutageneza, naprawa DNA

INICJACJA ELONGACJA TERMINACJA

POLIMERAZY DNA- PROCARYOTA

Wykład 12 Kwasy nukleinowe: budowa, synteza i ich rola w syntezie białek

Regulacja ekspresji genów. Materiały dydaktyczne współfinansowane ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.

Biologiczne podstawy ewolucji. Informacja genetyczna. Co to jest ewolucja.

Gen eukariotyczny. Działanie i regulacja etapy posttranskrypcyjne

Biologiczne podstawy ewolucji. Informacja genetyczna. Co to jest ewolucja.

Kwasy nukleinowe. Replikacja

Analizy wielkoskalowe w badaniach chromatyny

Gen eukariotyczny. Działanie i regulacja etapy posttranskrypcyjne

Drożdżowe systemy ekspresyjne

Podstawy biologii. Informacja genetyczna. Co to jest ewolucja.

Proteomika: umożliwia badanie zestawu wszystkich lub prawie wszystkich białek komórkowych

Podstawy biologii. Informacja, struktura i metabolizm.

Informacje dotyczące pracy kontrolnej

Zaoczne Liceum Ogólnokształcące Pegaz

6. Z pięciowęglowego cukru prostego, zasady azotowej i reszty kwasu fosforowego, jest zbudowany A. nukleotyd. B. aminokwas. C. enzym. D. wielocukier.

Jajko czy kura? czyli gdzie dwóch się bije, tam trzeci korzysta

Sesja sponsorowana przez Polską Sieć Biologii Molekularnej SESJA 1 ORGANIZACJA MATERIAŁU GENETYCZNEGO WYKŁADY

Spis treści 1 Komórki i wirusy Budowa komórki Budowa k

SYLABUS. Wydział Biologiczno-Rolniczy. Katedra Biochemii i Biologii Komórki

Bioinformatyka Laboratorium, 30h. Michał Bereta

Rok akademicki: 2014/2015 Kod: EIB BN-s Punkty ECTS: 3. Kierunek: Inżynieria Biomedyczna Specjalność: Bionanotechnologie

Mutacje jako źródło różnorodności wewnątrzgatunkowej

Transkrypt:

Prokaryota Genetyka molekularna i genomika

Literatura Allison, rozdziały 5.3, 10 Brown, rozdziały 8, 11.2, 11.3.1, 12.1, 13,

Prokaryota nie są jedną grupą Carl Woese (1928-2012)

Genomy bakterii i archeonów Od 0,5 (mykoplazmy) do ~ 5 Mb Wyjątkowo 9 Mb (Bradyrhizobium japonicum) 13 Mb (Sorangium cellulosum) archeony z reguły 1,5-2,5 Mb Gęste upakowanie genów (~1 gen/kb) Krótkie obszary międzygenowe i regulatorowe Tylko sporadycznie występują introny Kodowane białka krótsze, niż u Eukaryota Tworzy z białkami upakowaną strukturę nukleoidu

Gęste upakowanie genomu E. coli Figure 8.6 Genomes 3 ( Garland Science 2007)

Gen prokariotyczny Introny nieliczne, w mrna praktycznie niespotykane Łatwo zidentyfikować gen w sekwencji - otwarta ramka odczytu (ORF) od ATG do pierwszego STOP

Nukleoid bakterii Figure 8.1 Genomes 3 ( Garland Science 2007)

Upakowanie DNA Figure 8.3 Genomes 3 ( Garland Science 2007)

Organizacja genomu Typowa pojedynczy chromosom kolisty Możliwe liczne warianty Więcej cząsteczek kolistych Cząsteczki liniowe

Chromosomy i plazmidy Plazmidy mogą być koliste lub liniowe Z reguły mniejsze od chromosomów, ale mogą być bardzo duże (megaplazmidy) Plazmidy zwykle są opcjonalne, mogą też występować u wielu gatunków Rozróżnienie chromosomy zawierają geny metabolizmu podstawowego, niezbędne do życia, plazmidy nie chromidy - właściwości pośrednie Figure 8.5 Genomes 3 ( Garland Science 2007)

Ewolucyjna zmienność Prokaryota Przy podobnej liczbie genów ogromna różnorodność zestawu genów Duże różnice między szczepami np. E. coli O157:H7 vs. E. coli K12 - ~1300 genów w O nie w K i ~500 w K nie w O(!) Częsty poziomy transfer genów (do kilkunastu procent genomu), nawet między odległymi gatunkami Problem definicji gatunku

Genomy bakterii są dynamiczne Szczepy bakterii zaliczane do tego samego gatunku znacząco różnią się zawartością genów Genom rdzeniowy (core genome) wspólny dla wszystkich szczepów Pangenom zbiór wszystkich genów (nie występują jednocześnie)

Genom i pangenom

Genom, pangenom

Co to jest Escherichia coli? Dla 61 zsekwencjonowanych szczepów: W sumie 4157 do 5315 genów w genomie szczepu Genom rdzeniowy 933 geny Reszta geny pomocnicze wybrane spośród ~15 000 genów Cały pangenom: ~ 16 000 genów Zhaxybayeva & Doolittle (2011) Curr Biology 21(7): R242-R246

Mechanizmy HGT u bakterii Transformacja poprzez DNA elektroporacja przez wyładowania atmosferyczne? Koniugacja z udziałem pili płciowych Transdukcja z udziałem fagów GTA Gene Transfer Agents wirusopodobne cząstki wytwarzane przez α- proteobakterie Nanorurki

Nanorurki u bakterii Dubey & Ben-Yehuda (2011) Intercellular nanotubes mediate bacterial communication. Cell 144(4):590-600.

Nanorurki pomiędzy gatunkami Dubey & Ben-Yehuda (2011) Intercellular nanotubes mediate bacterial communication. Cell 144(4):590-600.

Poziomy przepływ genów - bakterie U Bacteria i Archaea poziomy przepływ informacji genetycznej jest powszechny plazmidy i ruchome elementy genetyczne dowolne fragmenty DNA Równowaga pomiędzy naturalnymi barierami (np. system restrykcjimodyfikacji) a systemami ułatwiającymi wymianę DNA

Adaptacje dzięki HGT Salinibacter (Bacteria) geny umożliwiające przeżycie w warunkach wysokiego stężenia soli: wyspa genomowa: transpozazy + geny transporterów jonów i aminokwasów rodopsyny wykorzystanie światła do transportu protonów i jonów Uzyskane w HGT od Archaea i innych Bacteria Zhaxybayeva & Doolittle (2011) Curr Biology 21(7): R242-R246

Adaptacje dzięki HGT Bacteroides plebeius bakteria w przewodzie pokarmowym człowieka Niektóre szczepy zdolne do rozkładania polisacharydów pochodzących z krasnorostów B. plebeius uzyskał geny umożliwiające rozkład tych polisacharydów w HGT od bakterii morskich głównie szczepy izolowane od mieszkańców Japonii, brak w szczepach od mieszkańców USA Zhaxybayeva & Doolittle (2011) Curr Biology 21(7): R242-R246

Genomika porównawcza bakterii sposobem poznania ich fizjologii Bakterie mają genomy podobnej wielkości, mieszczące 2000-6000 genów Około połowy genomu tworzą rodziny podobnych genów powstałych przez powielenie (duplikację) tzw. rodziny paralogów To, które geny są powielone świadczy o kierunku specjalizacji ewolucyjnej bakterii

Genomika porównawcza bakterii sposobem poznania ich fizjologii H. influenzae heterotrof pasożytniczy powielone geny kodujące białka rozkładające różne związki organiczne Methanococcus janaschii chemoautotrof powielone geny kodujące enzymy szlaków biosyntetycznych Pseudomonas aeruginosa patogen oporny na wiele leków i szybko dostosowujący się do zmian środowiska powielone geny kodujące białka usuwające antybiotyki, rozkładające substancje organiczne, umożliwiające zagnieżdżanie się w powierzchniach.

Droga od DNA do białka

Centralna hipoteza ( dogmat ) RNA może też ulegać replikacji DNA RNA może też być matrycą dla syntezy DNA RNA Przepływ informacji od RNA do białka pozostaje zawsze jednokierunkowy BIAŁKO

Ekspresja genów prokariotycznych dominuje regulacja na poziomie transkrypcji policistronowe jednostki transkrypcyjne o wspólnej regulacji transkrypcyjnej operony mrna szybko degradowane, translacja zachodzi zasadniczo równocześnie z transkrypcją czas półtrwania mrna ~2 min.

Inicjacja transkrypcji Bakterie - bezpośrednia interakcja polimerazy z DNA Archaea i Eukaryota - polimeraza oddziałuje z białkami wiążącymi DNA Genomes 3 ( Garland Science 2007)

Elementy systemów regulacji Elementy cis Znajdują się w obrębie tej samej cząsteczki, co element podlegający regulacji Elementy cis w obrębie DNA np. promotory, operatory, enhancery Elementy cis w obrębie RNA sekwencje wiążące białka regulujące translację, splicing, degradację itp.

Elementy systemów regulacji Elementy trans Odrębne cząsteczki oddziałujące z elementami cis i modulujące ekspresję Białka regulujące transkrypcję (czynniki transkrypcyjne), aktywatory, represory itp. Białka regulujące inne etapy ekspresji (aktywatory/represory translacji, splicingu itp.) RNA regulatorowe

Podstawy regulacji genu Regulacja pozytywna czynnik trans jest aktywatorem zwiększa ekspresję Regulacja negatywna czynnik trans jest represorem osłabia ekspresję

Podstawy regulacji genu Regulacja indukowalna Sygnał zwiększa (indukuje) ekspresję Regulacja reprymowalna Sygnał zmniejsza (reprymuje) ekspresję Możliwe są różne układy, np. regulacja negatywna indukowalna Nie należy mylić pojęć: pozytywna/negatywna dotyczy aktywności czynnika trans a indukowalna/reprymowalna odpowiedzi na sygnał

Operony Typowy dla bakteri i archeonów system ekspresji Policistronowy transkrypt wspólna ekspresja wielu genów z jednego promotora Przeważnie geny związane funkcją, ale są wyjątki Figure 8.8 Genomes 3 ( Garland Science 2007)

Regulacja transkrypcji u bakterii Polimeraza stosunkowo prosta, proste sekwencje promotorowe Rdzeń katalityczny wspólny, kilka podejednostek sigma o różnej specyficzności odpowiadających za rozpoznanie promotorów σ70 (RpoD) główny czynnik sigma ("housekeeping ) większość genów σ54 (RpoN) głód azotowy σ38 (RpoS) głód/faza stacjonarna σ32 (RpoH) szok cieplny σ28 (RpoF) wić Aktywatory i represory wpływają na wiązanie polimerazy z DNA

Przykład operon lac Regulacja negatywna indukowalna Genomes 3 ( Garland Science 2007)

Operon lac regulacja przez CAP W. S Klug, M.R Cummings Concepts of Genetics 8th edition, Prentice Hall, 2005

Operon lac Regulacja na poziomie inicjacji transkrypcji Negatywna indukowalna przez laktozę/represor laci Pozytywna przez glukozę i camp/białko CAP Białko to reguluje szereg operonów związanych z wykorzystywaniem źródeł węgla - regulon

Represor operonu Trp Regulacja negatywna reprymowalna Genomes 3 ( Garland Science 2007)

Terminacja transkrypcji Podczas transkrypcji cały czas konkurencja między kontynuowaniem a dysocjacją polimerazy Zależy od związanych białek, struktury transkryptu Terminatory samodzielne Rho zależne

Terminacja transkrypcji samodzielne (rho-niezależne) rho-zależne Figure 12.8 Genomes 3 ( Garland Science 2007)

Degradacja RNA u bakterii Degradosom - kompleks o aktywności egzorybonukleazy (RNaza II, PNPaza) od końca 3 Ochrona przez strukturę pętli Endonukleaza (RNaza E, RNaza III) Genomes 3 ( Garland Science 2007)

Regulacja na poziomie terminacji - antyterminacja Antyterminacja Regulacja pozytywna, czynnik Najwcześniejsze trans wiążąc się z DNA znosi działanie terminatora Typowy przykład geny kaskady litycznej faga λ Wczesne-opóźnione Genomes 3 ( Garland Science 2007)

Regulacja na poziomie terminacji - atenuacja Fakultatywna sekwencja terminatora na początku transkryptu, zależnie od warunków Kinetyka translacji dostępność naładowanego trna Wiązanie specyficznych białek Wiązanie ligandów drobnocząsteczkowych ryboprzełączniki (niektóre)

Atenuacja operon trp E. coli Zależnie od dostępności załadowanego trnatrp sekwencja lidera mrna przyjmuje różne konformacje W. S Klug, M.R Cummings Concepts of Genetics 8th edition, Prentice Hall, 2005 trnatrp dostępny trnatrp niedostępny

Operon trp u Bacillus subtilis Białko TRAP wiąże naładowany trnatrp Kompleks TRAP z trnatrp wiąże mrna Dodatkowo białko AT (anty- TRAP) wiąże TRAP gdy bardzo mało naładowanego trnatrp trnatrp dostępny W. S Klug, M.R Cummings Concepts of Genetics 8th edition, Prentice Hall, 2005

Ryboprzełączniki Wiązanie związków drobnocząsteczkowych bezpośrednio z mrna (element cis) zmienia konformację, wpływając na ekspresję Atenuacja Dostępność miejsca wiązania rybosomu Częste u bakterii, rzadko u Eukaryota (grzyby)

SD- Shine-Dalgarno TPP- pirofosforan tiaminy Ryboprzełącznik TPP operon thi E. coli Odpowiada za biosyntezę tiaminy Winkler et al. (2002) Nature 419, 952-956

RNA jako elementy trans RNA regulatorowe Działają na różnych poziomach hamowanie replikacji plazmidu (RNA I/Col E1) hamowanie transkrypcji (MicF RNA/OmpF) oddziaływanie z białkami regulatorowymi (sekwestracja) oddziaływanie z mrna (inhibicja translacji, degradacja)

RNA jako elementy trans Waters & Storz, Cell 136:615-28, 2009

CRISPR Waters & Storz, Cell 136:615-28, 2009

Transdukcja sygnału systemy dwuskładnikowe Systemy umożliwiające regulację genów w odpowiedzi na czynniki zewnętrzne (transdukcja sygnału) Sensor domena wiążąca ligand + domena kinazy histydynowej (HK) autofosforylacja w odpowiedzi na sygnał Efektor (RR response regulator) fosforylowany przez aktywny sensor (w asparaginie) reguluje transkrypcję West & Stock (2001). Trends Biochem. Sci., 26, 369-376

Globalne systemy regulujące - regulony Skoordynowana regulacja działania wielu operonów Regulacja przez podjednostki σ (np. szok cieplny, głód itp.) Odpowiedź ścisła: brak składników odżywczych, alarmon ppgpp, interakcja z polimerazą RNA, wybór podjednostki σ38 (RpoS) Represja kataboliczna (aktywator CAP) zależny od poziomu glukozy poziom camp Odpowiedź SOS uszkodzenia genomu, białko RecA indukowana aktywność proteazy, tnie m. in. represor LexA

Synteza białka - translacja

Kod genetyczny Trójkowy 20 aminokwasów kodony po 3 nukleotydy: 4 3 =64 możliwości (dwa: za mało) Dowody: badanie mutantów insercyjnych i delecyjnych (3 kolejne insercje lub delecje przywracały funkcje)

Kod genetyczny Nienakładający się Dowody: załóżmy sekwencję GTACA: jeden kodon: TAC, pozostałe: GTA i ACA (nakładanie 2 nukleotydów). Przy danym kodonie centralnym, możliwe tylko 4 2 = 16 różnych kombinacji trzyaminokwasowych. W naturze natomiast występują wszystkie możliwe kombinacje trzyaminokwasowe (20 2 =400). Pojedyncza zmiana nukleotydowa w sekwencji kodującej zmienia tylko jeden aminokwas, a nie dwa sąsiednie

Kod genetyczny Bezprzecinkowy Jednoznaczny dany kodon koduje zawsze ten sam aminokwas Zdegenerowany 3 kodony STOP, pozostałe 61 kodonów koduje 20 aminokwasów niektóre aminokwasy kodowane przez więcej niż jeden kodon

Kod genetyczny

Uniwersalność kodu Kod genetyczny jest zasadniczo taki sam u wszystkich organizmów na Ziemi Nieznaczne odstępstwa przez ewolujcję pojedynczych trna kody organellarne (np. UGA - Trp a nie stop w mitochondriach) niektore orzęski nieliczne grzyby (CUG Ser a nie Leu u Candida)

Regularności w kodzie Trzecia pozycja kodonu najmniej znacząca (np. UCx Ser) ale nie zawsze nieznacząca (mp. UGG Trp, UGA STOP) Aminokwasy o podobnych właściwościach często z podobnymi kodonami Np. AAA, AAG: lizyna; AGA, AGG: arginina UCx: seryna; ACx: treonina

Parowanie wobble W 3 pozycji kodonu (1 antykodonu) dozwolone parowanie G-U oraz I-U/A/A (I inozyna) tzw. zasada tolerancji Cricka

Translacja

Nobel 2009 - chemia

Animacje i struktury http://www.mrc-lmb.cam.ac.uk/ribo/homepage/mov_and_overview.html