Genetyka roślin
advertisement
Kod genetyczny (informacja genetyczna) - liniowy układ nukleotydów w pojedynczej nici DNA Dlaczego w pojedynczej nici DNA? Odczyt informacji genetycznej zachodzi zawsze w jednym kierunku: od końca 5` do końca 3` Nicią kodującą (sensowną) jest nić DNA 3`→ 5` Nić niekodująca (antysensowna) Cechy kodu genetycznego • Trójkowy – trzy kolejne nukleotydy warunkują włączenie jednego aminokwasu do łańcucha polipeptydowego; odczytywany jest po trzy nukleotydy stanowiące jeden kodon (tryplet) Cechy kodu genetycznego • Niezachodzący – nukleotyd wchodzący w skład jednego kodonu nie może być składnikiem jednocześnie sąsiedniego kodonu AAG GCA ACC AAGCACC Cechy kodu genetycznego • Niejednoznaczny (zdegenerowany) – ten sam aminokwas może być kodowany przez kilka różnych kodonów CZTERY NUKLEOTYDY: A U C G KODON = TRZY NUKLEOTYDY Z CZTERECH MOŻLIWYCH = 64 KOMBINACJE 20 AMINOKWASÓW BUDUJĄCYCH BIAŁKA ŚREDNIO TRZY KODONY NA JEDEN AMINOKWAS 61 KODONÓW SENSOWNYCH (kodujących aminokwasy) + 3 KODONY STOP OCHRE OPAL AMBER Cechy kodu genetycznego • Bezprzecinkowy – pomiędzy kolejnymi kodonami nie ma żadnych wolnych nukleotydów, przerw czy dodatkowych cząsteczek, mogących pełnić rolę przystanków Cechy kodu genetycznego • Uniwersalny – ta sama zasada kodowania poszczególnych aminokwasów obowiązuje w całym świecie ożywionym Table 1.3 Genomes 3 (© Garland Science 2007) Gen Odcinek DNA zawierający informację o rodzaju i kolejności ułożenia aminokwasów w białku lub o kolejności nukleotydów w cząsteczkach RNA. Podstawowa jednostka dziedziczności (niepodzielna). Figure 1.21 Genomes 3 (© Garland Science 2007) • Geny struktury – wyznaczające pierwszorzędową kolejność ułożenia aminokwasów w łąńcuchach polipeptydowych, z których zbudowane jest białko. • Geny regulatorowe – system kontrolujący syntezą białek w żywej komórce. • Housekeeping genes – geny odpowiedzialne za podstawowe procesy metaboliczne komórki, działające w każdej komórce be względu na przynależność tkankową • Geny tkankowo-specyficzne – działające tylko w komórkach budujących określony rodzaj tkanki czy organu. 5` 3` CGCG intron ekson intron CZĘŚĆ KODUJĄCA GENU ekson TERMINATOR PROMOTORY ekson • Sekwencje regulatorowe mogą występować zarówno w bezpośrednim sąsiedztwie jak i w mniejszej lub większej odległości od genu, po jego stronie 5` lub 3`. • Wśród sekwencji regulatorowych wyróżnia się promotory oraz sekwencje wzmacniające (enhancery). • Promotory i enhancery mają działanie stymulujące transkrypcję. Promotory genu • Promotor bliski – leży w odległości do 40 pz od miejsca startu transkrypcji, zawiera kasetę TATA. Kaseta TATA to silnie konserwowana sekwencja TATAAAA, występująca w większości promotorów eukariotycznych. Leży w odległości 20 do 30 pz od miejsca startu transkrypcji. Promotory genu • Promotor dalszy – obejmuje sekwencje od 40 do 300 pz od miejsca startu transkrypcji. Nie jest to sekwencja DNA silnie konserwowana, lecz charakterystyczna dla poszczególnych genów. Można w nich wyróżnić pewne motywy, np. CAAT lub GGGcGG (kaseta GC). Enhancery Różnej długości sekwencje regulatorowe położone na ogół w odległości od kilku do kilkunastu tysięcy pz od genu. Dla ich funkcjonowania nie ma znaczenia czy znajdują się po stronie 5` czy 3`. TATA box Enhancery 5` 3` CGCG intron ekson intron CZĘŚĆ KODUJĄCA GENU Elementy regulatorowe ekson TERMINATOR PROMOTORY ekson Część kodująca genu składa się z na przemian leżących eksonów i intronów • Eksony – odcinki genu kodujące aminokwasy. • Introny – odcinki genu nie kodujące. Geny eukariotyczne mają charakter mozaikowy, czyli są nieciągłe. Znaczenie intronów • Większa plastyczność ewolucyjna systemu genów podzielonych u Eucaryota w porównaniu z genami ciągłymi u Procaryota. • Taka budowa ułatwia mieszanie eksonów na drodze rekombinacji odcinków DNA. • Dają możliwość alternatywnego składania, czyli składania na różne sposoby eksonów tworzących gen, dzięki czemu jeden gen może kodować kilka różnych produktów białkowych (60% genów ludzkich ulega alternatywnemu składaniu). Ekspresja genów TRANSKRYPCJA - I etap ekspresji genów Przepisywanie informacji genetycznej z makrocząsteczki DNA na mniejsze i bardziej funkcjonalne cząsteczki pre-mRNA Polimeraza RNA ETAP I Inicjacja transkrypcji Dodatkowe białka ETAP II Elongacja -synteza pierwotnego transkryptu RNA ETAP III Terminacja – zakończenie procesu Zasadniczą role w procesie transkrypcji pełnią: 1. Polimerazy RNA 2. Czynniki transkrypcyjne Polimeraza RNA i czynniki transkrypcyjne współdziałają z sekwencjami DNA o charakterze regulatorowym. Klasyfikacja eukariotycznych polimeraz RNA Klasa Lokalizacja w komórce Główny produkt transkrypcji I (inaczej A) Jąderko pre-rRNA II (inaczej B) Nukleoplazma pre-mRNA III (inaczej C) Nukleoplazma pre-tRNA Mitochondrialna Mitochondria mt RNA Chloroplastowa Chloroplasty ct RNA Czynniki transkrypcyjne Białka zróżnicowane pod względem struktury i funkcji, nie będące składnikiem polimerazy RNA, lecz potrzebne do rozpoczęcia przez ten enzym transkrypcji i decydujące o tym, które geny i w jakim momencie życia komórki będą transkrybowane. Białka uczestniczące w inicjacji transkrypcji: 1. 2. 3. Ogólne czynniki transkrypcyjne (takie same dla wszystkich genów transkrybowanych przez daną polimerazę). Wraz z polimerazą RNA tworzą Podstawowy Aparat Transkrypcyjny i wiążą się do sekwencji w obrębie bliskiego promotora i miejsca startu transkrypcji. Aktywatory, czyli czynniki transkrypcyjne oddziałujące bezpośrednio z DNA. Wiążą się do sekwencji dalszego promotora i sekwencji w enhancerach. Koaktywatory i korepresory – białka nie oddziałujące bezpośrednio z DNA. Umożliwiają oddziaływanie między aktywatorami związanymi z dalszym promotorem i enhancerami a Podstawowym Aparatem Transkrypcyjnym. Etapy transkrypcji Inicjacja transkrypcji polega na umożliwieniu związania do odpowiednich sekwencji w promotorze polimerazy RNA i towarzyszących jej białek, aby zapewnić wydajną transkrypcję tego genu. Etapy transkrypcji 1. Inicjacja – złożony proces syntezy pierwszego wiązania fosfodiestrowego przyszłego łańcucha polirybonukleotydowego Kompleks preinicjacyjny Polimeraza RNA + matryca + Rybonukleozydo-5`-trójfosforan Kompleks inicjacyjny Polimeraza RNA + matryca + dwunukleotyd • Dopiero obecność aktywatorów i koaktywatorów powoduje, że transkrypcja zachodzi z potrzebną wydajnością. • Część z nich stanowią czynniki ogólnego działania (uczestniczą w transkrypcji wielu genów), część zaś to czynniki specyficzne, od których zależy wybiórcza aktywacja genów w konkretnych sytuacjach. Ogólny czynnik transkrypcyjny Funkcja TFIID – bialko TBP Rozpoznaje sekwencje TATA i prawdopodobnie sekwencję Inr; umożliwia związanie TFIIB TFIID – białka TAF Rozpoznają promotor podstawowy; regulują wiązanie TBP z DNA TFIIA Stabilizuje związany z DNA kompleks TBP/białka TAF TFIIB Pośredniczy w przyłączeniu polimerazy RNA II; wpływa na wybór miejsca startu transkrypcji TFIIF Umożliwia przyłączenie do kompleksu polimerazy RNA II TFIIE Pośredniczy w przyłączeniu TFIIH; wpływa na różne aktywności TFIIH Ma aktywność helikazy, odpowiedzialną za przejście TFIIH kompleksu promotorowego zamkniętego w kompleks otwarty; prawdopodobnie wpływa też na opuszczenie promotora przez polimerazę TATA Inr DNA Białka TAF TBP ? TFIID rozpoznaje sekwencję TATA i prawdopodobnie sekwencję Inr Składnikiem tego czynnika jest białko TBP i białka TAF TFIIA Tworzenie kompleksu preinicjacyjnego TFIIB TFIIF/ polimeraza RNA II TFIIE TFIIH Składanie kompleksu preinicjacyjnego polimerazy RNA II Etapy transkrypcji 2. Elongacja – uporządkowana dobudowa reszt nukleotydowych do zapoczątkowanego już łańcucha polirybonukleotydowego Wydłużanie łańcucha w kierunku od 5` do 3` z prędkością 1000-1500 nukleotydów na minutę Przyłączanie kolejnych nukleotydów katalizuje polimeraza RNA Etapy transkrypcji 3. Terminacja – kontrolowane przerwanie transkrypcji połączone z uwolnienie produktu syntezy, czyli pre-mRNA i enzymu – polimerazy RNA. Dojrzewanie mRNA I etap - składanie • Składanie RNA (splicing) – wycinanie intronów i łączenie eksonów w jedną funkcjonalną całość; • Proces cięcia i składania katalizują małe cząstki jądrowe – snRNP (small nuclear ribonucleoprotein), czyli krótkie jądrowe kompleksy RNA-białko. • Rolą snRNP jest rozpoznanie i przyłączanie się do charakterystycznych krótkich sekwencji nukleotydowych występujących wewnątrz wszystkich intronów i na obu ich końcach. Po przyłączeniu na styku intron – ekson rozszczepiają RNA i łączą odpowiednie odcięte końce w ciągłą nic RNA. Składanie • W wyniku cięcia i składania zostają wycięte wszystkie introny, a jednocześnie zachowane zostają wszystkie eksony w wyjściowej kolejności, dając ciągłą sekwencję pojedynczego mRNA. Dojrzewanie mRNA II etap - redagowanie • Redagowanie polega na usuwaniu błędnie włączonych nukleotydów, wstawianiu brakujących nukleotydów i ostatecznym przygotowaniu dojrzałego mRNA do translacji. TRANSLACJA – II etap ekspresji genów Tłumaczenie informacji genetycznej zawartej w mRNA (po transkrypcji z DNA) na aminokwasy budujące konkretne białko. tRNA Translacja zachodzi na terenie cytoplazmy w rybosomach.
