Molekulārā Ģenētika

Molekulārā ĢenētikaCilvēka Genoms: Bioloģija un Medicīna

• Ievads (nupat bija)

• Molekulārās Ģenētikas Pamati

• Gēnu Aktivitātes Regulācija

• Cilvēka Genoma Projekts

• Tests I

• Cilvēka Genoms I

• Cilvēka Genoms II

• Genoma Variācijas

• Tests II

• Gēni un Slimības

• Farmakoģenētika (& koronārā sirds slimība)

• [Imunoglobulīnu gēni]

• [Vēža molekulārā bioloģija]

• Tests III

• Parādi (vai eksāmens)

• Laimīgu Jauno Gadu!

http://priede.bf.lu.lv - Studiju materiāli / MolekularasBioloģijas / MolGen / LV

http://priede.bf.lu.lv - Studiju materiāli / MolekularasBioloģijas / MolGen / LV

http://priede.bf.lu.lv/

http://priede.bf.lu.lv/

Gēnu blīvums cilvēka genomā ir neliels

Molecular Biology of the Gene, 6th Edition

DNS segmenta salīdzinājums dažādiem organismiem

gēni introni atkārtotas sekvences RNS polimerāzes gēns starpgēnu rajoni

(31 gēns)

(57 gēni)

(9 gēni)

Cilvēks (2 gēni)

rajona garums, bpMolecular Biology of the Gene, 6th Edition

Genomes, 2nd Edition

Gēni un citi elementi cilvēka genoma segmentā

Atkārtotās sekvences aizņem lielu daļu cilvēka genoma

retrovīrusiem līdzīgie elementi

DNS transpozonu ‘fosīlijas’

TRANSPOZONI

ATKĀRTOTĀS SEKVENCES UNIKĀLAS SEKVENCES

GĒNI

introni

proteīnus kodējošie rajoni

citas DNS sekvencesvienkāršie sekvences atkārtojumi

segmentālās duplikācijas

procenti

>5% cilvēka genoma sastāda segmentālās duplikācijas: 1000 – 1500000 bp; >90% identiskums

Intrahromosomālās un interhromosomālās duplikācijas 22. hromosomā


Segmentālo duplikāciju iespējamās sekas


Segmentālās duplikācijasSegmentālās duplikācijas

Homologas hromosomasHomologas hromosomas

DuplikācijaDuplikācijaDelēcijaDelēcija

Segmentālās duplikācijas var izraisīt delēcijas un ir vismaz dažu sindromu cēlonis

Emery’s Elements of Medical Genetics, 13th Edition (modificēts)

-

+


Tandēmiskie atkārtojumi - replikācijas neprecizitātes sekasSSR [simple sequence repeats] – vienkāršie sekvences atkārtojumi

P.S. Formāli arī dažas citas atkārtotas sekvences, piem., rRNS gēnu klasteri (izcelsme - gēnu duplikācijas) pieder pie tandēmiskajiem atkārtojumiem

Hromosoma 1

Hromosoma 2

Izkliedētie atkārtojumi - radušies transpozīciju rezultātā

Izkliedētie un tandēmiskie atkārtojumi

(LTR elementi)

Izkliedēto atkārtojumu tipi, struktūra un skaits cilvēka genomā

(poli-A elementi)

LINE – Long Interspersed Nuclear Element

SINE – Short Interspersed Nuclear Element

LTR – Long Terminal Repeat

P

P

P

P

P – promoters

ORF1 – RNS saistības proteīna gēnsORF2 – reversās transkriptāzes un endonukleāzes gēns

gag – kodē proteāzipol – kodē reverso transkriptāzi (ar RNāzes H aktivitāti) un integrāzi(env) – kodē apvalka proteīnus (endogēnajiem retrovīrusiem nav, eksogēnajiem ir)

LTRLTR

LTR LTR

(endogēnie retrovīrusi)


Izkliedētajiem atkārtojumiem ir daudzi apakštipi

DNS transpozonu pārvietošanās (‘cut-and-paste’)

transpozons donora hromosomā A

sinaptiskais komplekss

(transpozosoma)

sašķelta donora hromosoma A

sašūta donora hromosoma A

integrējies transpozons

īsi tiešie atkārtojumi mērķa hromosoma B

centrālais starpprodukts

īsi invertētie atkārtojumi

transpozāzes monomēri

Elementi, kuru transpozīcija ietver RNS stadiju (retrotranspozīciju)

SINEs

LINEs

LTR elementi

Human Molecular Genetics, 2nd Edition; modificēts

(RT - reversā transkriptāze jeb revertāze)

Retrotranspozīcijas vispārējais mehānisms


retrotranspozons

transkripcija

reversā transkripcija

integrācija

DNS

RNS

retrotranspozons retrotranspozona kopija


LTR elementu retrotranspozīcija

LTR elements

DNS

RNS

transkripcija

reversā transkripcija citoplazmā

atšķeltais dinukleotīds

mērķa DNS

integrāzes katalizēta mērķa DNS šķelšana untranspozona pievienošana

pārtraukumu aizpildīšana un pavedienu savienošana (veic šūnas proteīni)

kDNS(kopijas DNS)

LINE elementu retrotranspozīcija


transkripcija

translācija

saistīšanās ar LINE mRNS

saistīšanās ar mērķa DNS

mērķa DNS šķelšanaRNS-DNS hibrīda veidošanās

pirmā DNS pavediena (kDNS) sintēze

RNS degradācija un otrās DNS ķēdes sintēzeDNS pārtraukumu aizpildīšana un pavedienu savienošana

LINE elementa DNS

LINE mRNS

ORF 1 un ORF 2proteīni

mērķa DNS

LINE kDNS

LINE DNS

kodolā

Jaunas LINE1 insercijas ir konstatētas vismaz 34 slimību gadījumā

Faktora VIII (hemofīlijas A) gēna karte

Eksons

TaqI restriktāzes šķelšanas vietas

Eksons (-i)Pacie

nts

Māte

Vecm

ām

iņa

kDNS restrikcijas analīzes rezultātiRecombinant DNA, 3rd Edition

Cilvēka Alu un peles B1 elementu izcelsme un ekspansija

Human Molecular Genetics, 2nd Edition

Alu (un B1) satur iekšēju RNS Pol III promoteru (a un b elementi), pateicoties kuram tiek transkribēti un ir aktīvi.


Rekombinācija starp Alu elementiem var izraisīt ģenētiskās slimības

(Zema Blīvuma LipoproteīnuReceptora gēns)ZBLR ZBL saistības domēns

Transmembrānas domēns

Eksoni

Aluelementi

ZBLR pacients 2

Duplikācija

Delēcija

ZBLR pacients 1

Hromosomas

Rekombinācijastarp Alu elementiem

Duplikācija vai delēcija

Recombinant DNA, 3rd Edition

Izkliedēto atkārtojumu blīvums cilvēka genomā variē

Izkliedētie atkārtojumi

Eksoni

cilvēks muša tārps sinepes

jaunāki

Izklied

ēto

atk

ārt

oju

mu

p

rop

orc

ija (

%)

Atšķirības no ‘consensus’ sekvences

Liela daļa izkliedēto atkārtojumu ir “antīki”

vecāki

Transpozonu izplatība dažādu organismu genomos stipri vien atšķiras


Pele

Cilvēks

atkārtotie elementi (transpozoni vai to fragmenti) gēni

«Repeats are often described as ‘junk' and dismissed as uninteresting. However, they actually represent an extraordinary trove of information about biological processes. The repeats constitute a rich palaeontological record, holding crucial clues about evolutionary events and forces. As passive markers, they provide assays for studying processes of mutation and selection. It is possible to recognize cohorts of repeats `born' at the same time and to follow their fates in different regions of the genome or in different species. As active agents, repeats have reshaped the genome by causing ectopic rearrangements, creating entirely new genes, modifying and reshufling existing genes, and modulating overall GC content. They also shed light on chromosome structure and dynamics, and provide tools for medical genetic and population genetic studies.»

International Human Genome Sequencing Consortium. Initial sequencing and analysis of the human genome. Nature 409, 860–921 (2001).

«Transposons as drivers of evolutionary innovation The HGP paper included a detailed analysis of transposon-derived sequences, but largely

viewed transposons as a burden on the genome. Comparative genomics, however, began to change this picture. The first hint was a

handful of families of CNEs that had clearly been derived from transposons. Comparison of placental and marsupial genomes then revealed that at least 15% of the CNEs that arose during the period from 180 Myr ago to 90 Myr ago were derived from transposon sequences; the true total is likely to be considerably larger, because the flanking transposon-derived sequences will have degenerated in many cases. In retrospect, the advantage seems obvious. First, most transposons contain sequences that interact with the host transcriptional machinery, and therefore provide a useful substrate for evolution of novel regulatory elements. Second, a regulatory control that evolved at one locus could give rise to coordinated regulation across the genome by being picked up by a transposon, scattered around the genome and retained in advantageous locations. Over evolutionary timescales, transposons may earn their keep.»

Eric S. Lander. Initial impact of the sequencing of the human genome. Nature 470, 187-197 (2011).

Vai no transpozoniem ir kāds labums?

• Satelīti: 5 - 171 bp vienība; lieli klasteri (> 100 000 bp)

– heterohromatīnā centromēru rajonā; netiek transkribēti– funkcija neskaidra – iespējams, centromēru veidošana (

satelīts)

• Minisatelīti: 6 - 64 bp vienība; vidēji klasteri (100 -20 000 bp)

– heterohromatīnā telomērās vai to tuvumā; netiek transkribēti

– telomēru atkārtojumi – hromosomu galu struktūra un replikācija

• Mikrosatelīti: 1 - 4 bp vienība; īsi klasteri (<150 bp )– izkaisīti pa genomu; funkcija nezināma; plaši izmanto kā

marķierus– atrodoties gēnā vai tā tuvumā var izraisīt slimības

(tripletu ekspansija)

..........CACACACACACACACA...........................................................CACACACACACA...................


Tandēmisko atkārtojumu klases

Tandēmisko atkārtojumu izvietojums hromosomās

Human Molecular Genetics, 2nd Edition

(~ ik pēc 2000 bp)

Hromosomu galu replikācijas problēma


pēdējais Okazakifragments

nepilnīgireplicēta DNS

nākamā replikācija

hromosomakļuvusi īsāka

Okazaki fragmentusavienošana

Problēmu atrisina hromosomu galu struktūra un ferments telomerāze


telomerāze

telomerāzesRNS

DNS sintēze

DNS sintēze atkārto

pārvietošanās

telomerāze pagarina telomēras 3’-galu

pagarinātais 3’-gals kalpo kā matrica jaunam Okazaki fragmentam

telomēras pagarinājums (joprojām raksturīgs3’-vienpavediena rajons)

telomēra

Tripletu ekspansijas slimības

Normāla alēle

Premutēta alēle

Defektīva alēle

Vecāku DNS

Pēcnācēju DNS

FMR1 (regulē mRNS translāciju nervu šūnās) gēna promotera rajons

Tālāku pēcnācēju DNS

Life The Science of Biology, 7th Edition (modificēts)

Tripletu ekspansijas slimības

Emery’s Elements of Medical Genetics, 13th Edition (modificēts)

CAG – glutamīna (Gln) kodons(CAG)n – poliglutamīna trakti – pārsniedzot kritisku izmēru, veidojas proteīnu agregātiPadzīvojušiem cilvēkiem (“late-onset”) - neirodeģeneratīvas (dominantas) slimībasJo lielāks atkārtojumu skaits, jo ātrāk iestājas saslimšana

Documents

Molekulārā Ģenētika