CG020 Genomika Přednáška 8 Struktura a organizace genomů Markéta Pernisová Funkční genomika a proteomika rostlin, Mendelovo centrum genomiky a proteomiky rostlin, Středoevropský technologický institut (CEITEC), Masarykova univerzita, Brno pernisov@sci.muni.cz, www.ceitec.muni.cz Osnova 1. Internetové zdroje 2. Eukaryotický jaderný genom 3. Genomy prokaryot a eukaryotických organel 4. Genomy virů a mobilní elementy 5. Literatura GENOM Genom – soubor genetické informace organizmu - biologická informace k sestavení a přežití živého jedince • eukaryotický • prokaryotický • viry nukleoid plazmidy chromozomy v jádře mitochondrie + chloroplasty INTERNETOVÉ ZDROJE http://www.genomesonline.org/cgi-bin/GOLD/index.cgi INTERNETOVÉ ZDROJE INTERNETOVÉ ZDROJE http://www.genomenewsnetwork.org/ EUKARYOTICKÝ JADERNÝ GENOM STRUKTURA CHROMOZOMŮ DNA + histony = nukleozom „korálková“ forma chromatinu – 11 nm STRUKTURA CHROMOZOMŮ 30 nm chromatinové vlákno • několik teorií, 2 modely: • solenoidový model – pouze spojovací histony (např. H1) • helikální model – spojovací histony + konce histonů tvořících jádro nukleozomu – chemické modifikace konců histonů otevírají 30 nm vlákno STRUKTURA CHROMOZOMŮ Kondenzované mitotické chromozomy: 1400 nm jedna chromatida: 700 nm Centromery, telomery – repetitivní sekvence MITOTICKÉ CHROMOZOMY Lidský karyogram NETYPICKÉ CHROMOZOMY • Minichromozomy • krátké, vysoká hustota genů (až 6x) • např. kuře • B chromozomy • individuální, nevyskytují se u celé populace • fragmenty normálních chromozomů, zřejmě pozůstatek chyb v průběhu dělení jádra • běžné u rostlin, snižují životaschopnost • i houby, hmyz, živočichové • Holocentrické chromozomy • ne jedna centromera, ale několik podobných struktur podél chromozomu • např. Caenorhabditis elegans ORGANIZACE GENOMU GENY A PŘÍBUZNÉ SEKVENCE Geny • UTR – nepřekládaná oblast genu • Introny – sestřih • Exony – funkční produkty Genové rodiny - skupiny genů se stejnou nebo podobnou sekvencí • jednoduché • vznikly pravděpodobně duplikací genů • např. geny pro lidskou ribozomální RNA: • 2000 genů pro 5S rRNA – všechny v jedné skupině lokalizované na chromozomu 1 • 280 kopií genů pro 28S, 5.8S a 18S rRNA – pět skupin po 50-70 kopiích na pěti chromozomech • komplexní • podobné sekvence (ale ne stejné), odlišné vlastnosti • např. savčí globiny – exprimované v různých vývojových stádiích GENY ROZLOŽENÍ GENŮ NA CHROMOZOMU • Nehomogenní • Geny i v centromeře, nižší hustota Člověk: 1-64 genů na 100kb 38 genů na 100 kb 1 gen na 100 kb Chromozom 1 u Arabidopsis PSEUDOGENY • Evoluční relikt • 2 skupiny • konvenční – vznikly mutací • částečně funkční nebo nefunkční • procesované – odvozené z mRNA • nemají introny • chybí jim regulační sekvence před genem • nefunkční FRAGMENTY GENŮ • Zkrácené geny • Genové fragmenty INTERGENOVÁ DNA • „junk“ (= veteš, haraburdí) DNA – není pravda REPETICE • Rozptýlené repetice • vznikají transpozicí • LINEs (long interspersed nuclear elements) – nad 300 bp • SINEs (short interspersed nuclear elements) – přibližně 300 bp • Tandemové repetice - satelity • LTR (long terminal repeat) elementy • Minisatelity • jednotka repetice do 25 bp, délka do 200 kb • telomery • Mikrosatelity • jednotka repetice do 13 bp, délka do 150 bp • vznikají chybami při replikaci genomu • funkce není známá • využití: genetické profilování ORGANIZACE LIDSKÉHO GENOMU 1,5% 37,5% 62,5% 43,75% 18,75% 36% ORGANIZACE JADERNÉHO GENOMU Lidský genom – 50 kb • 4 geny • 88 repetic • LINEs • SINEs • LTRs • DNA transpozony • 7 mikrosatelitů (z toho 4 v intronech) • 30% nekódující DNA bez repetic a známé funkce ORGANIZACE GENOMŮ ORGANIZACE GENOMŮ • C-value paradox (C-value enigma) – složitost organizmu nekoreluje s velikostí genomu ORGANIZACE GENOMŮ • Velikost genomu a počet genů nekoreluje KATALOG GENŮ • Organizmy se sekvenovaným genomem • Lidský katalog genů: • co nevyčteme: Co dělá člověka člověkem? KATALOG GENŮ PROKARYOTICKÝ GENOM PROKARYOTICKÝ GENOM • Prokaryota • bacteria • archea PROKARYOTICKÝ GENOM PROKARYOTICKÝ GENOM PLAZMIDY • dodatečná genetická informace • adaptace na podmínky prostředí • zvýhodnění nositele PROKARYOTA vs. EUKARYOTA E.coli člověk OPERON • laktózový operon • využití laktózy • tryptofanový operon • stejná biochemická dráha • Methanococcus jannaschii (archea) and Aquifex aeolicus (bakterie) • rozdílné funkce VELIKOST PROKARYOTICKÉHO GENOMU GENOM ORGANEL GENOM ORGANEL • endosymbiotická teorie vzniku organel • volné bakterie • symbióza s předchůdci eukaryotických buněk • endosymbióza • 100 až 1000 kopií v jedné buňce • dědičnost – jako jedna kopie ??? • transfer DNA z organel do jádra i mezi organelami • Arabidopsis • mitochondriální genom obsahuje jadernou DNA i chloroplastovou • jaderný genom obsahuje části chloroplastové i mitochondriální DNA • obratlovci • mitochondriální DNA v jaderném genomu MITOCHONDRIÁLNÍ GENOM • cirkulární, ale i lineární • 1 mitochondrie – 10 identických molekul = přibližně 8000 v jedné buňce (u člověka) člověk kvasinka CHLOROPLASTOVÝ GENOM rýže VELIKOST GENOMŮ ORGANEL GENOM VIRŮ A MOBILNÍ ELEMENTY VIROVÝ GENOM • virus – nukleoproteinová částice • závislé na hostiteli – potřebují ribozomy a translační aparát pro syntézu proteinového obalu • viry • bakterií neboli bakteriofágy (fágy) • eukaryot • virový genom • DNA nebo RNA • cirkulární nebo lineární • ss nebo ds • segmentovaný nebo nesegmentovaný GENOMY FÁGŮ • počet genů: 3-200 • překrývající se geny • fágy • lytické (virulentní), např. T4 • lyzogenní (mírné), např. fág λ LYTICKÁ INFEKCE • produktivní • dochází k lyzi buněk • doba latence – 22 minut • čas potřebný k reprodukci fága LYZOGENNÍ INFEKCE • mírná, skrytá • okamžitě po proniknutí fágové DNA - integrace virového genomu do genomu hostitele místně specifickou rekombinací – profág • indukce excize profága – chemické nebo fyzikální faktory – zřejmě vázané na poškození DNA VIRY EUKARYOT • genomy variabilní • DNA, RNA; ds, ss; cirkulární, lineární; segmentované nesegmentované • velikost genomů: 1,5-240 kb VIRY EUKARYOT • kapsid – ikozaedr nebo filamentální • lipidická membrána – odvozená z hostitelské buňky • rostlinné viry – většinou RNA • lytická i lyzogenní infekce • dlouhodobá infekce – genom viru se nezačlení do genomu hostitele • virové retroelementy • retroviry – RNA genom • pararetroviry – DNA genom RETROVIRY • genom retrovirů – každý ze tří genů kóduje polyproteiny, které jsou po translaci štěpeny na dva nebo více funkčních produktů • gag - proteiny kapsidu • pol – reverzní transkriptáza, integráza, proteáza • env – proteiny kapsidu • LTR – důležité regulační oblasti pro transkripci a replikaci RETROVIRY • začlenění retrovirového genomu do genomu hostitele VIRUSOIDY A VIROIDY • virusoid • RNA molekula, 320-400 bází, nekóduje vlastní kapsid, využívá pomocný virus • viroid • RNA molekula, 240-375 bází, nemá kapsid = nahá RNA • replikace pomocí enzymů hostitele nebo pomocného viru • schopnost samosestřihu • zřejmě evolučně souvisí se sestřihem RNA MOBILNÍ ELEMENTY • transpozony – DNA molekuly • transpozice – pomocí rekombinace • konzervativní • replikativní RNA TRANSPOZONY • transpozice přes RNA • retrotranspozony • obsahující LTR sekvence • bez LTR sekvence retroviry RNA TRANSPOZONY s LTR • Ty element • první objevený • v kvasinkách • 6.3 kb, 25-35 kopií • „delta“ element • LTR sekvence • 330 bp • přibližně 100 kopií RNA TRANSPOZONY s LTR • Ty1 • nejčastější • chybí env gen • schopen tvořit částice podobné virům • neschopen se dostat z buňky • Ty3 • ekvivalent env • některé schopny tvořit infekční virusy • ERV • endogenní retroviry • u člověka a savců RNA TRANSPOZONY bez LTR • retropozony • LINEs (long interspersed nuclear elements) • pol gen • funkční reverzní transkriptáza • SINEs (short interspersed nuclear elements) • 100-400 bp • žádný gen • „půjčují“ si reverzní transkriptázu od LINE DNA TRANSPOZONY U PROKARYOT • méně časté než RNA transpozony • IS – inzerční sekvence • konzervativní i replikativní transpozice • složený transpozon • Tn3 • nemá IS • replikativní transpozice • Transpozibilní fág • replikativní transpozice DNA TRANSPOZONY U EUKARYOT • Lidský genom • 350 000 transpozonů • invertované koncové repetice (ITR) • gen pro transponázu • většinou nefunkční • Kukuřice • Ac/Ds elementy • Spm element • Drosophila • P element MOBILNÍ ELEMENTY V LIDSKÉM GENOMU SHRNUTÍ • Eukaryotický jaderný genom • chromozomy • geny • intergenové sekvence • katalog genů • Prokaryotický genom • nukleoid • plazmidy • Genom mitochondrií a chloroplastů • Virové genomy • viry bakterií – fágy • viry eukaryot • Mobilní elementy • RNA transpozony • DNA transpozony LITERATURA • T.A.Brown: Genomes • Alberts and col.: Molecular Biology of the Cell • G.Gibson and S.V.Muse: A Primer of Genome Science + internet, odborné články ...