CG020 Genomika Přednáška 8 Struktura a organizace genomů Markéta Pernisová Funkční genomika a proteomika, NCBR Přírodovědecká fakulta, Masarykova univerzita, Brno pernisov@sci.muni.cz Osnova 1. Eukaryotický jaderný genom 2. Genomy prokaryot a eukaryotických organel 3. Genomy virů a mobilní elementy 4. Internetové zdroje 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 EUKARYOTICKÝ JADERNÝ GENOM = sada lineárních molekul DNA, bez výjimky, minimálně dvě STRUKTURA CHROMOZOMŮ DNA + histony = nukleozom • 140-150 bp • linker: 50-70 bp • + spojovací histony „korálková“ forma chromatinu – 11 nm H2A H2B H3 H4 2x STRUKTURA CHROMOZOMŮ 30 nm chromatinové vlákno interfázní chromozomy • 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 metafázní chromozomy: 1400 nm jedna chromatida: 700 nm Centromery, telomery – repetitivní sekvence METAFÁZNÍ CHROMOZOMY Lidský karyogram NETYPICKÉ CHROMOZOMY • Minichromozomy • krátké, vysoká hustota genů (až 6x) • např. kuře • přístup: „de novo“, „top-down“ • 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 100 kb 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 nebo v centromerách • Minisatelity („variable number of tandem repeats“ - VNTRs) • jednotka repetice do 25 bp, délka do 20 kb • telomery • Mikrosatelity („simple tandem repeats“ - STRs) • 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) – velikost genomu nekoreluje se složitostí organizmu 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 • archaea PROKARYOTICKÝ GENOM OPERON • laktózový operon • využití laktózy • tryptofanový operon • stejná biochemická dráha • Methanococcus jannaschii (archea) and Aquifex aeolicus (bakterie) • rozdílné funkce PLAZMIDY • dodatečná genetická informace • adaptace na podmínky prostředí • zvýhodnění nositele • některé se včleňují do hlavního genomu PROKARYOTICKÝ GENOM VELIKOST PROKARYOTICKÉHO GENOMU • většinou velikost genomu koreluje s počtem genů • průměr: 950 genů na 1Mb PROKARYOTA vs. EUKARYOTA E.coli člověk PROKARYOTA vs. EUKARYOTA • nukleoid • volně v cytoplazmě • • plazmidy • kompaktní • většina genomu kódující sekvence • operony • málo repetitivních sekvencí • • chromozomy • v jádře • introny • • C-value paradox • většina genomu nekódující sekvence • • velké množství repetitivních sekvencí • mitochodrie a chloroplasty GENOM ORGANEL GENOM ORGANEL • endosymbiotická teorie vzniku organel • volné bakterie • symbióza s předchůdci eukaryotických buněk • endosymbióza • 1 až 100 kopií v jedné mitochondrii • 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 (např. Chlamidie) • 1 mitochondrie – 10 identických molekul = přibližně 8000 v jedné buňce (u člověka) • rRNA, tRNA, proteiny dýchacího řetězce, ribozomální proteiny, transkripce, translace, transportní proteiny ... člověk kvasinka CHLOROPLASTOVÝ GENOM rýže • většina stejná sada přibližně 200 genů • rRNA, tRNA, ribozomální proteiny, proteiny spojené s fotosyntézou ... VELIKOST GENOMŮ ORGANEL GENOM VIRŮ A MOBILNÍ ELEMENTY VIROVÝ GENOM • virus – nukleoproteinová částice • závislé na hostiteli = parazité – potřebují ribozomy a translační aparát pro syntézu proteinového obalu viry • bakterií: bakteriofágy (fágy) • eukaryot • virový genom • DNA nebo RNA • cirkulární nebo lineární • ss nebo ds • segmentovaný nebo nesegmentovaný MS2 M13 T4, λ GENOMY FÁGŮ • počet genů: 3-200 • překrývající se geny • fágy • lytické (virulentní), např. T4 • lyzogenní (mírné), např. fág λ LYTICKÁ INFEKCE • = virulentní, produktivní • např. T4 • dochází k lyzi buněk • doba latence – 22 minut • čas potřebný k reprodukci fága LYZOGENNÍ INFEKCE • = mírná, skrytá • např. fág λ • 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 • příklad: 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 (= group antigens) • pol – reverzní transkriptáza, integráza, proteáza • env – proteiny kapsidu (= envelope) • LTR – důležité regulační oblasti pro transkripci a replikaci RETROVIRY • začlenění retrovirového genomu do genomu hostitele VIRUSOIDY A VIROIDY • satelitní RNA, virusoid – zejména v rostlinách • RNA molekula, 320-400 bází • satelitní RNA - nekóduje vlastní kapsid, využívá genom pomocného viru • virusoid – kóduje vlastní kapsid • viroid • RNA molekula, 240-375 bází, žádné geny, nemá kapsid = nahá RNA • replikace pomocí enzymů hostitele nebo pomocného viru • schopnost samosestřihu • zřejmě evolučně souvisí se sestřihem RNA MOBILNÍ ELEMENTY MOBILNÍ ELEMENTY • = transpozony • transpozice – schopnost segmentu DNA přesouvat se v genomu z místa na místo • konzervativní • replikativní • pomocí rekombinace MOBILNÍ ELEMENTY • RNA transpozony • retrotranspozony s LTR • retrotranspozony bez LTR • DNA transpozony • v prokaryotických genomech • Inzerční sekvence (IS) • Kompozitní transpozony • Tn3-typ transpozony • Transpozibilní fágy • … • v eukaryotických genomech • Ac/Ds • Spm • … RETROTRANSPOZONY • transpozice přes RNA meziprodukt • retrotranspozony • obsahující LTR sekvence • bez LTR sekvence retroviry RETROTRANSPOZONY s LTR • Ty element • první objevený • v kvasinkách • 6.3 kb, 25-35 kopií • „delta“ element • LTR sekvence • 330 bp • přibližně 100 kopií RETROTRANSPOZONY s LTR • Ty1/copia • nejčastější • chybí env gen • neschopen tvořit infekční virové částice - neschopen se dostat ven z buňky • schopen tvořit částice podobné virům (VLP) • Ty3/gypsy • ekvivalent env • některé schopny tvořit infekční virusy • endogenní retroviry (ERV) • u člověka a savců RETROTRANSPOZONY 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 • např. Alu DNA TRANSPOZONY U PROKARYOT • nepotřebují RNA meziprodukt • méně časté než retrotranspozony • IS – inzerční sekvence • konzervativní i replikativní transpozice • Kompozitní transpozon • Tn3 typ • 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 INTERNETOVÉ ZDROJE A LITERATURA GOLD – Genomes OnLine Database https://gold.jgi-psf.org/index verze z 9.11.2017 GOLD – Genomes OnLine Database GOLD – Genomes OnLine Database • verze z roku 2014 GOLD – Genomes OnLine Database • verze z roku 2012 ENA – European Nucleotide Archive http://www.ebi.ac.uk/ena ENA – European Nucleotide Archive NCBI National Center for Biotechnology Information https://www.ncbi.nlm.nih.gov/ NCBI LITERATURA • T.A.Brown: Genomes • B.Alberts and col.: Molecular Biology of the Cell • G.Gibson and S.V.Muse: A Primer of Genome Science + internet, odborné články ... 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 • Internetové zdroje a literatura