Κεφάλαιο 10 DNA: Το γενετικό υλικό. Η διπλή έλικα του DNA. Αριστερά, κάτοψη. Δεξιά, πλάγια όψη.

Transcript

1 Κεφάλαιο 10 DNA: Το γενετικό υλικό Η διπλή έλικα του DNA. Αριστερά, κάτοψη. Δεξιά, πλάγια όψη. 1 Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2009

2 Στόχοι του μαθήματος: Περιγραφή των ιστορικών γεγονότων σχετικά με την ανακάλυψη της δομής και του ρόλου του DNA Περιγραφή των δεδομένων που επιβεβαιώνουν ότι το DNA είναι το γενετικό υλικό Περιγραφή της δομής του DNA Διαμόρφωση και πακετάρισμα του DNA

3 Εισαγωγή Οι γενετικές μας πληροφορίες είναι κωδικοποιημένες στο DNA που κληρονομούμε από τους γονείς μας. Τα νουκλεϊκά οξέα είναι μοναδικά για την ικανότητά τους να αντιγράφονται. Η ομοιότητα των απογόνων με τους γονείς εξαρτάται από την ακριβή αντιγραφή του DNA και τη μεταβίβασή του από τη μια γενιά στην άλλη. Όταν η ομάδα του T.H. Morgan έδειξε ότι οι μονάδες κληρονομικότητας βρίσκονται στα χρωμοσώματα,τα δυο συστατικά τους, DNA και πρωτεΐνες ήταν τα υποψήφια μόρια του γενετικού υλικού. Μέχρι τη δεκαετία του 40, οι πρωτεΐνες λόγω της μεγάλης ετερογένειας δομής και λειτουργίας φαίνονταν να κερδίζουν την προτίμηση των επιστημόνων σαν γενετικό υλικό. Όμως, Πειράματα με μικροοργανισμούς, όπως βακτήρια και ιοί, έλεγαν μια διαφορετική ιστορία

4 Γενετικό υλικό Το γενετικό υλικό των κυττάρων βρίσκεται στα γονίδια που είναι οργανωμένα σε χρωμοσώματα του πυρήνα

5 Χρονοδιάγραμμα ανακάλυψης του γενετικού υλικού 1885 to 1901 Albrecht Kossel. Isolation and description of nucleobases

6 Χρωμοσώματα Chromosomes were first observed in plant cells by Swiss botanist Karl Wilhelm von Nαgeli in 1842, and independently in Ascaris worms by Belgian scientist Edouard Van Beneden ( ). The use of basophilic aniline dyes was a fundamentally new technique for effectively staining the chromatin material in the nucleus. Their behavior in animal (salamander) cells was later described in detail by German anatomist Walther Flemming, the discoverer of mitosis, in The name was invented later by another German anatomist, Heinrich von Waldeyer

7 Τα Χρωμοσώματα είναι φορείς του γενετικού υλικού Walter Sutton (left) and Theodor Boveri (right) independently developed the chromosome theory of inheritance in 1902 the theory was hotly contested by some famous geneticists: William Bateson, Wilhelm Johannsen, Richard Goldschmidt and T.H. Morgan, all of a rather dogmatic turn of mind. Eventually, complete proof came from chromosome maps in Morgan's own lab. Ποια είναι η σύστασή τους?

8 Τα μόρια της ζωής ΑΠΛΑ ΜΟΡΙΑ Αμινοξέα Σάκχαρα Λιπαρά οξέα Νουκλεοτίδια ΜΑΚΡΟΜΟΡΙΑ Πρωτεΐνες Υδατάνθρακες Λίπη Νουκλεϊκά οξέα

9 Χημική σύσταση χρωμοσωμάτων Πρωτεΐνες Νουκλεϊκά οξέα

10 Ποια μόρια μεταφέρουν την κληρονομήσιμη πληροφορία; Οι ιδιότητες του μορίου της κληρονομικότητας Αντιγραφή περνά την πληροφορία στους απογόνους Ποικιλία μορφών Υπάρχει σε τεράστιο αριθμό διαφόρων μορφών ώστε να ελέγχει πολλά γνωρίσματα Μετάλλαξη αλλάζει δίνοντας δυνατότητα να δημιουργηθούν νέοι χαρακτήρες

11 Κύρια δεδομένα που αποδεικνύουν το DNA σαν γενετικό υλικό 1928 Griffith 1944 Avery, McCarty, & MacLeod 1952 Hersey and Chase 11

12 Ο Griffith εργαζόταν με τον πνευμονόκοκκο 12 Streptococcus pneumoniae

13 13 Το πείραμα μεταμόρφωσης του Griffith

14

15 Το πείραμα μεταμόρφωσης των Avery, MacLeod, McCarty? ηταν καθαρό το παρασκεύασμα; 15

16 Πείραμα Hersey και Chase DNA Protein capsid Viral

17 Πείραμα Hersey και Chase

18 Πείραμα Hersey και Chase

19 Άλλες ενδείξεις: The fact that cells double the amount of DNA in a cell prior to mitosis and then distribute the DNA equally to each daughter cell provided some circumstantial evidence that DNA was the genetic material in eukaryotes. Similar circumstantial evidence came from the observation that diploid sets of chromosomes have twice as much DNA as the haploid sets in gametes of the same organism.

20 το RNA είναι το γενετικό υλικό του ιού της μωσαϊκής του καπνού (ΤΜV) Πείραμα Gierer και Schramm Απομονωμένο RNA του ιού TMV προκαλεί τα συμπτώματα της ίωσης

21 το RNA είναι το γενετικό υλικό του ιού της μωσαϊκής του καπνού (ΤΜV) Πείραμα Fraenkel-Conrat και Singer

22 Ιδιότητες DNA Το DNA ως ο φορέας των κληρονομικών χαρακτηριστικών έχει τις πιο κάτω ιδιότητες: Είναι ικανό να αποθηκεύει κωδικοποιημένα μηνύματα στο μόριό του, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον έλεγχο του μεταβολισμού και της ανάπτυξης του κάθε οργανισμού. Μπορεί να αντιγράφεται κατά την κυτταρική διαίρεση, με αποτέλεσμα όλα τα κωδικοποιημένα μηνύματα να μεταφέρονται από την πατρική στη θυγατρική γενιά. Είναι σταθερό και έτσι μεταφέρονται όλα τα κωδικοποιημένα μηνύματα σε πολλές διαδοχικές γενιές. Μπορεί να υποστεί μεταλλάξεις (αλλαγές), με δυνατότητα να δημιουργηθούν νέοι χαρακτήρες που επιτρέπουν στους οργανισμούς να προσαρμόζονται καλύτερα στις μεταβαλλόμενες συνθήκες του περιβάλλοντος.

23

24 Δομή DNA 1869 Friedrich Miescher 1947 Chargaff 1954 Wilkins, Franklin, Watson, & Crick

25 Δομή DNA 1869, Friedrich Miescher 1901, Albrecht Kossel 1938, Phoebus Aaron Theodor Levene ure/the-first-discovery-of-dna/1

26 H Πυρηνίνη του FRIEDRICH MIESCHER ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ C H O N P

27 Αζωτούχες βάσεις, Albrecht Kossel, 1901 Αδενίνη Θυμίνη Γουανίνη Κυτοσίνη Ουρακίλη

28 Αζωτούχες βάσεις στο DNA και στο RNA Οι δομές των αζωτούχων βάσεων στο DNA και στο RNA. Οι χαρακτηριστικές πρόδρομες ενώσεις είναι η πουρίνη (επάνω αριστερά) και η πυριμιδίνη (κάτω αριστερά). Επισημαίνονται οι διαφορές μεταξύ των βάσεων.

29 Σάκχαρα ( ) και Τετρανουκλεοτίδια (1938), Phoebus Aaron Theodor Levene

30 Δεοξυριβόζη και ριβόζη Οι δομές της δεοξυριβόζης και της ριβόζης, των σακχάρων πεντόζης του DNA και του RNA αντίστοιχα ανακαλύφθηκαν από τον Levene. Επισημαίνεται η διαφορά μεταξύ των δύο σακχάρων στο 2 άνθρακα.

31 Νουκλεοτίδια-Ονοματολογία ΦΩΣΦΟΡΟΣ ΣΑΚΧΑΡΑ ΒΑΣΕΙΣ

32 Ονοματολογία

33 Tetranucleotide

34 1940

35 Χημική δομή του DNA και του RNA

36 Δομή DNA : Erwin Chargaff By 1947, Erwin Chargaff had developed a series of rules based on a survey of DNA composition in organisms. He already knew that DNA was a polymer of nucleotides consisting of a nitrogenous base, deoxyribose, and a phosphate group. The bases could be adenine (A), thymine (T), guanine (G), or cytosine (C). Chargaff noted that the DNA composition varies from species to species. In any one species, the four bases are found in characteristic, but not necessarily equal, ratios. He also found a peculiar regularity in the ratios of nucleotide bases which are known as Chargaff s rules. The number of adenines was approximately equal to the number of thymines (%T = %A). The number of guanines was approximately equal to the number of cytosines (%G = %C). Human DNA is 30.9% adenine, 29.4% thymine, 19.9% guanine and 19.8% cytosine.

37 Οι αναλογίες του Chargaff Τι σημαίνει ότι A=T και G=C? 37

38 Δομή DNA By the beginnings of the 1950 s, the race was on to move from the structure of a single DNA strand to the three-dimensional structure of DNA. Among the scientists working on the problem were the Nobel winning Chemist Linus Pauling, in California, and Maurice Wilkins and Rosalind Franklin, in London.

39 Δομή DNA: Τι ήταν γνωστό? The phosphate group of one nucleotide is attached to the sugar of the next nucleotide in line. The result is a backbone of alternating phosphates and sugars, from which the bases project.

40 Πρωτεΐνες: Α-έλικα

41 The model of Linus Pauling

42 42 Maurice Wilkins and Rosalind Franklin

43 Maurice Wilkins and Rosalind Franklin Maurice Wilkins and Rosalind Franklin used X-ray crystallography to study the structure of DNA. In this technique, X-rays are diffracted as they passed through aligned fibers of purified DNA. The diffraction pattern can be used to deduce the threedimensional shape of molecules. James Watson learned from their research that DNA was helical in shape and he deduced the width of the helix and the spacing of bases based on their research.

44

45

46

47

48 James Watson and Francis Crick Watson and his colleague Francis Crick began to work on a model of DNA with two strands, the double helix. Using molecular models made of wire, they first tried to place the sugarphosphate chains on the inside. However, this did not fit the X-ray measurements and other information on the chemistry of DNA.

49 James Watson and Francis Crick The key breakthrough came when Watson put the sugar-phosphate chain on the outside and the nitrogen bases on the inside of the double helix. The sugar-phosphate chains of each strand are like the side ropes of a rope ladder. Pairs of nitrogen bases, one from each strand, form rungs. The ladder forms a twist every ten bases.

50

51

52

53

54 The Breakthrough into DNA Structure

55 Η ανακάλυψη της διπλής έλικας

56 Watson and Crick The nitrogenous bases are paired in specific combinations: adenine with thymine and guanine with cytosine. (This is supported by Chargaff s rule) Pairing like nucleotides did not fit the uniform diameter indicated by the X-ray data. A purine-purine pair would be too wide and a pyrimidine-pyrimidine pairing would be too short. Only a pyrimidine-purine pairing would produce the 2-nm diameter indicated by the X-ray data.

57 Πως ζευγαρώνουν οι αζωτούχες βάσεις In addition, Watson and Crick determined that chemical side groups off the nitrogen bases would form hydrogen bonds, connecting the two strands. Based on details of their structure, adenine would form two hydrogen bonds only with thymine and guanine would form three hydrogen bonds only with cytosine. This finding explained Chargaff s rules.

58 Watson and Crick The base-pairing rules dictate the combinations of nitrogenous bases that form the rungs of DNA. However, this does not restrict the sequence of nucleotides along each DNA strand. The linear sequence of the four bases can be varied in countless ways. Each gene has a unique order of nitrogen bases.

59 Δομική ποικιλομορφία Ποικιλία μορφών: Υπάρχουν 4 είδη νουκλεοτιδίων σε μια απλή αλυσίδα DNA. Μπορεί να είναι σε οποιαδήποτε διάταξη και μήκος. Για παράδειγμα, ένα γονίδιο 500 βάσεων μπορεί να πάρει διαφορετικές διαμορφώσεις

60 Watson and Crick In April 1953, Watson and Crick published a succinct, one-page paper in Nature reporting their double helix model of DNA which shook the scientific world. They were awarded a Nobel Prize in James Watson is still alive today. Francis Crick died in There discovery has had a tremendous impact in the biological field as it relates to genetics and evolution.

61 Nature paper

62 Μοντέλο διπλής έλικας

63 Salvador Dalí Butterfly Landscape (The Great Masturbator in a Surrealist Landscape with DNA)

64 Salvador Dali Galacidalacidesoxyribonucleicacid. Also known as: Homage to Crick and Watson (Discoverers of DNA)

65 Susan Rankaitis. TGCA, combined media monoprint, 1996, Robert Mann Gallery, New York

66 Tom Otterness DNA chain, 1986

67

68

69 Χωροπληρωτικό μοντέλο διαφορετικών τύπων DNA

70 Δομή RNA

71 DNA Σάκχαρο: δεσοξυ-ριβόζη Διπλή αλυσίδα A, T, C, G RNA ριβόζη Μονή αλυσίδα A, U, C, G

72 Δομή RNA

73 Δομή RNA

74 Τα είδη μορίων RNA στο κύτταρο Είδος RNA mrna rrna trna Μικρά RNA Λειτουργία κωδικοποιεί πρωτεΐνες είναι συστατικό του ριβοσωματίου και συμμετέχει στη σύνθεση των πρωτεϊνών χρησιμοποιείται στην πρωτεϊνοσύνθεση ως μόριο προσαρμογής μεταξύ του mrna και των αμινοξέων χρησιμοποιούνται στη συρραφή του προ-mrna, στη μεταφορά των πρωτεϊνών στο ενδοπλασματικό δίκτυο και σε άλλες διεργασίες του κυττάρου

75 Οργάνωση του DNA σε χρωμοσώματα

76 DNA

77 Μετατροπές μονάδων 1 m = 10 3 mm = 10 6 μm = 10 9 nm = 10 x10 9 Angstrom 10 b 3,4 nm 10 x 10 3 b 3,4 μm 10 x 10 6 b 3,4 mm 10 x 10 9 b 3,4 m 1 Mb = 10 3 Kb = 10 6 bp 1Mb = 0,34 mm

78 Χρωμοσώματα προκαρυωτικών οργανισμών DNA: Μονόκλωνο Δίκλωνο Γραμμικό Κυκλικό

79 Ηλεκτρονιομικρογραφία του βακτηριοφάγου ΦΧ174. Χρωμόσωμο νουκλεοτίδια Αναλογία βάσεων 25Α:33Τ:24G:18C 79

80 Η δομή του χρωμοσώματος του φάγου λ Η δομή του χρωμοσώματος του φάγου λ ποικίλλει στα στάδια της λυτικής μόλυνσης της E. coli. Τμήματα του χρωμοσώματος του φάγου λ, που δείχνουν τη νουκλεοτιδική αλληλουχία των δύο μονόκλωνων, συμπληρωματικών («κολλωδών») άκρων. Μετά τη μόλυνση ενός βακτηρίου E. coli, το χρωμόσωμα του φάγου λ γίνεται κυκλικό με ζευγάρωμα των συμπληρωματικών άκρων του, ενώ η κυκλοποίηση ολοκληρώνεται από την DNA λιγάση. 80

81 Χρωμόσωμα που απελευθερώθηκε από ένα κύτταρο Ε. coli το οποίο έχει υποστεί λύση. Μήκος κυττάρου 1 μm Χρωμόσωμο 4,6 Μb (4,6 x 10 6 b) Μήκος μm 81

82 Απεικόνιση της υπερελίκωσης του DNA. (α) Γραμμικό DNA με 20 ελικοειδείς στροφές (208 ζεύγη βάσεων). (β) Χαλαρό κυκλικό DNA το οποίο προκύπτει από τη σύνδεση των δύο άκρων του γραμμικού μορίου που απεικονίζεται στο (α). (γ) Το γραμμικό μόριο DNA από το (α) ξετυλιγμένο κατά δύο ελικοειδείς στροφές από το ένα άκρο του. (δ) Ένα πιθανό κυκλικό μόριο DNA το οποίο παράγεται με σύνδεση των δύο άκρων του γραμμικού μορίου από το (γ). Το κυκλικό μόριο έχει 18 ελικοειδείς στροφές και μια βραχεία ξετυλιγμένη περιοχή. (ε) Η πιο ευνοούμενη ενεργειακά μορφή του (δ), ένα υπερελικωμένο DNA με 20 ελικοειδείς και 2 υπερελικοειδείς στροφές. 82

83 Ηλεκτρονιομικρογραφία ενός κυκλικού μορίου DNA, όπου φαίνεται η χαλαρή και η υπερελικωμένη κατάσταση. α) β) (α) Χαλαρό (μη υπερελικωμένο) DNA. (β) Υπερελικωμένο DNA. Τα δύο μόρια απεικονίζονται στην ίδια μεγέθυνση. 83

84 Μοντέλο της δομής ενός βακτηριακού χρωμοσώματος. 84

85 Τιμή C 85

86 86

87 Δομή ευκαρυωτικού χρωμοσώμου ΧΡΩΜΑΤΙΝΗ

88 Δομή ευκαρυωτικού χρωμοσώμου ΧΡΩΜΑΤΙΝΗ DNA και πρωτεΐνες

89 Μορφές χρωματίνης Ευχρωματίνη Χαλαρή μορφή συμπύκνωσης Μεταγραφικά ενεργή Ετεροχρωματίνη Σταθερή συμπύκνωση Επαναλαμβανόμενες αλληλουχίες Μεταγραφικά ανενεργή Διακρίνεται σε ιδιοστατική (ίδια θέση στα ομόλογα) και δυνητική (ποικιλία θέσεων σε διαφορετικούς τύπους κυττάρων, στάδια ανάπτυξης κλπ)

90 Αριθμός χρωμοσωμάτων

91 Ευκαρυωτικοί οργανισμοί: νουκλεοσώματα Ηλεκτρονιομικρογραφία ξετυλιγμένης χρωματίνης, όπου φαίνονται τα νουκλεοσώματα που μοιάζουν με «χάντρες κομπολογιού». 91

92 Νουκλοεσωμάτιο

93

94

95 Ιστόνες

96 Ο κώδικας των ιστονών

97 Βασική δομή ευκαρυωτικού χρωμοσώματος (α) Ο πυρήνας ιστονών του νουκλεοσώματος. (β) Διάγραμμα νουκλεοσωμάτων με μορφή «χάντρες κομπολογιού» στη χρωματίνη. Οι διαστάσεις ενός νουκλεοσώματος είναι 11 nm 5,7 nm. (γ) Συμπύκνωση της χρωματίνης εξαιτίας της πρόσδεσης της Η1. 97

98

99 To ινίδιο χρωματίνης των 30 nm. α) β) (α) Ηλεκτρονιομικρογραφία του ινιδίου. (β) Σωληνοειδές μοντέλο για τον τρόπο οργάνωσης των νουκλεοσωμάτων στα ινίδια χρωματίνης των 30 nm. Η ιστόνη Η1 δεν απεικονίζεται. 99

100 Ηλεκτρονιομικρογραφία ενός μεταφασικού χρωμοσώματος από το οποίο αφαιρέθηκαν οι ιστόνες. Το χρωμόσωμα διατηρεί το γενικό του σχήμα μέσω ενός μη ιστονικού ικριώματος από το οποίο προεκβάλλουν βρόχοι DNA. igenetics 100

101 Περιοχές βρόχων σε μεταφασικά χρωμοσώματα. (α) Βρόχοι ινιδίων των 30 nm προσδεδεμένοι μέσω περιοχών σχετιζόμενων με το ικρίωμα σε μη ιστόνες του χρωμοσωμικού ικριώματος. (β) Σχηματική απεικόνιση τμήματος ενός μεταφασικού χρωμοσώματος, όπου φαίνεται η περιέλιξη των περιοχών βρόχων. 101

102 Συμπύκνωση..

103 DNA.Συμπύκνωση. Χρωμόσωμο φορές πιο κοντό 400 φορές πιο παχύ από το γυμνό DNA

104

105 Δομή χρωμοσωμάτων -Ανακεφαλαίωση

106 Κεντρομερές

107 Πρότυπη αλληλουχία για τα κεντρομερή της ζύμης Saccharomyces cerevisae. Το R συμβολίζει μια πουρίνη. Τα ζεύγη βάσεων που υποδεικνύονται με κεφαλαία γράμματα συναντώνται σχεδόν σε όλα τα κεντρομερή (σε 15 ή 16 από τα 16) του ζυμομύκητα και θεωρούνται πολύ συντηρημένα. Τα ζεύγη βάσεων που εντοπίζονται σε 10 ως 13 από τα 16 κεντρομερή είναι συντηρημένα και υποδεικνύονται με πεζά γράμματα. Οι μη συντηρημένες θέσεις συμβολίζονται με παύλες. 107

108 Υποθετικό μοντέλο του κινητοχώρου στο ζυμομύκητα Φαίνεται η σχέση μεταξύ των μικροσωληνίσκων της ατράκτου και των στοιχείων αλληλουχίας DNA του κεντρομερούς. 108

109 Τελομερή (α) Απλές τελομερικές αλληλουχίες στα άκρα των χρωμοσωμάτων του πρωτοζώου Tetrahymena. (β) Μοντέλο της δομής του τελομερούς σύμφωνα με το οποίο το τελομερικό DNA αναδιπλώνεται και σχηματίζει ένα βρόχο t. Το μονόκλωνο άκρο διεισδύει στη δίκλωνη τελομερική αλληλουχία και δημιουργεί ένα βρόχο εκτόπισης ή βρόχο D. 109

110 DNA ενός αντιγράφου Τα περισσότερα γνωστά γονίδια που κωδικοποιούν πρωτεΐνες

111 Επαναλαμβανόμενο DNA Μεταθετά στοιχεία rrna trna Κεντρομερή τελομερή

112 Μεταθετά στοιχεία Περίπου 45% του ανθρώπινου γονιδιώματος αποτελείται από μεταθετά στοιχεία

113 Active transposable elements in the human genome. Muotri A R et al. Hum. Mol. Genet. 2007;16:R159-R167 The Author Published by Oxford University Press. All rights reserved. For Permissions, please journals.permissions@oxfordjournals.org

114 Χρωμοσωμικές περιοχές της E. coli, του ζυμομύκητα, της φρουτόμυγας και του ανθρώπου, από τη σύγκριση των οποίων φαίνεται η διακύμανση της γονιδιακής πυκνότητας στα διάφορα γονιδιώματα.