Paradoks wartości C

Możliwości współczesnej inżynierii genetycznej
1. Transgeneza - genetycznie zmodyfikowane
oraganizmy
2. Medycyna i ochrona zdrowia
3. Genomika – poznawanie genomów
Przełom XX i XXI wieku to okres dynamicznego
rozwoju metod i projektów sekwencjonowania
genomów
ERA GENOMOWA:
1995 genom Haemophilus influenzae
1997 genom E. coli
1997 genom drożdży S. cerevisiae
1998 genom nicienia Caenorhabditis elegans
1999 genom Muszki owocowej
2000 genom rzodkiewnika A. thaliana
2001 genom człowieka
Genom – całkowity DNA komórki obejmujący zarówno
wszystkie geny jak i odcinki międzygenowe
(niekodujące)
Genomika – obejmuje badania genomu na różnych
poziomach jego działania
(Thomas Roderick 1986)
•Genomika strukutralna
•Genomika funkcjonalna
•Genomika strukutralna – obejmuje wstępną fazę analizy
genomu i ma ściśle określony punkt końcowy, którym jest
uzyskanie mapy fizycznej genomu, o możliwie największej
rozdzielczości czyli jego kompletnej sekwencji
nukleotydowej
•Genomika funkcjonalna – obejmuje różne poziomy
badań funkcji genomu (zaczynając od analiz
bioinformatycznych poprzez tranksryptom i proteom) i
różne, zwykle tzw. wysokoprzepustowe (ang.
hightroughput) metody analizy mające na celu znalezienie
odpowiedzi na pytanie: jak na podstawie informacji
zgromadzonych w genomie, działa komórka, tkanka,
organizm?
Wszystkie „-omiki” mają jeden wspólny mianownik:
Genomika - obejmuje badania genomu – całkowitego DNA
•globalne (całościowe) spojrzenie na badany obiekt (żywa
komórka), który nie ogranicza się do badania funkcji
wybranych genów i białek, ale analizuje ich wiele na raz
próbując spojrzeć na żywą komórkę „z dalszej perspektywy”
Jak możemy „globalnie” badać funkcje żywych komórek?
Wysokoprzepustowe (ang. hightroughput) metody analizy
Genomika funkcjonalna:
1. Transkryptomika
•Profile transkrypcji genów w poszczególnych tkankach, a nawet w
poszczególnych komórkach (np. w komórkach układu odpornościowego)
różnią się: zależnie od okresu życia, czynników zewnętrznych itd.
•na poziomie molekularnym organizm jest sumą bardzo wielu różnych
profili transkrypcyjnych swego genomu, rozłożonych zarówno w
przestrzeni (różne tkanki i komórki), jak i w czasie (różne okresy w
rozwoju, stany chorobowe itd.).
• Pojedynczy profil można nazwać stanem transkrypcyjnym któremu
odpowiada określony zestaw transkryptów, tj. różnych mRNA, który
można też określić mianem programu transkrypcyjnego transkryptomu.
•Analizy
transkryptomu
to
badania
wszystkich
programów
transkrypcyjnych, czyli transkryptomów, które składają się na tzw.
globalny transkryptom organizmu.
•Odczytanie globalnego transkryptomu
trudniejsze niż odczytanie genomu.
jest
nieporównanie
2. Proteomika
•Pojawienie się określonego transkryptu
w komórce nie oznacza, że będzie on
natychmiast wykorzystany do produkcji
białka.
•W cząsteczce mRNA zawartych jest
wiele
skomplikowanych
motywów
strukturalnych, które odbierają sygnały o
stanie komórki. W zależności od
wypadkowej tych sygnałów ten sam
mRNA może być wykorzystany do
syntezy bardzo wielu, kilku lub tylko
jednej kopii białka, może też być od razu
zniszczony.
•A zatem, aby się dowiedzieć, jaki jest końcowy efekt konkretnego stanu
transkrypcyjnego tkanki, musimy poznać wszystkie zawarte w niej białka,
czyli jej proteom.
•Profil wszystkich białek organizmu możemy nazwać jego globalnym
proteomem. Składa się nań suma proteomów w poszczególnych
tkankach, stanach fizjologicznych itp.
Proteomika c.d.
•Proteom jest jeszcze bardziej skomplikowany niż transkryptom:
•cząsteczki białek, już po syntezie, ulegają różnorodnym
modyfikacjom, które w zasadniczy sposób zmieniają właściwości
białka.
•Skomplikowany wzór modyfikacji nie jest bezpośrednio
zakodowany w genie odpowiadającym danemu białku
•Modyfikacje są główną przyczyną tego, że liczba różnych
rodzajów białek w organizmie wielokrotnie przewyższa liczbę
genów zawartych w jego genomie.
•Przykład: genom ludzki zawiera poniżej 20 tysięcy różnych genów, a
równocześnie w naszych organizmach występuje ponad milion
różnych rodzajów białek.
Porównanie organizacji genomów
Eukariotycznych i Prokariotycznych
Wielkość genomu:
ilość DNA w haploidalnym genomie
(np. komórkach rozrodczych), jest
określana wartością C.
„C” oznacza też:
„constant” lub „characteristic” tzn.
że wartość C jest stosunkowo
stała i charakterystyczna dla
danego gatunku ale zmienia się
znacząco między gatunkami.
Wartość C jest większa u eukriota niż u prokariota ale:
Wielkość genomu i zakres jego zmienności nie odzwierciedla
w pełni złożoności organizmu:
Paradoks wartości C
Wielkość jest tylko do pewnego stopnia skorelowana ze złożonością organizmu
Paradoks wartości C
Wyjaśnienie:
Genomy mniej złożonych organizmów są bardziej
„wyładowane” genami, ponieważ dostępna przestrzeń jest
wykorzystywana oszczędniej: geny leżą bliżej siebie, mogą
na siebie nachodzić (np. genomy wirusów).
Większe wartości C u wielu roślin i zwierząt wynikają
z obecności dużej ilości powtórzonego DNA.
Porównanie organizacji genomów prokariotycznych
i eukariotycznych
Organizacja genomów eukariotycznych
Genom człowieka:
Genom jądrowy > 3 mld pz
Genom mitochondrialny kolista cząsteczka 16 569 pz
Geny eukariotyczne są podzielone: introny i eksony
Pseudogeny – niedziałające wskutek nagromadzenia mutacji
kopie genów funkcjonalnych, które stały się niemożliwe do
odczytania
Composition of the Human Genome
The Human Genome
Intergenic regions
Genes and related sequences
30%
70%
Coding regions
Introns,
promoters,
pseudogenes,
gene fragments
2%
28%
10%
Satellite
Tandemly repetitive
Minisatellite
Repetitive
50%
Unique
20%
Interspersed repetitive
Microsatellite
40%
Żadnego odcinka genomu ludzkiego nie można uważać
za rzeczywiście reprezentatywny dla całego genomu!!!
Organizacja genomów organellowych
mtDNA – mitochondrialny DNA
•
W większości eukariontów przybiera
formę cząsteczki kolistej, tylko u
niektórych jest liniowy
•
Wielkość jest zmienna:
a)
zwierzęta mniej niż 20 kpz, człowiek ok. 16
kpz, niemal całość stanowią geny, brak w
nich intronów (podobny do bakterii)
b)
Drożdże ok. 80 kpz, geny zawierają introny
c)
Rośliny wyższe 200-2500 kpz, zawiera
insercje obcego DNA np. chloroplastowego,
powtórzenia, pseudogeny.
Genom chloroplastowy - ctDNA
•Wielkość 120-200 kpz
•Cząsteczka kolista
•Koduje średnio ok. 100 genów (wśród nich geny tRNA i rRNA)
•Są geny podzielone intronami i takie, które intronów nie zawierają
Struktura genomu prokariotów
•Większość ale nie wszystkie bakterie mają pojedynczy kolisty chromosom,
liniowe chromosomy znaleziono u Borrelia burgdorfii, Streptomyces lividans,
Rhodococcus fascians, dwa chromosomy np. u Rhodobacter spherioides, Brucella
melitensis, Agrobacterium tumefaciens
•
Genomy bakteryjne nie mają centromerów
•
Cechą charakterystyczną genomów bakteryjnych jest obecność plazmidów
•
Elementy powtórzone w genomie bakteryjnym:
a)
Cechą charakterystyczną są powtórzenia genów kodujących tRNA
b) Nie są znane powtórzenia tandemowe
c)
Występują sekwencje insercyjne (rozproszone) – niewielka część genomu
bakterii, zwykle mniej niż 20 kopii na genom
d)
Sekwencje powtórzone takie jak ERIC w genomie E. coli (enterobacterial
repetitive intergenic consensus) i REP (repeated extragenic polindrome) – może
ich być kilkadziesiąt w genomie, w innych genomach występują również
sekwencje tego typu ale nie są podobne do ERIC i REP
•
Geny podzielone są rzadkością u bakterii
Introny zidentyfikowano dotychczas w genomach kilku bakteriofagów w genie
tRNAser u archebakterii Acanthamoeba.
Genom drożdży (genom eukariotyczny)
Genom jądrowy – 12 Mpz
•Zawiera ok. 6000 genów - bardzo dużo jak na mały genom eukariotyczny
•Stosunkowo nieliczne geny drożdży są nieciągle
•Zawiera niewiele rozproszonych sekwencji powtórzonych