Alu

Trzy wielkie działy genetyki:
GENETYKA
KLASYCZNA
(Mendel 1866)
GENETYKA
GENETYKA
MOLEKULARNA
EWOLUCYJNA
(Watson & Crick 1953)
(Darwin-Wallace 1858)
Darwin, C. R. and A. R. Wallace. 1858. On the
tendency of species to form varieties; and on
the perpetuation of varieties and species by
natural means of selection. [Read 1 July]
Journal of the Proceedings of the Linnean
Society of London. Zoology 3: 46-62.
Darwin sformułował cztery główne twierdzenia:
* świat istot żywych nie jest niezmienny
* proces zmian jest ciągły i stopniowy
* wszystkie gatunki są ze sobą spokrewnione
* zmiany ewolucyjne są wynikiem doboru naturalnego.
Dwie pierwsze tezy zostały (po fali niemerytorycznych dyskusji) przyjęte jeszcze
za życia Darwina. Niezbitych dowodów na potwierdzenie trzeciej dostarczyła
dopiero biologia molekularna. Teza czwarta zyskała potwierdzenie dzięki badaniom
ekologicznym i biogeograficznym.
Do sformułowania współczesnej teorii ewolucji, opartej na przemyśleniach Darwina,
ale adekwatnej do stanu wiedzy w wieku XX, wybitnie przyczynił się Theodosius
Dobzhansky swoją syntezą ewolucjonizmu Darwina z genetyką mendlowską
opublikowaną w książce pt. Genetics and the Origin of Species (1937).
Między 1856-63 Mendel przetestował ok. 28 000 roślin grochu, badał 7
cech, z których każda miała dwie łatwo rozróżnialne formy. Innowacją
było użycie czystych linii, zliczanie otrzymanych form potomstwa
i analiza statystyczna wyników. Podsumowanie (prawo czystości gamet,
prawo niezależnej segregacji cech) zostało zawarte w dwu wykładach,
które wygłosił po niemiecku 8 lutego i 8 marca 1865 r. na zebraniach
Towarzystwa Historii Naturalnej w Brnie, a następnie opisał w długim
artykule opublikowanym w sprawozdaniach tegoż Towarzystwa
zatytułowanych Verhandlungen des naturforforschenden Vereins
w r. 1866. Rozesłano 115 egz.,
jeden do biblioteki Darwina.
Darwin nawet nie rozciął
kartek artykułu Mendla, choć
przeczytał inne artykuły
tego numeru czasopisma.
Watson & Crick 1953
struktura DNA (podwójna spirala komplementarnych nici)
- kolejność/sekwencja nukleotydów ATCG,
- zasada komplementarności A-T i G-C i obu nici,
- zdolność do replikacji/powielania identycznych cząsteczek
* zapewnia WIERNOŚĆ przekazywania cech
zarówno ogólnych – charakterystycznych dla danego gatunku,
jak i specyficznych – gwarantujących podobieństwo między
organizmami spokrewnionymi
* umożliwia też ZMIENNOŚĆ cech
co służy zachowaniu życia na Ziemi,
umożliwia przystosowanie organizmów do w-ków środowiska
i ewolucję gatunków
GENETYKA
GENETYKA
GENETYKA
KLASYCZNA
MOLEKULARNA
EWOLUCYJNA
prawa Mendla
struktura DNA
genetyka ilościowa
mejoza i mitoza
chemia DNA
prawo Hardy’ego-Weinberga
determinacja płci
transkrypcja
przewidywanie równowagi
sprzężenie z płcią
translacja
ewolucja
mapowanie chromosomów
klonowanie DNA
specjacja
cytogenetyka (zmiany
kontrola ekspresji genów
chromosomowe)
mutacje i naprawa DNA
dziedziczenie pozachromosomowe
gen - odcinek DNA niosący informację o budowie jednego polipeptydu
(czasem rodziny blisko spokrewnionych polipeptydów tzw.
izoform) lub jednego rodzaju funkcjonalnego RNA (rRNA, tRNA,
snRNA, snoRNA, miRNA...)
zależność gen-polipeptyd – wynik ekspresji genu (transkrypcji informacji
z DNA na RNA oraz translacji kodu genetycznego zawartego w
sekwencji kodującej mRNA na sekwencję aminokwasów w białku)
zależność gen(y)-cecha, genotyp-fenotyp – sumaryczny wynik regulacji
ekspresji genów przez sekwencje regulatorowe, interakcji alleli
(zjawiska dominacji, współdominacji, kodominacji) i genów
nieallelicznych (proste współdziałanie genów zaangażowanych w ten
sam szlak metaboliczny, epistaza, kumulowanie się efektów genów
cech ilościowych), zjawisk epigenetycznych oraz warunków
środowiska
istnieją chromosomy bogate (11, 17,19) i ubogie w geny (18)
ncRNA – funkcjonalne RNA niekodujące białek
tRNA
rRNA
snRNA
snoRNA
miRNA
gRNA
piRNA
tmRNA
signal recognition particle RNA
…
zmienności genetycznej (mutacjom, rekombinacjom) podlega
całe DNA - zarówno geny białek, geny ncRNA jak i DNA
międzygenowe
allel - jedna z powstałych na skutek zmienności genetycznej
form danego odcinka DNA zajmującego określone miejsce
(locus) w genomie
GENOM - całość informacji genetycznej danego gatunku
1pz (ang. 1 bp, base pair)
1000 pz = 1 kpz (ang. 1 kb, kilobase)
1mln pz = 1 Mpz (ang. 1 Mb, megabase)
genom człowieka =
genom jądrowy + genom mitochondrialny
haploidalny genom jądrowy
24 chromosomy
3200 Mbp; ~25 000 genów
genom mitochondrialny
16,6 kb; 37 genów
Wielkość genomów
Prokariota - od 0,6 Mb
(niektóre obligatoryjne
wewnątrzkomórkowe
pasożyty) do 10 Mb
(niektóre sinice)
liczba genów 500 - 8 000
Eukariota - duża rozpiętość
wartość C - całkowita
długość haploidalnego
genomu
paradoks wartości C
brak korelacji
pomiędzy wielkością
genomu a poziomem
złożoności gatunku.
http://www.gmu.edu/departments/mmb/baranova/pages/ppt/LEC5-organizationOfHumanGenome.ppt#279,17,Slajd 17
POWTÓRZENIA!!!
Ohno S (1970) Evolution by gene duplication. London: George Allen and Unwin. 160 p.
10 10
64
10 9
70
70
54 46
36
tylko 5-10% typowego genomu
kręgowców jest kodujące,
co najmniej 20% stanowią
sekwencje powtórzone
Genome size (bp)
30
30
10 8
83
17
10 7
100
10 6
10 5
E. coli
D. melanogaster
X. laevis
(bacterium)
(toad)
(fruit fly)
M. musculu s
C. elegans
N. tabacum
(mouse)
(nematode worm)
(tobacco)
Nonrepetitive
DNA
Repetitive
DNA
HUMAN GENOME
powtórzenia
tandemowe (satelitarne)
rozproszone (LINE, SINE)
zduplikowane geny i pseudogeny
Nuclear genome
3000 Mb
30-40000 genes?
~30%
Mitochondrial genome
16.6 kb
37 genes
~70%
Genes and generelated sequences
Extragenic
DNA
Unique or moderately repetitive
~10%
~90%
Coding
DNA
Pseudogenes
Noncoding
DNA
Gene
fragments
Introns,
untranslated
sequences, etc.
Two rRNA
genes
22 tRNA
genes
13 polypeptideencoding genes
80%
20%
Unique or
low copy
number
Moderate to
highly
repetitive
Tandemly
repeated
or clustered
repeats
Interspersed
repeats
powt. satelitarne: centromerowe, heterochromatynowe
wlk. powtórzenia 5-200 pz, ilość powtórzeń >1000
powt. minisatelitarne (30 000 loci u czlowieka)
wlk. powtórzenia 15-50 pz, ilość powtórzeń do 1000
[np. sekwencje telomerowe (TTAGGG)n stabilizujące
chromosomy i ulegające skróceniu z każdym cyklem
komórkowym]
powt. mikrosatelitarne (200 000 loci u człowieka)
wlk. powtórzenia 2-6 pz, ilość powtórzeń 10-100
loci rozproszone, zwykle niehomologiczne, powstające w
wyniku poślizgu replikacyjnego lub nierównego c-o
mini- i mikrosatelity umożliwiają
identyfikację ludzi w badaniu
genetycznych odcisków palców
(ang. DNA fingerprinting)
powt. specyficzne dla chromosomu – umożliwiają malowanie
chromosomów
powt. rozproszone - elem. ruchome, transpozony
stanowią 20-40% genomu, czasem >60%
rozproszone między genami, wewnątrz intronów, UTRów i
sekwencji kodujących
klasa I - retro(trans)pozony - przeniesienie wymaga
transkrypcji + odwrotnej transkrypcji + integracji
tak powstałej kopii (kopiuj poprzez RNA i cDNA & wklej)
SINEs (short interspersed elements)
rodzina Alu - 200 ~ 300 bp x >106 kopii w genomie człowieka
rodzina Alphoid - heterochromatyna centromerowa, 170bp x ~103
kopii
LINEs (long interspersed elements)
ψβ2
ε
Gγ
rodzina LI – 6400 bp x 104 kopii
ψβ1
elem. Alu i LINE w regionie genów
ß-globiny na chromosomie 11 człowieka
δ
β
10 kb
Alu repeats
LINEs
Aγ
powtórzone elementy rozproszone w lokus genu retinoblastomy
powt. rozproszone - elem. ruchome, transpozony
stanowią 20-40% genomu, czasem >60%
rozproszone między genami, wewnątrz intronów, UTRów i
sekwencji kodujących
klasa I - retro(trans)pozony - przeniesienie wymaga
transkrypcji + odwrotnej transkrypcji + integracji tak powstałej kopii
SINEs (short interspersed elements)
Alu family - 200 ~ 300 bp x >106 copies
Alphoid family - centromeric heterochromatin, 170bp x ~103 copies
LINEs (long interspersed elements)
LI family - 6400bp x 10,000 copies
klasa II - transpozony DNA – przeniesienie wymaga
(i) wycięcia z dotychczasowego locus + integracji w nowym miejscu
(wytnij & wklej)
lub (ii) replikacji + integracji kopii w nowym miejscu (kopiuj & wklej)
duplikacje genów prowadzą do powstawania:
rodzin genów - rodzin wariantów genów
zróżnicowanych w procesie ewolucji,
rozproszonych lub zgrupowanych
w klastery
pseudogenów - niefunkcjonalnych kopii genów lub fragmentów genów
powstałych podczas ekspansji rodziny genowej lub retrotranspozycji;
mogą być pozbawione intronów; zawierają insercje, delecje, mutacje
nonsens, zwykle nie są transkrybowane
geny i pseudogeny w klasterze genów HLA klasy I
ortologi – homologiczne
geny występujące u
różnych gatunków o
dużym stopniu homologii
świadczącym o wspólnym
genowym pochodzeniu,
rozdzielone na skutek
specjacji
paralogi - homologiczne
geny w tym samym
genomie, pochodzące od
wspólnego przodka,
rozdzielone w wyniku
duplikacji genu
http://angel.elte.hu/~fij/homepage/okt/gbi/kieg/img/ncbi-homolog-ortholog-paralog.gif
porównanie rodzin paralogicznych genów α- i β-globiny
człowieka sugeruje, że są one strukturalnie różne pod
wieloma względami, różnice mogą wpływać na:
transkrypcję, naprawę DNA, rekombinację i replikację
Higgs 2004 Hematology Am Soc Hematol Educ Program 1: 1-13
Figure 7.6. Chromosomal distribution of the human histone gene family. Eleven clusters
comprising a total of about 60 histone genes are distributed over seven human
chromosomes. The two clusters on 6p contain the great majority of histone genes. Other
clusters contain only one or two of the histone gene subtypes. Note that identical histones
can be specified by genes on different chromosomes.
Strachan & Read 1999 Human molecular genetics 2 John Wiley & Sons, Inc., BIOS Scientific Publishers Ltd