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/

EIKARIOTU gēnu ekspresijas kontroles posmi

DNSRNS

transkripts mRNS mRNS

neaktīva mRNS

proteīnsaktīvs

proteīns

neaktīvsproteīns

KODOLS CITOPLAZMA

transkripcijas kontrole

RNSnobriešanas

kontrole

RNStransporta

unlokalizācijas

kontrole

translācijas kontrole

mRNSdegradācijas

kontrole

proteīnuaktivitātes

kontrole

Hromatīna Struktūra un Gēnu Aktivitāte

Primārais posms gēnu aktivitātes regulācijā

Genomes, 3rd Edition

Aktīvs gēns

Neaktīvs gēns

Interfāzes hromatīna tipi

Pozicionālais efekts - klonēta gēna ekspresijas efektivitāte atkarīga no tā, kādā hromosomas rajonā

šis gēns ieklonēts

1. Eihromatīns– ‘parastā’ forma– satur (potenciāli) aktīvus gēnus

2. Heterohromatīns– kompaktāka forma, kas inaktivē gēnus– specifiskas histonu modifikācijas– papildus proteīni (HP1)

– konstitutīvs• vienmēr un visur• centromēras, telomēras u.c.• nesatur gēnus

– fakultatīvs• noteiktās šūnās vai noteiktā laikā• satur neaktīvus gēnus

Molecular Biology of the Cell, 5th Edition

heterohromatīna proteīni nukleosomas

heterohromatīns eihromatīns

histonumodifikācijas

Divi veidi, kā hromatīna struktūra nosaka gēnu aktivitāti

Genomes, 3rd Edition (modificēts)

Heterohromatīns (gēni nepieejami)

Eihromatīns(gēni pieejami)

Gēns neaktīvs

Gēns aktīvs

1

2

Eihromatīna struktūru ietekmējoši mehānismi

Gēna aktivators (šeit)vai represors

Histonu acetiltransferāze

Nukleosomu remodelēšanaskomplekss

specifiskas acetilācijas pārveidotas nukleosomas

vispārējie transkripcijas faktoriun RNS polimerāze

TRANSKRIPCIJAS AKTIVĀCIJA

1. Histonu modifikācijas• aktivējošas (šeit)• represējošas

2. Nukleosomu remodelēšana• pārveidošana (šeit)• histonu noņemšana• histonu aizstāšana

Tipiskākās histonu modifikācijas

acetilēts lizīns

metilēts arginīns

metilēts lizīns

fosfoserīns

nukleosoma

Recombinant DNA, 3rd Edition

Histonu kods

modifikācijas “nozīme”

heterohromatīna veidošana,

sailensings (“silencing”)[gēnu represijas veids]

gēnu ekspresija

gēnu ekspresija

Hox gēnu sailensings,X hromosomas

inaktivācija

Gēnu aktivitāti būtiski ietekmē DNS metilācija

CG sekvencēs; inaktivē gēnus; CpG salas - parasti promoteros

citozīns 5-metilcitozīns

metilēšana

• DNS metilēšanu noteiktās vietās pēc replikācijas veic DNS metiltransferāzes (DNMT 1, DNMT 3A, DNMT 3B).• CpG (jeb vienkārši CG) salas – genoma rajoni, kuros CG sekvenču ir krietni vien vairāk kā citviet genomā.

Visticamāk, DNS metilācija izraisa hromatīna struktūras izmaiņas

CpG sala Gēns

Genomes, 3rd Edition (modificēts)

CpG sala tiekmetilēta

MeCP2proteīns

MeCP (Methyl-CpG-binding protein)

Saistās MeCP proteīni

Hromatīnamodifikācijas

Regulatorās Sekvences un Gēnu Aktivitāte

Eikariotiem; it īpaši tādiem kā Jūs; raksturīgi ļoti kompleksi gēnu regulatorie rajoni

baktērija

raugs

cilvēks

regulatorasekvence

enhansers

promoters (minimālais)

Molecular Biology of the Gene, 6th Edition

Regulatora DNS sekvence – sekvence, pie kuras saistās transkripcijas regulatorie proteīni

Regulatoro sekvenču veidi

S – sailensers P – promoters I – insulators E – enhansers TF – transkripcijas faktori

TF – transkripcijas faktors

2010, 11, 439-446

o Promoteri – vietas, kur saistās RNS polimerāze, lai uzsāktu transkripciju

o Enhanseri (pastiprinātāji) – veicina transkripcijuo Sailenseri (klusinātāji) – bloķē transkripciju, iniciējot heterohromatīna veidošanos

o Insulatori (izolatori) jeb robeželementi (“boundary elements”) – sargā gēnus no nevēlamām ietekmēm:

1. enhanseru bloķētāji – bloķē ‘komunikāciju’ starp enhanseru un promoteru2. barjeru sekvences - novērš heterohromatīna izplatību3. kombinētie

o Lokusu kontroles rajoni (LCR – locus control region) – nepieciešami dažu genoma domēnu aktivitātei

Eikariotu gēnu transkripciju regulējošo rajonu uzbūve ir modulāra


Promoteru moduļi (pēc Genomes, 3rd Ed.)

minimālie (“core”) - TATA u.c.o visiem gēniem

bazālieo ietekmē bazālo transkripcijas līmeni o daudzos RNS polimerāzes II promoteroso CAAT box (NF1 un NFY aktivatori), GC elements (SP1), oktamēra modulis (Oct1) u.c.

atbildes (“response”)o nodrošina atbildi pret signāliem no ārpuseso CRE – nodrošina atbildi pret cAMP, SRE – atbilde uz seruma faktoru u.c.

šūnu specifiskieo raksturīgi gēniem, kas tiek ekspresēti tikai noteikta tipa šūnāso eritroīdais modulis (saista GATA-1 aktivatoru), mioblastu modulis (MyoD) u.c.

attīstības regulācijaso raksturīgi gēniem, kas ir aktīvi tikai noteiktos attīstības posmos

Levine M & Tjian R (2003) Nature, 424, 147

Tas nodrošina efektīvu kombinatoro kontroli

Modelis cilvēka -globīna gēna kontrolei

Nez, kurš no transkripcijas iniciācijas tipiem tieši pašreiz notiek Jūsos?


RNS polimerāze

RNS polimerāze

Tieša RNS polimerāzes saistīšanās

Netieša RNS polimerāzes saistīšanās

Platforma, kuru veidoDNS saistošie proteīni

Minimālā (“core”) promotera elementus atpazīst vispārējie transkripcijas faktori (TF)

TATA elements

transkripcijas sākums

TBP TFIID

TFIIA

TFIIB

TFIIF

TFIIE

RNS

UTF, ATFCTF, GTF

RNS polimerāze II

citi faktori

TFIIHTRANSKRIPCIJA

(TFII – general Transcription Factor for RNA polymerase II)

Dažiem gēniem ir alternatīvi promoteri, eg, distrofīna gēnam


Cilvēka distrofīna gēns

Alternatīvie promoteri

C – smadzeņu garozā; M – muskuļos; Ce – smadzenītēs; R – tīklenē;

CNS – centrālajā nervu sistēmā; S – Švāna šūnās; G – citos audos.

Eikariotu DNS transkripcijas iniciācijai nepieciešami arī aktivatori


Aktivators

Enhansers

Aktivatori palīdz izveidot transkripcijas iniciācijas kompleksu

Aktivators

Hromatīna remodelēšanas un modificēšanas kompleksi

Multisubvienību kofaktoru kompleksi(mediators u.c.)

Levine M & Tjian R (2003) Nature, 424, 147

Aktivatori var darboties arī no distances; un ļoti lielas

SĀKAS TRANSKRIPCIJA

mediators

histonu acetilāze

aktivators

enhansersTATA

elements transkripcijas starts

hromatīna remodelēšanas

komplekss

Promoteram pievienojasuniversālie transkripcijas faktori, RNS polimerāze II, mediators, hromatīna pārveidošanas komplekssun histonu acetilāzes

Divi modeļi: (i) tiešā kontakta modelis (šeit); (ii) signāla pakāpeniska pārnese (“tracking”)

Cilvēka interferona gēna transkripcijas iniciācijas modelis

gēna aktivācijas proteīnshistonu acetiltransferāze

histonuacetiltransferāze

histonukināze

histonukināze

gēna aktivācijas proteīns

hromatīnaremodelēša

naskomplekss

hromatīna remodelēšanas

komplekss

pārējie transkripcijainepieciešamie komponenti

TRANSKRIPCIJA

histonu kods

transkripcijas

iniciācijai

INSULATORI sadala genomu funkcionālos domēnos

gēns A enhansers gēns B

aktīvi transkribējamahromatīna domēns

insulators(enhansera bloķētājs)

insulators(barjeras sekvence)

Insulatori bloķē enhanseru ietekmi uz ‘svešiem’ gēniem


enhansers promoters

enhansers insulators promoters

promoters enhansers insulators promoters

enhansers insulators promoters enhansers

Divi no enhanseru bloķēšanas modeļiem

E – enhansersEB - enhansera bloķētājs

Sailenseru un barjeras sekvenču darbības mehānisms

2010, 11, 439-446

S – sailensers, B – barjeras sekvence, TF – transkripcijas faktori, CR – hromatīna remodelētāji, HM – histonu modificētāji, R – represors

Citi barjeras sekvenču darbības modeļi

West GW & Fraser P (2005) Hum Mol Gen, 14, R101

Dažu genoma rajonu aktivitāti nosaka Lokusu kontroles rajoni (LCR)

-globīna gēns

globīna gēnu domēnslokusakontroles

rajons

100 000 bāžu pāri

vecums nedēļāsDZIMŠANA

rela

tīvā g

lob

īnu

sin

tēze

Cāļa -globīna LCR struktūra

Vol. 7, 703-713

RNS interference

miRNS (mikro RNS)• Gēnu ekspresijas regulācija – vismaz 30% cilvēka

gēnu• Priekštecis (pre-miRNS) – vienpavediena RNS• Izcelsme – šūnas transkripti

siRNS (mazās interferences RNS)• Aizsardzība pret vīrusiem un transpozonu

ekspansiju• Priekštecis – divpavedienu RNS• Izcelsme - dažāda

Fenomens, kad īsas (21-22 nukleotīdi) RNS molekulas represē gēnu ekspresiju.

RISC = RNA-induced silencing complexRNS inducēts sailensinga (jeb represijas) komplekssRISC = RNA-induced silencing complexRNS inducēts sailensinga (jeb represijas) komplekss

RNS interferences mehānisms

Molecular Biology of the Gene, 6th Edition (modificēts)

pasažiera RNS (“passanger” RNA)pasažiera RNS (“passanger” RNA)

gida RNS (“guide” RNA)gida RNS (“guide” RNA)

kodolskodols

hromatīnaremodelēšana

hromatīnaremodelēšana

citoplazmacitoplazma

translācijasinhibēšanatranslācijasinhibēšana

degradēšanadegradēšana

miRNS procesings un darbības mehānisms

KODOLSKODOLS

CITOPLAZMACITOPLAZMA

ŠĶELŠANAŠĶELŠANA

ŠĶELŠANAŠĶELŠANA

izteiktakomplementaritāte

izteiktakomplementaritāte

Argonautsu.c. proteīniArgonauts

u.c. proteīni

nelielakomplementaritāte

nelielakomplementaritāte

ātra mRNS degradēšanaātra mRNS degradēšana

inhibēta translācijainhibēta translācija

mRNSmRNS mRNSmRNS

(Drosha un Pasha)(Drosha un Pasha)

miRNS var būt iekodētas dažādos rajonos

Molecular Biology of the Gene, 6th Edition (modificēts)

pre-miRNS nekodējošā rajonāpre-miRNS nekodējošā rajonā

pre-miRNS kodējošā rajonāpre-miRNS kodējošā rajonā

startakodonsstartakodons

stopkodonsstopkodons

pre-miRNS proteīnu kodējoša gēna intronāpre-miRNS proteīnu kodējoša gēna intronā

EPIĢENĒTIKA

Waddington, 1942: “[T]he branch of biology which studies the causal interactions between genes and their products, which bring the phenotype into being” (epi[ģenēze] + ģenētika).

Tagad parasti ar šo terminu izprot: epi (grieķiski: επί – virs [DNS līmeņa]) ģenētika.

Epiģenētiskā regulācija un iedzimtība

Mehānismi• DNS metilācija• Histonu modifikācijas

• [Nekodējošās RNS]

• Autopozitīvā regulācija

• Strukturālā iedzimtība

Fenotipisko izmaiņu iedzimtība, kas nav saistīta ar DNS sekvences izmaiņām

(šūnu ‘atmiņa’).

Ģenētiskās un Epiģenētiskās iedzimtības salīdzinājums

gēns Y aktīvsgēns Y aktīvs

ĢENĒTISKĀ IEDZIMTĪBA EPIĢENĒTISKĀ IEDZIMTĪBAĢENĒTISKĀ IEDZIMTĪBA EPIĢENĒTISKĀ IEDZIMTĪBA

DNS NUKLEOTĪDUSEKVENCES MAIŅA

DNS NUKLEOTĪDUSEKVENCES MAIŅA

HROMATĪNASTRUKTŪRAS MAIŅA

HROMATĪNASTRUKTŪRAS MAIŅA

gēns Y inaktivētsgēns Y inaktivēts

gēns X neaktīvsgēns X neaktīvs

gēns X neaktīvs gēns X neaktīvs

gēns X neaktīvs gēns X neaktīvs

gēns X aktīvs gēns Y aktīvsgēns X aktīvs gēns Y aktīvs

SOMATISKO ŠŪNU ATTĪSTĪBASOMATISKO ŠŪNU ATTĪSTĪBA

DZIMUMŠŪNU ATTĪSTĪBADZIMUMŠŪNU ATTĪSTĪBA

gēns X inaktivētsgēns X inaktivēts

gēns Y neaktīvs gēns Y neaktīvs

gēns Y neaktīvs gēns Y neaktīvs

DNS metilācijas ainu atjaunošana

metilēšana

nemetilēts citozīns

metilēts citozīns

DNSreplikācija

metilēšana

DNMT1 (DNS metiltransferāze 1)

Histonu modifikāciju atjaunošana

Specifiski epiģenētiskie fenomeni

Imprintigs (‘iezīmētie gēni’)Gēns tiek ekspresēts atkarībā no tā, vai tas mantots no

mātes vai tēva

Gēnu ‘devas’ kompensācijaNejauša izvēle – nav svarīgi, vai gēns mantots no tēva vai

mātes X hromosomas inaktivācija Mono-alēliskā ekspresija

Imprintings

Imprintinga mehānisms Igf2 lokusā


X hromosomas inaktivācija

X hromosomas inaktivācijas mehānisms

XIC: X-inaktivācijas centrsXIST: X-inaktivācijai specifisks transkripts


Waddington CH (1957). From: Cell (2007) 128, 635-638. DOI: (10.1016/j.cell.2007.02.006)

Šūna

Tas, kas notiek Jūsu šūnās, ir atkarīgs ne tikai no Jūsu DNS

Identiskie dvīņi nav identiski

Fenotips = Genotips + Epigenotips + Vide

Varbūt Lamarkam ir arī kāds kriksītis taisnības?

Documents

Molekulārā Ģenētika