Mobilne elementy genetyczne; Organizacja materiału genetycznego eukariontów

Plamkowy fenotyp kukurydzy Purpurowy kolor ziarniaków kukurydzy – wynik ekspresji genów kontrolujących syntezę antocyjanów Dezaktywacja niektórych z tych genów w trakcie rozwoju kolby – komórki ziarniaków stanowiące potomstwo komórki, w której doszło do dezaktywacji są pozbawione pigmentu (plamy) Im wcześniej w rozwoju ziarniaka dojdzie do dezaktywacji, tym plamy są większe

Barbara McClintock – Nobel 1983 Postulat (1948): w kukurydzy działają dwa rodzaje elementów kontrolujących stan genomu: A) Ds - Dissociation – elementy nie autonomiczne B) Ac – Activator – elementy autonomiczne Elementy mobilne w genomie E. coli – lata 1960.

Transpozycja u bakterii – elementy IS (Insertion Sequences) Odwrócone powtórzenia Najprostsze elementy mobilne: blokują ekspresję genu docelowego i wszystkich genów poniżej znajdujących się w tym samym operonie. Transpozaza – enzym katalizujący transpozycję IS1 – 768 bp 20/23 IR Występuje: 5-8 kopii na kolisty chromosom bakterii IS10R – 1329 bp 17/22 powszechny.

Transpozycja u bakterii- proste transpozony Podobne do IS, ale DNA może kodować kilka produktów Tn1 (ampicylina) 4957 bp Tn7 (oporność na 3 różne antybiotyki) 14 000 bp

Transpozycja u bakterii – złożone transpozony Przykład ewolucji w stronę wzrostu złożoności: Synchronizacja dwóch elementów IS w celu przeniesienia sekwencji znajdującej się pomiędzy nimi. Zwykle tylko jeden z dwóch IS zachowuje funkcjonalną transpozazę. Tn5 (kanamycyna) 5700 bp; Tn9 (chloramfenikol) 2638 bp; Tn10 (tetracyklina) 9300 bp

Mechanizmy transpozycji- transpozycja prosta Transpozycja prosta (bezpośrednia, konserwatywna) – przeniesienie elementu z jednego miejsca w drugie. Wycięcie z pozostawieniem nienaprawialnego dwuniciowego pęknięcia. Wprowadzenie nacięcia z przesunięciem w miejscu wstawienia. Duplikacja sekwencji donorowej w miejscu wstawienia

Mechanizmy transpozycji- transpozycja z replikacją Resolwaza utrzymuje dwie cząsteczki DNA razem I katalizuje wymianę Replikacja transpozonu Nacięcie z przesunięciem po obu stronach zreplikowanego transpozonu i w sekwencji donorowej. Połączenie obu cząsteczek i naprawa (fuzja) Miejscowo specyficzna rekombinacja katalizowana przez enzym resolwazę odtwarza dwie cząsteczki, z których każda zawiera kopie transpozonu

Model transpozycji z replikacją

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.

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

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

Budowa cząstki rdzeniowej na podstawie analizy rentgenowskiej Spłaszczony cylinder srednica 11 nm Układ dna-oktamer jest stabilizowany przezponad 120 interakcji DNA-histony w 14 miejscach na superhelisie DNA +oddziaływania posredniczone przez czast wody. Dzieki tym oddziaływaniom struktura nukleosomu jest podobna mimo roznych sekwencji DNA i jego lokalnych konformacji Warianty sekwencyjne-zmiana struktury (np. H2A.Z)

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)

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

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

Struktury ponadnukleosomowe solenoid

Stabilizatory struktur wyższego rzędu na powstawanie włókna 30nm oraz struktur wyższego rzędu mają wpływ histon H1 oraz C i N- końcowe domeny histonów rdzeniowych

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.

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 potranslacyjne histonów wyspecjalizowane warianty histonów ATP-zależna przebudowa (remodeling) chromatyny

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

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