DNA και δομή χρωμοσωμάτων. Alberts et al. Kεφ. 6 και Kεφ 8 (σελ )

Transcript

1 DNA και δομή χρωμοσωμάτων Alberts et al. Kεφ. 6 και Kεφ 8 (σελ )

2 Μεταβίβαση γενετικής πληροφορίας

3 Τα βιολογικά μόρια σχηματίζουν Χημικούς δεσμούς Ισχυροί Χημικοί δεσμοί Ομοιοπολικός δεσμός Ετεροπολικός δεσμός

4 Ασθενείς Χημικοί δεσμοί Δεσμός Η Δεσμός Van der Waals (N, F) Υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις

5 Ισχύς χημικών δεσμών Δεσμοί Μήκος ( o Α) Ισχύς στο νερό (kcal/mole) Ομοιοπολικός ~1.5 ~90 Ετεροπολικός ή Ιοντικός ~2.5 ~3 Δεσμός υδρογόνου Δεσμός Van der Waals ~3 ~1 ~3.5 ~0.1

6 Τα μικρομόρια δημιουργούν μακρομόρια

7

8 Τα μακρομόρια αλληλεπιδρούν κυρίως με ασθενείς δεσμούς

9 Αντικείμενα του μαθήματος Διαιώνιση/ Εξέλιξη της πληροφορίας m Μεταφορά της πληροφορίας Εκτέλεση της πληροφορίας =>Κυτταρικός τύπος (φαινότυπος)

10 Η γενετική πληροφορία βρίσκεται στο DNA Τα γονίδια αποτελούν μικρά τμήματα του DNA Α-Εικόνα 6-8 Γονιδίωμα = Το σύνολικό DNA του κυττάρου

11 Διαφορετικοί τύποι κυττάρων

12 Τα Νουκλεοτίδια: Οι δομικοί λίθοι του DNA και RNA Βάση Φωσφορική ομάδα Σάκχαρο Σ

13 C Οι βάσεις

14 Τα σάκχαρα

15 Σχηματισμός νουκλεοτιδίων Νουκλεοτίδια Νουκλεοσίδιo Νουκλεοτίδιo

16 Ορολογία Βάσεις Νουκλεοσίδια Νουκλεοτίδια Αδενίνη (Α) Αδενοσίνη (δεοξυ) Μονοφωσφορική Αδενοσίνη (damp) Γουανίνη (G) Γουανοσίνη (δεοξυ) Μονοφωσφορική Γουανοσίνη (dgmp) Κυτοσίνη (C) Κυτιδίνη (δεοξυ) Μονοφωσφορική Κυτιδίνη (dcmp) Θυμίνη (T) Θυμιδίνη (δεοξυ) Μονοφωσφορική Θυμιδίνη (dtmp)

17 Κάθε αλυσίδα του DNA έχει κατεύθυνση 5 3 ενώ ο φωσφοδιεστερικός δεσμός είναι άκρο άκρο

18 Σύζευξη συμπληρωματικών βάσεων Αντιπαράλληλη διάταξη αλυσίδων Α-Εικόνα 6-5

19 Δευτεροταγής δομή του DNA Α-Εικόνα 6-4

20 Δευτεροταγής δομή του DNA Αντιπαράλληλες αλυσίδες 5 3 Genes VIII - Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2004

21 Διπλή έλικα του DNA Μεγάλη Μικρή 10.5 bp 3,4 nm Μεγάλη

22 Πρόσδεση πρωτεΐνης στο DNA

23 Αντιγραφή του DNA Α-Εικόνα 6-11

24 Σύνθεση του DNA Α-Εικόνα 6-10! DNA πολυμεράση

25 Σύνθεση του DNA Α-Εικόνα 6-15

26 Έναρξη της αντιγραφής ΑΤ rich (Σημείο έναρξης) 1/ bp Εναρκτήριες πρωτεΐνες

27 Διχάλες αντιγραφής

28 Ο προπορευόμενος κλώνος συνθέτεται συνεχώς Ο καθυστερημένος κλώνος συνθέτεται ασυνεχώς 5 Προπορευόμενος κλώνος Καθυστερημένος κλώνος

29 Εναρκτήριες πρωτεΐνες Εκκίνηση της αντιγραφής DNA Pol. Ελικάσες RNA εκκινητής~ 10 Nt

30 Εκκίνηση της αντιγραφής Ελικάση DNA primase DNA πολυμεράση

31 Αντιγραφή στους δύο κλώνους DNA Πολ. DNA Πριμάση

32 RNA εκκινητές 3 5

33 Απομάκρυνση εκκινητών RNA και σύνδεση τμημάτων οkazaki Α-Εικόνα 6-20 DNA πολ. Ι (5 3 εξωνουκλεάση) Τμήματα Okazaki (~1000 Nt) Λιγάση

34 Αντίδραση λιγάσης

35 Αντιγραφική μηχανή Α-Εικόνα 6-21 DNA Pol Λάθη πολυμεράσης = 1/10 7

36 Επιδιόρθωση Α-Εικόνα εξωνουκλεάση σύνθεσης 3 έξω 5 έξω

37 Μεταλλάξεις Α-Εικόνα 6-27 Αποπουρίνωση Απαμίνωση

38 Μεταλλάξεις Α-Εικόνα 6-28

39 Χρωματίνη και χρωμοσώματα

40 Χρωματίνη και Χρωμοσώματα Α-Εικόνα 8-4 Χρωμόσωμα DNA~ 1 m Διάμετρος πυρήνα~10 μm Συμπύκνωση ~10 4

41 Νουκλεοσώματα Α-Εικόνα bp 1.65 περιστροφές ~14 επαφές H1 165 bp

42 Συσπείρωση νουκλεοσωμάτων Ίνα 10 nm

43 Συσπείρωση χρωματίνης Α-Εικόνα 8-10 Ευχρωματίνη Διάφορες μορφές ετεροχρωματίνης

44 Μορφές χρωματίνης Σε όλα τα κύτταρα Ιδιοστατική (constitutive) κεντρομερή τελομερή Ετεροχρωματίνη Κυτταροειδικότητασταδιοειδικότητα χρονοειδικότητα Εναλλακτική (fucultative) Ευχρωματίνη Γονίδια

45 Μεταγραφή

46 Ροή της γενετικής πληροφορίας Α-Εικόνα 7-1 Αντιγραφή (Διαιώνιση/ Εξέλιξη της πληροφορίας) Μεταγραφή mrna (Μεταφορά της πληροφορίας) rrna (Μετάφραση) trna (Μετάφραση) srna (κατάλυση-ρύθμιση) Μετάφραση Πρωτεΐνες (Εκτέλεση της πληροφορίας) [κυτταρικές δομές, κατάλυση, ρύθμιση, ανοσοαπόκριση, μεταφορά, κίνηση] κυτταρικός τύπος

47 Έκφραση των γονιδίων Α-Εικόνα 7-2 νευρώνας ηπατικό κύτταρο Β Β Α Α Α Β Β Β Β Β Β Β Β Β Β Β Β Β Β

48 K M Εικόνα 9.1 Η λειτουργία της RNA πολυμεράσης είναι να μεταγράφει μια αλυσίδα δίκλωνου DNA σε RNA. Genes VIII - Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2004

49 Εικόνα 9.3 Οι αλυσίδες DNA διαχωρίζονται για να σχηματίσουν μια μεταγραφική θηλιά. Το RNA συντίθεται με το ζευγάρωμα συμπληρωματικών βάσεων με μία από τις αλυσίδες του DNA. Τριφωσφοριβονουκλεοτίδια A, U, G, C Genes VIII - Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2004

50 Η λειτουργία της RNA πολυμεράσης είναι να μεταγράφει μια αλυσίδα δίκλωνου DNA σε RNA. RNA πολυμεράση Κωδική αλυσίδα (ή μήτρα)

51 Κάθε γονίδιο μεταγράφεται από την μία μόνο αλυσίδα DNA Α-Εικόνα 8-4

52 Πρωτοταγής δομή του RNA Α-Εικόνα 7-3

53 Δευτεροταγής δομή του RNA

54 Ορολογία Μεταγραφική μονάδα 5 3 Πρωτογενές μετάγραφο Εικόνα 9.2 Μια μεταγραφική μονάδα μεταγράφεται σε ένα ενιαίο RNA. Ώριμο RNA (mrna) Genes VIII - Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2004

55 Εικόνα 9.16 Οι RNA πολυμεράσες των ευβακτηρίων αποτελούνται από τέσσερα είδη υπομονάδων: οι α, β και β έχουν σχετικά σταθερά μεγέθη σε διάφορα είδη βακτηρίων, ενώ η σ ποικίλλει σε μεγαλύτερο βαθμό. Κεντρικό ένζυμο (ΚΕ) ω Συναρμολόγηση Και σταθεροποίηση Του ενζύμου Ολοένζυμο (ΟΕ) = ΚΕ + σ 40 Nt/sec Συχνότητα λαθών = 10-6

56 RNA πολυμεράση β β (~9 Nt)

57 RNA πολυμεράση των βακτηρίων

58 RNA Πολυμεράσες

59 DNA + Pol t 1/2 DNA + Pol DNA-Pol KB = [DNA-Pol] [DNA] [Pol] KB: συγγένεια t 1/2 : σταθερότητα του συμπλόκου K: κινητική σταθερά

60 Εικόνα 9.22 ΚΒ= 10 5 t 1/2 =60 min ΚΒ= 10 1 t 1/2 =~1 sec ΚΒ= t 1/2 > hr ΚΒ= έναρξη/30 min ΚΒ= έναρξη/1 sec (1.800X)

61 Έναρξη της μεταγραφής 5 (Κεντρικό ένζυμο)

62 Υποστάδια της έναρξης Αναγνώριση Εικόνα 9-11 Συχνότητα ενάρξεων< 1 έναρξη/sec Genes VIII - Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2004

63 Υποκινητές προκαρυωτικών γονιδίων TTGACA bp TATAAT 5-9 bp % Pu Πρότυπες αλληλουχίες

64 12 bp ειδικό σήμα (4 12 = ~17X10 6 ) Εικόνα 9.27 TTGACA TATAAT Pu (Ιδανικός υποκινητής) Εικόνα 9.27 Ένας τυπικός υποκινητής αποτελείται από τρία στοιχεία: τις πρότυπες αλληλουχίες στις θέσεις -35 και -10 και το σημείο έναρξης. Genes VIII - Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2004

65 Πρόσδεση RNA πολ. στους υποκινητές β β.2.4 ~16-19 bp (Α+Τ)n -50

66 ΚΕ

67 ΚΕ Εικόνα 9.38 Το Ν-τελικό άκρο του σίγμα εμποδίζει τις επικράτειες πρόσδεσης στο DNA να προσδεθούν σε αυτό. Όταν σχηματίζεται ένα ανοικτό σύμπλοκο, το Ν-τελικό άκρο μετακινείται 20 Ǻ μακριά και οι δύο επικράτειες πρόσδεσης στο DNA απομακρύνονται η μία από την άλλη κατά 15 Ǻ. Πρόσδεση στο ΚΕ μετατόπιση της Ν-τελικής περιοχής κατά 20 Α ο πρόσδεση στο -35 κουτί και ακολούθως στο -10 κουτί αποδιάταξη του DNA εκτόπιση της Ν-τελικής περιοχής και εισαγωγή της περιοχής +1 του DNA στο ενεργό κέντρο του ενζύμου Genes VIII - Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2004

68 Πρόσδεση του παράγοντα σ στους υποκινητές 2.4 A T T A A 2.3 T Κ Μεταγραφή Μ

69 Λήξη της μεταγραφής Εικόνα GCAATCCCGAAACAGTTCGGTAGTAGTTAGAGCCGATAACGGTTTCGGGATTTTTTT CGTTAGGGCTTTGTCAAGCCATCATCAATCTCGGCTATTGCCAAAGCCCTAAAAAAA--5 Βρόχος (6-12 Nt) Φουρκέτα Στέλεχος (7-20 bp) Στάση της RNA pol ~1sec

70 Εικόνα 9.46 Οι αλληλουχίες DNA που απαιτούνται για τον τερματισμό εντοπίζονται πριν την αλληλουχία τερματισμού. Ίσως είναι αναγκαίος ο σχηματισμός μιας φουρκέτας στο RNA. Τερματιστής

71 mrna Κωδική περιοχή Διακιστρονική περιοχή 1-40 bp

72 Εσόνια Εξόνια- μεταμεταγραφικές τροποποιήσεις Α-Εικόνα 7-19

73 Εικόνα 24.3 Τα άκρα των πυρηνικών ιντρονίων καθορίζονται από τον κανόνα GU-AG. A Genes VIII - Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2004

74 Σχηματισμός καλύπτρας Α-Εικόνα

75 Λειτουργίες της καλύπτρας Μεταφορά μέσω πυρηνικών πόρων Προστασία του mrna από 5 εξωνουκλεάσες Έναρξη της μετάφρασης (πρόσδεση μεταφραστικών παραγόντων)

76 Δημιουργία του 3 άκρου Εικόνα 5.17 σινιάλο Poly(A) Εσ-2 Εσ-1 Εκτός mrna των ιστονών

77 Σχηματισμός πολυ(α) ουράς 5 CSPF CSTF PAP CF

78 Λειτουργίες Poly(Α) ουράς (PABs) Μεταφορά μέσω πυρηνικών πόρων Προστασία του mrna από 3 εξωνουκλεάσες Έναρξη της μετάφρασης Ρύθμιση της μετάφρασης

79 Μεταφορά του mrna Μεταφορά mrna

80 Μεταγραφή στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς

81 Στοιχεία που παίζουν ρόλο στην μεταγραφή

82 Έναρξη της μεταγραφής στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς (RNA Pol. II) Α-Εικόνα 8-23 Μεταγραφικό σύμπλοκο ΤΑΤΑ

83 Μετάφραση Alberts et al. Κεφ. 7 (σελ ) Genes VIII, Κεφ. 9 Σελίδες: Genes VIII - Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2004

84 Γενετικός κώδικας Α-Εικόνα 7-20 α. 61 κωδικόνια με νόημα + 3 λήξης β. Κοινός εκτός ορισμένων πρωτόζωων και μιτοχονδρίων γ. Συνώνυμα κωδικόνια δ. Εκφυλισμός στην 3 η βάση

85 Αναγνωστικά πλαίσια Α-Εικόνα 7-21

86 Ανοιχτό πλαίσιο ανάγνωσης * Κωδικόνιο τερματισμού

87 74-95 Nt Εικόνα 5.4 Η διάταξη σε σχήμα τριφυλλιού του trna έχει σταθερές και ημισταθερές βάσεις και μια συντηρημένη ομάδα αλληλεπιδράσεων μεταξύ ζευγών βάσεων. D: Διυδροουριδίνη D D Στέλεχος Βρόχος T:Ριβοθυμιδίνη Ψ:Ψευδοουριδίνη 3-21 Nt Βραχίονας αντικωδικονίου Genes VIII - Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2004

88 Σχηματισμός του αα-άκυλο~trna

89 Προ-εναρκτήριες αντιδράσεις Εικόνα 7.13 Μια αμινοακυλο-trna συνθετάση φορτώνει το trna με ένα αμινοξύ.

90

91 αα~trna συνθετάσες αα + trna αα~trna

92 Τα ριβοσώματα Α-Εικόνα 7-25

93 Τα ριβοσώματα

94 Έαρξη της μετάφρασης στους προκαρυωτικούς οργανισμούς Εικόνα 6.15 Ο IF-2 είναι αναγκαίος για την πρόσδεση του fmet-trna f στο σύμπλοκο 30S-mRNA. Μετά τη σύνδεση της 50S, αποδεσμεύονται όλοι οι παράγοντες IF και διασπάται το GTP. Genes VIII - Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2004 Η 50S επάγει την υδρόλυση του GTP από τον IF-2

95 IF-2 Εικόνα 6.14 Το fmet-trna f μπορεί να χρησιμοποιηθεί αποκλειστικά για την έναρξη από τις υπομονάδες 30S, ενώ τα άλλα αμινοακυλo-trna (αα-trna) μπορούν να χρησιμοποιηθούν κατά την επιμήκυνση από τα ριβοσώματα 70S. 5 & μη εισαγωγή στη θέση Α Genes VIII - Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2004

96 Έναρξη στα ευκαρυωτικά Εικόνα 6.18 NNNPuNNAUGG

97 Έαρξη της μετάφρασης στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς Α-Εικόνα 7-28 ElF1 ElF1

98 Έαρξη της μετάφρασης στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς Α-Εικόνα 7-28 ElF1

99 Έαρξη της μετάφρασης στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς Α-Εικόνα 7-28

100 Επαναλαμβανόμενες ενάρξεις Παράγοντες ρύθμισης Παράγοντες ρύθμισης

101 Επιμήκυνση της μετάφρασης στους προκαρυωτικούς οργανισμούς Α-Εικόνα 7-27

102 Σχηματισμός πεπτιδικού δεσμού Πεπτίδυλο μεταφοράση

103 Μετατόπιση E P A P A E P A E P P A P A

104 Λήξη της μετάφρασης Α-Εικόνα 7-30

105 Λήξη της μετάφρασης Α-Εικόνα 7-30 EFG-GDP

106

107 Ρύθμιση της έκφρασης των γονιδίων Κεφάλαιο 8, σελ Genes VIII Κεφ. 9 Σελίδες: Όσες αντιστοιχούν στις εικόνες

108 Ρύθμιση της έκφρασης των προκαρυωτικών γονιδίων Genes VIII - Κεφ. 10 Σελίδες: Όσες αντιστοιχούν στις εικόνες

109 Εικόνα 10.2 Στον αρνητικό έλεγχο, ένας trans-δραστικός καταστολέας προσδένεται στο cisδραστικό χειριστή και σταματά τη μεταγραφή. Αρνητική ρύθμιση (Καταστολείς) Genes VIII - Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2004

110 Εικόνα 10.3 Στο θετικό έλεγχο, οι trans-δραστικοί παράγοντες πρέπει να προσδεθούν στις cis-δραστικές θέσεις προκειμένου η RNA πολυμεράση να αρχίσει τη μεταγραφή από τον υποκινητή. Θετική ρύθμιση (Ενεργοποιητές) Genes VIII - Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2004

111 Μεταβολισμός της λακτόζης Απέκκριση

112 Το οπερόνιο της λακτόζης Εικόνα 10.4 Το οπερόνιο lac καταλαμβάνει ~6.000 bp DNA. Το γονίδιο laci (αριστερά) έχει το δικό του υποκινητή (P) και τερματιστή. Το άκρο του laci βρίσκεται ακριβώς πριν τον υποκινητή των δομικών γονιδίων. Ο χειριστής (O) καταλαμβάνει τα πρώτα 26 bp της μεταγραφικής μονάδας. Το γονίδιο lacz ξεκινά από τη βάση +39. Μετά από αυτό ακολουθούν τα γονίδια lacυ και laca. Genes VIII - Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2004

113 Καταστολή Εικόνα 10.7 Ο καταστολέας διατηρεί το οπερόνιο lac στην ανενεργή κατάσταση μέσω της πρόσδεσής του στο χειριστή. Ο καταστολέας απεικονίζεται ως μια σειρά από συνδεδεμένες επικράτειες, όπως προέκυψαν από την ανάλυση της κρυσταλλικής δομής του.

114 Χ Επαγωγή Εικόνα 10.8 Η προσθήκη του επαγωγέα μετατρέπει τον καταστολέα στην ανενεργή μορφή του, που δεν μπορεί να προσδεθεί στο χειριστή. Αυτό επιτρέπει στην RNA πολυμεράση να αρχίσει τη μεταγραφή.

115 Ρύθμιση της έκφρασης των ευκαρυωτικών γονιδίων

116 Ρύθμιση της έκφρασης των ευκαρυωτικών γονιδίων

117 Εικόνα Η ενεργοποίηση ενός υποκινητή περιλαμβάνει αρχικά την πρόσδεση ενός ειδικού ενεργοποιητή και στη συνέχεια τη στρατολόγηση και τη δράση ενός συμπλόκου αναδιαμόρφωσης και ενός συμπλόκου ακετυλίωσης της χρωματίνης. Σύμπλοκο αναδιαμόρφωσης Σύμπλοκο ακετυλίωσης

118 Ενεργοποίηση της μεταγραφής TBP

119 Εισαγωγή στη βιοπληροφορική

120 Κλωνοποίηση Enzyma Αποικία Βακτήρια Πλασμιδιακό DNA

121 Πλασμιδιακό DNA Αλληλούχηση

122 Στοίχιση

123 Φυλογενετικά δένδρα LmHsp20.7 LmHsp20.5 VcHsp35 LsHsp21.3 LhHsp21.4 BmHsp23.7 BmHsp20.1 BmHsp19.9 BmHsp20.8 BmHsp20.4 DmHsp26 ScHsp23 DpHsp23 DmHsp23 CcHsp23-α CcHsp23-β ScHsp25 DmHsp27 CcHsp27 Orthoptera Hymenoptera Diptera Lepidoptera Diptera

124 Τήξη του DNA

125 ή RNA Υβριδοποίηση

126 Μικροσυστοιχίες DNA