Κεφάλαιο 10 DNA: Το γενετικό υλικό Η διπλή έλικα του DNA. Αριστερά, κάτοψη. Δεξιά, πλάγια όψη. 1 Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2009
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
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
Γενετικό υλικό Το γενετικό υλικό των κυττάρων βρίσκεται στα γονίδια που είναι οργανωμένα σε χρωμοσώματα του πυρήνα
Χρονοδιάγραμμα ανακάλυψης του γενετικού υλικού 1885 to 1901 Albrecht Kossel. Isolation and description of nucleobases
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 (1846-1910). 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 1882. The name was invented later by another German anatomist, Heinrich von Waldeyer
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?
Τα μόρια της ζωής ΑΠΛΑ ΜΟΡΙΑ Αμινοξέα Σάκχαρα Λιπαρά οξέα Νουκλεοτίδια ΜΑΚΡΟΜΟΡΙΑ Πρωτεΐνες Υδατάνθρακες Λίπη Νουκλεϊκά οξέα
Χημική σύσταση χρωμοσωμάτων Πρωτεΐνες Νουκλεϊκά οξέα
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
Κύρια δεδομένα που αποδεικνύουν το DNA σαν γενετικό υλικό 1928 Griffith 1944 Avery, McCarty, & MacLeod 1952 Hersey and Chase 11
Ο Griffith εργαζόταν με τον πνευμονόκοκκο 12 Streptococcus pneumoniae
13 Το πείραμα μεταμόρφωσης του Griffith
Το πείραμα μεταμόρφωσης των Avery, MacLeod, McCarty? ηταν καθαρό το παρασκεύασμα; 15
Πείραμα Hersey και Chase DNA Protein capsid Viral
Πείραμα Hersey και Chase
Πείραμα Hersey και Chase
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.
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
το RNA είναι το γενετικό υλικό του ιού της μωσαϊκής του καπνού (ΤΜV) Πείραμα Fraenkel-Conrat και Singer
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.
Δομή DNA 1869 Friedrich Miescher 1947 Chargaff 1954 Wilkins, Franklin, Watson, & Crick
Δομή DNA 1869, Friedrich Miescher 1901, Albrecht Kossel 1938, Phoebus Aaron Theodor Levene http://www.americanscientist.org/issues/feat ure/the-first-discovery-of-dna/1
H Πυρηνίνη του FRIEDRICH MIESCHER ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ C H O N P
Αζωτούχες βάσεις, Albrecht Kossel, 1901 Αδενίνη Θυμίνη Γουανίνη Κυτοσίνη Ουρακίλη
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.
Σάκχαρα (1909-1929) και Τετρανουκλεοτίδια (1938), Phoebus Aaron Theodor Levene
Δεοξυριβόζη και ριβόζη 1929 1909 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.
Νουκλεοτίδια-Ονοματολογία ΦΩΣΦΟΡΟΣ ΣΑΚΧΑΡΑ ΒΑΣΕΙΣ
Ονοματολογία
Tetranucleotide
1940
Χημική δομή του DNA και του RNA
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.
Οι αναλογίες του Chargaff Τι σημαίνει ότι A=T και G=C? 37
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.
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.
Πρωτεΐνες: Α-έλικα
The model of Linus Pauling
42 Maurice Wilkins and Rosalind Franklin
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.
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.
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.
The Breakthrough into DNA Structure
Η ανακάλυψη της διπλής έλικας
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.
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.
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.
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 4 500 διαφορετικές διαμορφώσεις
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 1962. James Watson is still alive today. Francis Crick died in 2004. There discovery has had a tremendous impact in the biological field as it relates to genetics and evolution.
Nature paper
Μοντέλο διπλής έλικας
Salvador Dalí Butterfly Landscape (The Great Masturbator in a Surrealist Landscape with DNA) 1957 58
Salvador Dali Galacidalacidesoxyribonucleicacid. Also known as: Homage to Crick and Watson (Discoverers of DNA)
Susan Rankaitis. TGCA, combined media monoprint, 1996, Robert Mann Gallery, New York
Tom Otterness DNA chain, 1986
Χωροπληρωτικό μοντέλο διαφορετικών τύπων DNA
Δομή RNA
DNA Σάκχαρο: δεσοξυ-ριβόζη Διπλή αλυσίδα A, T, C, G RNA ριβόζη Μονή αλυσίδα A, U, C, G
Δομή RNA
Δομή RNA
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
Οργάνωση του DNA σε χρωμοσώματα
DNA
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
Χρωμοσώματα προκαρυωτικών οργανισμών DNA: Μονόκλωνο Δίκλωνο Γραμμικό Κυκλικό
Ηλεκτρονιομικρογραφία του βακτηριοφάγου ΦΧ174. Χρωμόσωμο 5.386 νουκλεοτίδια Αναλογία βάσεων 25Α:33Τ:24G:18C 79
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
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 1.100 μm 81
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
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
Μοντέλο της δομής ενός βακτηριακού χρωμοσώματος. 84
Τιμή C 85
86
Δομή ευκαρυωτικού χρωμοσώμου ΧΡΩΜΑΤΙΝΗ
Δομή ευκαρυωτικού χρωμοσώμου ΧΡΩΜΑΤΙΝΗ DNA και πρωτεΐνες
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)
Αριθμός χρωμοσωμάτων
Ευκαρυωτικοί οργανισμοί: νουκλεοσώματα Ηλεκτρονιομικρογραφία ξετυλιγμένης χρωματίνης, όπου φαίνονται τα νουκλεοσώματα που μοιάζουν με «χάντρες κομπολογιού». 91
Νουκλοεσωμάτιο
Ιστόνες
Ο κώδικας των ιστονών
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
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
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
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
Συμπύκνωση..
DNA.Συμπύκνωση. Χρωμόσωμο 10.000 φορές πιο κοντό 400 φορές πιο παχύ από το γυμνό DNA
Δομή χρωμοσωμάτων -Ανακεφαλαίωση
Κεντρομερές
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
Υποθετικό μοντέλο του κινητοχώρου στο ζυμομύκητα Φαίνεται η σχέση μεταξύ των μικροσωληνίσκων της ατράκτου και των στοιχείων αλληλουχίας DNA του κεντρομερούς. 108
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
DNA ενός αντιγράφου Τα περισσότερα γνωστά γονίδια που κωδικοποιούν πρωτεΐνες
Επαναλαμβανόμενο DNA Μεταθετά στοιχεία rrna trna Κεντρομερή τελομερή
Μεταθετά στοιχεία Περίπου 45% του ανθρώπινου γονιδιώματος αποτελείται από μεταθετά στοιχεία
Active transposable elements in the human genome. Muotri A R et al. Hum. Mol. Genet. 2007;16:R159-R167 The Author 2007. Published by Oxford University Press. All rights reserved. For Permissions, please email: journals.permissions@oxfordjournals.org
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.