Wykład 1. Biologia. Genetyka ogólna Komórka eukariotyczna Jądrowy i mitochondrialny DNA

: Tematyka szczegółowa Komórka eukariotyczna – kierunek przepływu informacji genetycznej; Genom jądrowy: wielkość; sposób upakowania informacji genetycznej; Genom mitochondrialny budowa; dziedziczenie.

Komórki pro- i eukariotyczne Komórki organizmów prokariotycznych nie mają wyodrębnionego jądra i są dużo mniejsze od komórek eukariontów; Komórki bakterii Escherichia coli (pałeczka okrężnicy) Komórki eukariontów zawierają organelle otoczone błoną.

Komórka eukariotyczna Budowa komórki zwierzęcej: 1 – jąderko; 2 – błona jądra komórkowego; 3 – rybosom; 4 – pęcherzyk; 5 – szorstkie retikulum endoplazmatyczne; 6 – aparat Golgiego; 7 – mikrotubule; 8 – gładkie retikulum endoplazmatyczne; 9 – mitochondrium; 10 – wakuole; 11 – cytoplazma; 12 – lizosom; 13 – centriola.

Jądro – stanowi centrum dowodzenia komórki i zawiera prawie całą Eukariotyczne organelle komórkowe związane z przepływem informacji genetycznej Jądro – stanowi centrum dowodzenia komórki i zawiera prawie całą informację genetyczną, która z jądra przepływa do ER na rybosomy Mitochondria – zawierają własny DNA oraz własne rybosomy zawieszone w macierzy, są endosymbiontami syntetyzującymi energię

Inne organelle komórkowe Siateczka śródplazmatyczna (ER) gładka i szorstka; nieregularny labirynt przestrzeni zamkniętej pofałdowaną błoną, to miejsce w którym wytwarzane są zarówno składniki większości błon jak i substancji przeznaczonych na eksport komórki; błona i światło ER są nośnikami całych systemów enzymatycznych. Na rybosomach związanych z siateczką zachodzi drugi etap ekspresji genów związany z biosyntezą białka; Aparat Golgiego - w stosach spłaszczonych, obłonionych woreczków odbywają się modyfikacje chemiczne cząsteczek wytworzonych w siateczce endoplazmatycznej, w tym cząsteczek peptydów – prostych produktów genowych, które następnie kierowane są do miejsc przeznaczenia Konkluzja – przepływ informacji genetycznej jest ukierunkowany od jądra przez cytoplazmę do miejsc przeznaczenia produktów genowych w komórce i poza nią.

Wielkość genomu jądrowego Homo sapiens Genom jądrowy człowieka zawiera 3 000 Mb, tj.3 miliardy par zasad (1para zasad = 1base pair – ang.) Mb = 1 mega base pair = 1 milion par zasad, 1 kb = 1 kilko base pair = 1 tysiąc par zasad. Genom mitochondrialny człowieka zawiera 16 569 pz Stosunek wielkości genomu jądrowego do mitochondrialnego wynosi 181000 : 1

Anatomia genomu człowieka Cały genom ma wielkość: 3 000 Mb, w tym: 1. DNA kodujący (tj. geny) 90 Mb (3% genomu!!); 2. DNA niekodujący ale związany z genami – 810 Mb (27% genomu); 3. DNA pozagenowy – 2 100 Mb (70% genomu !!!)

Chromosomy jądrowe Białka niehistonowe to białka: Chromosom – z gr. chromos – barwny oraz soma – ciało. Chromosom zbudowany jest jest z DNA, z histonów, białek niehistonowych oraz z RNA występującego głównie w rejonach chromosomów aktywnych transkrypcyjnie. Białka niehistonowe to białka: enzymatyczne (związane z funkcjonowaniem kwasów nukleinowych, np. polimerazy DNA i RNA, topoizomerazy); strukturalne (np. biorące udział w destabilizacji podwójnej helisy podczas replikacji, - helikazy); regulatorowe (wchodzące wskład kompleksów transkrypcyjnych).

Upakowanie chromosomów jądrowych Histony H1, h2A, H2B, H3 i H4 zbudowane są z białek zasadowych; tworzą z DNA kompleksy zwane nukleosomami, które budują następnie wyższe struktury zwane solenoidami. Taka budowa pozwala (podczas metafazy), na zwinięcie cząsteczki DNA w stosunku 1: 10 000. W komórce somatycznej człowieka podczas interfazy, całkowita długość DNA wszystkich chromosomów jądrowych wynosi 2 metry. W czasie metafazy mitozy upakowanie chromatyny redukuje długość DNA do 200 mikrometrów (10 000 razy). Chromatyna aktywna transkrypcyjnie (euchromatyna) kondensuje słabiej niż heterochromatyna zwarta (konstytutywna), nieaktywna.

Genom jądrowy człowieka, wzór prążkowy (idiogram) Idiogram chromosomów człowieka Genom jądrowy człowieka, wzór prążkowy (idiogram) Unikatowy wzór prążków pozwala zidentyfikować każdy chromosom człowieka. Prawidłowa komórka somatyczna człowieka zawiera po dwa chromosomy zwane autosomami oraz dwa chromosomy płciowe (XX u kobiet oraz XY u mężczyzn)

Kariotyp człowieka U góry: kariotypy człowieka - klasyczny oraz spektralny. Kariotyp jest to zbiór wszystkich chromosomów komórki somatycznej (2n) sfotografowany w komórce ulegającej podziałowi mitotycznemu; chromosomy rozrzucone są na płytce równikowej w czasie metafazy

Kariogram człowieka Kariogram tworzą wycięte z fotografii chromosomy ułożone następnie w pary homologiczne. Pary układa się w kolejności zależnej od wielkości chromosomów oraz położenia centromeru. W poszukiwaniu homologów pomocne są prążki (w metodach klasycznych, po lewej) bądź kolory (w metodach najnowszych) jak np. przy barwieniu spektralnym (po prawej).

Morfologia chromosomów jądrowych

Kształty chromosomów jądrowych Metacentryczny Submetacentryczny Akrocentryczny Telocentryczny

STRUKTURA CHROMOSOMU METAFAZOWEGO Elementy budowy chromosomu metafazowego: 1. Chromatyda, 2. Centromer, 3. Krótkie ramię, 4. Długie ramię

Chromosomy interfazowe U góry po lewej: chromatyna wewnątrz jądra jest widoczna w postaci rozproszonej nakrapianej masy, heterochromatyna (zwarta) wybarwiona ciemno występuje głównie peryferycznie, bezpośrednio pod otoczką jądrową. Po prawej: rysunek przekroju przez typowe jądro komórkowe, widać połączenie jądra z ER. Jąderko (szare) jest miejscem syntezy rybosomowego RNA

DNA w chromosomach interfazowych jest bardziej rozproszony niż w chromosomach mitotycznych Po lewej: mikrografia przedstawia rozproszone włókna chromatyny wylewające się z jądra interfazowego poddanego lizie. Po prawej: fotografia z mikroskopu elektronowego skaningowego przedstawia chromosom mitotyczny. Jest to chromosom podwojony złożony z dwóch chromatyd połączonych centromerem. Zauważ różnicę w skali zdjęć.

KONDENSACJA CHROMATYNY W CHROMOSOMIE MITOTYCZNYM

Podstawowymi jednostkami struktury chromatyny są nukleosomy Oktamer histonowy zawiera osiem cząsteczek białek histonowych tworzących szpulkę, na którą będzie nawinięty DNA. Nukleosom zawiera DNA owinięty wokół rdzenia histonowego zbudowanego z ośmiu cząsteczek histonów (białek zasadowych). Zwróć uwagę na rolę cząsteczki białka histonowego H1.

Nukleosomy można oglądać w transmisyjnym mikroskopie elektronowym U góry: chromatyna izolowana z jądra interfazowego wygląda jak włókno o grubości 30 nm. U dołu: Mikrografia elektronowa fragmentu chromatyny zdekondensowanej, którą po izolacji ,,rozpakowano’’, aby ukazać nukleosomy.

Nukleosom upakowany jest we włókna chromatyny grubości 30nm Struktura włókien 30-nanometrowych może zawierać trzy kombinacje odmian nukleosomów w formie różnie napiętych odmian zygzaków. Przejścia między tymi trzema odmianami form nukleosomów (zygzaków) mogą następować w wyniku rozciągania i kurczenia włókien, przypominającego grę na akordeonie.

Chromosomy mitochondrialne DNA w mitochondriach człowieka występuje w formie ok.10 pojedynczych kolistych dwuniciowych cząsteczek DNA. Są samoodtwarzalne i zawierają 16 569pz. Ta wielkość zawiera DNA budujące 22 geny tRNA, geny dla 2 typów RNA oraz geny kodujące 13 peptydów będących podjednostkami różnych etapów fosforylacji oksydacyjnej

Różnice między jądrowym i mitochondrialnym DNA MtDNA różni się od DNA jądrowego pod względem rozpoznawania kodonów dla wielu aminokwasów (np. UGA nie koduje terminacji translacji lecz tryptofan). MtDNA nie zawiera intronów oraz genów dla mechanizmów naprawczych (dlatego tempo mutacji jest 10 razy wyższe od jądrowego). W mtDNA obie nici podlegają transkrypcji i translacji, podczas gdy w jądrowym DNA tylko jedna. Każda komórka zawiera setki mitochondriów, które znajdują się w cytoplazmie, więc są przekazywane wyłącznie przez komórkę jajową (dziedziczenie mateczne).

Charakterystyka mitochondrialnych DNA różnych gatunków długość (mikrom), ilość par zasad Człowiek 5 16 569 Mysz 5 16 295 Groch 30 90 000 Drożdże 25 78 000 Tetrahymena 15 47 000 (płaz)

Mikrografia elektronowa z widoczną cząsteczką DNA w macierzy mitochondrium

Samoreplikacja mitochondrium . DNA mitochondrialny widoczny jest powyżej w jasnej macierzy w postaci drobnych nici w formie bardzo krótkich odcinków

Porównanie tempa mutacji w jądrowym i mtDNA w oparciu o marker uszkodzeń oksydacyjnych Poziom uszkodzeń oksydacyjnych w DNA (zarówno jądrowym jak i mitochondrialnym), wzrasta wraz z wiekiem. Jednakże z uwagi na fakt, iż mtDNA nie posiada genów dla enzymów naprawczych, w oparciu o badania markera uszkodzeń tlenowych: 8-oxo- 2’deoksyguanozyny, który jest znacznikiem uszkodzeń tlenowych genomu (jest produktem modyfikacji zasad azotowych w DNA), stwierdzono, że mtDNA wykazuje 10 krotnie większą liczbę mutacji, w porównaniu z genomem jądrowym. Genom mitochondrialny inicjuje starzenie się organizmu starzeje się 10 razy szybciej od DNA jądrowego, odpowiada za wiele chorób dziedziczących się ze strony matki (dziedziczenie mateczne).

Dziękuję za uwagę