KOD GENETYCZNY.docx

KOD GENETYCZNY

Kod genetyczny – sposób zapisu informacji genetycznej. Określa, w jaki sposób sekwencja RNA jest tłumaczona na sekwencję informacji w białku. Przyporządkowuje trójką nukleotydów w RNA znaczenie. Błędne jest stwierdzenie: poznanie kodu genetycznego jakiegoś organizmu (tak naprawdę chodzi o genom, a kod genetyczny jest ciągle ten sam).

Cechy kodu genetycznego:

1.      Trójkowy – kodony = trójki nukleotydów, zapisują aminokwasy

2.      Jednoznaczny – każda trójka ma jednoznaczne znaczenie, jedna trójka może zapisywać tylko jedną informację

3.      Zdegenerowany – jeden aminokwas może być zapisywany przez różne trójki nukleotydów (tylko tryptofan i metionina są zapisywane tylko przez jeden kodon)

4.      Występują kodony przestankowe = kodony stop – UAA, UAG, UGA- nie istnieją dla nich w komórce tRNA, nie zapisują aminokwasów, ich znaczenie – terminują, kończą translację

5.      Nieuniwersalny (czasami też jest pisane, że jest uniwersalny;)) – z drobnym przybliżeniem jest uniwersalny. Przez długi czas sądzono, że jest to kod uniwersalny. Dopiero w 1970 wykazano, że nie jest uniwersalny (Sanger – podwójny noblista; 1958 – metody sekwencjonowania białek; 1970 – opracowanie metod analizy sekwencji DNA – stąd metoda Sangera – stwierdzili, że znaczenie genomów jest inne w genomie mitochondrialnym – np. zamiast kodonu stopu, ten kodon koduje tryptofan). Wyjątki od tej reguły są skatalogowane, odczytywanie kodonu w zależności od kontekstu – tylko w niektórych warunkach odczytywanie tych kodonów jest zmienione.

Gen ulega transkrypcji – powstaje mRNA (5’à3’) – na obu końcach istnieją odcinki nie podlegające translacji: 5’ UPR, 3’ UTR; translatowany jest tylko fragment mRNA pomiędzy nimi. Ich długość jest różna dla różnych mRNA. Translacja kończy się w miejscu przy kodonie stop, a rozpoczyna w miejscu inicjatorowym, miejscu inicjacji (zwykle AUG, kodon metioniny; oprócz tego mogą być GUG i UUG – walina i leucyna)

Kod trójkowy został określony na zasadzie dedukcji przez Marshalla Nirenberga wraz z jego znajomym matematykiem. To on zasugerował, że kod musi być trójkowy. Powstała hipoteza. Dwójkowy i jedynkowy kod nie wyczerpywałby wszystkich możliwości.

W jaki sposób można było to sprawdzić?

Sprawdzono znaczenie najprostszego kodonu, czyli UUU. Chemicy zsyntetyzowali polimer składający się z samych UUU. Poprzez to powinno powstać białko w warunkach laboratoryjnych składające się tylko z jednego typu aminokwasu. Tym aminokwasem była fenyloalanina. UUU zawsze znajduje się po lewej stronie (bo był pierwszy). W podobny sposób przypisano znaczenie pozostałym kodonom.

Często przyjmuje się, że kod genetyczny jest uniwersalny. Ekspresja genu eukariotycznego w komórce prokariotycznej (np. wytwarzanie insuliny w komórkach bakteryjnych). Gdyby kod genetyczny nie był uniwersalny, wtedy ten eksperyment nie byłby możliwy. Można też wprowadzać zmiany w kodzie genetycznym i spodziewać się rezultatów w postaci wytwarzanych białek (znowu uniwersalność kodu).

FUNKCJE BIAŁEK – ogromna różnorodność

1.      Kataliza biochemiczna – enzymy

2.      Struktura – np. białka budujące cytoszkielet komórki, tworzące strukturę włosów

3.      Ruch – struktur wewnątrzkomórkowych jak i całych organizmów, (białka kurczliwe: aktyna, miozyna)

4.      Transport – transport w osoczu (zależy od np. albuminy – transportuje wiele substancji: tłuszcze, hormony), ale też białka transportujące substancje do wnętrza komórki (kanały i pompy błonowe)

5.      Regulacja procesów komórkowych – białka sygnałowe, wiele z nich działa w ten sposób, że reagują z sekwencjami genów i kontrolują ich ekspresję

6.      Ochrona organizmu – chronią np. przed czynnikami wywołującymi reakcję alergiczną, przeciwciała, biorące udział w krzepnięciu krwi

7.      Magazynowanie – np. ferrytyna (gromadzi żelazo w organizmach eukariotycznych)

Aminokwasy posiadają różne grupy funkcyjne – łączone w różnych sekwencjach i o różnej długości à skutkuje to posiadaniem różnorodnych białek pełniących różnorodne funkcje

EUKARIOTYCZNE GENOMY JĄDROWE

Genom jądrowy – zbiór liniowych cząsteczek DNA, które są obecne w chromosomach (brak wyjątków). Zmienność dotyczy liczby chromosomów (przynajmniej dwa). Nie ma jednak zależności pomiędzy złożonością organizmu a liczbą chromosomów (np. drożdże – 16, muszka owocowa – 4). Liczba chromosomów nie ma też prostego związku z wielkością genomu (niektóre salamandry posiadają genom będący wielokrotnie większy od genomu człowieka, ale jest on podzielony na około dwukrotnie mniej chromosomów)

Z liniowością cząsteczek DNA wiąże się pewien problem (długie cząsteczki (nawet 5cm) o małej średnicy (dwóch zasad)). W jaki sposób dochodzi do kondensacji cząsteczek DNA?

Budowa chromatydy została określona na podstawie eksperymentów:

1.      Analiza ochrony przed nukleazą chromatyny izolowanej z jąder komórkowych człowieka. – Chromatynę cechuje wyjątkowa regularność. Eksperyment polegał na: wyizolowaniu chromatynyà poddanie jej działaniu enzymu – nukleazy – trawiącej jedynie DNA. a) enzym użyty w bardzo małej ilości – niewyczerpujące trawienie, nie do końca b) nukleazę użyto w takiej ilości, że całkowicie trawiła chromatynę. W obu przypadkach przebiegało trawienie. Produkty trawienia zbadano za pomocą elektroforezy (polega na poruszaniu się w polu elektrycznym cząsteczek obdarzonych ładunkiem, taką cząsteczką może być białko, ale też DNA oraz kompleksy białka z DNA; elektrofereza wykonywana jest najczęściej w żelu; w jej wyniku następuje rozdział cząsteczek ze względu na wielkość à małe wędrują szybciej niż większe). W przypadku b) jeden rodzaj produktów o długości DNA ok. 140 par zasad a) różne produkty, pasma, których ruchliwość odpowiadała fragmentom DNA o długości 200, 400 par zasad (wielokrotność 200); wynik ten wskazywał na to, że chromatyna musi posiadać regularną strukturę, która jest długości 200 albo więcej par zasad. Następnie przeprowadzono obserwacje w mikroskopie elektronowym. Doprowadziło to do stworzenia modelu chromatyny – struktury regularnej, powtarzającej się – nukleosom (powtarzający się fragment) – kompleks DNA i białek. Każdy nukleosom składa się od 140 do 150 par zasad (wynik trawienia wystarczającego). Połączenia między nukleosomami od 190 do 220 par zasad (wynik trawienia niewystarczającego)

Nukleosom – białka je budujące to histony: H2A, H2B, H3 i H4. W każdym z nukleosomów oktany (osiem histonów, para każdego typu histonu) – taka cząstka to oktamer. Histony H1 – histony łącznikowe – utrzymuje nukleosom w całości, jednak nie jest konieczny (nieraz występuje wewnątrz nukleosomu, nieraz na chromatynie łączącej). Ogony – końce N białek histonowych – zlokalizowane na zewnątrz nukleosomów (niektórzy uważają, że oddziaływania między nimi stabilizują strukturę chromatyny, jednak ich modyfikacje destabilizują strukturę – rozluźnienie struktury)

W czasie interfazy chromatyna występuje w formie włókna chromatynowego (o średnicy 30nm) – jest to struktura z nukleosomami zwinięta w strukturę wyższego rzędu. Może być opisana modelem solenoidu albo spirali. Obserwuje się też chromosomy metafazowe – jeszcze głębsza kondensacja do struktur nie znanych obecnie do końca – skutkuje to skondensowaniem 5cm DNA tak, że może występować w komórce człowieka, skondensowaniem do chromosomu (chromosomy metafazowe są obserwowane pod mikroskopem świetlnym).

Chromosomy są utrzymywane jako całość dzięki centromerowi (jego położenie wydziela ramię długie i krótkie, co charakteryzuje poszczególne chromosomy), charakterystyczne też są sekwencje telomerowe (są różnej długości, położone są na końcach chromosomów)

Do charakteryzowania chromosomów stosuje się różne techniki barwienia (charakterystyczny rozkład prążków na chromosomach np. prążki G – ciemne pasma bogate w sekwencje AT, a jasne GC). Każda z nich daje charakterystyczny obraz dla danego chromosomu. Obserwując rozkład prążków a także długość ramienia długie i krótkiego można określić, jaki to chromosom. (21 chromosom najmniejszy; Y też względnie mały – występuje w nim bardzo duży fragment heterochromatyny – chromatyny zazwyczaj nieaktywnej, jest bardzo ubogi w geny)

U niektórych organizmów występują minichromosomy (względnie krótkie, ale bogate w geny) np. genom kury – trzydzieści ileś chromosomów, mało genów, ale też 33 minichromosomy (1/3 chromosomów) ale zawierają dużą ilość genów)

Chromosomy B – występują u niektórych osobników danego organizmu (nie w całej populacji) – takie dodatkowe chromosomy u człowieka prowadzą do poważnych zaburzeń i chorób genetycznych, ale u roślin i grzybów (są jakby fragmentem dużych chromosomów w tych organizmach) są cechą korzystną. Ich występowaniu towarzyszy większa śmiertelność organizmów. Preferowane układy, w których nie ma dodatkowych chromosomów B.

Chromosomy holocentryczne – nie mają pojedynczego centromeru tylko ich więcej. Występują u nicieni.

Typowy wygląd chromosomów metafazowych:

DNA w obszarze centromerów – sekwencja wyznaczająca długość ramienia (Arabidopsis thaliana – rzodkiewnik pospolity)

·         0,9 – 1,2 *10^-6 odcinki, powtarzające się sekwencje (180 kwas-zasad)

·         U ludzi 1500 – 30000 kopii kwas-zasad- sekwencje α

·         W centromerach też występują geny (niewiele)

·         Centromer wyjątkowo specyficzny u drożdży (saccharromyces cerevisiae0

Ø      Składają się z 1 sekwencji

Ø      125 par zasad, b. krótka

Ø      Sekwencja: CDE1, CDE2, CDE3 – sekwencje konserwowane, zachowane w toku ewolucji

CDE2 – bogata w pary AT niewielkie podobieństwo

·         Poza sekwencją DNA, występują też białka, by centromer mógł pełnić swoje funkcje

ROLA KINETOCHORÓW PODCZAS PODZIAŁU JĄDRA KOMÓRKOWEGO

Kinetochor – kompleks białek

CENTROMERY SSAKÓW

Centromery ssaków zawierają nukleosomy CENP-A i H3 w rdzeniu centromerów

***

Telomery – końcówki chromosomów z wielokrotnie powtarzającymi się sekwencjami nukleotydów. Ich synteza nie jest prosta. Jest syntetyzowana przez specjalny enzym – telomerazę (polimerazę DNA). Matrycę do syntezy przynosi ze sobą. Oprócz tego są jeszcze inne białka stabilizujące strukturę: TRF1 i TRF2. One oddziałując z zakończeniami chromosomów powodują, że zakończenie telomeryczne jest stabilne. Odkrycie telomerazy zostało nagrodzone noblem, bo dzięki niej dowiedziano się jak są tworzone telomery.

Telomery wraz z wiekiem ulegają skracaniu. Niektórzy uważają, że ten proces jest limitem długości życia. W stanie nowotworowym są niestabilne telomery (nie wiadomo czy przyczyna czy skutek). Są preparaty pobudzające telomerazę, ale nie jest to sposób na nieśmiertelność ;)

WŁAŚCIWOŚCI GENETYCZNE EUKARIOTYCZNYCH GENOMÓW JĄDROWYCH

Gdzie znajdują się geny? Jak wygląda dystrybucja genów na chromosomach?

Lokalizacja genów na chromosomach nie jest jednorodna (różni się gęstość genów w pewnych częściach – np. w centromerach jest ich więcej). Np. u arabidopsis thaliana średnie zagęszczenie genów wynosi 20 genów na 130 par zasad, ale jest zróżnicowana, bo może wynosić od 1 do 40 genów. W obszarze centromeru jest najmniejsza gęstość, następnie wzrasta w kierunku zakończeń, ale nie jest równomierna.

Gęstość poznawano poprzez barwienie chromosomów techniką G-banding. Powstają ciemne prążki (bogate w AT) i jasne (bogate w GC). Pary AT w genomie przeważają – 59,7% wszystkich par nukleotydów. Aby część została wybarwiona musi dany fragment zawierać więcej niż ta liczba – więcej niż 60%. Geny zawierają od 45-50% par AT. Zatem prążki ciemne na widmie muszą być ubogie w geny. Pierwotnie uważano, że prążki jasne odpowiadają genom, ale to jest błędne rozumowanie – znacznie  więcej genów niż prążków, aczkolwiek ich lokalizacja może być w ten sposób poznawana. Ten eksperyment pokazywał, że dystrybucja genów w chromosomach ludzkich jest nierównomierna.

Organizacja w dystrybucji zróżnicowanej jest znacząco różna, gdy zaczniemy porównywać chromosomy zwierząt różnych gatunków.

Chromosom człowieka

Fragment chromosomu 12 o długości 50000 par zasad – próbka reprezentatywna. Fragment ma charakter mozaiki. Na nią składa się sekwencja 4 genów (PKP2 – koduje białko biorące udział w syntezie dezmosomów – miejsca łączenia się komórek u ssaków, SYB1- koduje białko błonowe – bierze udział w tworzeniu pęcherzyków, które łączą się ze zdefiniowanymi białkami w komórce, FLJ10143 – w momencie powstawania mapy genowej, funkcja jego produktów nie była znana, CD27 – gen, który koduje jeden z receptorów czynnika martwicy nowotworów, reguluje szlaki istotne w apoptozie). Każdy z tych genów jest nieciągły: są sekwencje egzonowe i intronowe – nieraz przeważają introny nieraz egzony (częściej introny przeważają). Dodatkowo występują sekwencje rozproszone – tzw. powtarzające się rozproszone sekwencje – występują one w wielu miejscach w genomie ( nie tylko w prezentowany odcinku) – zostały one podzielone na pewne kategorie. Takich sekwencji rozproszonych jest 88. Większość z nich znajduje się w rejonach międzygenowych, ale część znajduje się w obrębie intronów.

Sekwencje rozproszone:

1.      LINE – długie rozproszone elementy jądrowe – na schemacie oznaczone kolorem purpurowym

2.      SINE – krótkie rozproszone elementy jądrowe

3.      LTR – długie powtórzenia końcowe

4.      DNA transposons – transpozony DNA – ruchome elementy genetyczne – występuje ich dużo w genomie człowieka

Dodatkowo występują sekwencje mikrosatelitarne – powtarzane są wielokrotnie krótkie sekwencje pierwotne – motywy wielokrotnie powtarzane – jest ich bardzo dużo. Jeden z nich w prezentowanym fragmencie to sekwencja CA powtarzana 12 razy. Ale mogą być to inne nukleotydy. Około 30% sekwencji prezentowanego odcinka składa się z DNA, który nie może być opisany i skategoryzowany. Jego funkcja jest nieznana – ale jednak nie została utracona w czasie ewolucji. Kiedyś był pogląd, że najważniejszą częścią genomu są fragmenty kodujące geny, a reszta jest nieistotna. Ale okazało się, że sekwencje pozagenowe też pełnią ważną rolę, dając np. RNA jako produkty, który pełni ważną rolę. Najbardziej wyróżniającą cechę w badanym fragmencie jest to, że względnie mało miejsca jest zajmowanych przez gen, dodatkowo udział części egzonowych w genach stanowi tylko 9,5%, co jest odróżniające w porównaniu do innych gatunków. To i tak jest dużo jak dla człowieka, bo ogólnie egzony zajmują około 1,5%.

SKŁAD GENOMU CZŁOWIEKA

a)      Genom składa się z 3200 miliona par zasad

·         Geny stanowią 1200 milionów – w tym egzony 48 milionów, a sekwencje pokrewne – 1152 milionów (na nie składają się pseudogeny, fragmenty genów, introny i UTR- fragmenty nie ulegające replikacji)

·         Międzygenowy DNA 2000 milionów par zasad – sekwencje powtórzone 1400 milionów (LINE, LT, SINE, DNA transposons) a inne regiony 600 milionów (mikrosatelity i inne)

ZAKRES WIELKOŚCI GENOMÓW W RÓŻNYCH GRUPACH EUKARIOTÓW

Najprostsze organizmy eukariotyczne mają względnie małe genomy, aczkolwiek ten zakres może bywać bardzo duży. Największe genomy obserwuje się u roślin. Czy złożoność organizmu koreluje z liczbą genów w jego genomie? Gdyby istniała taka prosta zależność, można by dojść do nieprawdziwych wniosków, ponieważ nie istnieje taka zależność. Jest to tzw. paradoks C. Genomy są zatem zorganizowane w sposób bardziej zwarty, fragmenty niekodujące są lepiej zagospodarowane.

ROZMIARY GENOMÓW EUKARIOTYCZNYCH