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
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
Genomes, 3rd Edition
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?
Genomes, 3rd Edition
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
Genomes, 3rd Edition
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
Genomes, 3rd Edition
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
Molecular Biology of the Gene, 5th Edition
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
Molecular Biology of the Gene, 5th Edition
X hromosomas inaktivācija
X hromosomas inaktivācijas mehānisms
XIC: X-inaktivācijas centrsXIST: X-inaktivācijai specifisks transkripts
Molecular Biology of the Gene, 6th Edition
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?