Wykład 3. Organizacja jądra komórkowego struktura chromatyny



Podobne dokumenty
Komórka eukariotyczna

Transport makrocząsteczek

INICJACJA ELONGACJA TERMINACJA

Wykład 5. Remodeling chromatyny

cytoplazma + jądro komórkowe = protoplazma Jądro komórkowe

TRANSLACJA II etap ekspresji genów

Rzęski, wici - budowa Mikrotubule. rozmieszczenie organelli. Stabilne mikrotubule szkielet rzęsek i wici

Transport makrocząsteczek (białek)

wykład dla studentów II roku biotechnologii Andrzej Wierzbicki

Badanie dynamiki białek jądrowych w żywych komórkach metodą mikroskopii konfokalnej

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

Komórka stuktura i funkcje. Bogusław Nedoszytko. WSZPIZU Wydział w Gdyni

Regulacja transkrypcji genów eukariotycznych

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

Rola chromatyny w regulacji ekspresji genów. Monika Zakrzewska-Płaczek

Budowa histonów rdzeniowych

Rola chromatyny w regulacji ekspresji genów. Monika Zakrzewska-Płaczek

Regulacja transkrypcji genów eukariotycznych

Analizy wielkoskalowe w badaniach chromatyny

Chromatyna struktura i funkcja

Plan wykładu: Budowa chromatyny - nukleosomy. Wpływ nukleosomów na replikację i transkrypcję

Regulacja transkrypcji genów eukariotycznych

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

Wykład 14 Biosynteza białek

Regulacja transkrypcji genów eukariotycznych

WPROWADZENIE DO GENETYKI MOLEKULARNEJ

Wykład 13. Regulacja cyklu komórkowego w odpowiedzi na uszkodzenia DNA. Mechanizmy powstawania nowotworów

Składniki diety a stabilność struktury DNA

TRANSKRYPCJA - I etap ekspresji genów

transkrypcja chromatyny

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

Regulacja transkrypcji genów eukariotycznych

JĄDRO KOMÓRKOWE I ORGANIZACJA CHROMATYNY

Wykład: 2 JĄDRO KOMÓRKOWE I ORGANIZACJA CHROMATYNY. Jądro komórkowe. Prof. hab. n. med. Małgorzata Milkiewicz Zakład Biologii Medycznej.

Epigenetyczna regulacja ekspresji genów w trakcie rozwoju zwierząt i roślin

wykład dla studentów II roku biotechnologii Andrzej Wierzbicki

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

GENOM I JEGO STRUKTURA

WPROWADZENIE DO GENETYKI MOLEKULARNEJ

Modyfikacje histonów rdzeniowych

THE UNFOLDED PROTEIN RESPONSE

Metody bioinformatyki. Ekspresja genów. prof. dr hab. Jan Mulawka

Struktura DNA i chromatyny. Materiały dydaktyczne współfinansowane ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.

DNA musi współdziałać z białkami!

Translacja i proteom komórki

Jak działają geny. Podstawy biologii molekularnej genu

Dr hab. Anna Bębenek Warszawa,

Metylacja DNA. Anna Fogtman Pracownia Analiz Mikromacierzy Uniwersytet Warszawski Polska Akademia Nauk

Kwasy nukleinowe. Replikacja

Interfaza to niemal 90% cyklu komórkowego. Dzieli się na 3 fazy: G1, S i G2.

Materiały dydaktyczne do kursów wyrównawczych z przedmiotu biologia

Organizacja jądra komórkowego

Podział komórkowy u bakterii

Prokariota i Eukariota

Cykl komórkowy. Rozmnażanie komórek G 1, S, G 2. (powstanie 2 identycznych genetycznie komórek potomnych): podwojenie zawartości (interfaza)

mikrosatelitarne, minisatelitarne i polimorfizm liczby kopii

Alchemia epigenetycznej regulacji pluripotencji

Podstawy genetyki molekularnej

Numer pytania Numer pytania

Regulacja Ekspresji Genów

WITAMY NA KURSIE HISTOLOGII

Podziały komórkowe cz. I

Sirtuiny - eliksir młodości nowej generacji?

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

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

Bliźniak z zespołem Beckwitha-Wiedemanna

Mechanizmy kontroli rozwoju roślin. Rafał Archacki

wykład dla studentów II roku biotechnologii Andrzej Wierzbicki

Regulacja transkrypcji genów eukariotycznych

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

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

Epigenetic modifications during oocyte growth correlates with extended parthenogenetic developement in the mouse

Podstawowe techniki barwienia chromosomów

EPIGENETYKA. genetyka XXI wieku? HUMAN GENOME PROJECT HUMAN GENOME PROJECT. CELE: 1. Identyfikacja - około 25 tys.

Modyfikacje epigenetyczne w czasie wzrostu oocytów związane z rozszerzeniem rozwoju partenogenetycznego u myszy. Małgorzata Karney

Spis treści CYKL KOMÓRKOWY

Bioinformatyka wykład 9

WARUNKI ZALICZENIA PRZEDMIOTU- 5 ECTS

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

Przegląd budowy i funkcji białek

Możliwości współczesnej inżynierii genetycznej w obszarze biotechnologii

Spis treści. 1 Budowa genomu jądrowego (M.J. Olszewska, J. Małuszyńska) 13. Przedmowa 10

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

Komputerowe wspomaganie projektowanie leków

Toruń, dnia r.

białka wiążące specyficzne sekwencje DNA czynniki transkrypcyjne

WYKŁAD: 4. Sirtuiny - eliksir młodości nowej generacji? Dieta niskokaloryczna (calorie restriction,cr)

Zmiany epigenetyczne a dieta

Drożdżowe systemy ekspresyjne

NUTRIGENOMIKA na co mają geny apetyt. Ewa Róg - Zielińska

Spis treści 1 Komórki i wirusy Budowa komórki Budowa k

Geny i działania na nich

Wybrane techniki badania białek -proteomika funkcjonalna

DNA i RNA ENZYMY MODYFIKUJĄCE KOŃCE CZĄSTECZEK. DNA i RNA. DNA i RNA

TECHNIKI ANALIZY RNA TECHNIKI ANALIZY RNA TECHNIKI ANALIZY RNA

BIOLOGIA KOMÓRKI - KARIOKINEZY

Zmiany epigenetyczne a dieta

Pamiętając o komplementarności zasad azotowych, dopisz sekwencję nukleotydów brakującej nici DNA. A C C G T G C C A A T C G A...

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

Transkrypt:

Wykład 3 Organizacja jądra komórkowego struktura chromatyny

Struktura jądra komórkowego Matriks jądrowa - jądro komórkowe pozbawione chromatyny Nukleoplazma Heterochromatyna Euchromatyna Jąderko Otoczka jądrowa Błona wewnętrzna otoczki jądrowej Błona zewnętrzna otoczki jądrowej Blaszka jądrowa Przestrzeń okołojądrowa

Blaszka jądrowa lamina jądrowa LMNB1: lamina B1 LMNB2: lamina B2 i B3 LMNA: lamina A i C Lamina Dimer Polimer Protofilament Filament (10 nm dł.)

Laminopatie Gen LMNA EMD: dystrofia mięśniowa Emery ego-dreiffus a DCM: kardiomiopatia LGMD1B: dystrofia mięśniowa typu 1B CMT2: Charcot-Marie-Tooth neuropatia typu 2 MAD: mandibuloacral dysplasia

Niektóre mutacje w genie LMNA powodują syndrom przedwczesnego starzenia progerię Hutchinson a-gilford a oraz atypowy syndrom Wernera

Funkcje części peryferyjnej jądra komórkowego

Struktura jądra komórkowego Matriks jądrowa - jądro komórkowe pozbawione chromatyny Nukleoplazma Heterochromatyna Euchromatyna Jąderko Otoczka jądrowa Błona wewnętrzna otoczki jądrowej Błona zewnętrzna otoczki jądrowej Blaszka jądrowa Przestrzeń okołojądrowa

DNA w jądrze jest ściśle upakowane 2 metry DNA w każdej komórce 5 x 10 10 km DNA w ludzkim ciele Nić DNA Włókno nukleosomowe Włókno 30-sto nm Chromatyna interfazowa Skondensowany fragment chromosomu Całkowita długość 46 chromosomów metafazowych wynosi tylko 200 µm Chromosom metafazowy

Główna powtarzająca się jednostka strukturalna chromatyny to nukleosom Oudet et al. (1975). Electron microscopic and biochemical evidence that chromatin structure is a repeating unit. Cell 4, 281-300.

Modele struktury włókna 30-sto nm

Upakowanie DNA chromosomowego u bakterii

Konsekwencją nawinięcia DNA na nukleosomy i jego ścisłego upakowania w jądrze komórkowym jest utrudniony dostęp innych białek do DNA: transkrypcja, replikacja i naprawa DNA odbywa się w kontekście chromatyny

Rodzaje chromatyny Euchromatyna otwarta (luźna); aktywna transkrypcyjnie Euchromatyna zamknięta (zwarta); nieaktywna transkrypcyjnie (cicha), ale może przejść w euchromatynę otwartą Heterochromatyna; permanetnie w stanie wysokiego skondensowania (zwarta, cicha); brak transkrypcji (!) W różnych typach komórek (tkanek) inne obszary chromatyny będą skondensowane lub luźne

Regulacja organizacji chromatyny w czasie i przestrzeni 1. Kowalencyjne modyfikacje potranslacyjne histonów 2. Wymiana histonów na ich warianty sekwencyjne lub na histony o innych modyfikacjach potranslacyjnych, a także przesuwanie nukleosomów wzdłuż DNA przez ATP-zależne kompleksy przebudowujące chromatynę 3. Metylacja DNA

Struktura atomowa nukleosomu H3 H2A H2B H4 Ogony histonów Oktamer histonowy = H3-H4 tetramer + 2 (H2A-H2B dimer)

Struktura atomowa nukleosomu Ogony histonów Nukleosom = oktamer histonowy + histon łącznikowy + 146 pz DNA (1,7 obrotu)

Histony najbardziej uniwersalne białka u eukariontów H1 (H5) najbardziej zmienny (213 aa) H2A i H2B silnie konserwatywne (129 i 125 aa) H3 i H4 najbardziej konserwatywne białka w przyrodzie (135 i 102 aa) H4 między histonem z grochu i krowy różnica tylko dwóch aminokwasów

Histony u archebakterii Tetramer (2 + 2) Podobieństwo strukturalne do tetrameru eukariotycznego (H3+H4) 2 Brak ogonów

Warianty sekwencyjne histonów Rodzaj histonu H3, H4, H2A, H2B H3.3, H2A.X, H2A.Z, H2A Bbd, Macro H2A Liczba kopii genów Co najmniej dwie Obecność intronów Nie Czas syntezy Tylko początek fazy S cyklu komórkowego Jedna Tak W różnych fazach cyklu komórkowego; niezależnie od syntezy DNA Poliadenylacja mrna histonu Nie Tak

Regulacja organizacji chromatyny w czasie i przestrzeni 1. Kowalencyjne modyfikacje potranslacyjne histonów 2. Wymiana histonów na ich warianty sekwencyjne lub na histony o innych modyfikacjach potranslacyjnych, a także przesuwanie nukleosomów wzdłuż DNA przez ATP-zależne kompleksy przebudowujące chromatynę 3. Metylacja DNA

Kowalencyjne modyfikacje histonów dotyczą głównie ich N-końcowych ogonów 4 9

Acetylacja histonów Seria acetylo-lizyn (bardziej obojętne niż dodatnio naładowane lizyny) na ogonach histonów osłabia interakcje elektrostatyczne między histonami a DNA, co pozwala na rozluźnienie chromatyny, dostępność DNA dla czynników transkrypcyjnych i aktywację transkrypcji Inne funkcje: regulacja replikacji DNA, naprawy DNA poprzez przebudowę chromatyny; acetylowane lizyny są wtedy miejscami przyłączenia dla odpowiednich białek regulacyjnych za pośrednictwem bromodomeny Za acetylację odpowiedzialne są acetylotransferazy (HAT), a donorem grupy acetylowej jest acetylo-coa Acetylacja jest odwracalna; deacetylacje przeprowadzają deacetylazy (HDAC)

Metylacja histonów Metylacja lizyny powoduje zwiększenie hydrofobowego i kationowego charakteru tej reszty aminokwasowej; w zależności od enzymy lizyna może być mono, di lub trimetylowana. Di (H3Lys9) i trimetylacja (H3Lys27), także metylacja H3 Lys14, stanowi sygnał, że dany region powinien być transkrypcyjnie wyciszony i tworzyć heterochromatynę. Natomiast Lys4 i 36 zmetylowane są w euchromatynie. Za metylację odpowiedzialne są metylotransferazy (HMT) zawierające domenę SET, np. Set1, Set7, Set9, a donorem grupy metylowej jest S-adenozyl- L-metionina (SAM) lub S-adenozylhomocysteina (AdoHcy); metylacja H3K79 katalizowana jest przez Dot1 spoza rodziny Set. Usunięcie grup metylowych: wymiana nukleosomów modyfikacje chemiczne zmetylowanych reszt lub enzymatyczna demetylacja Chromodomena

Fosforylacja histonów Fosforylacja Ser 10 histonu H3 niezbędna jest do kondensacji chromosomów i prawidłowej mitozy; także pozytywna rola w aktywacji transkrypcji: hamuje metylację lizyny 9 histonu H3 i promuje acetylację lizyn położonych w jej sąsiedztwie Zidentyfikowano ufosforylowane seryny na wszystkich histonach (fosforylacja wariantu H2A niezbędna jest w aktywacji naprawy DNA i regulacji cyklu komórkowego po uszkodzeniu DNA)

Ubikwitynacja histonów H2A-Ub Ubikwitynacja polega na przyłączeniu wiązaniem kowalencyjnym cząsteczki ubikwityny (76 aa, małe globularne białko) lub pokrewnej cząsteczki sumo Ubikwitynacji ulegają specyficzne lizyny na C-końcach histonu H2A (nie u drożdży) i H2B; sumoilacji podlega z kolei histon H4 Proces ubikwitynacji H2B wymaga trzech enzymów: enzym aktywujący ubikwitynę E1, który tworzy ester z Ub i przenosi ją następnie na enzym E2, nośnik ubikwityny (u drożdży jest to Rad6), który łączy się z enzymem E3 ligazą ubikwityna-białko (Bre1), która liguje Ub z histonem (np. H2B Lys123 u drożdży, Lys 120 u ludzi). Ubikwitynacja histonów skorelowana jest z aktywacją transkrypcji, a sumolacja z represją Proteaza Ubp8, składnik kompleksu SAGA, katalizuje usuwanie Ub z histonów regulacja ekspresji Ubikwitynacja histonu H2B jest niezbędna do metylacji Lys4 i Lys79 w histonie H3

Hipoteza kodu histonowego (Brian D. Strahl & C. David Allis; 2000, Nature) Chromatyna posiada specyficzne wzory modyfikacji potranslacyjnych, które można uznać za zakodowana informację odczytywaną przez białka modyfikujące i przebudowujące chromatynę Odpowiednie wzory modyfikacji chromatyny umożliwiają przyłączanie się do chromatyny białkom regulacyjnych biorących udział w regulacji transkrypcji i naprawie DNA lub/oraz odsłaniają DNA, do którego mogą się przyłączać bezpośrednio inne czynniki regulacyjne Określona modyfikacja specyficznej reszty aminokwasu w histonie może regulować modyfikację tej samej reszty aminokwasowej w innym histonie lub innej reszty w tym samym histonie Odpowiedni wzór modyfikacji chromatyny w danym regionie chromosomu może być dziedziczony

Kod histonowy przykłady wzorów modyfikacji chromatyny oraz relacje między modyfikacjami histonów Euchromatyna Heterochromatyna

Dziedziczenie metylacji histonów metylaza

Wymiana histonów Nawijanie DNA na nukleosomy po replikacji Wymiana histonów podczas transkrypcji Wymiana histonów

ATP-zależna przebudowa chromatyny Remodeling (przebudowa, wymiana histonów i nukleosomów) chromatyny: - wymiana histonów na warianty histonowe lub na te same, ale o innych modyfikacjach - usunięcie histonów z regionów regulacyjnych DNA - przesunięcie nukleosomów (cis wzdłuż tej samej cząsteczki DNA i trans między różnymi cząsteczkami DNA) - odciąganie fragmentów DNA od histonów, tworzy się pętla DNA Za remodeling chromatyny odpowiedzialne są kompleksy wielobiałkowe zawierające podjednostki ATPazowe, które warunkują ATP-zależne zmiany konformacyjne w nukleosomach; wyróżniamy cztery typy kompleksów odpowiedzialnych za remodeling: 1. SWI2 (zawierają bromodomenę,wszystkie rodzaje przebudowy chromatyny), 2. ISWI (przesuwanie nukleosomów) 3. INO80/SWR (wymiana histonów) 4. CHD (zawierają chromodomenę, regulacja transkrypcji)

Powstawanie cichej i aktywnej chromatyny zależne od modyfikacji potranslacyjnych histonów Rozprzestrzenianie Cicha Chromatyna

Metylacja DNA Kowalencyjnym modyfikacjom nie ulegają tylko histony, ale także samo DNA w postaci metylacji cytozyn w obrębie wysp CpG; wyst. u ssaków i roślin, ale nie u niższych zwierząt czy drożdży DNA metylotransferazy: DNMT Rola metylacji DNA: imprinting, inaktywacja chromosomu X, rozwój embrionalny, represja sekwencji powtórzonych i transpozonów Do zmetylowanego DNA przyłączają się białka z domeną MBD (methyl-cpg binding domain), do którego z kolei przyłącza się kompleks deacetylazy histonowej, co prowadzi do kondensacji chromatyny i represji ekspresji genów; mogą się również przyłączać metylotransferazy histonowe Mutacje w regulatorach metylacji DNA związane są z chorobami: syndrom Rett a i zespół łamliwego chromosomu X (dodatkowe wyspy CpG w promotorze FMR1, wyciszenie tego genu)

Udział metylacji DNA w rozprzestrzenianiu i utrzymywaniu stanu wyciszonej chromatyny Do H3K9-Me przyłącza się adaptor HP1, który nie tylko przyłącza HMT, ale także DNMT, który metyluje DNA Samonapędzający się cykl ustanawiania i podtrzymywania epigenetycznego stanu wyciszenia chromatyny - Przyłączanie MBD do zmetylowanej cytozyny w DNA - MBD umożliwia przyłączenie HDAC - następuje deacetylacja H3K9 -MBD przyciąga także HMT -HMT metyluje H3K9 -Do H3K9-Me przyłącza się adaptor HP1, który przyciąga HMT

Zaburzenia metylacji DNA mogą prowadzić do nowotworów Heterochromatyna konstytutywna Komórki normalne Komórki rakowe Asocjacja i oddziaływanie między Suv20h-HP1-DNMT Trimetylacja H4K20 i metylacja DNA Brak oddziaływania między Suv20h-HP1-DNMT Brak trimetylacji H4K20 i hypometylacja DNA

Epigenetyczna informacja oznacza dziedziczne zmiany funkcji genów, które są przekazywane komórkom potomnym, ale które nie są wynikiem zmian w sekwencji DNA, lecz modyfikacjami chromatyny. Przykładem mechanizmów epigenetycznych są modyfikacje potranslacyjne histonów, metylacja DNA i aktywna przebudowa chromatyny.

Niehistonowe składniki chromatyny Białka HMG Kompleksy przebudowujące chromatynę Czynniki transkrypcyjne np. aktywatory i represory transkrypcji Białka biorące udział w replikacji i naprawie DNA

Białka HMG niehistonowe składniki chromatyny HMG = high mobility proteins, białka o zwiększonej ruchliwości elektroforetycznej; druga po histonach najbardziej liczna grupa białek chromatyny Biorą udział w ustanawianiu aktywnej i wyciszonej chromatyny, w dostrajaniu regulacji transkrypcji HMG reagują z nukleosomami, czynnikami transkrypcyjnymi, histonem H1 oraz kompleksami przebudowującymi chromatynę 3 rodziny HMG: HMGA, HMGB, HMGN; dosyć małe, do 30 kda; liczne post-translacyjne modyfikacje HMGA i B bezpośrednio przyłączają się do DNA na zewnątrz nukleosomów, a HMGN przyłącza się wewnątrz nukleosomów między spiralą DNA a oktamerem histonowym

Mechanizm działania białek HMG