Χρωμοσώματα και ανθρώπινο γονιδίωμα Πεφάνη Δάφνη

Transcript

1 Χρωμοσώματα και ανθρώπινο γονιδίωμα Πεφάνη Δάφνη

2

3 Νουκλεoτίδια-Δομικοί λίθοι του DNA

4 H διπλή έλικα του DNAχωροπληρωτικό μοντέλο

5 To ευκαρυωτικό DNA οργανώνεται σε χρωμοσώματα Τα χρωμοσώματα περιέχουν γονίδια Γονίδιο: Τμήμα του DNA που περιέχει τις απαραίτητες πληροφορίες για τη δημιουργία μιας συγκεκριμένης πρωτεΐνης ή ενός μορίου RNA με δομική ή καταλυτική δράση Γονιδίωμα: To σύνολο της γενετικής πληροφορίας ενός κυττάρου ή ενός οργανισμού

6 Δομή ενός αντιπροσωπευτικού γονιδίου Υποκινητής: Αλληλουχία στο 5 άκρο κάθε γονίδιου που ελέγχει την έναρξη της μεταγραφής Ρυθμιστικές αλληλουχίες: Εντοπίζονται στο 5, 3 άκρο ή και ιντρόνια και ρυθμίζουν την έκφραση του γονιδίου- ενισχυτές, σιωπητές, περιοχές ελέγχου γενετικού τόπου

7 Ψευδογονίδια: Αλληλουχίες παρόμοιες με αυτές των λειτουργικών γονιδίων που δεν παράγουν λειτουργικό προϊόν Μη κωδικά γονίδια: Το τελικό τους προϊόν δεν είναι πρωτεΐνη αλλά RNA -micrornas-ελέγχουν την έκφραση άλλων γονιδίων

8 Ευκαρυωτικά χρωμοσώματα Αφετηρία αντιγραφής: Αλληλουχία στην οποία ξεκινά η αντιγραφή του DNA Τελομερή: Επαναλαμβανόμενες αλληλουχίες που συμβάλουν στην αντιγραφή των δύο άκρων του χρωμοσώματος Κεντρομερές Αλληλουχία που συμβάλει στο διαχωρισμό των χρωμοσωμάτων κατά τη μίτωση

9 Πώς πακετάρεται το DNA στον πυρήνα;; Felsenfeld & Groudine (Nature, 2003)

10 Δομική οργάνωση του νουκλεοσώματος

11 Οι ιστόνες πακετάρουν το γραμμικό DNA

12 Οργάνωση χρωματίνης σε ινίδια 30 nm

13 Η ιστόνη Η1 δρα σαν συνδετικός κρίκος δημιουργώντας ένα συμπαγές ινίδιο χρωματίνης Η ιστόνη Η1 αποτελείται από μια σφαιρική περιοχή και ένα ζεύγος ουρών Η σφαιρική περιοχή συνδέεται με το συνδετικό DNA και οι ουρές με τη χρωματίνη

14 Οργάνωση χρωματίνης σε θηλιές

15 Πρωτεΐνες εκτός των ιστονών συμβάλουν στο πακετάρισμα του DNA

16 Αλληλεπίδραση με πρωτεΐνες του πυρηνικού στρώματος συμβάλει στην οργάνωση της χρωματίνης

17 O πυρηνίσκος είναι ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα οργάνωσης της πρωτεΐνης

18 Η συσκευασία του χρωμοσωμικού DNA γίνεται σε διάφορα στάδια

19 Ο βαθμός συσπείρωσης των χρωμοσωμάτων διαφέρει ανάλογα με τη φάση του κυτταρικού κύκλου -Στην φάση S κάθε ινίδιο χρωματίνης διπλασιάζεται -Οι αδελφές χρωματίδες συνδέονται στο κεντρομερίδιο

20 H κοντεσίνες και κοεζίνες δρουν συνδυαστικά για να επιτευχθεί η συσπείρωση και διαχωρισμός των χρωμοσωμάτων

21 Ο όρος χρωμόσωμα χρησιμοποιείται σε όλες τις φάσεις του κυτταρικού κύκλου!

22 Καρυότυπος Η απεικόνιση των μεταφασικών χρωμοσωμάτων κατά ελαττώμενο μέγεθος. Από τον καρυότυπο εξάγονται ποσοτικά και ποιοτικά δεδομένα

23 Καρυότυπος: Η παρουσίαση του συνόλου των 46 χρωμοσωμάτων

24

25 Ο καρυότυπος χρησιμεύει στη διάγνωση γενετικών διαταραχών

26 H χρωματίνη δεν εμφανίζει τον ίδιο βαθμό συμπύκνωσης σε όλο το μήκος του μεσοφασικού χρωμοσώματος Ετερoχρωματίνη: Η πιο συμπυκνωμένη μορφή χρωματίνης Ευχρωματίνη: Η υπόλοιπη μεσοφασική χρωματίνη

27 H χρωματίνη δεν εμφανίζει τον ίδιο βαθμό συμπύκνωσης σε όλο το μήκος του μεσοφασικού χρωμοσώματος Ετεροχρωματίνη: Η πιο συμπυκνωμένη μορφή χρωματίνης Ευχρωματίνη: Η υπόλοιπη μεσοφασική χρωματίνη

28 Η ετεροχρωματίνη σχηματίζει διακριτά συσσωματώματα

29 Τύπο ετεροχρωματίνης Ιδιοσύστατη: Περιοχές ετεροχρωματίνης που παραμένουν πυκνά πακεταρισμένες κατά την μεσόφαση Συχνά αποτελείται από επαναλαμβανόμενες μικρές αλληλουχίες που δεν μεταγράφονται Αν υπάρχουν γονίδια είναι πολύ αραιά σε αυτές τις περιοχές και συνήθως είναι ανενεργά Συνήθως αντιγράφεται πολύ αργά στη φάση S Δυνητική: Περιοχές που υπόκεινται επιλεκτικά σε μεταγραφική αποσιώπηση, ανάλογα με τον κυτταρικό τύπο

30 Το πακετάρισμα της χρωματίνης επηρεάζει τη μεταγραφή των γονιδίων H κατάσταση της χρωματίνης είναι δυναμική και όχι στατική Η αναδιαμόρφωση της χρωματίνης επιδρά στη γονιδιακή έκφραση χωρίς να μεταβάλεται η αλληλουχία του DNA: γενετικές vs επιγενετικες αλλαγές

31 Eπιγενετικές τροποποιήσεις της χρωματίνης Τροποποιήσεις της χρωματίνης που δεν περιλαμβάνουν αλλαγές στην αλληλουχία του DNA O όρος επιγενετικές αλλαγές περιγράφει την ιδέα ότι το περιβάλλον μπορεί να επηρεάσει την έκφραση των γονιδίων χωρίς αλλαγή στην αλληλουχία τους Οι επιγενετικές αλλαγές διατηρούνται κατά την κυτταρική διαίρεση και κληρονομούνται από γενιά σε γενιά Οι επιγενετικές αλλαγές μπορούν να αντιστραφούν Η απενεργοποίηση του χρωμοσώματος Χ στις γυναίκες είναι παράδειγμα επιγενετικής ρύθμισης

32 Απενεργοποίηση του χρωμοσώματος Χ

33 Σωμάτιο Bar Μεσοφασικός πυρήνας από επιθηλιακό κύτταρο θηλυκού Μεσοφασικός πυρήνας από επιθηλιακό κύτταρο αρσενικού

34 Επιγενετικές τροποποιήσεις Τροποποιήσεις των ιστονών (Ομοιοπολική προσθήκη χημικών ομάδων) Επαναδιάταξη του DNA στα νουκλεοσώματα Μεθυλίωση του DNA

35 Επιγενετικές τροποποιήσεις στις ουρές των ιστονών

36 Επιγενετικές τροποποιήσεις στις ουρές των ιστονών Μεταφορά ακετυλομάδας στα αμινοξέα Λυσίνη ή Αργινίνη από το ένζυμο ΗΑΤ (Histone Acetylotranderase)

37 Επιγενετικές τροποποιήσεις στις ουρές των ιστονών Mε την ακετυλίωση χάνεται το θετικό φορτίο της λυσίνης και της αργινίνης μειώνοντας δραματικά την ικανότητα των ιστονών να αλληλοεπιδρούν με το αρνητικά φορτισμένο DNA και να το πακετάρουν

38 Επιγενετικές τροποποιήσεις στις ουρές των ιστονών Μεταφορά 1, 2 ή 3 μεθυλικών ομάδων στα αμινοξέα Λυσίνη ή Αργινίνη από το ένζυμο ΗΜΤ (Histone Μethylotransfarase) ή μεταφορά μεθυλικών ομάδων από το ένζυμο ΗDM (Histone Demethylase) H μεθυλιώση των ιστονών σχετίζεται με την ενεργοποίηση ή καταστολή της μεταγραφής ανάλογα με το αμινοξικό κατάλοιπο

39 Επιγενετικές τροποποιήσεις στις ουρές των ιστονών Διαφορετικοί συνδυασμοί τροποποιήσεων οδηγούν σε διαφορετική διάταξη της χρωματίνης

40 Σύμπλοκα αναδιάταξης της χρωματίνης Χρησιμοποιούν την ενέργεια από την υδρόλυση του ΑΤΡ αλλάζοντας την διάταξη των νουκλεοσωμάτων και άρα την προσβασιμότητα τους σε πρωτεΐνες του κυττάρου.

41 Η μεταγραφή καθορίζεται από τη δομή της χρωματίνης Ρύθμιση της αρχιτεκτονικής δομής της χρωματίνης από (α) ακετυλάσες ιστονών (β) συμπλοκα αναδιάταξης των νουκλεοσωμάτων. Και στις δύο περιπτώσεις το αποτέλεσμα είναι η πρόσβαση της μεταγραφικής μηχανής

42 Μεθυλίωση των ιστονών σχετίζεται με την μεθυλίωση του DNA H μεθυλίωση του DNA γίνεται ως επι τω πλείστο σε νησίδες CpG Οι δύο τύποι μεθυλίωσης συνδέονται: Ορισμένες μεθυλοτρανσφεράσες ιστονών περιέχουν εν δυνάμει θέσεις πρόσδεσης στο μεθυλιωμένο CpG δινουκλεοτίδιο Στην ετεροχρωματίνη οι αλληλουχίες είναι συνήθως μεθυλιωμένες. Η γονιδιακή έκφραση σχετίζεται με την απομεθυλίωση.

43

44 Επιγενετική κληρονομικότητα Oι μετατροπές των ιστονών κληρονομούνται από τα γονεϊκά χρωμοσώματα

45 Συμπεράσματα Το σύμπλοκο πρωτεϊνών-πυρηνικού DNA σχηματίζουν την χρωματίνη Ανάλογα με το βαθμό σεισπείρωσης της η χρωματίνη οργανώνεται διαφορετικά Κάποιες περιοχές των χρωμοσωμάτων είναι μόνιμα ετεροχρωματινικές ενώ άλλες είναι αναστρέψιμες Η μεταγραφή των γονιδίων καθορίζεται από την οργάνωση της χρωματίνης Διαφορετικός συνδυασμός τροποποιήσεων οδηγεί σε διαφορετικό μεταγραφικό αποτέλεσμα.