Τ.Ε.Ι. ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΣΔΟ ΤΜΗΜΑ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΩΝ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΘΕΜΑ: «ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΓΕΝΕΤΙΚΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ ΜΕ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΕΞΕΛΙΚΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΩΝ»

Transcript

1 Τ.Ε.Ι. ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΣΔΟ ΤΜΗΜΑ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΩΝ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΘΕΜΑ: «ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΓΕΝΕΤΙΚΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ ΜΕ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΕΞΕΛΙΚΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΩΝ» ΣΥΝΤΑΚΤΡΙΑ/ΕΚΦΩΝΗΤΡΙΑ ΟΙΚΟΝΟΜΙΔΟΥ ΕΥΓΕΝΙΑ ΥΠΕΥΘΥΝΟΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΣΥΡΑΚΟΥΛΗΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΚΑΒΑΛΑ,19/12/2006

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Κεφάλαιο 1 4 Εισαγωγή 4 Κεφάλαιο 2 Εισαγωγή Στη Μοριακή Βιολογία Και Τα Γενετικά Δίκτυα Πρωτεΐνες Νουκλεϊκά Οξέα Δομή DNA Δομή RNA Μηχανισμοί Της Μοριακής Τεχνικής (Το Δόγμα Της Βιολογίας) Αντιγραφή ή Αυτοδιπλασιασμός (Replication) Του DNA Μεταγραφή Του DNA Γενετικός Κώδικας: Αντιστοίχηση Τριπλετών Βάσεων σε αμινοξέα Μετάφραση (Translation) Γονιδιακή Ρύθμιση Ο Έλεγχος Της Γονιδιακής Έκφρασης Γενετικά Δίκτυα Από Το Γενικό Βιοχημικό Δίκτυο Στο Γενετικό Δίκτυο Πλεονεκτήματα Και Προοπτικές Των Γενετικών Δικτύων Αναπαράσταση Των Γενετικών Δικτύων Σύνθεση Και Αναδόμηση Γενετικών Δικτύων Από Πειραματικά Δεδομένα Συνδετικότητα (Connectivity) Των Γενετικών Δικτύων 39 Κεφάλαιο 3 Γενετικοί Αλγόριθμοι Γ.Α Εισαγωγή Γ.Α. Και Φυσική Επιλογή Ένας Απλός Γ.Α Μηχανισμός Κωδικοποίησης Συνάρτηση Ευρωστίας Επιλογή 46 1

3 3.3.4 Διασταύρωση Μετάλλαξη Γενετικός Κύκλος Ανάπτυξη Του Απλού Γ.Α Περίγραμμα Ομοιότητας Ανταγωνισμός Κατασκευαστικές Δομές Το Θεώρημα Του Σχήματος Τροποποιήσεις Στον Απλό Γ.Α Μηχανισμοί Επιλογής Και Διαβάθμισης Μηχανισμοί Διασταύρωσης Παράμετροι Ελέγχου Κωδικοποίηση Σύγχρονες Τεχνικές Των Γ.Α Δυναμικές Στρατηγικές Και Μέθοδοι Προσαρμογής Κατανεμημένοι Και Παράλληλοι Γ.Α Τροποποιήσεις Στον Απλό Γ.Α Δυναμική Γ.Α Παραπλάνηση, Αποπροσανατολισμός 72 Κεφάλαιο 4 Η Γλώσσα Προγραμματισμού MATLAB Τι Είναι Το MATLAB Μεταβλητές Και Πράξεις Στο MATLAB Διανύσματα Πίνακες Μαθηματικές Συναρτήσεις Βασικές Συναρτήσεις Πινάκων Και Διανυσμάτων Λογικές Εκφράσεις Δομές Ελέγχου 90 Κεφάλαιο 5 Υλοποίηση Γ.Α. 92 2

4 5.1 Εισαγωγή Μεθοδολογία Μοντελοποίσης Υλοποίηση Γ.Α. 95 Βιβλιογραφία 98 3

5 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η σύγχρονη επιστήμη έχει αποδείξει ότι η ζωή στον πλανήτη ξεκίνησε πριν από περίπου 3,5 δισεκατομμύρια χρόνια, αφότου σχηματίστηκε η Γη. Οι πρώτες μορφές ζωής ήταν ιδιαίτερα απλοϊκές, ωστόσο κατά τη διάρκεια δισεκατομμυρίων χρόνων, μια συνεχόμενη ενεργός διαδικασία, ονομαζόμενη εξέλιξη οδήγησε τις μορφές αυτές ζωής στο να εξελιχθούν και να διαφοροποιηθούν, έτσι ώστε σήμερα να συναντάμε πολύ σύνθετους οργανισμούς μαζί με άλλους απλούστερους. Στο 2 ο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στη μοριακή βιολογία και στα γενετικά δίκτυα. Τόσο οι σύνθετοι όσο και οι απλοί οργανισμοί έχουν παρόμοια μοριακή δομή και χημεία ή αλλιώς βιοχημεία. Οι κύριοι παράγοντες στη χημεία της ζωής είναι μόρια που ονομάζονται πρωτεΐνες και νουκλεϊκά οξέα. Οι πρωτεΐνες είναι υπεύθυνες για το τι είναι και το τι πράττει ένας οργανισμός. Τα νουκλεϊκά οξέα, από την άλλη πλευρά, περιέχουν κωδικοποιημένη την πληροφορία που απαιτείται για την παραγωγή πρωτεϊνών και είναι υπεύθυνα για την μετάδοση αυτής της συνταγής σε επόμενες γενιές. Τα γενετικά δίκτυα είναι σύνολα ρυθμιστικών σχέσεων γονιδίου γονιδίου σε ένα γονιδίωµα (ή σε ένα μέρος αυτού). Σε αντίθεση µε τα μεταβολικά δίκτυα, η εστίαση δεν γίνεται στους μηχανισμούς, αλλά απλώς στην ύπαρξη και πιθανώς την ένταση της αλληλεπίδρασης μεταξύ δύο γονιδίων. Τα γενετικά δίκτυα είναι φαινομενολογικά μοντέλα που δείχνουν πώς οι μεταβολές στη δραστηριότητα ενός γονιδίου επηρεάζουν τη δραστηριότητα άλλων γονιδίων και είναι χρήσιμα για την εξήγηση φαινόμενων υπό την έννοια του πώς εξωτερικές διαταραχές διαδίδονται στον οργανισμό µέσω της έκφρασης των γονιδίων. Προτείνεται η χρησιμοποίηση γενετικών δικτύων για την περιγραφή λειτουργιών στην γενετική, γιατί αυτά τα δίκτυα περιγράφουν µε σαφή τρόπο σε τι διαδικασίες εμπλέκεται κάθε γονίδιο. Πιθανές μελλοντικές χρήσεις αφορούν στην εξατοµικευµένη γονιδιακή θεραπεία, στην ταξινόμηση των γονιδίων σύμφωνα µε την σημασία τους στον έλεγχο και στην ρύθμιση κυτταρικών λειτουργιών. 4

6 Στο 3 ο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στους Γενετικούς Αλγορίθμους. Οι γενετικοί αλγόριθμοι (Γ.Α.) προέκυψαν από τις μελέτες που έγιναν από τον John Holland και την ομάδα εργασίας του στο πανεπιστήμιο του Michigan. Μετά τον Holland πολλοί επιστήμονες έχουν ασχοληθεί με αυτό το θέμα με αποτέλεσμα τα τελευταία χρόνια οι Γ.Α. να έχουν αναδειχθεί ως κατεξοχήν ερευνητικές μέθοδοι για την επίλυση, κυρίως, προβλημάτων βελτιστοποίησης. Έτσι, σε περιοχές με διαφορετικό γνωστικό αντικείμενο, όπως η σύνθεση και η παραγωγή μουσικής, η χάραξη πορείας σε προβλήματα στρατηγικής, αναζητήθηκαν λύσεις μέσω των Γ.Α.. Το γεγονός ότι οι Γ.Α. έχουν πολλές εφαρμογές φαίνεται από τα πολλά διεθνή συνέδρια με αποκλειστικό θέμα τους Γ.Α., και από τον αυξανόμενο αριθμό εργασιών. Αν και οι Γ.Α. προτάθηκαν στις αρχές της δεκαετίας του 70, μόλις την προηγούμενη δεκαετία κατόρθωσαν να κερδίσουν τα φώτα της δημοσιότητας ως γενικού σκοπού εύρωστες μέθοδοι βελτιστοποίησης και τεχνικές έρευνας. Η αποτυχία των λοιπών παραδοσιακών τεχνικών βελτιστοποίησης για την εξεύρεση περίπλοκων, µη καταγεγραµµένων και µε μεταβλητά βάρη, διαστημάτων έρευνας, σε συνδυασμό µε πυκνά αλληλοεξαρτώμενους και ολοένα περισσότερο δαιδαλώδεις περιορισμούς που διέπουν τους χώρους αυτούς, οδήγησε αναπόφευκτα σε εναλλακτικές προσεγγίσεις του ζητήματος. Οι Γ.Α. στηρίζουν τη γοητεία τους ως επί το πλείστον στην απόρριψη ενός αφελούς, θα ήταν ο κατάλληλος χαρακτηρισμός, μηχανισμού έρευνας και επιλογής και στην υιοθέτηση αντί αυτού της διασταύρωσης, ως διαδικασία ανταλλαγής πληροφοριών μεταξύ των λύσεων που ήδη υπάρχουν, ώστε να εντοπιστούν εν τέλει οι βέλτιστες λύσεις. Η εμπειρική εποπτεία της πορείας των Γ.Α. όχι µόνο ενισχύει τη συνέχιση της λειτουργίας τους αλλά κρίνει ως εξίσου εποικοδομητικούς, µία σειρά επιγόνων, όπως θεωρούνται οι κατανεµηµένοι και οι παράλληλοι Γ.Α. καθώς και οι μέθοδοι προσαρμογής για μεταβαλλόμενες παραμέτρους ελέγχου. Στο 4 ο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στη γλώσσα προγραμματισμού MATLAB (MATrix LABoratory). Η γλώσσα αυτή αποτελεί ένα τεχνικό και μαθηματικό υπολογιστικό περιβάλλον με τη χρήση έτοιμων εντολών. Αναφέρονται τα βασικά χαρακτηριστικά του, καθώς και μερικές από τις εντολές που χρησιμοποιούνται για την 5

7 υλοποίηση προγραμμάτων. Έγινε χρήση του προγράμματος MATLAB για να βελτιστοποιηθεί η λειτουργία του Γ.Α. χωρίς να καταφύγουμε στο εργαστήριο. Τέλος, στο 5 ο κεφάλαιο γίνεται μια ανάλυση του προβλήματος που αντιμετωπίσαμε. Την χρήση, δηλαδή, των Γ.Α. για προσομοίωση των γενετικών δικτύων. 6

8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΡΩΤΕΪΝΕΣ Οι πρωτεΐνες είναι μακρομοριακές ενώσεις που σχηματίζονται από τη συνένωση απλούστερων χημικών ουσιών, των αμινοξέων (amino acids). Τα αμινοξέα έχουν γενικό τύπο, όπως παρουσιάζεται στο σχήμα 2.1. Σχήμα 2.1 Γενικός τύπος αμινοξέων. Δηλαδή αποτελούνται από ένα άτομο άνθρακα, οι 4 δεσμοί του οποίου αποτελούνται από: α) μια καρβοξυλική ομάδα (-COOH) β) μια αμινοομάδα (-NH2) γ) ένα άτομο υδρογόνου (Η) δ) μια ομάδα R, η οποία ονομάζεται πλευρική ομάδα (side chain). Η πλευρική ομάδα έχει διαφορετική χημική δομή για κάθε αμινοξύ και έτσι αυτή καθορίζει το ποιο αμινοξύ έχουμε κάθε φορά. Η πλευρική ομάδα μπορεί να είναι απλή, όπως για παράδειγμα ένα άτομο υδρογόνου (το αντίστοιχο αμινοξύ ονομάζεται γλυκίνη) ή αρκετά πιο σύνθετη, π.χ. δύο ανθρακικοί δακτύλιοι στην περίπτωση της τρυπτοφάνης. Αν και έχουν ανιχνευτεί πάνω από 170 αμινοξέα, μόνο 20 από αυτά αποτελούν συστατικά των πρωτεϊνών. Τα αμινοξέα ενώνονται μεταξύ τους με πεπτιδικούς δεσμούς, δηλαδή η καρβοξυλική ομάδα του ενός (-COOH) αντιδρά με την αμινοομάδα (ΝΗ 2 ) του άλλου με απόσπαση νερού (όπως φαίνεται και στο σχήμα 2.3). 7

9 H H H H 2 N C COOH + H N C COOH R 1 R 2 H O H H H 2 N C C N C COOH + Η 2 Ο R 1 ΠΕΠΤΙΔΙΚΌΣ R 2 ΔΕΣΜΟΣ Σχήμα 2.2 Πεπτιδικός δεσμός. Έτσι από δύο αμινοξέα δημιουργείται ένα διπεπτίδιο, η προσθήκη ενός τρίτου αμινοξέος δημιουργεί ένα τριπεπτίδιο κ.ο.κ. Αν τα πεπτίδια αποτελούνται από μικρό αριθμό αμινοξέων, τα ονομάζουμε ολιγοπεπτίδια, ενώ στην περίπτωση που η πεπτιδική αλυσίδα περιέχει πάνω από αμινοξέα, τότε τα πεπτίδια τα ονομάζουμε πολυπεπτίδια ή πρωτεΐνες. Μερικές πρωτεΐνες αποτελούνται από περισσότερες από μια πολυπεπτιδικές αλυσίδες π.χ. η αιμοσφαιρίνη. Μερικές πρωτεΐνες περιέχουν περισσότερα από χίλια αμινοξέα. Η μεγάλη ποικιλία στην πλευρική ομάδα (R) των αμινοξέων δημιουργεί τη μεγάλη ποικιλία στη μορφή καθώς και στην λειτουργία διαφόρων πρωτεϊνών. Υπολογίζεται ότι υπάρχουν 4,5 δισεκατομμύρια διαφορετικές πρωτεΐνες στη φύση. Ένα πολυπεπτίδιο, αμέσως μετά τη σύνθεσή του, δεν είναι συνήθως ικανό να εκδηλώσει το βιολογικό του ρόλο. Η ικανότητα αυτή αποκτάται, όταν η πολυπεπτιδική αλυσίδα πάρει την τελική διαμόρφωσή της στο χώρο. Στα πρωτεϊνικά μόρια διακρίνουμε 4 επίπεδα οργάνωσης: Το πρώτο επίπεδο είναι η πρωτοταγής δομή, δηλαδή η αλληλουχία των αμινοξέων στην πολυπεπτιδική αλυσίδα. Το δεύτερο επίπεδο είναι η δευτεροταγής δομή της πρωτεΐνης, στην οποία η πολυπεπτιδική αλυσίδα αναδιπλώνεται και αποκτά είτε ελικοειδή είτε πτυχωτή μορφή. 8

10 Το τρίτο επίπεδο είναι η τριτοταγής δομή, όπου η πολυπεπτιδική αλυσίδα, πτυχωτή ή ελικοειδής, αναδιπλώνεται στο χώρο, ώστε να αποκτήσει μια καθορισμένη μορφή. Αν η πρωτεΐνη αποτελείται από μία μόνο πολυπεπτιδική αλυσίδα, το τελικό στάδιο της διαμόρφωσής της είναι η τριτοταγής δομή (σχήμα 2.3) Σχήμα 2.3 Τα τρία επίπεδα οργάνωσης της πρωτεΐνης. Αν όμως αποτελείται από περισσότερες πολυπεπτιδικές αλυσίδες, το τελικό στάδιο είναι η τεταρτοταγής δομή, δηλαδή ο συνδυασμός των επιμέρους πολυπεπτιδικών αλυσίδων σε ένα ενιαίο πρωτεϊνικό μόριο. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η αιμοσφαιρίνη, η οποία συντίθεται από τέσσερις πολυπεπτιδικές αλυσίδες, ανά δύο ίδιες. Η διαμόρφωση του πρωτεϊνικού μορίου στο χώρο, καθορίζεται από την αλληλουχία των αμινοξέων στην πεπτιδική αλυσίδα και σταθεροποιείται από τους δεσμούς που σχηματίζονται ανάμεσα στις πλευρικές ομάδες R των αμινοξέων. Οι πρωτεΐνες παράγονται σε κυτταρικές δομές που ονομάζονται ριβοσώματα (ribosomes). Σε ένα ριβόσωμα, τα αμινοξέα από τα οποία αποτελείται η πρωτεΐνη 9

11 συναρμολογούνται το ένα μετά το άλλο χάρη στην πληροφορία που περιέχεται σε ένα σημαντικό μόριο που ονομάζεται αγγελιαφόρο ριβονουκλεικό οξύ (messenger ribonucleic acid ή mrna). Στο ανθρώπινο σώμα υπάρχουν περισσότερες από διαφορετικές πρωτεΐνες, οι οποίες έχουν διαφορετικό βιολογικό ρολό μεταξύ τους. Για παράδειγμα, ο ρόλος της αιμοσφαιρίνης είναι η μεταφορά του οξυγόνου και του διοξειδίου του άνθρακα, το κολλαγόνο είναι δομική πρωτεΐνη ιστών κ.ο.κ. Μια εξαιρετικά σημαντική λειτουργία ορισμένων πρωτεϊνών είναι η καταλυτική, δηλαδή η επιτάχυνση χημικών αντιδράσεων που για να γίνουν χωρίς τη συμμετοχή των καταλυτικών πρωτεϊνών (ενζύμων) θα ήθελαν είτε υψηλές θερμοκρασίες, πράγμα ασυμβίβαστο με τις συνθήκες ζωής, ή πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα. Αντίθετα, οι ενζυμικές αντιδράσεις γίνονται ταχύτατα (μέσα σε λεπτά ή δευτερόλεπτα). Από την ποικιλία των διαφορετικών λειτουργιών που εκτελούν πρωτεΐνες μπορούμε να αντιληφθούμε την μεγάλη σημασία τους για τα βιολογικά φαινόμενα. Ο μεταβολισμός, ο πολλαπλασιασμός και όλες οι άλλες λειτουργίες των κυττάρων, και κατ επέκταση των οργανισμών, στηρίζονται στη δράση των πρωτεϊνών. Οι πρωτεΐνες, με κριτήριο τη λειτουργία τους, διακρίνονται σε δύο ευρύτερες κατηγορίες: Τις δομικές Τις λειτουργικές Οι δομικές αποτελούν δομικά συστατικά των κυττάρων και κατά επέκταση των οργανισμών ενώ οι λειτουργικές συμβάλλουν στις διάφορες λειτουργίες. Παραδείγματα αναφέρονται στον πίνακα 2.1. Μόρια τα οποία αποτελούνται από τα ίδια είδη αμινοξέων είναι δυνατό να παρουσιάζουν διαφορετικές λειτουργίες. Αυτό οφείλεται στο στοιχείο που διαφοροποιεί τις πρωτεΐνες μεταξύ τους, δηλαδή στη διαφορετική αλληλουχία των αμινοξέων, την διαφορετική πρωτοταγή δομή σε συνδυασμό με τις διαφορετικές πλευρικές ομάδες R. Όταν η σειρά των αμινοξέων είναι διαφορετική, η δυνατότητα να σχηματιστούν δεσμοί ανάμεσα στις πλευρικές ομάδες αμινοξέων βρίσκεται σε διαφορετικά σημεία της πεπτιδικής αλυσίδας. Αυτό οδηγεί σε διαφορετική αναδίπλωση του μορίου, που 10

12 συνεπάγεται διαφορετική δευτεροταγή και τριτοταγή δομή, επομένως σε διαφορετική διαμόρφωση στο χώρο. ΕΙΔΟΣ ΠΡΩΤΕΪΝΩΝ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ Α. ΔΟΜΙΚΕΣ Β. ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΕΣ ΜΕΤΑΦΕΡΟΥΣΕΣ ΑΜΥΝΤΙΚΕΣ ΣΥΣΤΑΛΤΕΣ Κολλαγόνο Ελαστίνη Αιμοσφαιρίνη Μυοσφαιρίνη Αντισώματα Ινωδογόνο Μυοσίνη Ακτίνη Συστατικό του συνδετικού ιστού (οστά, χόνδροι, τένοντες) Συστατικό των συνδέσμων των οστών Μεταφορά οξυγόνου και διοξειδίου του άνθρακα στο αίμα σπονδυλωτών Μεταφορά οξυγόνου και προσωρινή αποθήκευση στους μυς σπονδυλωτών Σύνδεση με κάθε ξένο για τον οργανισμό «σώμα» και εξουδετέρωσή του Συμμετοχή στη διαδικασία πήξης του αίματος Συστατικό των μυϊκών κυττάρων Συστατικό των μυϊκών κυττάρων ΑΠΟΘΗΚΕΥΤΙΚΕΣ ΟΡΜΟΝΙΚΕΣ ΕΝΖΥΜΙΚΕΣ Καζεΐνη Αλβουμίνη Ινσουλίνη Γλυκαγόνη Εξοκινάση RNA πολυμεράση Αποθήκη ασβεστίου στο γάλα Πηγή αμινοξέων για το αναπτυσσόμενο έμβρυο (στο ασπράδι των αυγών) Ρύθμιση του σακχάρου του αίματος. Εκκρίνεται από το πάγκρεας Ρύθμιση του σακχάρου του αίματος. Εκκρίνεται από το πάγκρεας Ένζυμο της γλυκόλυσης Ένζυμο της μεταγραφής του DNA σε RNA Πίνακας 2.1 Διάκριση των πρωτεϊνών και λειτουργίες που αυτές επιτελούν Η τρισδιάστατη δομή μιας πρωτεΐνης καθορίζει τη λειτουργία που αυτή εκτελεί. Αυτό φαίνεται από τις συνέπειες της έκθεσής της σε ακραίες τιμές θερμοκρασίας ή ph. Τότε η πρωτεΐνη υφίσταται αυτό που ονομάζουμε μετουσίωση. Σπάζουν δηλαδή οι 11

13 δεσμοί που έχουν αναπτυχθεί μεταξύ των πλευρικών ομάδων, καταστρέφεται η τρισδιάστατη δομή της και η πρωτεΐνη χάνει τη λειτουργικότητά της. Ο καθορισμός των λειτουργιών της πρωτεΐνης από την τρισδιάστατη δομή της εξηγείται ως εξής: μια αναδιπλωμένη πρωτεΐνη έχει ακανόνιστο σχήμα που σημαίνει ότι έχει ποικίλες κοιλότητες και προεξοχές. Τέτοια σχήματα επιτρέπουν στην πρωτεΐνη να έρθει πλησιέστερα ή να προσδεθεί σε άλλα, συγκεκριμένα μόρια. Τα είδη των μορίων στα οποία μια πρωτεΐνη μπορεί να προσδεθεί εξαρτώνται από το σχήμα της. Για παράδειγμα το σχήμα της πρωτεΐνης μπορεί να είναι τέτοιο που να επιτρέπει την πρόσδεση με αρκετά πανομοιότυπα αντίγραφα του εαυτού της, όπως μια τρίχα μαλλιών. Ακόμη θα μπορούσε να έχει τέτοιο σχήμα ώστε τα μόρια α και β να προσδένονται στην πρωτεΐνη, ξεκινώντας να ανταλλάσουν άτομα μεταξύ τους, με την πρωτεΐνη να λειτουργεί στην περίπτωση αυτή ως καταλύτης. 2.2 ΝΟΥΚΛΕΪΚΑ ΟΞΕΑ (DNA και RNA) Τα νουκλεϊκά οξέα αποτελούν αλυσίδες από μονότονα επαναλαμβανόμενες μονάδες, τα νουκλεοτίδια. Όπως στο DNA έτσι και στο RNA συναντάμε 4 είδη νουκλεοτιδίων. Κάθε νουκλεοτίδιο αποτελείται από τρία βασικά συστατικά: Αζωτούχες βάσεις, οι οποίες με την σειρά τους χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: Στις πουρίνες και στις πυριμιδίνες. Οι πουρίνες που είναι ίδιες και στο RNA αλλά και στο DNA είναι η Αδενίνη (Α) και η Γουανίνη (G). Οι πυριμιδίνες είναι τρεις: η Κυτοσίνη (C), η Ουρακίλη (U) και η Θυμίνη (T). Στο RNA βρίσκουμε τις πρώτες δύο C και U, ενώ στο DNA βρίσκουμε την C αλλά στην θέση της U βρίσκουμε την T DNA ADENINE GOUANINE CYTOCINE THYMINE A G C T/U RNA ADENINE GOUANINE CYTOCINE URAKILI Πίνακας 2.2 Τα νουκλεϊκά οξέα DNA και RNA 12

14 Γουανίνη (G) Θυμίνη (Τ) Αδενίνη (Α) Κυτοσίνη (C) Σχήμα 2.4 Αζωτούχες βάσεις Η πεντόζη στο DNA είναι η δεοξυριβόζη, ενώ στο RNA η ριβόζη. Κάθε αζωτούχος βάση ενώνεται με γλυκοσιδικό δεσμό με το 1 ο άτομο άνθρακα μιας πεντόζης. Η φωσφορική ομάδα συνδέει με φωσφοδιεστερικούς δεσμούς το 3 ο άτομο άνθρακα ενός μορίου πεντόζης με το 5 ο άτομο άνθρακα του επομένου. Κάθε επαναλαμβανόμενη μονάδα αποτελούμενη από την πουρίνη ή την πιριμιδίνη, την πεντόζη και την φωσφορική ομάδα ονομάζεται νουκλεοτίδιο (nucleotide). Έτσι τελικά σχηματίζονται μεγάλες αλυσίδες «πολυνουκλεοτιδίων». Οι αλυσίδες αυτές αποτελούνται αποκλειστικά ή από δεοξυριβονουκλεοτίδια ή από ριβονουκλεοτίδια. Οι αλυσίδες των νουκλεικών οξέων έχουν συνήθως μεγάλο μήκος, σε αυτό οφείλεται και το μεγάλο μοριακό τους βάρος. Το μεγάλο μήκος δικαιολογεί επίσης τη μοναδική ιδιότητα του DNA, να είναι ο φορέας όλων των πληροφοριών που χρειάζεται ένας οργανισμός, για να οικοδομηθεί και να λειτουργήσει. Επειδή κάθε νουκλεοτίδιο του DNA μπορεί να περιέχει οποιασδήποτε από τις βάσεις A,T,G,C υπάρχει, ένας απεριόριστος αριθμός διαφορετικών αλληλουχιών νουκλεοτιδίων, που καθεμιά 13

15 αντιπροσωπεύει και μια διαφορετική πολυνουκλεοτιδική αλυσίδα, δηλαδή ένα διαφορετικό συνδυασμό πληροφοριών. Φωσφορική ρίζα 5 σάκχαρο βάση 3 ο Φωσφορική ρίζα 5 σάκχαρο βάση 3 ο Φωσφορική ρίζα 5 σάκχαρο βάση 3 ο HO Σχήμα 2.5 Διάγραμμα της δομής του νουκλεϊκού οξέος ΔΟΜΗ ΤΟΥ DNA Τα πολυνουκλεοτίδια, όπως και οι πρωτεΐνες, εκτός από την πρωτοταγή δομή τους, διαθέτουν και διάταξη στο χώρο (στερεοδιάταξη). Το 1953 οι James Watson και Francis Crick, παρουσίασαν ένα μοντέλο για τη δομή του DNA, που ονομάστηκε μοντέλο της διπλής έλικας. Σύμφωνα με το μοντέλο αυτό, το μόριο του DNA έχει τα ακόλουθα βασικά χαρακτηριστικά: Αποτελείται από δύο πολυνουκλεοτιδικές αλυσίδες, τους κλώνους (strands), οι οποίοι περιελίσσονται δεξιόστροφα ο ένας γύρω από τον άλλο σχηματίζοντας μια διπλή έλικα που περιέχει σε μια πλήρη περιστροφή δέκα νουκλεοτίδια (Σχήμα 2.6) Κάθε κλώνος έχει μια πολικότητα ή κατεύθυνση, και οι δύο κλώνοι έχουν αντίθετες κατευθύνσεις. Η πολικότητα των κλώνων είναι αποτέλεσμα του 14

16 γεγονότος ότι οι χημικοί δεσμοί κατά μήκος του σκελετού του κάθε κλώνου είναι ασύμμετροι. Οι αζωτούχες βάσεις βρίσκονται στην εσωτερική πλευρά της έλικας, ενώ οι φωσφορικές ρίζες και οι πεντόζες στην εξωτερική. Οι βάσεις είναι τοποθετημένες σε επιφάνειες κάθετες στον άξονα της έλικας. Η διάμετρος της έλικας είναι 23,7 Α. H απόσταση μεταξύ των βάσεων είναι 3,4 Α, συνεπώς μια πλήρης περιστροφή της έλικας έχει μήκος 34 Α. Οι δύο κλώνοι συγκρατούνται μεταξύ τους με δεσμούς υδρογόνου, που σχηματίζονται μεταξύ των αζωτούχων βάσεών τους. Τα ζευγάρια των αζωτούχων βάσεων, ανάμεσα στις οποίες μπορούν να σχηματιστούν δεσμοί υδρογόνου, είναι καθορισμένα: η αδενίνη με τη θυμίνη (Α με Τ) και η γουανίνη με την κυτοσίνη (G με C). Αυτό σημαίνει ότι απέναντι σε κάθε αδενίνη βρίσκεται πάντα μια θυμίνη και αντίστροφα, ενώ απέναντι σε κάθε γουανίνη βρίσκεται μια κυτοσίνη και αντίστροφα. Η Α δεσμεύεται με την Τ με δύο δεσμούς υδρογόνου ενώ η C με την G με τρεις. Οι βάσεις αδενίνη/θυμίνη και γουανίνη/κυτοσίνη, μεταξύ των οποίων σχηματίζονται δεσμοί υδρογόνου, χαρακτηρίζονται ως συμπληρωματικές (complementary). Χάρη στην συμπληρωματικότητα αυτή το μόριο μπορεί να αντιγράφεται με ακρίβεια, αλλά και να ασκεί τον κατευθυντήριο ρόλο του σε όλες τις δραστηριότητες του κυττάρου. Σχήμα 2.6 Τμήμα μορίου DNA Σχήμα 2.7 Οι δεσμοί υδρογόνου που αναπτύσσονται μεταξύ των συμπληρωματικών βάσεων στο δίκλωνο μόριο του DNA σταθεροποιούν τη χωροδιάταξη του μορίου. 15

17 Το σύνολο των μορίων του DNA ενός κυττάρου αποτελεί το γενετικό του υλικό. Στα ευκαρυωτικά κύτταρα, τα κύτταρα δηλαδή που έχουν πυρήνα, το DNA βρίσκεται μέσα στον πυρήνα ως συστατικό των χρωμοσωμάτων. Ένα μικρό ποσοστό υπάρχει και στα μιτοχόνδρια και στους χλωροπλάστες. Στα προκαρυωτικά κύτταρα, το DNA συναντάται ελεύθερο μέσα στο κύτταρο. Στη φύση, τα μόρια του DNA έχουν πολύ μεγάλο μήκος, αρκετά μεγαλύτερο από αυτό των πρωτεϊνών. Στο ανθρώπινο κύτταρο, τα μόρια DNA περιέχουν εκατοντάδες εκατομμύρια νουκλεοτίδια. Η μονάδα μήκους που χρησιμοποιείται για να περιγράψει το DNA είναι ο αριθμός των ζευγών συμπληρωματικών βάσεων, σε συντομία bp (base pairs) ΔΟΜΗ ΤΟΥ RNA Τα μόρια RNA έχουν διαφορές σύστασης και δομής από τα μόρια του DNA: Στο RNA η πεντόζη είναι ριβόζη αντί για δεοξυριβόζη Στο RNA συναντάμε την ουρακίλη (U) αντί της θυμίνης (T). Η ουρακίλη, όπως και η θυμίνη, συνδέεται με την αδενίνη (A). Το RNA δεν σχηματίζει διπλή έλικα. Είναι κατά βάση μονόκλωνο μόριο, δηλαδή αποτελείται από μια απλή πολυριβονουκλεοτιδική αλυσίδα. Μερικές φορές, αυτό το μονόκλωνο μόριο αναδιπλώνεται σε ορισμένα σημεία. Η διαμόρφωση αυτή μπορεί να σταθεροποιηθεί με δεσμούς υδρογόνου, που σχηματίζονται ανάμεσα σε βάσεις που είναι συμπληρωματικές μεταξύ τους (G-C,A-U), παρά το ότι στην περίπτωση αυτή ανήκουν στον ίδιο κλώνο. Επίσης, κάποιες φορές συναντώνται υβριδικές έλικες RNA-DNA. 16

18 Σχήμα 2.8 Το RNA σε σύγκριση με το DNA Το RNA εμφανίζεται με 4 διαφορετικούς τύπους σύμφωνα με το βιολογικό τους ρόλο: o Το αγγελιαφόρο RNA ή mrna (messenger RNA) Τα μόρια αυτά μεταφέρουν την πληροφορία του DNA για την παραγωγή μιας πολυπεπτιδικής αλυσίδας (πρωτεΐνης). Αποτελούν το 5% των νουκλεϊκών οξέων. o Το μεταφορικό RNA ή trna (transfer RNA) Κάθε μεταφορικό RNA συνδέεται με ένα συγκεκριμένο αμινοξύ και το μεταφέρει στη θέση της πρωτεϊνοσύνθεσης. Αποτελούν το 10-20% των νουκλεϊκών οξέων. Δεν είναι δεσμευμένα σε κυτταρικά οργανίδια. o Το ριβοσωμικό RNA ή rrna (ribosomic RNA) Τα μόρια αυτά συνδέονται με πρωτεΐνες και σχηματίζουν το ριβόσωμα, ένα «σωματίδιο» απαραίτητο για την πραγματοποίηση της πρωτεϊνοσύνθεσης. Αποτελούν το 80% των νουκλεϊκών οξέων. o Το μικρό πυρηνικό RNA ή snrna (small nuclear RNA) Είναι μικρά μόρια RNA, τα οποία συνδέονται με πρωτεΐνες και σχηματίζουν μικρά ριβονουκλεοπρωτεϊνικά σωματίδια. Τα σωματίδια αυτά καταλύουν την 17

19 «ωρίμανση» του mrna, μια διαδικασία που γίνεται μόνο στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς. Τα τρία πρώτα είδη υπάρχουν και στους προκαρυωτικούς και στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς, αλλά το τέταρτο υπάρχει μόνο στους ευκαρυωτικούς. 2.3 ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΤΗΣ ΜΟΡΙΑΚΗΣ ΤΗΣ ΓΕΝΕΤΙΚΗΣ (ΤΟ ΚΕΝΤΡΙΚΟ ΔΟΓΜΑ ΤΗΣ ΒΙΟΛΟΓΙΑΣ) Κάθε κύτταρο, και κατ επέκταση κάθε οργανισμός, κατασκευάζει τις δομές του και πραγματοποιεί τις λειτουργίες του σύμφωνα με μια σειρά πληροφοριών, που έχει κληρονομήσει από τους προγόνους του. Οι πληροφορίες αυτές είναι καταγραμμένες στην αλληλουχία των αζωτούχων βάσεων του DNA. Η λειτουργία του DNA ως γενετικού υλικού είναι δυνατή, γιατί το μόριο αυτό έχει τις παρακάτω ιδιότητες: Παράγει ακριβή αντίγραφά του, έτσι ώστε η γενετική πληροφορία μεταβιβάζεται αναλλοίωτη από κύτταρο σε κύτταρο και από γενιά σε γενιά. Προσδιορίζει την παραγωγή των διαφόρων ειδών RNA και μέσω αυτών, των πρωτεϊνών. Η πληροφορία στο DNA βρίσκεται σε συγκεκριμένα τμήματά του, τα οποία έχουν συγκεκριμένη ακολουθία και ονομάζονται γονίδια. Το γονίδιο είναι η μονάδα κληρονομικότητας στους ζωντανούς οργανισμούς. Τα γονίδια συνθέτουν το γονιδίωμα ενός οργανισμού, που αποτελείται από το DNA και το RNA, και κατευθύνουν τη φυσική ανάπτυξη και συμπεριφορά του οργανισμού. Τα περισσότερα γονίδια κωδικοποιούν πρωτεΐνες, οι οποίες είναι βιολογικά μακρομόρια που αποτελούνται από γραμμικές αλυσίδες των αμινοξέων και επηρεάζουν τις περισσότερες από τις χημικές αντιδράσεις που πραγματοποιούνται από τα κύτταρα. Μερικά γονίδια δεν κωδικοποιούν πρωτεΐνες, αλλά τα RNA μόρια διαδραματίζουν βασικούς ρόλους στην βιοσύνθεση πρωτεϊνών και στον έλεγχο της γονιδιακής έκφρασης. Τα μόρια που προκύπτουν από την γονιδιακή έκφραση, είτε RNA είτε πρωτεΐνη, είναι γνωστά ως γονιδιακά προϊόντα. Κάθε πρωτεΐνη που παράγεται κατά τη διαδικασία της πρωτεϊνοσύνθεσης, αντιστοιχεί σε ένα γονίδιο. Οι πρωτεΐνες είναι υπεύθυνες για τα βασικά δομικά και λειτουργικά χαρακτηριστικά των κυττάρων. 18

20 Σχήμα 2.9 Απεικόνιση ενός γονιδίου σε σχέση με την διπλή έλικα του DNA και ένα χρωμόσωμα. Το Κεντρικό Δόγμα της μοριακής βιολογίας είναι μια αναπαράσταση των πιθανών τρόπων ροής της γενετικής πληροφορίας. Ο όρος προτάθηκε για πρώτη φορά το 1958 από τον Fransis Krik. Τα πρώτα χρόνια χρήσης του όρου, οι ερευνητές γνώριζαν τους εξής πιθανούς τρόπους ροής της γενετικής πληροφορίας: Την αντιγραφή ή αυτοδιπλασιασμό του DNA, η οποία διαιωνίζει τη γενετική πληροφορία, Την μετάφραση, έκφραση δηλαδή της πληροφορίας στη γλώσσα των αμινοξέων, για να κατασκευάσει ένα πολυπεπτίδιο (πρωτεΐνη), Την μεταγραφή, μεταφορά δηλαδή της γενετικής πληροφορίας από DNA σε αγγελιαφόρο RNA. Στις μέρες μας, οι ερευνητές της βιολογίας γνωρίζουν ότι υπάρχουν επιπλέον τρόποι ροής της γενετική πληροφορίας. Πιο συγκεκριμένα, έχουν εντοπιστεί ορισμένοι ιοί που έχουν ως γενετικό υλικό RΝΑ και χρησιμοποιούν ένα ειδικό ένζυμο, προκειμένου να χρησιμοποιήσουν αυτό το RNA και να συνθέσουν DNA. Επίσης, έχει διαπιστωθεί ότι σε κάποιους ιούς το RNA μπορεί να αυτοδιπλασιάζεται. Σύμφωνα λοιπόν με το Κεντρικό δόγμα, η γενετική πληροφορία ρέει από τα νουκλεϊκά οξέα (το DNA και RNA) προς τις πρωτεΐνες. 19

21 Σχήμα 2.10 Το κεντρικό δόγμα της βιολογίας σήμερα. Σχήμα 2.11 Το κεντρικό δόγμα της βιολογίας όπως εκφράστηκε από τον Fransis Krik ΑΝΤΙΓΡΑΦΗ Η ΑΥΤΟΔΙΠΛΑΣΙΑΣΜΟΣ (REPLICATION) ΤΟΥ DNA Απαραίτητη προϋπόθεση για τη μεταβίβαση της γενετικής πληροφορίας από τα κύτταρα στα θυγατρικά τους, είναι ο αυτοδιπλασιασμός του μορίου του DNA. Ο αυτοδιπλασιασμός ξεκινάει από κάποιο σημείο της αλυσίδας του DNA. Τα γεγονότα που ακολουθούν είναι κατά σειρά: Σπάσιμο των δεσμών υδρογόνου μεταξύ των συμπληρωματικών βάσεων μιας περιοχής. Ξετύλιγμα της δίκλωνης έλικας στην περιοχή αυτή. Αντιγραφή και των δύο κλώνων του DNA ταυτόχρονα, με τη βοήθεια ενός ένζυμου (DNA πολυμεράση III). Η αντιγραφή γίνεται με τον εξής τρόπο: απέναντι από κάθε νουκλεοτίδιο και των δύο μητρικών κλώνων τοποθετείται ένα άλλο νουκλεοτίδιο, σύμφωνα με την αρχή της συμπληρωματικότητας των βάσεων. Έτσι σταδιακά, και καθώς το αρχικό άνοιγμα διευρύνεται, σχηματίζονται οι δύο θυγατρικές πολυνουκλεοτιδικές αλυσίδες, καθεμιά από τις οποίες είναι συμπληρωματική της μητρικής που χρησιμοποιήθηκε ως πρότυπο. Στο τέλος δηλαδή του αυτοδιπλασιασμού όλου του μητρικού μορίου έχουν παραχθεί δύο μόρια. Καθένα από αυτά αποτελείται από μια μητρική και από τη συμπληρωματική της θυγατρική αλυσίδα. 20

22 Τα νέα μόρια έχουν πανομοιότυπες αλληλουχίες βάσεων τόσο μεταξύ τους όσο και με το αρχικό μόριο. Ο τρόπος αυτοδιπλασιασμού του DNA χαρακτηρίζεται ως ημισυντηρητικός, γιατί κάθε θυγατρικό μόριο αποτελείται από ένα παλαιό κλώνο και από έναν εξ ολοκλήρου νέο. Η πιστότητα της αντιγραφής διασφαλίζεται με ένα μηχανισμό στον οποίο μετέχει πάλι το ίδιο το ένζυμο (DNA πολυμεράση III). Το ένζυμο αυτό έχει την ικανότητα να διαπιστώνει και να επιδιορθώνει τα λάθη που έχουν συμβεί κατά τη διάρκεια της αντιγραφής. Μπορεί δηλαδή, να ανακαλύπτει και να απομακρύνει τα νουκλεοτίδια που έχουν τοποθετηθεί κατά παράβαση της αρχής της συμπληρωματικότητας. Στα ευκαρυωτικά κύτταρα φαίνεται ότι η έναρξη της αντιγραφής δε γίνεται από ένα μόνο σημείο, όπως συμβαίνει στα βακτήρια, αλλά από πολυάριθμα σημεία ταυτοχρόνως. Έτσι μπορεί να εξηγηθεί η μεγάλη ταχύτητα με την οποία επιτελείται. Χάρη στον αυτοδιπλασιασμό του DNA, που γίνεται στον πυρήνα πριν από τη διαίρεση του κυττάρου, κάθε θυγατρικό κύτταρο παίρνει το ίδιο ακριβώς γενετικό υλικό σε ποσότητα και ποιότητα με αυτό που είχε το μητρικό κύτταρο. Οι γενετικές πληροφορίες δηλαδή αντιγράφονται και μεταβιβάζονται με ακρίβεια από γενιά σε γενιά κυττάρων και κατ επέκταση οργανισμών. Σχήμα 2.12 Αυτοδιπλασιασμός του DNA Σχήμα 2.13 Ημισυντηρητικός τρόπος αυτοδιπλασιασμού του DNA 21

23 2.3.2 ΜΕΤΑΓΡΑΦΗ ΤΟΥ DNA Ο μηχανισμός της μεταγραφής είναι ο ίδιος στους προκαρυωτικούς και στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς. Η μεταγραφή καταλύεται από ένα ένζυμο, την RNA πολυμεράση. Η RNA πολυμεράση προσδένεται σε ειδικές περιοχές του DNA (η καθεμιά από τις οποίες καταλαμβάνει περίπου 60 ζεύγη βάσεων), που ονομάζονται υποκινητές (promoters), με την βοήθεια πρωτεϊνών που ονομάζονται μεταγραφικοί παράγοντες (transcription factors). Οι υποκινητές και οι μεταγραφικοί παράγοντες αποτελούν τα ρυθμιστικά στοιχεία της μεταγραφής του DNA και επιτρέπουν στην RNA πολυμεράση να αρχίσει σωστά τη μεταγραφή. Οι υποκινητές βρίσκονται πάντοτε πριν από την αρχή κάθε γονιδίου. Κατά την έναρξη της μεταγραφής ενός γονιδίου η RNA πολυμεράση προσδένεται στον υποκινητή και προκαλεί τοπικό ξετύλιγμα της έλικας του DNA (σπάνε οι δεσμοί υδρογόνου, που συγκρατούν τις αζωτούχες βάσεις, και ανοίγει η διπλή έλικα). Στη συνέχεια τοποθετεί τα ριβονουκλεοτίδια απέναντι από τα δεοξυριβονουκλεοτίδια ενός από τους δύο κλώνους του DNA, τον οποίο ονομάζουμε πρότυπο ή μητρικό κλώνο (template strand) σύμφωνα με τον κανόνα της συμπληρωματικότητας των βάσεων, όπως και στην αντιγραφή, με τη διαφορά ότι εδώ απέναντι από την αδενίνη τοποθετείται το ριβονουκλεοτίδιο που περιέχει ουρακίλη. Η RNA πολυμεράση συνδέει τα ριβονουκλεοτίδια που προστίθενται το ένα μετά το άλλο, με 3 o -5 o φωσφοδιεστερικό δεσμό. Μετά την αρχική πρόσδεση, η πολυμεράση μετατοπίζεται κατά μήκος του γονιδίου, απομακρυνόμενη από τον υποκινητή και συνθέτοντας το mrna, όπως φαίνεται στο σχημα Κατά τη μετατόπισή της, η πολυμεράση συνεχώς ξετυλίγει και μετά ξανατυλίγει διαδοχικά μικρές περιοχές του DNA. Το προσωρινό ξετύλιγμα αποχωρίζει τα ζεύγη βάσεων, έτσι ώστε η αλληλουχία ενός από τους κλώνους να αποτελεί τη μήτρα για τη δημιουργία του συμπληρωματικού mrna. Κάθε υποκινητής καθοδηγεί την πολυμεράση προς τη μία ή την άλλη κατεύθυνση κατά μήκος της έλικας του DNA, έτσι ώστε όταν το ένζυμο μετατοπίζεται προς μια δεδομένη κατεύθυνση να αντιγράφει σε mrna έναν μόνο κλώνο. Η πολικότητα της αλυσίδας του mrna είναι αντίθετη εκείνης του προτύπου κλώνου του 22

24 DNA. Η μεταγραφή έχει προσανατολισμό 5 ο -3 ο όπως και η αντιγραφή και πραγματοποιείται με ταχύτητα 30 νουκλεοτιδίων το δευτερόλεπτο. Η σύνθεση του RNA σταματά στο τέλος του γονιδίου, όπου ειδικές αλληλουχίες οι οποίες ονομάζονται αλληλουχίες λήξης της μεταγραφής, επιτρέπουν την απελευθέρωσή του. Στους προκαρυωτικούς οργανισμούς το mrna αρχίζει να μεταφράζεται σε πρωτεΐνη πριν ακόμη ολοκληρωθεί η μεταγραφή του. Αυτό είναι δυνατό, επειδή δεν υπάρχει πυρηνική μεμβράνη. Αντίθετα, στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς, το mrna που παράγεται κατά τη μεταγραφή ενός γονιδίου, συνήθως δεν είναι έτοιμο να μεταφραστεί, αλλά υφίσταται μια πολύπλοκη διαδικασία ωρίμανσης. Η διαδικασία αυτή αποτελεί ένα από τα πιο ενδιαφέροντα ευρήματα της μοριακής βιολογίας, γιατί οδήγησε στο συμπέρασμα ότι τα περισσότερα γονίδια των ευκαρυωτικών οργανισμών (και των ιών που τους προσβάλλουν ) είναι ασυνεχή ή διακεκομμένα. Δηλαδή, η αλληλουχία που μεταφράζεται σε αμινοξέα διακόπτεται από ενδιάμεσες αλληλουχίες οι οποίες δεν μεταφράζονται σε αμινοξέα. Οι αλληλουχίες που μεταφράζονται σε αμινοξέα ονομάζονται εξώνια (exons) και οι ενδιάμεσες αλληλουχίες ονομάζονται εσώνια (introns). Όταν ένα γονίδιο που περιέχει εσώνια μεταγράφεται, δημιουργείται το πρόδρομο mrna που περιέχει και εξώνια και εσώνια. Το πρόδρομο mrna μετατρέπεται σε mrna με τη διαδικασία της ωρίμανσης, κατά την οποία τα εσώνια κόβονται από μικρά ριβονουκλεοπρωτεινικά «σωματίδια» και απομακρύνονται. Τα ριβονουκλεοπρωτεινικά «σωματίδια» αποτελούνται από snrna και από πρωτεΐνες και λειτουργούν ως ένζυμα: κόβουν τα εσώνια και συρράπτουν τα εξώνια μεταξύ τους. Έτσι σχηματίζεται το ώριμο mrna. Αυτό, παρότι αποτελείται αποκλειστικά από εξώνια, έχει δύο περιοχές που δε μεταφράζονται σε αμινοξέα. Η μια βρίσκεται στο 5 ο άκρο και η άλλη στο 3 ο άκρο. Οι αλληλουχίες αυτές ονομάζονται 5 ο και 3 ο αμετάφραστες περιοχές αντίστοιχα. Το mrna μεταφέρεται από τον πυρήνα στο κυτταρόπλασμα και ειδικότερα στα ριβοσώματα όπου λαμβάνει χώρα η πρωτεϊνοσύνθεση. Όπως η αντιγραφή, έτσι και η μεταγραφή είναι μια ακριβής διαδικασία. Ωστόσο και στη μεταγραφή συμβαίνουν λάθη, που είναι μάλιστα πιθανότερα από ότι στην αντιγραφή, γιατί η RNA πολυμεράση δεν παίζει ρόλο ελεγκτή της ορθής τοποθέτησης των ριβονουκλεοτιδίων. Βέβαια, τα λάθη αυτά, σε αντίθεση με τα λάθη της αντιγραφής, 23

25 δε διαιωνίζονται μεταβιβαζόμενα από γενιά σε γενιά. Αφορούν μόνο το μόριο ή τα μόρια της πρωτεΐνης που θα παραχθούν από το συγκεκριμένο mrna. Με μεταγραφή δεν παράγεται μόνο το mrna αλλά και τα άλλα είδη RNA, όπως το trna, που συμμετέχει στη διαδικασία της πρωτεϊνοσύνθεσης, και το rrna, που αποτελεί δομικό συστατικό των ριβοσωμάτων. Σχήμα 2.14 Μεταγραφή μιας περιοχής του DNA σε RNA, με τη βοήθεια του ενζύμου RNA πολυμεράση ΓΕΝΕΤΙΚΟΣ ΚΩΔΙΚΑΣ : ΑΝΤΙΣΤΟΙΧΗΣΗ ΤΡΙΠΛΕΤΩΝ ΒΑΣΕΩΝ ΣΕ ΑΜΙΝΟΞΕΑ Με τη μεταγραφή, οι πληροφορίες που βρίσκονται στα γονίδια μεταφέρονται στο mrna με βάση τη συμπληρωματικότητα των νουκλεοτιδικών βάσεων. Η αλληλουχία των βάσεων του mrna καθορίζει την αλληλουχία των αμινοξέων στις πρωτεΐνες με βάση έναν κώδικα αντιστοίχησης νουκλεοτιδίων mrna με αμινοξέα πρωτεϊνών, ο οποίος ονομάζεται γενετικός κώδικας (genetic code). Κάθε τριπλέτα (triplet) στο DNA (ομάδα από τρία συνεχόμενα ζεύγη νουκλεοτιδίων) ορίζει κωδικοποιεί ένα αμινοξύ. Επειδή κάθε νουκλεοτίδιο στην τριπλέτα μπορεί να περιέχει μία από τις 4 βάσεις δημιουργούνται 4 3 ή 64 δυνατοί συνδυασμοί που ονομάζονται κωδικόνια ή κωδίκια (codons). Τα χαρακτηριστικά του γενετικού κώδικα είναι: Ο γενετικός κώδικας είναι τριαδικός, μια τριάδα δηλαδή νουκλεοτιδίων (κωδικόνιο) κωδικοποιεί ένα αμινοξύ. Είναι συνεχής, δηλαδή το mrna διαβάζεται συνεχώς ανά τρία νουκλεοτίδια χωρίς να παραλείπεται κάποιο νουκλεοτίδιο. 24

26 Από τα 64 διαφορετικά κωδικόνια, τέσσερα έχουν διαφορετικό ρόλο από τα υπόλοιπα στη μεταφραστική διαδικασία. Τα τρία από αυτά (UAG, UAA, UGA) δεν κωδικοποιούν κανένα αμυνοξύ και λειτουργούν ως σημεία λήξης της μετάφρασης (δηλαδή σημεία τερματισμού της σύνθεσης της πολυπεπτιδικής αλυσίδας), ενώ το τέταρτο (AUG), εκτός από το ότι κωδικοποιεί το αμινοξύ μεθειονίνη, λειτουργεί και ως σήμα έναρξης της μετάφρασης. Ο γενετικό κώδικας είναι εκφυλλισμένος, με την έννοια ότι όλα τα αμινοξέα, εκτός της μεθειονίνης και της τρυπτοφάνης, κωδικοποιούνται από περισσότερα του ενός κωδικόνια. Η ύπαρξη αυτών των κωδικονίων, που χαρακτηρίζονται ως συνώνυμα, παρέχει τη δυνατότητα η γενετική πληροφορία να εκφράζεται αναλλοίωτα, παρά τις ενδεχόμενες αλλαγές στο γενετικό υλικό. Ο γενετικός κώδικας είναι μη επικαλυπτόμενος. Αυτό σημαίνει ότι η μετάφραση ξεκινά από καθορισμένα σημεία του mrna προχωρώντας τρία νουκλεοτίδια κάθε φορά. Έτσι αποκλείεται ένα νουκλεοτίδιο να διαβαστεί δύο φορές ως μέλος διαφορετικών κωδικονίων. Είναι παγκόσμιος, καθώς οι ως τώρα ενδείξεις συνηγορούν στο ότι το ίδιο κωδικόνιο κωδικοποιεί το ίδιο αμινοξύ σε όλους τους οργανισμούς. Η παγκοσμιότητα του γενετικού κώδικα είναι ένα από τα ισχυρότερα επιχειρήματα υπέρ της κοινής καταγωγής των οργανισμών. Πρέπει να αναφερθεί ότι κατόπιν συμφωνίας, τα κωδικόνια παριστάνονται με τα σύμβολα του αγγελιαφόρου RNA (mrna), οπότε τα αντίστοιχα κωδικόνια στο DNA θα είναι συμπληρωματικά. 25

27 Πίνακας 2.3 Γενετικός Κώδικας ΜΕΤΑΦΡΑΣΗ (TRANSLATION) Η μετάφραση του mrna, δηλαδή η αντιστοίχηση των κωδικονίων σε αμινοξέα και η διαδοχική σύνδεση των αμινοξέων σε πολυπεπτιδική αλυσίδα, πραγματοποιείται στα ριβοσώματα με τη βοήθεια των trna και τη συμμετοχή αρκετών πρωτεϊνών και ενέργειας. Τα ριβοσώματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως θέση μετάφρασης για οποιοδήποτε mrna. Αυτό εξηγεί γιατί τα βακτήρια μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν «εργοστάσια παραγωγής ανθρώπινων πρωτεϊνών». Κάθε ριβόσωμα αποτελείται από δύο υπομονάδες, μια μικρή και μια μεγάλη, και έχει μια θέση πρόσδεσης του mrna στη μικρή υπομονάδα και δύο θέσεις εισδοχής των trna στη μεγάλη υπομονάδα. Κάθε μόριο trna έχει μια ειδική τριπλέτα νουκλεοτιδίων, το αντικωδικόνιο, με την οποία προσδένεται, λόγω συμπληρωματικότητας, με το αντίστοιχο κωδικόνιο του mrna. Επιπλέον, κάθε μόριο trna διαθέτει μια ειδική θέση σύνδεσης με ένα συγκεκριμένο αμινοξύ. Η διαδικασία μετάφρασης που είναι γνωστή και ως πρωτεϊνοσύνθεση (protein synthesis), περιλαμβάνει τρία στάδια : Α)την έναρξη, β)την επιμήκυνση, γ)τη λήξη. Κατά την έναρξη της μετάφρασης το mrna συνδέεται, μέσω μιας αλληλουχίας που υπάρχει στην αμετάφραστη περιοχή του, με το ριβωσωμικό RNA της μικρής 26

28 υπομονάδας του ριβοσώματος, σύμφωνα με τους κανόνες της συμπληρωματικότητας των βάσεων. Το πρώτο κωδικόνιο του mrna είναι πάντοτε ΑUG και σ αυτό προσδένεται το trna που φέρει το αμινοξύ μεθειονίνη. Αυτό συμβαίνει γιατί, σε πολλές πρωτεΐνες, μετά τη σύνθεσή τους απομακρύνονται ορισμένα αμινοξέα από το αρχικό άκρο τους. Το σύμπλοκο που δημιουργείται μετά την πρόσδεση του mrna στη μικρή υπομονάδα του ριβοσώματος και του trna που μεταφέρει τη μεθειονίνη ονομάζεται σύμπλοκο έναρξης της πρωτεϊνοσύνθεσης. Στη συνέχεια η μεγάλη υπομονάδα του ριβοσώματος συνδέεται με τη μικρή. Κατά την επιμήκυνση, ένα δεύτερο μόριο trna με αντικωδικόνιο συμπληρωματικό του δεύτερου κατά σειρά κωδικονίου του mrna, τοποθετείται στη κατάλληλη εισδοχή του ριβωσώματος, μεταφέροντας εκεί το δεύτερο αμινοξύ. Μεταξύ της μεθειονίνης και του δεύτερου αμινοξέος σχηματίζεται πεπτιδικός δεσμός και αμέσως μετά, το πρώτο trna αποσυνδέεται από το ριβόσωμα και απελευθερώνεται στο κυτταρόπλασμα όπου συνδέεται πάλι με μεθειονίνη, έτοιμο για επόμενη χρήση. Το ριβώσωμα και το mrna έχουν τώρα ένα trna, πάνω στο οποίο είναι προσδεμένα δύο αμινοξέα. Έτσι αρχίζει η επιμήκυνση της πολυπεπτιδικής αλυσίδας. Στη συνέχεια το ριβώσωμα κινείται κατά μήκος του mrna κατά ένα κωδικόνιο. Ένα τρίτο trna έρχεται να προσδεθεί μεταφέροντας το αμινοξύ. Ανάμεσα στο δεύτερο και στο τρίτο αμινοξύ σχηματίζεται πεπτιδικός δεσμός. Η πολυπεπτιδική αλυσίδα συνεχίζει να αναπτύσσεται, καθώς νέα trna μεταφέρουν αμινοξέα τα οποία προσδένονται μεταξύ τους. Κατά τη λήξη, όταν το ριβόσωμα φτάσει σε ένα από τα τρία κωδικόνια λήξης (chain terminators) UGA, UAG ή UAA, σταματάει η επιμήκυνση επειδή δεν υπάρχουν trna που να αντιστοιχούν σε αυτά. Το τελευταίο trna απομακρύνεται και η πολυπεπτιδική αλυσίδα απελευθερώνεται από το ριβόσωμα. Βέβαια με τη σύνθεση των πολυπεπτιδικών αλυσίδων δεν ολοκληρώνεται πάντα και η σύνθεση των πρωτεϊνικών μορίων. Πολλές από τις πολυπεπτιδικές αλυσίδες χρειάζεται να υποστούν ενζυμική επεξεργασία στα κατάλληλα οργανίδια (σύμπλεγμα Golgi, αδροενδοπλασματικό δίκτυο για τα ευκαρυωτικά κύτταρα), προκειμένου να αποτελέσουν ή να συμμετάσχουν στη δημιουργία ενός πρωτεϊνικού μορίου. Πολλά μόρια mrna μπορούν να μεταγράφονται από ένα μόνο γονίδιο. Πολλά ριβοσώματα μπορούν να μεταφράζουν ταυτόχρονα ένα mrna, το καθένα σε 27

29 διαφορετικό σημείο κατά μήκος του μορίου. Αμέσως μόλις το ριβόσωμα έχει μεταφράσει τα πρώτα κωδικόνια η θέση έναρξης του mrna είναι ελεύθερη για την πρόσδεση ενός άλλου ριβοσώματος. Το σύμπλεγμα των ριβοσωμάτων με το mrna ονομάζεται πολύσωμα. Έτσι, η πρωτεϊνοσύνθεση είναι μια ιδιαίτερα παραγωγική διαδικασία. Σχήμα 2.15 Η πρωτεϊνοσύνθεση αρχίζει με το σχηματισμό ενός συμπλόκου έναρξης. Σχήμα 2.16 Μετάφραση: επιμήκυνση της πρωτεϊνοσύνθεσης Σχήμα 2.17 Λήξη της πρωτεϊνοσύνθεσης 28

30 2.4 ΓΟΝΙΔΙΑΚΗ ΡΥΘΜΙΣΗ Ο ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΗΣ ΓΟΝΙΔΙΑΚΗΣ ΕΚΦΡΑΣΗΣ Γονιδιακή έκφραση (gene expression) ονομάζεται όλη η διαδικασία με την οποία ένα γονίδιο ενεργοποιείται, για να παράγει μια πρωτεΐνη. Σε κάθε κύτταρο δεν παράγονται οι πρωτεΐνες σε κάθε χρονική στιγμή. Επειδή το κύτταρο χρειάζεται κάθε πρωτεΐνη σε συγκεκριμένη ποσότητα, οι πρωτεΐνες της κυττάρου δεν παράγονται σε ίσες ποσότητες. Αν όλα τα γονίδια δούλευαν με τον ίδιο ρυθμό, ορισμένες πρωτεΐνες θα παράγονταν σε μεγάλες ποσότητες και σε ποσότητες που δεν θα επαρκούσαν. Έτσι, είναι απαραίτητο να υπάρχει ένα πρόγραμμα ρύθμισης της γονιδιακής έκφρασης, που θα παρέχει οδηγίες για το είδος και την ποσότητα των πρωτεϊνών οι οποίες πρέπει να παραχθούν σε συγκεκριμένη χρονική στιγμή. 2.5 ΓΕΝΕΤΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ Ένα αυξανόμενης δημοτικότητας μοντέλο για τη ρύθμιση και αυτορύθμιση της έκφρασης των γονιδίων (της παραγωγής των πρωτεϊνών που κωδικοποιούν) είναι να αναπαριστάνουμε δίκτυα γονιδίων, θεωρώντας ότι τα γονίδια αυτά επηρεάζουν το ένα το άλλο. Αν και τέτοια γενετικά δίκτυα (gene networks) είναι φαινομενικά, αποτελούν έναν λογικό τρόπο για την περιγραφή φαινομένων που παρατηρούνται κατά τη διάρκεια της μεταγραφής (transcription profiling), όπως εκείνων που προκύπτουν από την τεχνολογία των microarrays. Η δυνατότητα να δημιουργούμε γενετικά δίκτυα από πειραματικά δεδομένα και να τα χρησιμοποιούμε για την εξήγηση της δυναμικής τους και των αρχών σχεδίασης τους θα βοηθήσουν στην βαθύτερη κατανόηση των κυτταρικών λειτουργιών. Θεωρούμε ότι τα γενετικά δίκτυα αποτελούν, επίσης, έναν ικανοποιητικό τρόπο για την σαφή περιγραφή λειτουργιών και ότι θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την ανάλυση και επεξήγηση της λειτουργίας του γονιδιώματος. 29

31 2.6 ΑΠΟ ΤΟ ΓΕΝΙΚΟ ΒΙΟΧΗΜΙΚΟ ΔΙΚΤΥΟ ΣΤΟ ΓΕΝΕΤΙΚΟ ΔΙΚΤΥΟ Η πειραματική βιολογία πλέον συμπορεύεται με την θεωρητική βιολογία και την αναπτυσσόμενη επιστήμη των βιοϋλικών στην ανάλυση της λειτουργίας οργανισμών σε επίπεδο συστημάτων. Με την ανάπτυξη της λειτουργικής γενετικής (functional genomics), δεδομένα χιλιάδων κυτταρικών ειδών συλλέγονται και καταχωρούνται ψηφιακά. Αυτό αποτελεί ένα σημαντικό άλμα που ξεπερνά την παραδοσιακή προσέγγιση της μοριακής βιολογίας, όπου εξερευνώνται τα σύνθετα δίκτυα των αλληλεπιδρώντων κυτταρικών τμημάτων εστιάζοντας σε μόρια και αντιδράσεις και καθιστά την μοριακή βιολογία αντικείμενο της επιστήμης και της τεχνολογίας των υπολογιστών. Τεχνολογίες για την μέτρηση της διαφορικής γονιδιακής έκφρασης σε όλο το εύρος του γονιδίου, στο επίπεδο του mrna είναι ιδιαίτερα δημοφιλείς και το απαιτούμενο κόστος μειώνεται συνεχώς. Οι μέθοδοι για την εύρεση της σύνθεσης πρωτεϊνών και μεταβολιτών είναι εξίσου σημαντικές, αλλά δεν έχουν διαδοθεί ακόμα τόσο όσο οι μέθοδοι για την ανάλυση της γονιδιακής έκφρασης. Αυτά τα τρία επίπεδα (πρωτεΐνες, μεταβολίτες και γονιδιακή έκφραση) θα χρειαστούν για ακριβείς περιγραφές της κυτταρικής βιοχημείας σε ένα σύστημα, αλλά σημαντικά συμπεράσματα μπορούν να εξαχθούν από πειραματικά δεδομένα. Η αναδόμηση των γενετικών δικτύων από πειραματικά δεδομένα για την μελέτη των δυναμικών τους είναι σημαντική. Όπως αναφέρουν οι Loomis και Sternberg, η πρόκληση είναι να συνδέσουμε τα γονίδια και τα προϊόντα τους σε λειτουργικές κατευθύνσεις, κυκλώματα και δίκτυα με τη χρήση μεθόδων που έχουν αναπτυχθεί για την τεχνολογία υλικών και υπολογιστών. Ένα πολύ επιτυχημένο μοντέλο στη βιοχημεία είναι η απεικόνιση των συσχετίσεων μεταξύ μορίων ως δίκτυα αλληλεπιδράσεων. Αυτά τα βιοχημικά δίκτυα μπορούν να δομηθούν σε διάφορα επίπεδα και να αναπαραστήσουν διαφορετικά είδη αλληλεπιδράσεων. Συνήθως όταν θέλουμε να αναφερθούμε σε μια συγκεκριμένη σειρά αλληλεπιδράσεων, αναφερόμαστε σε «μονοπάτια» (pathways) παρά σε δίκτυα. Τέτοια μονοπάτια δεν υφίστανται πότε απομονωμένα αλλά αποτελούν τμήματα μεγαλύτερων δικτύων. 30

32 Τα είδη των βιοχημικών δικτύων που έχουν θεωρηθεί και μελετηθεί κατά καιρούς είναι τα εξής: I. Δίκτυα μεταβολιτών (metabolic networks): αναπαριστάνουν τους χημικούς μετασχηματισμούς μεταξύ μεταβολιτών. II. Δίκτυα πρωτεϊνών (protein networks): αναπαριστάνουν αλληλεπιδράσεις μεταξύ πρωτεϊνών, όπως ο σχηματισμός συμπλεγμάτων και η πρωτεϊνική διαμόρφωση από ένζυμα που παράγουν χημικά σήματα. III. Γενετικά δίκτυα (gene networks): αναπαριστάνουν συσχετίσεις που υφίστανται μεταξύ των γονιδίων, παρατηρώντας πώς το επίπεδο έκφρασης (expression level) του καθενός επηρεάζει τα επίπεδα έκφρασης των άλλων. Ο κάθε τύπος δικτύων είναι μια απλοποίηση ολόκληρου του κυτταρικού συστήματος. Αναφερόμαστε σ αυτό ως το γενικό βιοχημικό δίκτυο (global biochemical network) για να τονίσουμε ότι περιλαμβάνει και τους τρεις τύπους μορίων, δηλαδή τις πρωτεΐνες, τους μεταβολίτες και το mrna. Η υιοθέτηση των απλοποιήσεων αυτών για την περιγραφή συγκεκριμένων φαινομένων εξαρτάται πολύ σε ποια κυτταρικά τμήματα παρατηρήθηκαν αυτά τα φαινόμενα πειραματικά. Όταν παρακολουθούμε και καταγράφουμε την γονιδιακή έκφραση για να μελετήσουμε ένα φαινόμενο, περιοριζόμαστε στην κατασκευή ενός γενετικού δικτύου για να εξηγήσουμε τα πειραματικά δεδομένα. Σχήμα 2.18 Μοντέλο γενετικού βιοχημικού δικτύου 31

33 Στα γενικά βιοχημικά δίκτυα, τα γονίδια δεν αλληλεπιδρούν άμεσα με άλλα γονίδια. Το ίδιο συμβαίνει και με τα ανταποκρινόμενα mrna. Αντίθετα, η γονιδιακή αύξηση ή καταστολή συμβαίνει μέσω της δράσης συγκεκριμένων πρωτεϊνών, οι οποίες είναι παράγωγα συγκεκριμένων γονιδίων. Η γονιδιακή έκφραση μπορεί επίσης να επηρεαστεί άμεσα από τους μεταβολίτες, ή μέσω συμπλεγμάτων πρωτεϊνώνμεταβολιτών. Ωστόσο είναι συχνά χρήσιμο να αγνοήσουμε αυτές τις δράσεις των πρωτεϊνών και των μεταβολιτών και να αναπαραστήσουμε γονίδια να επιδρούν σε άλλα γονίδια συγκροτώντας έτσι γενετικά δίκτυα. Αυτή η απλοποίηση του να μεταβαίνουμε από ένα γενικό βιοχημικό δίκτυο σε ένα γενετικό δίκτυο είναι ισοδύναμη με το να προβάλουμε όλες τις αλληλεπιδράσεις στον «γονιδιακό χώρο» όπως φαίνεται στο σχήμα Η παραδοσιακή μοριακή βιολογία, συγκεκριμένα η μοριακή γενετική, έχει δημιουργήσει την ιδέα ότι τα γονίδια υπαγορεύουν όλα όσα συμβαίνουν μέσα στο κύτταρο. Αυτή η ιδέα εμφανίζεται στο κεντρικό δόγμα της βιολογίας, το οποίο τονίζει ότι οι πρωτεΐνες, και συνήθως οι μεταβολίτες, συντίθενται μόνο όταν δραστηριοποιούνται τα γονίδια. Αυτό το δόγμα απέτυχε να αναγνωρίσει ότι η γονιδιακή έκφραση επηρεάζεται και αυτή από τα επίπεδα των πρωτεϊνών και των μεταβολιτών. Συστήματα στα οποία δεν υπάρχει ανάδραση από τις πρωτεΐνες και τους μεταβολίτες στα γονίδια λέγονται «υπαγορεύοντα» (dictatorial), αλλά χρησιμοποιούνται πλέον σπάνια. Είναι πλέον αποδεδειγμένο ότι η ρύθμιση διαμοιράζεται σε όλα τα επίπεδα, και έτσι τέτοια συστήματα αναφέρονται ως «δημοκρατικά» (democratic). Μια πρόσφατη μελέτη αποκάλυψε ποσοτικά πως ο έλεγχος της γλυκολυτικής ροής σε τρία είδη παρασιτικού πρωτόζωου (protist) διαμοιράζεται μεταξύ γονιδιακής έκφρασης και μεταβολισμού. Το συμπέρασμα ήταν ότι η ροή δε ρυθμίζεται μόνο από την γονιδιακή έκφραση. Στη συγκεκριμένη περίπτωση ρυθμιζόταν κατά 30% από την γονιδιακή έκφραση και κατά 70% από τον μεταβολισμό. 32

34 2.7 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ ΤΩΝ ΓΕΝΕΤΙΚΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ Τα γενετικά δίκτυα χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο ως μοντέλα για την αναπαράσταση φαινομένων και αλληλεπιδράσεων στο επίπεδο της γονιδιακής έκφρασης, και η έρευνα για την συγκρότησή τους από πειραματικά δεδομένα είναι διαδεδομένη. Το μοντέλο του γενετικού δικτύου έχει αρκετές εφαρμογές και πλεονεκτήματα έναντι των υπολοίπων προσεγγίσεων. Τα γενετικά δίκτυα παρέχουν μιας μεγάλης κλίμακας εποπτεία στην φυσιολογία ενός οργανισμού στο επίπεδο του mrna. Ο φαινότυπος του mrna μπορεί να αποτελέσει μια πολύ σπουδαία αναπαράσταση της κυτταρικής λειτουργίας, προσφέροντας πολύ ακριβέστερη περιγραφή από ότι μπορεί να επιτευχθεί με λέξεις (ακόμα και αν αυτές οι λέξεις αποτελούν μέρος ενός ελεγχόμενου λεξικού όπως το Gene Ontology). Τα γενετικά δίκτυα είναι ικανά να περιγράψουν ένα μεγάλο αριθμό αλληλεπιδράσεων, καθώς και να αναπαραστήσουν τις δυναμικές ιδιότητες που υπάρχουν πίσω από αυτές τις αλληλεπιδράσεις σε επίπεδο συστήματος. Τα κύτταρα παρουσιάζουν σύνθετη συμπεριφορά αλληλεπιδράσεων που συνήθως δεν είναι προβλέψιμη από τις ιδιότητες των ανεξαρτήτων στοιχείων του συστήματος μόνο. Τα γενετικά δίκτυα παρέχουν μια τέτοια εποπτεία του συστήματος στο επίπεδο των γονιδιακών δραστηριοτήτων. Οι αναλυτικοί μοριακοί μηχανισμοί του πώς τα προϊόντα ενός γονιδίου επηρεάζουν την έκφραση ενός άλλου γονιδίου είναι συνήθως άγνωστοι, αλλά η ίδια η επίδραση μπορεί εύκολα να παρατηρηθεί σε πειράματα γονιδιακής έκφρασης. Για το λόγο αυτό είναι κατάλληλο να χρησιμοποιήσουμε δεδομένα γονιδιακής έκφρασης στο εύρος του γονιδιώματος για να αναγνωρίζουμε γενετικά δίκτυα. Η έρευνα που επικεντρώνεται στην ανάπτυξη μεθόδων για αυτή την αναγνώριση γενετικών δικτύων από δεδομένα που λαμβάνουμε από τα microarrays, αποτελεί πλέον ένα σημαντικό μέρος των αναπτυσσόμενων επιστημών της νανοβιοτεχνολογίας (nanobioteghnology), της βιοπληροφορικής (bioinformatics), των βιοϋλικών (biomaterials) και της βιοηλεκτρονικής (bioelectronics). 33

35 Τα γενετικά δίκτυα είναι χρήσιμα για την αντιμετώπιση διαφόρων σύνθετων ασθενειών. Βοηθάει τη φαρμακευτική έρευνα στο να θέσει προτεραιότητες στους στόχους της, θα εισάγει την φαρμακευτική αγωγή κατά «παραγγελίαν» για τις ξεχωριστές ανάγκες του κάθε ασθενή και μπορεί να σχηματίσει τη βάση για την εξατομικευμένη γονιδιακή θεραπεία. Οι κυτταρικές αποκρίσεις και δράσεις είναι συνήθως το αποτέλεσμα μιας συγχρονισμένης δραστηριότητας μιας ομάδας γονιδίων. Τα γενετικά δίκτυα ίσως επιτρέψουν την ταξινόμηση των γονιδίων σύμφωνα με τη σημασία τους στον έλεγχο και την ρύθμιση κυτταρικών λειτουργιών. Υπάρχει μια αυξανόμενη ένδειξη ότι οι περισσότερες μεταλλάξεις απλών γονιδίων δεν έχουν σημειωμένους φαινότυπους. Οι περισσότεροι φαινότυποι είναι αποτελέσματα μιας συλλογικής αντίδρασης μιας ομάδας γονιδίων. Τα γενετικά δίκτυα βοηθούν στην εξήγηση του πώς προκύπτουν τέτοια σύνθετα χαρακτηριστικά και ποιες ομάδες γονιδίων είναι υπεύθυνες γι αυτά. Πρόσφατες εκτιμήσεις για τον αριθμό των γονιδίων στο ανθρώπινο γονιδίωμα δείχνουν ότι είναι μόλις διπλάσιος από αυτόν του σκώληκα Caenorhabditis elegans. Υπάρχουν αρκετές υποθέσεις για την εξήγηση αυτής της σχετικής απλοϊκότητας του ανθρώπινου γονιδιώματος. Καταρχάς, θα μπορούσε ο μέσος όρος των πρωτεϊνών που κωδικοποιούνται από τα ανθρώπινα γονίδια να είναι μεγαλύτερος από τον αντίστοιχο αριθμό για τα γονίδια άλλων γονιδιωμάτων. Κατά δεύτερων, η αναλογία των ρυθμιστικών γονιδίων στο ανθρώπινο γονιδίωμα θα μπορούσε να είναι μεγαλύτερη απ ότι σε άλλα γονιδιώματα. Τρίτων, το ανθρώπινο γενετικό δίκτυο θα μπορούσε να έχει μεγαλύτερο μέσο όρο συνδέσεων ανά γονίδιο απ ότι τα άλλα γονιδιώματα. Τόσο η δεύτερη όσο και η τρίτη υπόθεση θα μπορούσαν να δοκιμαστούν καθορίζοντας και συγκρίνοντας γενετικά δίκτυα διαφόρων οργανισμών. Στην περίπτωση αυτή τα γενετικά δίκτυα θα ήταν επίσης χρήσιμα για την συγκριτική δυναμική (comparative genomics). Κάποιες μελέτες δείχνουν ότι η τοπολογία των γενετικών δικτύων ίσως είναι υπεύθυνη για την ανθεκτικότητα που παρουσιάζουν οι ζωντανοί οργανισμοί. Μια συγκεκριμένη τοπολογία επιλέχτηκε κατά τη διάρκεια της εξέλιξης για την αποδοχή του 34

36 τύπου της ανθεκτικότητας του συστήματος έναντι δραστικών διαταραχών στο γονιδιακό επίπεδο, η οποία παρατηρείται σήμερα σε πολλά είδη. Η συγκριτική γενετική στο επίπεδο γενετικών δικτύων θα προσφερόταν για τον έλεγχο αυτής της υπόθεσης. 2.8 ΑΝΑΠΑΡΑΣΤΑΣΗ ΤΩΝ ΓΕΝΕΤΙΚΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ Τα γενετικά δίκτυα είναι μοντέλα που παρουσιάζουν συσχετίσεις αιτίουαποτελέσματος μεταξύ γονιδιακών δραστηριοτήτων, συνήθως στο επίπεδο του mrna, και συχνά αναπαρίσταται από κατευθυνόμενους γράφους. Σχήμα 2.19 Αναπαράσταση γράφων του γενετικού δικτύου που αντιστοιχεί στο βιοχημικό δίκτυο του σχήματος Οι κόμβοι των γράφων είναι τα γονίδια και οι κατευθυνόμενες ακμές είναι αιτιατές συσχετίσεις μεταξύ των γονιδίων. Μια ευρέως χρησιμοποιούμενη συνθήκη είναι να χρησιμοποιούμε βέλη στις κορυφές για να αναπαριστάνουμε θετικές αλληλεπιδράσεις, όπου μια αυξημένη δραστηριοποίηση του γονιδίου «εκκίνησης» προκαλεί μια αύξηση στη δραστηριοποίηση του γονιδίου «άφιξης», και παύλες στις κορυφές για να αναπαριστάνουμε αρνητικές αλληλεπιδράσεις, όπου μια αύξηση στην δραστηριοποίηση του γονιδίου «εκκίνησης» προκαλεί μια μείωση στη δραστηριοποίηση του γονιδίου «άφιξης». Τα γενετικά δίκτυα μπορούν επίσης να αναπαρασταθούν με πίνακες, τους οποίους ονομάζουμε πίνακες συσχετίσεων. Κάθε στήλη και γραμμή του πίνακα παριστάνει ένα γονίδιο και τα στοιχεία του πίνακα παριστάνουν συσχετίσεις και αλληλεπιδράσεις μεταξύ τους. Αυτοί οι πίνακες μπορεί να είναι «ποιοτικοί», όπου οι θετικές αλληλεπιδράσεις παριστάνονται με τον αριθμό 1, οι αρνητικές αλληλεπιδράσεις 35