Εισαγωγή στη Γενετική και στη Γονιδιωματική Τι είναι η κληρονομικότητα, και πώς μεταβιβάζεται η πληροφορία από γενιά σε γενιά;

Transcript

1 ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΑΝΘΡΩΠΟΛΟΓΙΑ 12 26/10/2016 Κεφάλαιο 3 Α μέρος Εισαγωγή στη Γενετική και στη Γονιδιωματική Τι είναι η κληρονομικότητα, και πώς μεταβιβάζεται η πληροφορία από γενιά σε γενιά; Ποια είναι η δομή του DNA, και ποιες είναι οι λειτουργίες του; Πώς εξηγούν την κληρονομικότητα οι μελέτες του Μέντελ; Πόσο έχει βελτιωθεί η αρχική κατανόηση των μελετών του Μέντελ; Ποια είναι η σχέση μεταξύ των γονιδίων και της συμπεριφοράς; Π.Παπαζαφείρη Τι είναι η γονιδιακή δεξαμενή, και γιατί εξετάζουμε τη γενετική των πληθυσμών για να κατανοήσουμε την εξέλιξη;

2 Κληρονομικότητα είναι η μεταβίβαση των γενετικών πληροφοριών από γενιά σε γενιά φαινότυπος

3 Κληρονομικότητα είναι η μεταβίβαση των γενετικών πληροφοριών από γενιά σε γενιά Γονότυπος και φαινότυπος

4 Κληρονομικότητα είναι η μεταβίβαση των γενετικών πληροφοριών από γενιά σε γενιά Το DNA είναι το μόριο της κληρονομικότητας Στο σώμα μας υπάρχουν δύο διαφορετικά είδη DNA: αυτό που βρίσκεται στον πυρήνα των κυττάρων και αυτό των μιτοχονδρίων (mtdna). Το mtdna είναι πολύ μικρότερο από το πυρηνικό DNA και κληρονομείται αποκλειστικά από τη μητέρα, επειδή τα μιτοχόνδρια βρίσκονται στα ωάρια και όχι στα σπερματοζωάρια. ΤΕΛΙΚΑ στο ανθρώπινο σώμα υπάρχουν δύο ομάδες DNA, μια στον πυρήνα που είναι ένας συνδυασμός του πυρηνικού DNA και των δύο γονέων και μια στα μιτοχόνδρια που κληρονομείται αποκλειστικά από τη μητέρα. Νουκλεοτιδικές βάσεις : οι τέσσερις χημικές βάσεις που συνθέτουν το βασικό τμήμα του DNA (αδενίνη, κυτοσίνη, γουανίνη, και θυμίνη) Χρωμοσώματα : πολύπλοκες δομές που στεγάζουν το υπέρπεριελιγμένο DΝΑ στον πυρήνα

5 Κύτταρο-γονιδίωμα-γονίδιο-γονότυπος-(κληρονομικότητα)-φανότυποςποικιλομορφία ανθρώπινο γονιδίωμα όλο το DNA στο ανθρώπινο είδος γενετική μελέτη της βασικής δομής και των διεργασιών του DNA γονιδιωματική μελέτη του DNA που συμπεριλαμβάνει όλα τα συνδεδεμένα μόρια, τις χημικές ουσίες, και τα εξελικτικά μοτίβα Αντιγραφή, σύνθεση πρωτεϊνών, ρύθμιση

6 DNA: ο γενετικός κώδικας Το DNA παρέχει τις οδηγίες για τις βιολογικές δομές και τις λειτουργίες τους αλλά και την επιδιόρθωση αυτών. Η θεώρηση του DNA, απαραίτητη προϋπόθεση για τη κατανόηση των διαδικασιών της γενετικής κληρονομικότητας και της εξέλιξης Εξέλιξη: μεταφορά της πληροφορίας από μια γενιά στην επόμενη, με την πιθανότητα αυτή η πληροφορία να μπορεί να αλλάξει Δομή: «αλφάβητο» των 4 βάσεων με την εκπληκτική ικανότητα να καθορίζουν λεπτομερώς όλες τις απαραίτητες πληροφορίες για τη σύνθεση και τη λειτουργία των πρωτεϊνών

7 DNA: ο γενετικός κώδικας συρραφή Λειτουργίες: αντιγραφή, μεταγραφή, μετάφραση «ο ένας κλώνος του DNA παράγει το συμπληρωματικό κλώνο του αγγελιοφόρου RNA, ο οποίος έλκει ένα συμπληρωματικό κλώνο του μεταφορικού RNA που μεταφέρει το καθορισμένο αμινοξύ

8 Η αντιγραφή του DNA είναι απαραίτητη για δύο σημαντικές λειτουργίες των κυττάρων: μίτωση και μείωση. Η μίτωση είναι η δημιουργία δύο κυττάρων από ένα -διαδικασία, με την οποία το σώμα μας αυξάνεται και αναπλάθει τμήματά του ενώ ένα μόνο κύτταρο αναπτύσσεται σε έναν οργανισμό που αποτελείται από δισεκατομμύρια κύτταρα.

9 Μίτωση και Μείωση Είναι απαραίτητο όλες οι γενετικές πληροφορίες που βρίσκονται στο «αρχικό» κύτταρο ενός οργανισμού να μεταφερθούν ΣΩΣΤΑ (αντιγραφή) σε όλα τα μελλονικά κύτταρα Διαφορετική διαδικασία για να περάσει η πληροφορία από τη μια γενιά στην επόμενη με τη δημιουργία των γενετικών κυττάρων (γαμετών)

10 Το DNA έχει περιορισμένη δομική ποικιλομορφία και γραμμική μορφή, αλλά οι πρωτεΐνες που προκύπτουν έχουν τεράστια ποικιλομορφία παρότι αποτελούνται από αλυσίδες 20 μόνο διαφορετικών αμινοξέων κάθε μια από τις οποίες έχει χαρακτηριστική τρισδιάστατη δομή και συνεπώς τη δική της βιοχημική ταυτότητα. Αλλαγές του DNA που επηρεάζουν σημαντικά τη δομή των πρωτεïνών μπορεί να είναι σημειακές μεταλλάξεις, ελλείψεις ή διπλασιασμοί. Η σημαντικότερη αλλαγή είναι όμως ο ανασυνδυασμός Μοριακό επίπεδο εξέλιξης

11 Επιχιασμός-ανασυνδυασμός γονιδίων Ο επιχιασμός εμφανίζεται όταν ομόλογα χρωμοσώματα ανταλλάσσουν τμήματα ως αποτέλεσμα της ακραίας δομικής και χημικής ομοιότητάς τους. Στην πραγματικότητα, με την ανάμειξη αλληλουχιών γενετικού υλικού στα χρωμοσώματα, ο επιχιασμός ανασυγκροτεί περιοχές DNA με νέους τρόπους (ανταλλαγή τμημάτων του μητρικού και του πατρικού DNA), αυξάνοντας έτσι την υπάρχουσα γενετική ποικιλομορφία στα χρωμοσώματα. Αυτή η ανακατανομή των τμημάτων DNA παίζει σημαντικό ρόλο στην σύνδεση των γενετικών μονάδων κληρονομικότητας και των χαρακτηριστικών που προκύπτουν από αυτές

12 ανασυνδυασμός Το αποτέλεσμα του επιχιασμού είναι ο ανασυνδυασμός των γονιδίων, δηλαδή η παραγωγή ενός νέου συνδυασμού αλληλουχιών DNA. Ο ανασυνδυασμός ΔΕΝ αλλάζει το γενετικό υλικό. Τα αλληλόμορφα είναι τα ίδια αλλά μπορούν να υπάρξουν σε διαφορετικούς συνδυασμούς γεγονός που μπορεί να οδηγήσει σε αύξηση της γενετικής ποικιλομορφίας

13 Ανασυνδυασμός: ανακάτεμα των μητρικών και πατρικών χρωμοσωμάτων κατά τη διάρκεια της μείωσης Αν και δεν εισάγει νέες γενετικές παραλλαγές, ο ανασυνδυασμός εξασφαλίζει ότι κάθε γαμέτης θα έχει ένα νέο συνδυασμό γενετικού υλικού από τους γονείς του. Αυτό συμβαίνει γιατί παρότι τα ομόλογα χρωμοσώματα (τα ίδια χρωμοσώματα, για παράδειγμα, το χρωμόσωμα 1 από τη μητέρα και το χρωμόσωμα 1 από τον πατέρα) έχουν το ίδιο είδος των γενετικών πληροφοριών, κάθε ένα είναι ελαφρώς διαφορετικό σε ορισμένες λεπτομέρειες. Αυτές οι λεπτομέρειες, όταν αναδιατάσσονται με νέους τρόπους, μπορούν να παράγουν μοναδικές σειρές των υφιστάμενων γενετικών πληροφοριών. Ο ανασυνδυασμός μπορεί να εξηγήσει γιατί κάθε ένας από τους απογόνους δύο γονέων είναι διαφορετικός και γιατί κάθε άνθρωπος είναι μοναδικός

14 Επιδιόρθωση του DNA Θερμική διάσπαση πουρινών Απαμίνωση κυτοσίνης Υπεριώδης ακτινοβολία Ελεύθερες ρίζες οξυγόνου >99.9% επιδιορθώνονται (σταθεροποιητική επιλογή)

15 Χρωμοσώματα και γονίδια Ορισμοί Γονιδίωμα, το συνολικό DNA ενός οργανισμού Χρωμόσωμα, ένας επιμήκης κλώνος αλληλουχιών DNA Γονίδιο, ένα τμήμα του το οποίο περιέχει τον κώδικα για μια ανιχνεύσιμη δομή ή λειτουργία Εξώνιο, ένα τμήμα του γονιδίου που κωδικοποιεί τα αμινοξέα τα οποία θα συγκροτήσουν τη πρωτεΐνη Εσώνιο, ένα τμήμα του γονιδίου με μη-κωδικοποιημένες αλληλουχίες (το μεγαλύτερο μέρος των αλληλουχιών είναι δομημένο από μη-κωδικοποιμένες αλληλουχίες με άγνωστη προς το παρόν σημασία) (Ρυθμιστικά γονίδια, υπεύθυνα για την έκφραση πολλών βιολογικών χαρακτηριστικών στον κατάλληλο χρόνο, ενεργοποιώντας ή απενεργοποιώντας άλλα γονίδια)

16 Human Genome Project Στον άνθρωπο, το γονιδίωμα αποτελείται από 3 δισεκατομμύρια ζευγάρια βάσεων 1,1-1,5 % κωδικοποιεί πρωτεΐνες ;;;;;;;;;;; κατανόηση της λειτουργίας ή της σχέσης των διαφορετικών γονιδίων με τις πραγματικές βιολογικές δομές Η ποσότητα του DNA στο απλοειδές γονιδίωμα διαφόρων οργανισμών δεν έχει ιδιαίτερη σχέση με τη πολυπλοκότητα του οργανισμού

17 Η υψηλή πιστότητα διατήρησης του DNA σημαίνει ότι συγγενικά είδη έχουν πρωτεΐνες με πολύ παρόμοιες αλληλουχίες Σύγκριση ενός τμήματος του γονιδίου καθορισμού του φύλου σε δύο διαφορετικά ζώα!

18 Τα χρωμοσώματα στον άνθρωπο

19 Οργάνωση γονιδίων Δυνατότητα : 3 εκατομμύρια πρωτεΐνες Πραγματικότητα : Δορυφορικό, εσώνια, μεταθετά στοιχεία

20 Πρωτεΐνες: ποια η σημασία τους στη θεώρηση του φαινοτύπου; Πως συνεργάζονται για τον σκοπό αυτό με το DNA;

21 Στάδια ρύθμισης της γονιδιακής έκφρασης

22 Στάδια ρύθμισης της γονιδιακής έκφρασης Ο υποκινητής βρίσκεται σχετικά κοντά στο γονίδιο μαζί με την RNA πολυμεράση και γενικούς μεταγραφικούς παράγοντες. Η περιοχή του υποκινητή περιέχει πάντα μια μικρή έκταση επαναλαμβανόμενων ΤΑΤΑ που αναγνωρίζονται από έναν μεταγραφικό παράγοντα κλειδί. Πιο μακρυά υπάρχουν περιοχές που αναγνωρίζονται από πρωτεΐνες γονιδιακής ρύθμισης που λειτουργούν σαν συμπλέγματα.

23 Στάδια ρύθμισης της γονιδιακής έκφρασης Το σημαντικό στοιχείο της γονιδιακής ρύθμισης από πρωτεΐνες είναι ότι η έλικα του DNA μπορεί να «αναγνωριστεί» από την εξωτερική της πλευρά χωρίς δηλαδή τη διάσπαση των δυο αλυσίδων Τελικά, ειδικές ακολουθίες νουκλεοτιδίων διαβάζονται από ειδικά μοτίβα των ρυθμιστικών παραγόντων: Έλικα-στροφή-έλικα Δάκτυλος ψευδαργύρου Φερμουάρ λευκίνης Το ταίριασμα της έλικας του DNA και της ρυθμιστικής πρωτεΐνης είναι τόσο ακριβές, ώστε να μπορούν να αναπτυχθούν μέχρι και 20 διαφορετικά είδη δεσμών μεταξύ αυτών των δυο μορίων

24 ρυθμιστικά γονίδια Μπορεί να έχουν τεράστια εξελικτική σημασία: Εξήγηση των μεγάλων φυσικών διαφορών ανάμεσα στον χιμπατζή και τον άνθρωπο που παρουσιάζουν πάνω από 98% ομοιότητα στα δομικά τους γονίδια. Γονίδια ομοιοακολουθίας, με σημαντική συμμετοχή στη ρύθμιση της εμβρυϊκής ανάπτυξης. Τα γονίδια αυτά είναι παρόμοια σε πολλούς πληθυσμούς : έντομα, ποντίκια, άνθρωπος η διαδικασία της εμβρυονικής ανάπτυξης σε κεφάλι, θώρακα και ουρά, μπορεί να λάβει χώρα μόνο μια φορά στην εξέλιξη... Τα ίδια γονίδια μπορεί να παρεμποδίζουν την ανάπτυξη κάποιου φαινοτυπικού χαρακτηριστικού σε μεταγενέστερες μορφές Σύνδρομο Marfan (?)

25 Ο ρόλος των πρωτεϊνών στη ρύθμιση της μεταγραφής το σύμπλεγμα που ελέγχει τη μεταγραφή μπορεί να είναι ιδιαίτερα πολύπλοκο και να καταλαμβάνει μέχρι και ζεύγη βάσεων Μια ρυθμιστική πρωτεΐνη μπορεί να δρα σαν ενεργοποιητής σε ένα σύμπλοκο και σαν καταστολέας σε ένα άλλο Η ανόμοια κατανομή των μεταγραφικών παραγόντων κατά μήκος ενός εμβρύου, καθορίζει τη χωροθέτηση της πληροφορίας έτσι ώστε τα χρωμοσώματα των κυττάρων ή των πυρήνων να εκτίθενται σε διαφορετικό ρυθμιστικό περιβάλλον Η ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης μπορεί να μεταβιβάζεται από κύτταρο σε κύτταρο και στο χώρο και στο χρόνο (κυτταρική μνήμη) Προσαρμοστική αλλαγή: μέσω μεταλλάξεων στα γονίδια που κωδικοποιούν γι αυτούς τους παράγοντες ή μέσω επανα-διευθέτησης των ρυθμιστικών κέντρων, δημιουργώντας έτσι ένα νέο κύκλωμα και τροποποιώντας τους υπάρχοντες ελέγχους.

26 Μοριακό επίπεδο εξέλιξης Διπλασιασμός (από ανασυνδυασμό): πολλαπλά διαθέσιμα αντίγραφα γονιδιακές οικογένειες Συρραφή (εναλλακτική) Ενσωμάτωση εσωνίων :νέες πρωτεïνες με νέες λειτουργίες από τμήματα προϋπαρχουσών Μεταθετά στοιχεία συνδετικός κρίκος μεταξύ περιβάλλοντος και προσαρμογής Ανασυνδυασμός ακολουθιών που κωδικοποιούν για σταθερές επικράτειες Μετα-μεταφραστική σύνδεση Πολλαπλές εσωτερικά επαναλαμβανόμενες αλληλουχίες Πολύ μικρή πιθανότητα δημιουργίας μιας νέας πρωτείνης : μεταλλαγές παλιών Η εξέλιξη των πρωτεινών στηρίζεται σε ένα σύστημα «δοκιμής-λάθους» Ισομορφές ισοένζυμα - αλλοένζυμα

27 DNA: ο γενετικός κώδικας Το DNA αποθηκεύει τις πληροφορίες που αφορούν στην οργάνωση και ολοκλήρωση του κυττάρου Το RNA μεταφέρει την πληροφορία στο κυτταρόπλασμα και συμμετέχει στην κυτταρική ρύθμιση αλλά η σημαντικότερη λειτουργία του είναι η σύνθεση των πρωτεïνών Οι πρωτεΐνες είναι βασικοί παράγοντες όλων των κυτταρικών λειτουργιών (μοριακή αναγνώριση, μεταφορά, ολοκλήρωση σημάτων, ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης...) Προσαρμογή συμβαίνει όταν μια αλλαγή σε επίπεδο DNA εκφράζεται -μέσω πρωτεïνικής μεταβολής- σαν ένα ωφέλιμο χαρακτηριστικό σε ένα συγκεκριμένο περιβάλλον. Η αλλαγή επικρατεί τελικά κατά την επιλογή με διασπορά μέσα στον πληθυσμό. Έτσι, κάθε τι που ρυθμίζει τις πρωτεΐνες ευθύνεται και για τη προσαρμογή