FGP_logo_color FGP_logo_color 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 Lekce 08 - Strukturní genomika Základní strukturní rysy organizace genomů jednotlivých organizmů včetně člověka (viry, eubakterie, kvasinky, vyšší a nižší rostliny, obratlovci), jaderné a organelární genomy. Kódující a nekódující DNA: Strukturní geny, RNA geny (rRNA, pre-miRNA a shRNA), transpozony. Vnitrodruhová a mezidruhová variabilita na úrovni genomu, poolymorfizmy na úrovni jednotlivých nukleotidů (SNPs) a lokusy kvantitativních znaků (QTLs). 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 figure 9-01 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 figure 7-03 STRUKTURA CHROMOZOMŮ "Kondenzované mitotické chromozomy: 1400 nm " jedna chromatida: 700 nm " " " " " " " "Centromery, telomery – " repetitivní sekvence figure 7-04 figure 7-10 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 figure 7-13 GENY A PŘÍBUZNÉ SEKVENCE figure 7-13 "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 figure 7-20 FRAGMENTY GENŮ •Zkrácené geny •Genové fragmenty figure 7-21 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 • figure 7-24 figure 7-22 minisatelity nebo také variable number of tandem repeats (VNTRs) – jednotka repetice do 25bp mikrosatelity nebo také simple tandem repeats (STRs) – kratší než 13bp ORGANIZACE LIDSKÉHO GENOMU 1,5% 37,5% 62,5% 43,75% 18,75% 36% ORGANIZACE JADERNÉHO GENOMU figure 7-12 " 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 minisatelity nebo také variable number of tandem repeats (STRs) – jednotka repetice do 25bp mikrosatelity nebo také simple tandem repeats (STRs) – kratší než 13bp ORGANIZACE GENOMŮ figure 7-15 ORGANIZACE GENOMŮ •C-value paradox (C-value enigma) – složitost organizmu nekoreluje s velikostí genomu figure 7-14 ORGANIZACE GENOMŮ •Velikost genomu a počet genů nekoreluje table 7-04 KATALOG GENŮ •Organizmy se sekvenovaným genomem •Lidský katalog genů: • • • • • • • • •co nevyčteme: Co dělá člověka člověkem? figure 7-16 KATALOG GENŮ figure 7-17 PROKARYOTICKÝ GENOM PROKARYOTICKÝ GENOM •Prokaryota •bacteria •archea figure 8-05 PROKARYOTICKÝ GENOM figure 8-03 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 • figure 8-08b 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 figure 9-01 GENOMY FÁGŮ •počet genů: 3-200 •překrývající se geny •fágy •lytické (virulentní), např. T4 •lyzogenní (mírné), např. fág λ table 9-01 LYTICKÁ INFEKCE •produktivní •dochází k lyzi buněk •doba latence – 22 minut •čas potřebný k reprodukci fága • • figure 9-04b 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 figure 9-05 VIRY EUKARYOT •genomy variabilní •DNA, RNA; ds, ss; cirkulární, lineární; segmentované nesegmentované •velikost genomů: 1,5-240 kb table 9-02 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 figure 9-06 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 • figure 9-08 RETROVIRY •začlenění retrovirového genomu do genomu hostitele figure 9-07 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 figure 9-09a MOBILNÍ ELEMENTY •transpozony – DNA molekuly •transpozice – pomocí rekombinace •konzervativní •replikativní • figure 9-11 RNA TRANSPOZONY •transpozice přes RNA • • • • • • " • •retrotranspozony •obsahující LTR sekvence •bez LTR sekvence • figure 9-12 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 figure 9-13 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 figure 9-14 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 • figure 9-15 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 figure 9-17 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 figure 9-18 figure 9-19 MOBILNÍ ELEMENTY V LIDSKÉM GENOMU table 9-03 figure 7-13 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 ... • Genomes 3 - T.A. Brown Cover Image picture