INFORMACJA GENETYCZNA (jądrowa i mitochondrialna) BIOLOGIA KOMÓRKI (WYKŁAD 1, cz.2, BIOLOGIA, KIERUNEK LEKARSKI) klucz do platformy e-learning - biologia142 INFORMACJA GENETYCZNA (jądrowa i mitochondrialna) Organizacja i jej wykorzystanie Kwasy nukleinowe Budowa chromatyny Budowa genów prokariota i eukariota Regulacja replikacji DNA u prokariota i eukariota Regulacja transkrypcji - elementy regulatorowe cis i trans Translacja i jej regulacja – modyfikacje potranslacyjne http://biolmolgen.slam.katowice.pl/ Aleksander L. Sieroń

WYKŁAD 1; c.d. (BIOLOGIA I BIOLOGIA Z GENETYKĄ; KIERUNKI: LEKARSKI, FIZJOTERAPIA, PIELĘGNIARSTWO I POŁOŻNICTWO) INFORMACJA GENETYCZNA NOŚNIKI DNA JEDNONICIOWY DWUNICIOWY RNA GENY PROKARIOTYCZNE EUKARIOTYCZNE REPLIKACJA TRANSKRYPCJA TRANSLACJA Aleksander L. Sieroń

KOMÓRKA ZWIERZĘCA Aleksander L. Sieroń Jądro komórkowe (Nucleus) Jąderko (Nucleolus) Aleksander L. Sieroń

Skupiska ziarnistości interchromatynowych Chromatyna Skupiska ziarnistości interchromatynowych Wycinek obrazu jądra komórkowego w mikroskopie elektronowym transmisyjnym. Widoczne są wyraźne skupiska ziarnistości interchromatynowych (IGC). Michael J. et al. 1998, MBC, 9: 2491-2507

najbardziej zagęszczona Chromatyna najbardziej zagęszczona Organizacja DNA w jądrze fibroblastów. Cyfrowo opracowane skrawki mikroskopowe przygotowane niezależnie do barwienia DNA i SC35, czynnika składania mRNA. Pokazane rozmieszczenie DNA (barwnik zielony) i SC35 (barwnik czerwony). Dwa pierwsze zdjęcia, to skrajne skrawki powierzchniowe. Ostatnie zdjęcie to powierzchnia jądra komórkowego najbliższa zakotwiczenia komórki. Duże strzałki – obszary pozbawione chromatyny. Małe strzałki - najbardziej zagęszczone obszary chromatyny. Brak chromatyny SC35 DNA 10mm Michael J. et al. 1998, MBC, 9: 2491-2507

WYKŁAD 1; c.d. (BIOLOGIA I BIOLOGIA Z GENETYKĄ; KIERUNKI: LEKARSKI, FIZJOTERAPIA, PIELĘGNIARSTWO I POŁOŻNICTWO) INFORMACJA GENETYCZNA NOŚNIKI DNA JEDNONICIOWY DWUNICIOWY RNA GENY PROKARIOTYCZNE EUKARIOTYCZNE REPLIKACJA TRANSKRYPCJA TRANSLACJA Aleksander L. Sieroń

DNA JEDNONICIOWY MAJĄ GO NIEKTÓRE WIRUSY TYPU DNA CUKIER DEZOKSYRYBOZA ZASADA AZOTOWA PIRYMIDYNA ZASADA AZOTOWA PURYNA RESZTA KWASU FOSFOROWEGO MAJĄ GO NIEKTÓRE WIRUSY TYPU DNA Aleksander L. Sieroń

DNA DWUNICIOWY MAJĄ GO WSZYSTKIE EUKARIOTA, BAKTERIE I WIĘKSZOŚĆ CUKIER DEZOKSYRYBOZA MAJĄ GO WSZYSTKIE EUKARIOTA, BAKTERIE I WIĘKSZOŚĆ WIRUSÓW TYPU DNA ZASADA AZOTOWA PIRYMIDYNA ZASADA AZOTOWA PURYNA RESZTA KWASU FOSFOROWEGO C G A T Aleksander L. Sieroń

RNA JEDNONICIOWY MAJĄ GO WIRUSY TYPU RNA CUKIER RYBOZA ZASADA AZOTOWA PIRYMIDYNA ZASADA AZOTOWA PURYNA RESZTA KWASU FOSFOROWEGO MAJĄ GO WIRUSY TYPU RNA (RETROWIRUSY) URACYL ZA TYMINĘ Aleksander L. Sieroń

DNA może „kształtować siebie” na różne sposoby aby „osiągnąć własne cele w życiu”. Struktura krystaliczna połączeń między dwiema jego formami dostarcza informacji o tym jak DNA może osiągać te „akrobatyczne” figury. wypchnięta T wypchnięta A Nowy skręt. Struktura połączenia dwóch form B–Z opracowana przez Ha et al. (Ha, S. C., Lowenhaupt, K., Rich, A., Kim, Y. G. & Kim, K. K. Nature 437, 1183–1186 (2005). Obszar lewoskrętny Z-DNA łączy się z prawoskrętną strukturą B-DNA poprzez złącze, w którym jedna para zasad jest wykręcona na zewnątrz lub wystaje z heliksu DNA. (Ryc. zmodyfikowana z Sinden, NATURE, 437, 2005)

H3 i H4] (niebieskie i zielone) DNA między nukleosomami Upakowanie DNA w nukleosomie (około 200 par zasad/nukleosom) histony 2x [H2A, H2B, H3 i H4] (niebieskie i zielone) H1 (żółty) DNA 146 pz DNA między nukleosomami około 60 pz

Schemat upakowania DNA w nukleosomie

Nić DNA Włókno Nukleosomalne Solenoid Supersolenoid Chromatyda Chromosom

WYKŁAD 1; c.d. (BIOLOGIA I BIOLOGIA Z GENETYKĄ; KIERUNKI: LEKARSKI, FIZJOTERAPIA, PIELĘGNIARSTWO I POŁOŻNICTWO) INFORMACJA GENETYCZNA NOŚNIKI DNA JEDNONICIOWY DWUNICIOWY RNA GENY PROKARIOTYCZNE EUKARIOTYCZNE REPLIKACJA TRANSKRYPCJA TRANSLACJA Aleksander L. Sieroń

Elementy regulatorowe Elementy regulatorowe GEN EUKARIOTYCZNY (jest podzielony) Elementy regulatorowe typu cis Promotor (kasety bogate w AT) E1 I1 E2 I2 Ex Ix En UAA START ATG STOP UAG UGA Elementy regulatorowe typu trans SEKWENCJE KODUJĄCE [EXONY] SEKWENCJE NIEKODUJĄCE [INTRONY] GEN PROKARIOTYCZNY (jest ciągły) GEN 1 E1 E1 Promotor E1 ATG STOP GEN 2 GEN 4 E1 GEN 3 Aleksander L. Sieroń

zawierający sekwencje: GEN jest to odcinek DNA, zawierający sekwencje: regulatorowe promotora „strukturalne” Aleksander L. Sieroń

KAŻDY GEN WYSTĘPUJE W CO NAJMNIEJ DWÓCH FORMACH, ZWANYCH ALLELAMI Aleksander L. Sieroń

WYKŁAD 1; c.d. (BIOLOGIA I BIOLOGIA Z GENETYKĄ; KIERUNKI: LEKARSKI, FIZJOTERAPIA, PIELĘGNIARSTWO I POŁOŻNICTWO) INFORMACJA GENETYCZNA NOŚNIKI DNA JEDNONICIOWY DWUNICIOWY RNA GENY PROKARIOTYCZNE EUKARIOTYCZNE REPLIKACJA TRANSKRYPCJA TRANSLACJA Aleksander L. Sieroń

Replikacja DNA w/g Messelson & Stahl 1957 Aleksander L. Sieroń 1. Model semikonserwatywny 2. Model konserwatywny nić wyjściowa nić nowo-syntetyzowana Aleksander L. Sieroń

PO JEDNYM POKOLENIU PO WIELU POKOLENIACH 1. semikonserwatywnie 2. konserwatywnie PO WIELU POKOLENIACH 1. semikonserwatywnie 2. konserwatywnie Aleksander L. Sieroń

1) INICJACJA - Widełki replikacyjne MIEJSCA INICJACJI REPLIKACJI Topoizomeraza - odpowiada za rozpoczęcie rozplątywania DNA. Napięcie w strukturze heliksu w postaci splątanej (coiled) i supersplątanej (supercoiled structure) może spowodować peknięcie przez nadmierne „naciągnięcie” pojedynczej nici DNA, tak jak przy nadmiernym skręcaniu wokół siebie dwóch sprężyn trzymanych za końce. Przecięcie tylko jednej ze sprężyn zmniejszy więc napięcie wywołane skręcaniem i obie sprężyny rozkręcą się przy udziale Helikaza - rozsuwa nici podwójnej helisy, po usunięciu super-splątanego odcinka przez topizomerazę. Helikaza wymaga do swego działania energii, w postaci ATP, aby rozdzielić obie nici helisy, ponieważ oddziałują one ze sobą mocno za pośrednictwem bardzo licznych wiązań wodorowych. Nić oryginalna Nowa nić Starter RNA Strzałki wskazują kierunek replikacji DNA Nić opóźniona Nić wiodąca Fragment Okazaki Topoizomeraza Helikaza Zespół replikacyjny ORI MIEJSCA INICJACJI REPLIKACJI Aleksander L. Sieroń

Elongacja Nić opóźniona Nić oryginalna Nowa nić Nić wiodąca Aleksander L. Sieroń (2005/2006) Polimeraza DNA - postępuje wzdłuż pojedynczej nici DNA rekrutując wolne dNTP (dezoksy-nucleotydo-trójfosforan) do tworzenia wiązań wodorowych z właściwymi dla nich komplemen-tarnymi dNTP w pojedynczej nici (A z T i G z C), oraz tworzenia kowalencyjnych wiązań dwuestrowych z poprzedzającym nukleotydem nowosyntetyzowanej nici. Energia zmagazynowa-na w trójfosforanach jest używana do wiązania każdego nowego nukleotydu w rosnącej nici. Istnieją różne popstacie polimerazy DNA, jednak to polimeraza DNA III jest tą, która odpowiada za postępującą syntezę nowych nici DNA. Polimeraza DNA NIE MOŻE rozpocząć syntezy de novo na gołej nici. Wymaga ona starterów (primerów) z grupą 3'OH do której może być przyłączony dNTP. Polimeraza DNA jest zasadniczo kompleksem kilkunastu różnych podjednostek białkowych i dlatego jest często nazywana holoenzymem. Ten holoenzym posiada również aktywność kontrolną zapewniającą wstawianie odpowiedniej zasady, a także właściwości nukleazowe (wycinanie nukleotydów), które pozwalają na usuwanie błędów powstałych podczas syntezy. Ligaza - katalizuje tworzenie wiązań fosfo-dwuestrowych między sąsiadującymi końcami 3'OH i 5’fosforanu. Usuwa ona przerwę powstałą po usunięciu primera RNA. Polimeraza DNA katalizuje wiązanie na końcu 5' tego startera, ale ligaza jest potrzebna do utworzenia wiązania na jego końcu 3'. Białka wiążące jednoniciowy DNA - są ważne dla podtrzymania stabilności widełek replikacyjnych. Jednoniciowy DNA jest niestabilny, dlatego białka te wiążą się do niego przez cały czas gdy pozostaje on jako pojedyncze nici, chroniąc go przed degradacją. Nić oryginalna Nowa nić Starter RNA Strzałki wskazują kierunek replikacji DNA Nić opóźniona Nić wiodąca Fragment Okazaki Primaza - jest częścią kompleksu białkowego zwanego primeosomem. Enzym ten syntezuje krótki starter (primer) RNA do jednoniciowego DNA, który działa jako substytut końca 3'OH dla polimerazy DNA rozpoczynającej syntezę nowej nici. Starter RNA jest później usuwany przez RNazę H, a powstała przerwa jest wypełniana przez polimerazę DNA I. Polimeraza DNA Zespół replikacyjny Primaza ORI Ligaza (po RNAzie H) Białka wiążące jednoniciowy DNA

WYKŁAD 1; c.d. (BIOLOGIA I BIOLOGIA Z GENETYKĄ; KIERUNKI: LEKARSKI, FIZJOTERAPIA, PIELĘGNIARSTWO I POŁOŻNICTWO) INFORMACJA GENETYCZNA NOŚNIKI DNA JEDNONICIOWY DWUNICIOWY RNA GENY PROKARIOTYCZNE EUKARIOTYCZNE REPLIKACJA TRANSKRYPCJA TRANSLACJA Aleksander L. Sieroń

Komórki HeLa zielone od 5-fluorourydyny wbudowanej do RNA. http://www.cellnucleus.org/

Drobiny Znakowanie immunofluorescencyjne. Po usunięciu tła w obrazie z lewej strony. Fibroblasty znakowane przeciwciałami anty-SC35 do czynnika składania mRNA - 35. Michael J. et al. 1998, MBC, 9: 2491-2507

Dużej rozdzielczości mapa fosforowa RNA Dużej rozdzielczości mapa fosforowa RNA. Numerowane są pojedyncze ziarnistości występujące jako białe plamy na czarnym tle. Większość ziarnistości cechuje się obecnością RNA w postaci pofałdowanych ziarnistych struktur włókienkowych. Michael J. et al. 1998, MBC, 9: 2491-2507

Zależność między chromatyną acetylowaną i aktywnie transkrybowaną. Prawidłowe fibroblasty skóry człowieka inkubowano przez 1 h w obecności 5 mM bromo-urydyny, utrwalano i barwiono DPAI (lewy górny panel oraz niebieskie zabarwienie w pozostałych panelach), przeciwciałami przeciwko acetylowanemu histonowi H3 (zabarwienie czerwone w prawych panelach) oraz bromo-urydynie (zabarwienie zielone w dolnych panelach). Zabarwienie żółte wskazuje występowanie domen podobnych do IGC pozbawionych chromatyny. Czerwone kropki wskazują miejsca domen jąderkowych. Skala, 10 µm Michael J. et al. 1998, MBC, 9: 2491-2507

WYKŁAD 1; c.d. (BIOLOGIA I BIOLOGIA Z GENETYKĄ; KIERUNKI: LEKARSKI, FIZJOTERAPIA, PIELĘGNIARSTWO I POŁOŻNICTWO) INFORMACJA GENETYCZNA NOŚNIKI DNA JEDNONICIOWY DWUNICIOWY RNA GENY PROKARIOTYCZNE EUKARIOTYCZNE REPLIKACJA TRANSKRYPCJA TRANSLACJA Aleksander L. Sieroń

ZAPOCZĄTKOWANIE TRANSKRYPCJI INICJACJA Nić nonsensowa - niekodująca AACTGT ATATTA gen X początek transkrypcji pary zasad Nić sensowa - kodująca Aleksander L. Sieroń

pakowanie, metylacja, rearanżacje, amplifikacje, heterochromatyna, inaktywacja-X, reorganizacja DNA JĄDRO „CYTOZOL” DNA promotory, wzmacniacze, czynniki transkrypcji, białka wiążące, represory TRANSKRYPT RNA kapowanie, ogon poli-A, składanie, zmienne składanie FUNKCJONALNY RNA

Kompleksy przebudowy chromatyny Kompleksy modyfikacji chromatyny REGULACJA EKSPRESJI GENU DNA jest upakowany w nukleosomach i wyższorzędowych strukturach chromatyny Aktywatory wiążą elementy regulatorowe Kompleksy przebudowy chromatyny Kompleksy modyfikacji chromatyny Aktywatory rekrutują kompleksy przebudowujące i modyfikujące chromatynę http://web.wi.mit.edu/young/pub/activators_initiation.html

REGULACJA EKSPRESJI GENU Holoenzym Polimerazy II RNA TFIID Aktywatory rekrutują składniki aparatu transkrypcyjnego Aktywatory mogą stymulować aktywność powstałego aparatu transkrypcyjnego http://web.wi.mit.edu/young/pub/activators_initiation.html

TRANSKRYPCJA U EUKARIOTA Promotor E1 I1 E2 I2 En Ex Ix heterogenny jdrowy RNA hnRNA E1 I1 E2 I2 Ex Ix En ATG STOP SEKWENCJE NIEKODUJĄCE [INTRONY] SEKWENCJE KODUJĄCE [EXONY] (wycinane przez białko CPSF73 w kompleksie z innymi białkami) informacyjny RNA mRNA E1 E2 Ex En Modyfikacja końca 5’ Dobudowanie czapeczki „kapowanie” Modyfikacja końca 3’ Dobudowanie ogona poliA „poliadenylacja” C PoliA Aleksander L. Sieroń

pakowanie, metylacja, rearanżacje, amplifikacje, heterochromatyna, inaktywacja-X, reorganizacja DNA TRANSKRYPT RNA FUNKCJONALNY RNA promotory, wzmacniacze, czynniki transkrypcji, białka wiążące, represory kapowanie, ogon poli-A, składanie, zmienne składanie JĄDRO „CYTOZOL” DNA PRE-TRANSLACJA maskowanie, degradacja, dostarczanie TRANSLACJA wiązanie rybosomów, regulacja produktu końcowego BIAŁKO AKTYWNE BIAŁKO odcinanie, formowanie, modyfikacje grup R, fosforylacja NIEAKTYWNE BIAŁKO hamowanie, degradacja

Rodzaje RNA syntetyzowane przez komórkę mRNA - informacyjny RNA (ang. messenger RNA) jest kopią genu. Powstaje jako fotokopia genu ponieważ sekwencja tworzących go zasad jest komplementarna do jednej nici DNA i identyczna z drugą nicią DNA. mRNA jest jak posłaniec do przenoszenia informacji zawartej w DNA znajdującym się w jądrze komórkowym do cytoplazmy, w której rybosomy używają jej do syntezy białek. tRNA - transportujący RNA (ang. transfer RNA) jest krótkim RNA o specyficznej budowie drugo- i trzeciorzędowej pozwalającej na wiązanie do jednego końca aminokwasu, a drugim końcem do mRNA. Działa więc jak adapter dostarczający składniki budulcowe białek do właściwego miejsca kodowanego przez mRNA. rRNA - rybosomalny RNA (ang. ribosomal RNA) jest podstawowym składnikiem budulcowym strukturalnym i funkcjonalym rybosomu. Ma sekwencję komplementarną do właściwych obszarów mRNA i dlatego umożliwia wiązanie mRNA do rybosomu w miejscu produkcji białka. snRNA - krótki jądrowy RNA (ang. small nuclear RNA) bierze udział w obróbce różnych RNA podczas ich przechodzenia z jądra do cytoplazmy. Uczestniczy w regulacji ekspresji genów w jąderku. siRNA - krótki interferujący RNA (ang. small interferring RNA) bierze udział w regulacji ekspresji genu na poziomie translacji poprzez degradację mRNA (Zob. dalej). Aleksander L. Sieroń

WYKŁAD 1; c.d. (BIOLOGIA I BIOLOGIA Z GENETYKĄ; KIERUNKI: LEKARSKI, FIZJOTERAPIA, PIELĘGNIARSTWO I POŁOŻNICTWO) INFORMACJA GENETYCZNA NOŚNIKI DNA JEDNONICIOWY DWUNICIOWY RNA GENY PROKARIOTYCZNE EUKARIOTYCZNE REPLIKACJA TRANSKRYPCJA TRANSLACJA Aleksander L. Sieroń

cienkie linie przedstawiają komplementarne pary zasad tRNA cienkie linie przedstawiają komplementarne pary zasad Aleksander L. Sieroń

Schemat budowy tRNA Akceptor Pętla D Pętla TψC Pętla zmienna Pętla antykodonu Pętla zmienna Pętla D Pętla TψC Akceptor Aleksander L. Sieroń

Podjednostka mniejsza Rosnący polipeptyd Met Przychodzący tRNA Podjednostka większa Podjednostka mniejsza Sekwencje zgodności Kozaka przed kodonem AUG AUG mRNA Centrum dekodujące Podstawową funkcją rybosomu w fazie elongacyjnej syntezy białka jest ustawienie aminokwasów poprzez transportujące je tRNA dokładnie na przeciw odpowiadających im kodonów w mRNA. Aminokwwas połączony w miejscu CCA na końcu tRNA jest przenoszony w pobliże poprzednio przyłączonego do łańcucha aminokwasu. Aleksander L. Sieroń

Wyniosłość centralna Pień L7/L12 Głowa Miejsce P Miejsce P Miejsce E DWIE PODJEDNOSTKI RYBOSOMU Z PRZYŁĄCZONOMI 3 CZĄSTECZKAMI tRNA PODJEDNOSTKA MNIEJSZA PODJEDNOSTKA WIEKSZA Pień L7/L12 Głowa Wyniosłość centralna Miejsce P Miejsce P Miejsce A Miejsce E Miejsce E Pień L1 Miejsce A Ramię Podstawa pnia Platforma Ostroga Aleksander L. Sieroń

RYBOSOMY RÓŻNYCH GATUNKÓW (mała podjednostka po stronie lewej) T. thermophilus E. Coli 70S Drożdże 80S Mitochondria ssaków PM PD PM PD PM PD PM PD PM – podjednostka mniejsza PD – podjednostka duża Aleksander L. Sieroń

Polimeraza RNA Nukleotydy RNA Etap 1: Transkrypcja Etap 2: Translacja Podwójna helisa DNA Transportujący RNA Aminokwasy Polimeraza RNA Rybosomalny RNA Antykodon Białka Nukleotydy RNA Łańcuch polipeptydowy Otoczka jądrowa Infromacyjny RNA opuszcza jądro komórkowe Transportujący RNA z aminokwasami Rybosom Informacyjny RNA Kodon Aleksander L. Sieroń

KOD GENETYCZNY U C A G POZYCJA DRUGA POZYCJA PIERWSZA POZYCJA TRZECIA fenylo- alaniana leucyna seryna tyrozyna cysteina STOP tryptofan arginina prolina histydyna glutamina treonina asparagina lizyna izoleucyna * metionina walina alanina kwas asparaginowy glutaminowy glicyna * i start KOD GENETYCZNY GGU – glicyna CGU - arginina Aleksander L. Sieroń

Podstawowy dogmat biologii odwrotna transkrypcja Mikro i antysens RNA białka transkrypcja translacja siRNA Jednokierunkowa liniowość przepływu informacji genetycznej odwrotna transkrypcja Modyfikacje po-transkrypcyjne i po-translacyjne z wymieszaniem sekwencji (brak odpowiednich sekwencji kodujących w genach) Aleksander L. Sieroń

K O N I E C CZĘŚCI 2 DZIĘKUJĘ