Biologia molekularna roślin

advertisement
Wielkoskalowa charakterystyka genomów
Chromatyna
Chromatyna wypełnia jądro komórkowe
23 ludzkie chromosomy w jądrach fibroblastów we
wczesnej profazie
Maksymalny stopień kondensacji DNA osiąga w chromosomach
Białka histonowe
Chromatyna trawiona nukleaza, oryginał z pracy Hewish and Burgoyne 1973
Dean
Hewish, 1973
Leigh
Burgoyne, 1973
Trawienie chromatyny MNazą - drabinka nukleosomowa
„Sznur korali” (‘beads on the string’)
Olins & Olins, 1973
http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/N/Nucleus.html
Roger Kornberg
w 1974 r. zaproponował
model, w którym DNA
owinięty jest wokół rdzenia
histonowego tworząc
nukleosom
NUKLEOSOM JEST PODSTAWOWĄ JEDNOSTKĄ STRUKTURALNĄ
CHROMATYNY
Fałd histonowy
Złożenie fałdów (hand shake)
Konserwowane elementy na obrzeżu oktameru
Oktamer – oddziaływanie z DNA
Mutacje SIN znoszą oddziaływania oktameru z DNA
Składanie nukleosomu
Zaginanie i zwijanie DNA na oktamerze
•
Ściśle zwinięta lewoskrętna superhelisa ma ok. 80
pz na zwój i skok superhelikalny ok. 27,5 A.
Ekspozycja miejsc w helisie DNA na oktamerze
Struktura krystalogtaficzna cząstki rdzeniowej nukleosomu
Karolin Luger
Timothy Richmond
Luger K, Mader AW, Richmond RK, Sargent DF, Richmond TJ. Nature 1997 Sep18;389(6648):251-60
Schemat nukleosomu
Nukleosomy - terminologia
8 histonów:
Po dwa każdego z:
H2A
H2B
H3
H4
Gräff and Mansuy (2008). Behav Brain Res.
Organizacja chromatyny
Podwójna helisa DNA
2 nm
Histony + DNA.
“Koraliki na sznurku”
f
Komórka
roślinna
11 nm
Włókna nukleosomowe
30-nm (solenoid)
30 nm
Włókna połączone
z macierzą jądrową
300 nm
Nuclear Matrix
Umiejscowienie H1 w nukleosomie
Regulacyjna rola chromatyny
Struktura a funkcja chromatyny
Zmiany struktury chromatyny
• modyfikacje DNA
• modyfikacje potranslacyjne histonów
• wyspecjalizowane warianty histonów
• ATP-zależna przebudowa (remodeling) chromatyny
Metylacja DNA, Metylomy
Metylacja DNA zamienia cytozynę w 5-metylo cytozynę
Metylacja DNA ma znaczenie biologiczne
Arabidopsis 46-dni od wysiania
NH2
N
O
NH2
CH3
N
N
O
N
~
~
cytosine
5-methylcytosine
WT
met1/cmt3
Xiao, et al.(2006). The Plant Cell. 18: 805-814
Metylacja DNA u eukariontów
• Nie jest uniwersalna, występuje u ssaków i roślin kwiatowych
• Jest zmienna gatunkowo, tkankowo i chromosomowo
• Rozpoznawana przez rodzinę białek zawierających domenę
(MBD) wiążącą metylowany DNA
• Ściąga kompleksy białkowe indukujące zmiany w lokalnej
strukturze chromosomów
• Wyłącza ekspresję genów
• Zakłócenia w normalnym wzorze metylacji DNA są niemal
powszechnie wykrywane w nowotworach
U bliźniąt monozygotycfznych różnice epigenetyczne (metylacja DNA)
nagromadzają się w życiu osobniczym
•
Significant DNA methylation
changes are indicated as thick red
and green blocks in the ideograms.
The 50-year-old twin pair shows
abundant changes in the pattern of
DNA methylation
(green=hypermethylation and
red=hypomethylation), 3-year-old
twins have a very similar DNA
methylation (yellow).
•
"...We found that, although twins
are epigenetically indistinguishable
during the early years of life, older
monozygous twins exhibited
remarkable differences in their
overall content and genomic
distribution of 5-methylcytosine
DNA and histone acetylation,
affecting their gene-expression
portrait. These findings indicate
how an appreciation of epigenetics
is missing from our understanding
of how different phenotypes can be
originated from the same
genotype."
•
Proc Natl Acad Sci U S A. 2005 Jul
Przykład ewolucyjnego efektu epimutacji
(zmiany we wzorze metylacji DNA)
Lcyc
kontroluje
symetrię
grzbietowobrzuszną
kwiatu; u
mutanta
nieaktywny z
powodu silnej,
dziedziczonej
metylacji
From Cubas et al 1999, Nature 401: 157-161
Epigenetyczna kontrola czasu
kwitnienia
Przedłuzony okrers
chłodu
Rozwój generatywny
Rozwój wegetatywny
Jesień
Zima
Wiosna
Niektóre rośliny wymagają przedłużonego okresu
chłodu (wernalizacji) – w trakcie zimy, zanim
będą mogły zakwitnąć.
Transpozony
• Fragments of DNA that can
insert into new chromosomal
locations
• Some copy themselves and
increase in number within the
genome
• Responsible for large scale
chromosomal rearrangements
as well as single-gene
mutagenic events
U roślin program epigenetyczny wycisza
transpozony i chroni integralość centromerów
Transpozony mogą powodować
wyłączenie lub niestabilność alleli
Gen
biosyntezy
barwnika
Allel dziki
Ziarniak barwny
Gen rozbity
przez
transpozon
Allel zmutowany
Ziarniak bezbarwny
Wycięcie transpozonu
powoduje
niestabilność allelu
Allel niestabilny
Ziarniak częściowo zabarwiony
Metylacja DNA jest niezbędna do
wyciszania transpozonów
BLUE = Gene
density
RED = Repetitive
element density
Utrata funkcji met1
lub ddm1 (decrease
in DNA
methylation1)
mutanty maja
niedometylowany
DNA
GREEN = Methylated
DNA
BROWN =
Methylated DNA in
a met1 mutant
Zhang, et al. (2006). Cell 126: 1189-1201
Aktywacja transpozonów w
mutancie ddm1 indukuje mutacje
Dziki
Po 1
pokoleniu
Po 3
pokoleniach
Po 5
pokoleniach
Po wyłączeniu DDM1, fenotyp rośliny staje się coraz bardziej
nienormalny, w miarę akumulowania indukowanych przez
transpozony.
Kakutani, et al. (1996). PNAS. 93: 12406-12411
Lokalizacja ogonów histonowych w nukleosomie
H4
H4
H3
H3
H2A
H2A
H2B
H2B
Enzymy modyfikujące histony i DNA
• HAT – acetylotransferazy histonów
(bromodomena)
• HDAC – deacteylazy histonów
• HMT – metylotransferazy histonów
(chromodomena).
CMT3 – DNA metylotransferaza
(chromodomena)
Przykład kowalencyjnej modyfikacji aminokwasów acetylacja lizyny
Modyfikacje potranslacyjne białek histonowych
Kozaurides 2007
Elektroforetyczny dowód acetylacji histonów
Efekt acetylacji ogonów histonowych
Mechanizm działania modyfikacji potranslacyjnych białek
histonowych
 Działanie bezpośrednie: zmiany w oddziaływaniach
histon-DNA i histon-histon
 Działanie pośrednie: rekrutacja białek rozpoznających
określone modyfikacje
Kozaurides 2007
Fenotyp mutantów w metylotransferazie histonów
Mutanty są pozbawione metylacji w H3K36.
Dong, et al. (2008). Biochemical and Biophysical Research Communications. 373: 659-664
Modyfikacje a struktura
chromatyny
H3 K9 diME
H3 K9 diME
euchromatyna
heterochromatyna
Warianty histonów – H2A
Warianty histonów - rozmieszczenie w chromosomach
ATP-zależna przebudowa (remodeling) chromatyny
Główne typy kompleksów remodelujących chromatynę
SWI/SNF
Snf2
Swp
73
Snf5 Swi3Swi3
ISWI
ISWI
ISWI
Mi2
Mi2
Działanie kompleksów remodelujących chromatynę
ATP
DDM1
Kingston & Narlikar, 1999
Brzeski & Jerzmanowski, 2003
ATP-zależna przebudowa (remodeling) chromatyny
Jeden z mechanizmów remodelingu: przesunięcie oktameru histonów
wzdłuż nici DNA
Przykład „przebudowy” (remodelingu) chromatyny
Pozycja skrajna
Pozycja centralna
Pozycjonowanie nukleosomów
Nukleosomy zajmują określone miejsca w chromatynie
•
•
•
A. Schemat ułożenia
nukleosomów w chromatynie,
pojęcie długości powtórzeń
nuklesomowych.
B. Silnie zlokalizowane i rozmyte
nukleosomy.
•
C. Nukleosomy a miejsca
wiązania czynników
transkrypcyjnych.
•
G. Arya et al. jbsd 2010
•
Nukleosomy a transkrypcja
• Schemat otwartych (A) i
zamkniętych (B) promotorów.
• Typowa mapa pozycyjna
nukleosomów na otwartym
promotorze pokazuje wyraźne
wyróżnienie locus genowego
przez obecność rejonów 5’ i 3’
wolnych od nukleosomów
(NDR).
• (TSS) - miejsce startu
transkrypcji.
• 5’ NDR sąsiaduje z silnie
związanymi nukleosomami.
•
G. Arya et al. jbsd 2010
Dziedziczenie epigenetyczne
• Dziedziczne modyfikacje funkcji genów nie
związane ze zmianami w sekwencji DNA
• Mechanizmy epigenetyczne są związane z
modulacją chromatyny i obejmują:
modyfikacje histonów, metylację DNA,
przebudowę nukleosomów (remodeling),
system RNAi.
Epigenetyka
Dziedziczenie właściwości (np. wzoru ekspresji genów) poprzez
mitozę, nie wymagające zmian w sekwencji DNA.
Genetyka
Epigenetyka
Allis, et al.(2007).Epigenetics, overview and concepts. CSHL.
Dlaczego sklonowany kopt nie jest dokładnie
taki, jak oryginał?
Rainbow
Klon Rainbow
Modyfikacje histonów
Biotinylation
ADP-ribosylation
k6 k11
*
*
*
Gräff and Mansuy (2008). Behav Brain Res.
Po-translacyjne modyfikacje histonów w nukleosomie
wg. B.Turner, Cell 2002
Przykład przeciwstawnych funkcji
modyfikacji histonów
• H3/H4 AcLys/H3metLys4(H3K4) związane z rejonami aktywnej transkrypcji
H3/H4 Lys+/H3metLys9 (H3K9) związane z rejonami wygaszonej
transkrypcji.
Euchromatyna i heterochromatyna
Euchromatyna
Heterochromatyna
• Mniej skondensowana
• Silnie skondensowana
• Głównie w ramionach chromosomów
• Głównie w centromerach i telomerach
• Zawiera unikatowe sekwencje
• Zawiera powtórzone sekwencje
• Bogata w geny
• Uboga w geny
http://www.nyas.org/
Determinanty aktywnej i wyciszonej chromatyny
Znaczniki epigenetyczne związane ze stanami chromatyny
ATP-zależna
przebudowa
chromatyny
ATP-zależna
przebudowa
chromatyny
ATP-dependent chromatin
remodeling
X chromosome inactivation involves epigenetic
silencing
In female mammals, one copy of the X chromosome in each cell is
epigenetically inactivated.
Fur color in cats is determined in part by orange, an
X-linked gene. A female cat that is heterozygous for
the orange gene shows black and orange patches,
corresponding to which X chromosome is active.
Program epigenetyczny wspomaga
przejścia rozwojowe u roślin
Przejście z
fazy
embrionalnej
do
wegetatywnej
Rozwój
embrionalny
Przejście z
fazy
wegetatywnej
w generatywną
Rozwój
wegetatywny
Rozwój
generatywny
Mutanty w genie FLOWERING
LOCUS C (FLC) kwitna wcześnie
Jesień
Zima
Wiosna
FLC jest inhibitorem kwitnienia; brak FLC znosi
konieczność wernalizacji.
FLC hamuje FT, aktywator kwitnienia
Roślina dzika
FL
C
Gen FT
Związanie FLC hamuje transkrypcję FT
Roślina z mutacją
flc
Gen FT
F
T
FLC jest wyciszany w trakcie wernalizacji
Po 40 dniach w 4°C ,
FLC nie jest
wyrażany. 10 dni po
powrocie do 22°C
ekspresja FLC jest
wciąż wyłączona.
Jesień
FLC transkrybowany
Zima
Wiosna
FLC wyciszony
Sung, et al. (2004). Nature. 427: 159-164.
FLC jest regulowany przez
modyfikacje epigenegtyczne
H3k4me
H3K36me
H3K9ac
H314ac
H3k9me2
H3k27me2
Zimno
Jesień
FLC transkrybowany
Zima
Wiosna
FLC wyciszony
Kompleksy VIN3 i PRC2
epigenetycznie wyłączają FLC
PRC2= Polycomb Represive Complex 2)
VIN3
PRC2 (łącznie z VIN3)
Jesień
FLC transkrybowany
Zima
Wiosna
FLC wyciszony
Download
Random flashcards
123

2 Cards oauth2_google_0a87d737-559d-4799-9194-d76e8d2e5390

Motywacja w zzl

3 Cards ypy

Pomiary elektr

2 Cards m.duchnowski

Prace Magisterskie

2 Cards Pisanie PRAC

Create flashcards