Organizacja materiału genetycznego u roślin

Chromatyna wypełnia jądro komórkowe Chromatyna - kompleks nukleoproteinowy DNA, histony, białka niehistonowe Funkcja strukturalna oraz regulacyjna W jadrze nie ma nagiego DNA tylko chromatyna, co wpływa decydujaco na przebieg zachodzacych w nim procesow:replikacja, transkrypcja itd… , zaburzenia wystepuja w wielu chorobach, m.in. nowotworach

Maksymalny stopień kondensacji DNA osiąga w chromosomach W jadrze interfazowym jest bardziej rozluzniona

Białka histonowe Histony-uniwersalne u eukariota (jaki jest wyjątek? - protaminy) Małe, zasadowe – lizyna i arginina Domeny globularne- rownomiernr rozmieszczenie ladunku,; odpowiedzialne za oddziaływania międzyhistonowe histonow rdzeniowych oraz wiazanie z DNA ;ogony sa zasadowe , w H1 N i C końcowe Bardzo konserwowane – najbardziej H4, 2 różnice miedzy krową i grochem. Ogony sa bardziej zmienne szczególnie w H1, H2A i H2B Różnice w sekw aa sa podstawa do wyroznienia wariantow sekwencyjnych , szczególnie duzo dla h1, brak dla H4. są kodowane przez odrebne geny.

„Sznur korali” (‘beads on the string’) Olins & Olins, 1973 http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/N/Nucleus.html

Dean Hewish, 1973 Leigh Burgoyne, 1973 Photo of chromatin digested by nuclease, from Hewish and Burgoyne's 1973 experiment. Dean Hewish, 1973 Leigh Burgoyne, 1973

Trawienie chromatyny DNAzą -Drabinka nukleosomowa Mono, di, tri nukleosomy itd. Dlugie trawiienie ujawnia chromatosom i cz. Rdzeniowa – coraz krotsze DNA

NUKLEOSOM JEST PODSTAWOWĄ JEDNOSTKĄ STRUKTURALNĄ CHROMATYNY Roger Kornberg w 1974 r. zaproponował model, w którym DNA owinięty jest wokół rdzenia histonowego tworząc nukleosom NUKLEOSOM JEST PODSTAWOWĄ JEDNOSTKĄ STRUKTURALNĄ CHROMATYNY aureat Nagrody Nobla w dziedzinie chemii w 2006 8

Fałd histonowy Charakt motyw strukturalny dla hist rdzeniowych odpowiada za interakcje histonow oktameru w nukleosomie Ok. 70aa, 3 helisy i krótkie łączniki

Złożenie fałdów (hand shake) Silne oddziaływanie

Konserwowane elementy na obrzeżu oktameru Odpowiedzialne za interakcje histony-DNA

Oktamer – oddziaływanie z DNA Podstawową, powtarzalną jednostką strukturalną chromatyny jest nukleosom. W budowie nukleosomu można wyróżnić tzw. cząstkę rdzeniową – zwartą strukturę w kształcie spłaszczonego cylindra, złożoną z ośmiu cząsteczek histonów (po dwie cząsteczki histonów H2A, H2B, H3 i H4) na które nawinięty jest fragment DNA. Ogony wystaja na zewnatrz nukleosomu

Struktura krystalogtaficzna cząstki rdzeniowej nukleosomu Karolin Luger Timothy Richmond Luger K, Mader AW, Richmond RK, Sargent DF, Richmond TJ. Nature 1997 Sep18;389(6648):251-60 13

Składanie nukleosomu Nukleosom = H3H4 tetramer + 2 dimery H2AH2B Udział czaperonow przy składaniu

Zaginanie i zwijanie DNA na oktamerze Samo nawiniecie dna na oktamery wymusza pewna konformacje DNA Ściśle zwinięta lewoskrętna superhelisa ma ok. 80 pz na zwój i skok superhelikalny ok. 27,5 A.

Ekspozycja miejsc w helisie DNA na oktamerze Jedne fragmenty sa skierowane do wewnatrz, inne na zewnatrz nukleosomu

Mutacje SIN znoszą oddziaływania oktameru z DNA SIN (SWI/SNF independent) powoduja zmiane struktury chromatyny

Cząstka rdzeniowa, chromatosom i nukleosom Nukleosom = czastka rdzeniowa + H1 + DNA łącznikowe (ok.. 200bp, zmienne gatunkowo) Chromatosom=cz. Rdzeniowa bez DNA łącznikowego (Dł. DNA ok. 166bp) czastka rdzeniowa =oktamer +146bpDNA (nie ma DNA chronionego przez H1)

Umiejscowienie H1 w nukleosomie Albo wiaże się w jednym miejscu na DNA (po lewej) albo spina DNA lacznikowy w miejscu wejscia i zejscia

Rodzaje chromatyny w jadrze Struktura chromatyny nie jest jednolita, tzn. w jądrze komórkowym obok siebie występują regiony o niskim oraz wysokim stopniu kondensacji nazywane tradycyjnie eu- i heterochromatyną

Regulacyjna rola chromatyny Wczesne obserwacje wskazywały, że euchromatyna charakteryzuje się wysoką aktywnością transkrypcyjną, natomiast heterochromatyna – niską. Dużo późniejsze badania molekularne pozwoliły wyjasnic zależność pomiędzy stopniem upakowania chromatyny, a aktywnościa transkrypcyjną Zmiany struktury chromatyny mogą być trwałe i utrzymywać się przez kolejne podziały komórkowe - dziedziczenie epigenetyczne-, co ma miejsce m.in. w przypadku formowania nieaktywnej heterochromatyny w trakcie rozwoju [wazne pytanie - czy mod epig. mogą być dziedziczone????). W obrębie euchromatyny mogą natomiast zachodzić szybkie zmiany strukturalne, które pozwalają na przełączanie między stanem aktywnym i wyciszonym genu w odpowiedzi na sygnały płynące z zewnątrz do komórki.

Struktury ponadnukleosomowe solenoid

Nukleosomy zajmują określone miejsca w chromatynie A. Schemat ułożenia nukleosomów w chromatynie, pojęcie długości powtórzeń nuklesomowych. B. Silnie zlokalizowane i rozmyte nukleosomy. C. Nukleosomy a miejsca wiązania czynników transkrypcyjnych. G. Arya et al. jbsd 2010

Nukleosomy a transkrypcja Schemat otwartych (A) i zamkniętych (B) promotorów. Typowa mapa pozycyjna nukleosomów na otwartym promotorze pokazuje wyraźne wyróżnienie locus genowego przez obecność rejonów 5’ i 3’ wolnych od nukleosomów (NDR). (TSS) - miejsce startu transkrypcji. 5’ NDR sąsiaduje z silnie związanymi nukleosomami. G. Arya et al. jbsd 2010

Pozycjonowanie nukleosomów

Struktura a funkcja chromatyny Połączone ze sobą nukleosomy tworzą w roztworach o małej sile jonowej włókno chromatynowe o średnicy 10nm, które w warunkach fizjologicznych spontanicznie fałduje się w grubsze włókno o średnicy 30nm. Nie wyjaśniono do tej pory, jak zbudowane są struktury chromatyny wyższego rzędu Rola histonu H1 i ogonów rdzeniowych Różne formy chromatyny mogą wzajemnie miedzy soba przechodzic – zmiany te sa regulowane i decydują o przebiegu procesów genetycznych (np.. Transkrypcji ) w jądrze

Zmiany struktury chromatyny modyfikacje DNA modyfikacje potranslacyjne histonów wyspecjalizowane warianty histonów ATP-zależna przebudowa (remodeling) chromatyny

Metylacja DNA, Metylomy

Metylacja cytozyny w DNA

U bliźniąt monozygotycfznych różnice epigenetyczne (metylacja DNA) nagromadzają się w życiu osobniczym Significant DNA methylation changes are indicated as thick red and green blocks in the ideograms. The 50-year-old twin pair shows abundant changes in the pattern of DNA methylation (green=hypermethylation and red=hypomethylation), 3-year-old twins have a very similar DNA methylation (yellow). "...We found that, although twins are epigenetically indistinguishable during the early years of life, older monozygous twins exhibited remarkable differences in their overall content and genomic distribution of 5-methylcytosine DNA and histone acetylation, affecting their gene-expression portrait. These findings indicate how an appreciation of epigenetics is missing from our understanding of how different phenotypes can be originated from the same genotype." Proc Natl Acad Sci U S A. 2005 Jul 26;102(30):10604-9. Copyright (2005) National Academy of Sciences, U.S.A

Modyfikacje potranslacyjne białek histonowych D. Allis Turner 2002

Modyfikacje potranslacyjne białek histonowych – kod histonowy Kod histonowy – skomplikowana sprawa , nie tylko rodzaj ale i kombinacje modyfikacji decyduja o ich roli

Modyfikacje potranslacyjne białek histonowych Kozaurides 2007

Acetylacja lizyny w histonach

Elektroforetyczny dowód acetylacji histonów

Efekt acetylacji ogonów histonowych Inhibitory deacetylaz – leki przeciwnowotworowe i w chorobach OUN

Mechanizm działania modyfikacji potranslacyjnych białek histonowych Działanie bezpośrednie: zmiany w oddziaływaniach histon-DNA i histon-histon Działanie pośrednie: rekrutacja białek rozpoznających określone modyfikacje Kozaurides 2007

Warianty histonów – H2A Warianty h1- rozna dynamika wiazania z chromatyna

Warianty histonów - rozmieszczenie w chromosomach

SWI/SNF ISWI Mi2 Snf2 ATP-zależna przebudowa (remodeling) chromatyny Główne typy kompleksów remodelujących chromatynę SWI/SNF ISWI Mi2 Swp73 Swi3 Snf5 Snf2 ISWI

Działanie kompleksów remodelujących chromatynę Kingston & Narlikar, 1999 DDM1 ATP Brzeski & Jerzmanowski, 2003

ATP-zależna przebudowa (remodeling) chromatyny Jeden z mechanizmów remodelingu: przesunięcie oktameru histonów wzdłuż nici DNA

Chromatyna – hierarchia struktur Spekulacje co do struktur wyższego rzędu Różne formy chromatyny mogą wzajemnie miedzy soba przechodzic – zmiany te sa regulowane i decydują o przebiegu procesów genetycznych (np.. Transkrypcji ) w jądrze Czynniki regulatorowe prawdopodobnie decydują o przejsciach struktur na kazdym szczeblu Więcej informacji o regulacji chromatynowej i narzedziach uzywanych w badaniach chromatyny- fakultet Marty