16.10.2014
1
Tema 5
Structura, funcţia şi
localizarea
GENELOR Elemente genetice mobile
ADN
macromoleculă bicatenară;
secvenţe neîntrerupte de perechi de
nucleotide;
deţine informaţia codificată despre sinteza
ARN şi proteine formarea şi funcţionarea
tuturor structurilor organismului monocelular
şi pluricelular
Codul genetic - ADN:
Litere: A, G, C, T
Cuvinte ( codon= triplet de nucleotide p/u un aminoacid): AAG - lys
AGC - ser
GCA - ala
TTC – phe
TAG – stop
Etc.......
Fraze (secvenţe nucl.) 5' AAGAGCGCATTCTAG 3'
lys – ser – ala – phe
16.10.2014
2
Expresia genelor
ADN ARNm Proteină
5’..GACTATTGCAAGATTACCATGT-3’ Catena codogenă (netranscrisă)
3’..CTGATAACGTTCTAATGGTACA-5’ Catena anticodogenă (transcrisă)
Transcripţie (ARN-polimeraza)
5’- AUUGCAAGAUUACCAUGU-3’ ARNm
Translaţie (ARNt, pe ribozomi)
Leu – Ala – Arg – Leu – Pro – Cys polipeptid
+1
Gena:
Definiţie
Localizare şi graniţe
Structură
Funcţii
Tipuri
Proprietăţi
Particularităţi
Definiţie:
Gena – un fragment polinucleotidic din
molecula de ADN care deţine informaţia
despre sinteza :
unui lanţ polipeptidic sau
câtorva lanţuri polipeptidice înrudite sau
a unei molecule de ARN funcţional
(ARNr, ARNt)
16.10.2014
3
Expresia genelor
ADN
ARNr
ARNt
ARNm Proteină
Clasificarea genelor nucleare:
Gene clasa I Gene clasa III Gene clasa II
(structurale)
Codifică ARNr 28S, 18S şi 5,8S
Codifică proteine
Codifică ARNt, ARNr 5S
Genele 28, 18 şi 5,8S –
unitate transctipţională
Fiecare genă –
unitate transctipţională
o genă /m.m. gene – unitate
transctipţională
Fiecare celulă a organismului conţine setul complet de
gene (~30000 perechi gene pentru 46 mol. ADN nuclear)
Expresia genică numai 10% din toate genele
Expresie continuă
Gene ARNr
Gene ARNt
Gene house
keeping
Expresie dependentă:
- de ţesut;
- de perioada
ontogenetică;
- de perioada ciclului
celular;
- de factorii de mediu
Non-expresie
pseudogene
16.10.2014
4
Structura generală a genelor /
unităţilor de transcripţie
Regiune centrală – codificatoare;
Regiuni reglatoare:
proximală – PROMOTORUL
distală – TERMINATORUL
Secvenţe modulatoare
Gene clasa I codifică ARNr biogeneza ribozomilor sinteza proteinelor
Promotor (-45……+20)
Gena ARNr18S
Spacier
Gena ARNr5,8S
Spacier
Gena ARNr28S
Terminator
Gene clasa II codifică proteine structuri/funcții cel organism Enhancer/ Silevcer
Promotor (ex: ……..-120…GC….-80..CATT……-30..TATA…)
Exon/intron/exon/intron……..exon
Terminator, situs polyA
Gene clasa III ARNt codifică ARNt sinteza proteinelor
Promotor (+55……+80)
Gene ARNt
Terminator
Gene clasa III ARNr5S codifică ARNr biogeneza ribozomilor sinteza Pr
Promotor
Gene ARNr 5S
Terminator
16.10.2014
5
Particularităţile genelor
mitocondriale
•13 gene structurale
•p/u subunităţi ale
citocrom oxidazelor
•p/u subunităţi ale
NADH
dehidrogenazelor
•p/u subunităţi ale
ATPsintetazei
•2 gene ARNr
•22 gene ARNt
Particularităţile genelor
mitocondriale •Catena H
•Promotor
•12 gene structurale
•2 gene ARNr
•Separate de 14 gene ARNt
•terminator
•Catena L
•Promotor
• o genă structurală
•8 gene ARNt
•Terminator
•Transcrise de ARN-polimeraza mit
ARNm
Transcripţie
Translaţie
Gena
reglatoare Gena 1 Gena 2 Gena 3
Proteină
represor
operator
ARNm ARNm ARNm
Enzima 1 Enzima 2 Enzima 3
Operonul la procariote
Terminator
Enzima 1 Produs
intermediar
A
Produs
intermediar
B
SUBSRTAT Enzima 2 Enzima 3 Produs
final
16.10.2014
6
Operonul la procariote
Grup de gene ce codifică enzimele unui lanţ metabolic
Conţine Promotor + secv.operator
Gene structurale A, B, C... !!! Se transcriu concomitent
Terminator
Activitatea este controlată De gena reglatoare
În dependenţă de particularităţile metabolismului
T P +1 18S 5,8S 28S
Transcripţie
Processing (autosplicing)
18S 5,8S 28S
ADN
proARNr
ARNr
Etapele expresiei genelor de clasa I
Asamblarea RNP 40S şi 60S
Ribozomi 80S
28S + 5,8S + 5S + 49 proteine = 60S
Transferul RNP în citoplasmă
T P
Transcripţie
Transferul RNP în citoplasmă
Etapele expresiei genelor de clasa II E E E E I I I ADN
proARNm
Processing-ul ARNm ARNm 7MeGppp AAAAAAAAAAAAA..........
Translaţie
Conformaţia proteinei
7MeGppp AAAAAAAAAAAAA..........
Proteină
16.10.2014
7
Transcripţie
Transferul ARNt în citoplasmă
Etapele expresiei genelor de clasa III (ARNt)
Processing-ul ARNt
A
T ADN
B
+1
proARNt
ARNt
Formarea aminoacil-ARNt Aminoacil-ARNt
Transcripţie
Etapele expresiei genelor de clasa III (ARNt)
Processing-ul ARNr
A
T ADN
B
+1
proARNr
Asamblarea RNP 40S şi 60S
28S + 5,8S + 5S + 49 proteine = 60S
Ribozomi 80S
Transferul RNP în citoplasmă
Gene clasa II = structurale
Caracteristica generala
Functia (la trei nivele)
Tipurile genelor structurale
Proprietatile genelor
Particularitatile structurii genelor cl II
Promotorul genelor cl II
Exonii
Intronii
Terminatorul
16.10.2014
8
Gene clasa II = structurale (25% din ADN nuclear)
Codifică unul sau mai multe polipeptide;
Formează unităţi transcripţionale monocistronice;
Au structură mozaică (ex1in ex2in ex3in.....exn): Exoni – secv.codante
Introni – secv.necodante
Pot fi transcrise:
în toate celulele organismului
cu specificitate de ţesut sau vârstă sau ……..;
Sunt transcrise de ARN – polimeraza II într-un transcript primar – preARNm;
Sunt numeroase, de regulă, unice şi heterogene;
Pot forma familii multigenice repetitive sau nonrepetitive;
Prezintă polimorfism individual.
Funcţia genelor cl.II sau structurale:
La nivel molecular
codifica sinteza polipeptidului proteină
funcţională;
La nivel celular,tisular
formarea unei structuri celulare, funcţionarea
unui lanţ metabolic, unei căi de semnalizare,
etc.;
La nivel de organism
realizarea unei funcţii specifice (gîndire, auz,
văz, respiraţie, digestie, contracţie
musculară, etc.;) → caracter specific.
Tipurile genelor structurale
House keeping – gene ce codifică proteine celulare indispensabile, active în toate tipurile de cel., în toate perioadele vieţii;
Ţesut – specifice – gene ce codifică proteine necesare specializării tisulare;
Reglatoare ale ontogenezei;
Dependente de factorii de mediu.
16.10.2014
9
Proprietăţile genelor
Specificitate
Pleiotropie
Discreţie
Replicare
Stabilitate
Variabilitate
Recombinare
Plasticitate
Particularităţile structurii genelor de clasa II
Regiunile genelor cl.II
Promotor:
boxa TATA (-20, -30)
boxa CAAT (-70, - 100)
boxe ţesut – specifice ( - )
Regiunea codificatoare:
SIT - +1
secvenţa lider
exon1/intron/exon2/intron/.../exonn
Terminatorul
Situs de poliadenilare
Enhancers şi silencers
16.10.2014
10
Promotorul genelor cl.II
Reglează iniţierea transcripţiei:
Activarea genei ţintă;
Fixarea TFIID,A,B... şi ARN – polimerazei II;
Identificarea (+1) şi catenei transcrise;
Direcţionarea ARN – polimerazei II.
Nu se transcrie;
Promotorii diferitor gene cl. II se deosebesc prin
combinarea specifică a diferitor boxe;
Mutaţiile în secvenţa de nucleotide a promotorului pot duce la inactivarea genei şi→
Exoni Secvenţe ale genelor structurale ce codifică
secvenţe din proteină;
Se transcriu şi se translează;
Se regăsesc în preARNm, ARNm;
Fiecare exon codifică un domeniu proteic;
În timpul splicing-ului alternativ unii exoni pot fi înlăturaţi;
Mutaţiile în secv. exonice ...
!!! Domeniu proteic structural / funcţional
Introni
Secvenţe necodificatoare ale genelor structurale ce separă exonii;
Se transcriu, dar nu se translează;
Se regăsesc în preARNm, dar nu în ARNm;
În timpul splicing-ului intronii sunt înlăturaţi;
exon15’GU ……….AG3’exon25’GU ……….AG3exon3
Asigură posibilitatea splicing-ului alternativ (combinării diferite ale exonilor) – sursa polimorfismului proteinelor codificate de aceeaşi genă.
Mutaţiile în secv. intronice ....
16.10.2014
11
Structura terminatorului
• secvenţă invertată la capătul 3’ al regiunii transcrise
• controlează activitatea ARN-polimerazei
• conţine situsul de poliadenilare
• controlează clivarea capătului 3’ al pre ARNm
• controleză sinteza “cozii” poliA a preARNm
Structura unităţilor transcripţionale
ale genelor ribozomale la eucariote
(gene clasa I – transcrise de ARN polimeraza I)
• Promotor (-45 ... +20)
• Gena 18S
• Gena 5,8S
• Gena 28S
• terminator
n
promotor terminator promotor
Organizarea genelor pentru ARNr 5S
Organizarea genelor de clasa III –
transcrise de ARN polimeraza III
•Promotor - boxa A (+ 55) şi boxa B (+ 80)
•Gene ARNt / ARNr5S
•Terminator
n
16.10.2014
12
Particularităţile genelor
mitocondriale
•13 gene structurale
•p/u subunităţi ale
citocrom oxidazelor
•p/u subunităţi ale
NADH
dehidrogenazelor
•p/u subunităţi ale
ATPsintetazei
•2 gene ARNr
•22 gene ARNt
Particularităţile genelor
mitocondriale •Catena H
•Promotor
•12 gene structurale
•2 gene ARNr
•Separate de 14 gene ARNt
•terminator
•Catena L
•Promotor
• o genă structurală
•8 gene ARNt
•Terminator
•Transcrise de ARN-polimeraza mit
• Dimensiunile genomului uman ~7 x 109 pb
• 2% din genomul uman codifică pentru proteine
• Numărul genelor – ~30000 perechi
• Cromozomul 1 conţine cel mai multe gene – 2782
• Cromozomul Y conţine cel mai puţine gene – 307
• Funcţia cunoscută – la 50% dintre genele umane studiate
• Dimensiunile genelor – variază
• Gena β-globinei – 1,5 kb
• Gena insulinei – 1,7 kb
• Gena catalazei – 34 kb
• Gena distrofinei - 2,4 Mb
Particularităţile genomului nuclear
16.10.2014
13
Localizarea şi graniţele genelor:
Genele sunt localizate de-a lungul moleculelor de ADN;
Genele se prezintă sub formă de secvenţe nucleotidice unice sau repetate;
Genele unei molecule de ADN sunt separate prin secvenţe necodificatoare – spaţiatori (spacer);
Genele vecine pot avea regiuni reglatoare / modulatoare comune;
Genele nu au graniţe fixe morfologice, doar graniţe funcţionale (se stabilesc în timpul transcripţiei);
Lungimea genelor este variabilă (gene mici, miglocii, mari).
Sunt ptezente SINEs şi LINEs ADN- transpozoni
ARN-transpozoni
retrotranspozoni
Retrotranspozoni (clasa 1) utilizează revers transcriptaza pentru sinteza unui ARN – intermediar în
transpoziţie
codifică integraza şi reverse transcriptaza pentru transpoziţie.
ADN- transpozoni (clasa 2) Fragmentele de ADN se transpozează direct ditr-o mol de ADN în alta:
Producînd o copie de ADN (transpoziţia replicativă)
sau, clivarea cu inserare într-o poziţie nouă (transpoziţie conservativă).
Codifică transpozaza pentru transpoziţie.
Poate transfera gene adiţionale.
Sunt caracteristici eucariotelor şi procariotelor
Elemente genetice mobile =
TRANSPOZONI
16.10.2014
14
Transpozoni
Rolul biologic al transpozonilor
Recombinarea situs-specifică ADN
Polimorfismul individual al ADN
Mutageneza inserţională
Instabilitate genomică produc situsuri fragile în ADN
Evoluţia genomurilor