igenetics Mια Μεντελική προσέγγιση

Transcript

1 igenetics Mια Μεντελική προσέγγιση

2 Κεφάλαιο 20 Η ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς Πυρίνας ανθρώπινου μεσοφασικού κυττάρου στον οποίο παρατηρούμε, με ανοσοφθορισμό, τη διάστικτη κατανομή της απακετυλάσης των ιστονών (HDAC). igenetics Ακαδημαϊκές Εκδόσεις

3 ΕΙΚΟΝΑ 20.1 Ένα οπερόνιο του C. elegans και η δημιουργία μονογονιδιακών mrna από το αρχικό ενιαίο πολυγονιδιακό mrna με trans-μάτισμα και κοπή/πολυαδενυλίωση. igenetics Ακαδημαϊκές Εκδόσεις

4 ΕΙΚΟΝΑ 20.2 Επίπεδα ρύθμισης της γονιδιακής έκφρασης στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς. igenetics Ακαδημαϊκές Εκδόσεις

5 ΕΙΚΟΝΑ 20.3 Ρύθμιση της αρχιτεκτονικής δομής της χρωματίνης από (α) ακετυλάσες ιστονών και (β) σύμπλοκα αναδιαμόρφωσης νουκλεοσωμάτων. Και στις δύο περιπτώσεις, το αποτέλεσμα είναι η πρόσβαση του μεταγραφικού μηχανισμού στον υποκινητή. igenetics Ακαδημαϊκές Εκδόσεις

6 igenetics Ακαδημαϊκές Εκδόσεις

7 igenetics Ακαδημαϊκές Εκδόσεις

8 R igenetics Ακαδημαϊκές Εκδόσεις

9 igenetics Ακαδημαϊκές Εκδόσεις

10 R igenetics Ακαδημαϊκές Εκδόσεις

11 igenetics Ακαδημαϊκές Εκδόσεις

12 igenetics Ακαδημαϊκές Εκδόσεις

13 Type of modification Histone H3K4 H3K9 H3K14 H3K27 H3K79 H4K20 H2BK5 monomethylation dimethylation activation activation activation activation activation Activation activation repression repression activation trimethylation activation repression repression activation, repression repression acetylation activation activation igenetics Ακαδημαϊκές Εκδόσεις

14 ΕΙΚΟΝΑ 20.4 Ενεργοποίηση της μεταγραφής από γενικούς μεταγραφικούς παράγοντες, ενεργοποιητές και ένα συνενεργοποιητή (στην περίπτω ση αυτή ονομάζεται Mediator). TBP, TATA Bin-ding Protein = πρωτεΐνη πρόσδεσης στο TATA. CTD, C-Terminal Domain (tail) of RNA polymerase II = καρβοξυτελική επικράτεια (ουρά) της RNA πολυμεράσης II. igenetics Ακαδημαϊκές Εκδόσεις

15 ΕΙΚΟΝΑ 20.5 Παραδείγματα δομικών μοτίβων των επικρατειών πρόσδεσης στο DNA που εντοπίζονται σε πρωτεΐνες όπως οι μεταγραφικοί παράγοντες. α) β) γ) igenetics Ακαδημαϊκές Εκδόσεις

16 ΕΙΚΟΝΑ 20.6 Συνδυαστική γονιδιακή ρύθμιση. Θεωρητικό παράδειγμα συνδυαστικής ρύθμισης της γονιδιακής έκφρασης κατά το οποίο (α) η μεταγραφή του γονιδίου A ρυθμίζεται από τους ενεργοποιητές 1, 2, 3 και 4 και (β) η μεταγραφή του γονιδίου B ρυθμίζεται από τους ενεργοποιητές 2, 4 και 6. igenetics Ακαδημαϊκές Εκδόσεις

17 ΕΙΚΟΝΑ 20.7 Η ρύθμιση του καταβολισμού της γαλακτόζης στους μύκητες. (α) Η οργάνωση των δομικών γονιδίων του μύκητα GAL1, GAL7 και GAL10 στο χρωμόσωμα II. (β) Καταστολή της μεταγραφής των γονιδίων απουσία γαλακτόζης. (γ) Ενεργοποίηση της μεταγραφής των γονιδίων παρουσία γαλακτόζης. igenetics Ακαδημαϊκές Εκδόσεις

18 ΕΙΚΟΝΑ 20.7 Η ρύθμιση του καταβολισμού της γαλακτόζης στους μύκητες. (α) Η οργάνωση των δομικών γονιδίων του μύκητα GAL1, GAL7 και GAL10 στο χρωμόσωμα II. (β) Καταστολή της μεταγραφής των γονιδίων απουσία γαλακτόζης. (γ) Ενεργοποίηση της μεταγραφής των γονιδίων παρουσία γαλακτόζης. igenetics Ακαδημαϊκές Εκδόσεις

19 Η γενική εικόνα της διαχείρισης ενός ορμονικού μορίου πρόδρομο μόριο πού εντοπίζεται προϊόντα αποδόμησης τύχη προϊόντων αποδόμησης 7 6 καταστροφή απενεργοποίηση 1 ορμόνη πορεία παραγωγής ενεργοποίηση σύμπλεγμα απενεργοποίησης 5 2 δράση διακίνηση ενεργοποιητές αναστολείς ανταγωνιστές υποδοχέας κατάλογος δράσεων 4 μεταγωγική 3 πορεία γονιδιακή έκφραση 8

20 Η διεργασία της έκφρασης γονιδίου μόριο ενεργοποιητής (εσωτερικό σήμα) υποδοχέας ενεργοποίηση μεταγραφικού παράγοντα μεταγραφικός παράγοντας (trans-factor) ανοιχτό αναγνωστικό πλαίσιο γονίδιο ρυθμιστικό στοιχείο (cis-element) εδώ προσαρτάται η RNA πολυμεράση ΙΙ mrna η ενεργοποίηση του γονιδίου οδηγεί σε παραγωγή mrna γίνεται στον πυρήνα 20

21 ΕΙΚΟΝΑ 20.8 Μηχανισμοί δράσης των πολυπεπτιδικών ορμονών και των στεροειδών ορμονών. igenetics Ακαδημαϊκές Εκδόσεις

22 ΕΙΚΟΝΑ 20.9 Δομές μερικών στεροειδών ορμονών των θηλαστικών. (α) Η υδροκορτιζόνη συμμετέχει στη ρύθμιση του μεταβολισμού υδατανθράκων και πρωτεϊνών. (β) Η αλδοστερόνη ρυθμίζει την ισορροπία αλάτων και νερού. (γ) Η τεστοστερόνη παίζει σημαντικό ρόλο στη δημιουργία και στη διατήρηση των αρσενικών φυλετικών χαρακτηριστικών. (δ) Η προγεστερόνη, μαζί με τα οιστρογόνα, προετοιμάζει και διατηρεί την εσωτερική επένδυση της μήτρας για την εμφύτευση ενός εμβρύου. igenetics Ακαδημαϊκές Εκδόσεις

23 igenetics Ακαδημαϊκές Εκδόσεις

24 ΕΙΚΟΝΑ Μοντέλο για τη δράση της γλυκοκορτικοειδούς ορμόνης σε κύτταρα θηλαστικών. igenetics Ακαδημαϊκές Εκδόσεις

25 ΕΙΚΟΝΑ Χημικοί τύποι πέντε φυτοορμονών. igenetics Ακαδημαϊκές Εκδόσεις

26 ΕΙΚΟΝΑ Επίδραση των γιββερελλινών στη βλάστηση σπερμάτων κριθαριού. igenetics Ακαδημαϊκές Εκδόσεις

27 ΕΙΚΟΝΑ Αποσιώπηση γονιδίων σε ένα τελομερές του μύκητα. igenetics Ακαδημαϊκές Εκδόσεις

28 ΕΙΚΟΝΑ Μετατροπή της κυτοσίνης του DNA σε 5-μεθυλοκυτοσίνη με τη δράση του ενζύμου DNA μεθυλάση. igenetics Ακαδημαϊκές Εκδόσεις

29 ΜΕΘΥΛΙΩΣΗ ΤΟΥ DNA Ορισμός: Με τον όρο μεθυλίωση εννοούμε την ομοιοπολική προσθήκη μεθυλομάδων (-CH3) στο DNA ( στις αλληλουχίες CG η CNG αλλά και σε τυχαίες θέσεις CNN, όπου Ν οποιοδήποτε από τα ATG) μετά την αντιγραφή.

30 ΕΙΚΟΝΑ Επίδραση της 5-μεθυλοκυτοσίνης στην πέψη του DNA με HpaII και MspI. igenetics Ακαδημαϊκές Εκδόσεις

31 Μεθυλίωση Έκφραση γονιδίων Η μεθυλίωση μεταβάλλει ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του DNA, επηρεάζει την αλληλεπίδραση του DNA με τις πρωτεΐνες, την καταστολή των γονιδίων στα ζώα, φυτά και τους μύκητες. Είναι βασικός παράγοντας για τη φυσιολογική ανάπτυξη σε ζώα και θηλαστικά. Επίσης αφορά τη διατήρηση και σταθεροποίηση της αδρανοποίησης, σχετίζεται με την εμβρυϊκή ανάπτυξη και ιστική εξειδίκευση, στην έκφραση διαφόρων γονιδίων σε κάθε τύπο κυττάρων και επιπρόσθετα με την υπερμεθυλίωση του DNA. Διαδραματίζει ουσιαστικό ρόλο στον καθορισμό πότε ορισμένα γονίδια εκφράζονται και πότε αυτά παραμένουν ανενεργά. Γονίδια των οποίων η έκφραση δεν είναι απαραίτητη για κάποια κυτταρική λειτουργία βρίσκονται σε μεθυλιωμένη μορφή.

32 Επιγενετικός έλεγχος της συμμετρίας του άνθους στο φυτό Linaria vulgaris Αριστερά: άγριου-τύπου L. vulgaris όπου το γονίδιο Lcycloidea (Lcyc) που ελέγχει την αμφίπλευρη συμμετρία εκφράζεται κανονικά. Το άνθος είναι ζυγομορφικό και ο λοβός του κάτω πετάλου εμφανίζει ένα πλήκτρο (spur). Δεξιά: το επιμεταλλαγμένο άνθος «πελώριο» εμφανίζει υπερμεθυλίωση του γονιδίου Lcyc και καταστολή της έκφρασής του. Τα άνθη έχουν ακτινωτή συμμετρία καθώς ο λοβός του κάτω πετάλου επαναλαμβάνεται πέντε φορές. Το φυτό της εικόνας είναι ομοζύγωτο για το επιαλληλόμορφο Lcyc. Ετεροζύγωτα φυτά παρουσιάζουν κανονική ανάπτυξη άνθους.

33 ΕΙΚΟΝΑ Μοντέλο εντυπώματος των γονιδίων Igf2 και H19. igenetics Ακαδημαϊκές Εκδόσεις

34 ΕΙΚΟΝΑ Η εναλλακτική πολυαδενυλίωση και το εναλλακτικό μάτισμα συντελούν στη σύνθεση ιστοειδικών προϊόντων από το ανθρώπινο γονίδιο της καλσιτονίνης CALC. Στο θυρεοειδή αδένα παράγεται η καλσιτονίνη, ενώ σε ορισμένους νευρώνες συντίθεται το πεπτίδιο CGRP (Calcitonin-Gene-Related Peptide, πεπτίδιο που σχετίζεται με το γονίδιο της καλσιτονίνης). igenetics Ακαδημαϊκές Εκδόσεις

35 ΕΙΚΟΝΑ Η εναλλακτική πολυαδενυλίωση και το εναλλακτικό μάτισμα συντελούν στη σύνθεση ιστοειδικών προϊόντων από το ανθρώπινο γονίδιο της καλσιτονίνης CALC. Στο θυρεοειδή αδένα παράγεται η καλσιτονίνη, ενώ σε ορισμένους νευρώνες συντίθεται το πεπτίδιο CGRP (Calcitonin-Gene-Related Peptide, πεπτίδιο που σχετίζεται με το γονίδιο της καλσιτονίνης). igenetics Ακαδημαϊκές Εκδόσεις

36 igenetics Ακαδημαϊκές Εκδόσεις

37 ΕΙΚΟΝΑ Παρεμβολή RNA (RNAi) με βραχέα παρεμβαλλόμενα RNA (sirna). RISC* = ενεργοποιημένο σύμπλοκο RISC. igenetics 37

38 Small RNAs repressing translation Journal of Cellular Physiology Volume 213, Issue 2, pages , 2 AUG 2007

39

40

41 RNA. Sep 2003; 9(9):

42 RNA directed DNA methylation Nature Reviews Genetics 6, (January 2005)

43 The RNA-dependent DNA methylation pathway in Arabidopsis thaliana. NATURE REVIEWS GENETICS VOLUME 14 FEBRUARY 2013 page 100

44 NOBEL Prize 2006 Andrew Fire and Craig Mello Fire, A.; Xu, S.; Montgomery, M. K.; Kostas, S. A.; Driver, S. E.; Mello, C. C. (1998). "Potent and specific genetic interference by double-stranded RNA in Caenorhabditis elegans". Nature 391 (6669):

45 Sir David Charles Baulcombe Hamilton, A. J.; Baulcombe, D. (1999). "A Species of Small Antisense RNA in Posttranscriptional Gene Silencing in Plants". Science 286 (5441):

46 The Plant Cell, Vol. 2, , April 1990 O 1990 American Society of Plant Physiologists lntroduction of a Chimeric Chalcone Synthase Gene into Petunia Results in Reversible Co-Suppression of Homologous Genes Ín trans Carolyn Napoli,' Christine Lemieux, and Richard Jorgensen* Metzlaff, M., O Dell, M., Cluster, P.D., and Flavell, R.B. (1997). RNA- mediated RNA degradation and chalcone synthase A silencing in nology 9, petunia. Cell 88,

47 igenetics 47