Upload
agattha
View
683
Download
6
Embed Size (px)
Citation preview
ORGANIZAREA INFORMAŢIONALĂ A ADN: GENELE
I. STRUCTURA ŞI LOCALIZAREA GENELOR
A. CONCEPŢIA CLASICĂ DESPRE STRUCTURA GENEI
1. Gena - unitatea de structură a materialului genetic
Gena = un segment de pe cromozom precis delimitat, continuu, care determină
un anumit caracter fenotipic.
- ocupă în cromozom o poziţie fixă, întotdeauna aceeaşi = locus:
- pe cromozomi somatici / cromozomii sexuali;
- acelaşi pe cromozomii omologi pentru fiecare tip de genă.
- o genă se poate găsi în forma „ancestrală” sau „sălbatică”:
● mutaţie → o formă alternativă a genei = genă alelă (ocupă
acelaşi locus şi influenţează acelaşi caracter).
● mai multe mutaţii diferite → variante alelice = alele multiple:
- efectele fenotipice diferite, dar limitate la acelaşi caracter;
- ex. clasic - alelele multiple A1, A2, B şi O pentru locusul
grupului sanguin ABO(H).
- Genele alele care ocupă loci omologi pot fi:
- identice = homozigot
- diferite = heterozigot.
- hemizigot = situaţia (≠ de homo- şi heterozigot): la bărbaţii XY o genă de pe
cromozomul X nu are echivalent pe cromozomul Y (există o singură genă pentru
un caracter).
B B B 0
- în meioză:
- homozigoţii → un singur tip de gameţi = homogametici
- heterozigoţii → două tipuri de gameţi = heterogametici
(← segregarea genelor alele)
La heterozigoţi, alelele diferite se pot manifesta fenotipic diferit:
- alela mai puternică, se manifestă fenotipic →
gena şi caracterul care se manifestă la
heterozigoţi = dominante.
- gena care nu se manifestă fenotipic la heterozigoţi,
ci se exprimă numai în stare homozigotă
= recesivă.
0 0
B 0
B B B 0
2. Înlănţuirea genică şi încrucişarea cromozomială (crossing-over)
Fiecare cromozom - alcătuit din mai multe gene nealele:
- ocupă fiecare un locus distinct;
- au o dispoziţie liniară în cromozom, una după alta → înlănţuirea fizică a
locilor aflaţi pe acelaşi cromozom = sintenie.
- genele situate pe acelaşi cromozom - tendinţa de a se transmite grupat de la părinţi
la descendenţi, prin gameţi → înlănţuire genică (linkage) = fenomenul în care genele
nealele situate aproape una de alta pe acelaşi cromozom nu segregă în meioză şi au
tendinţa de a se transmite împreună în succesiunea generaţiilor (loci, nu alele).
Genele dintr-o regiune cromozomială transmise împreună = grup de înlănţuire
(linkage group) sau haplotip.
- genele situate foarte aproape una de alta - transmise totdeauna împreună,
înlănţuite: ex. genele C, D şi E → grupul sanguin Rh (1q)
- genele situate mai la distanţă una de alta pe acelaşi cromozom - separate prin
crossing-over: în profaza meiozei I, împerecherea (sinapsa) cromozomilor omologi
pe întreaga lor lungime → tetrade (excepţie cromozomii sexuali X şi Y- alăturaţi
prin capetele braţelor p); la locul de contact (chiasma) dintre cromatidele dispuse
central ale unei tetrade → fenomene de crossing-over = schimburi reciproce
(încrucişate) şi egale de gene.
= recombinare genetică: o genă trece de pe un cromozom pe omologul său →
schimbarea poziţiei genelor parentale
- probabilitatea producerii crossing-over-ului între două gene - direct proporţională
cu distanţa fizică dintre ele: mai apropiate → şansă mai mică şi invers.
Distanţa dintre două gene de pe acelaşi crz. - centiMorgan (1cM = 1Mb = 106 pb)
Cromatida 1Cromatida 2
Cromatida 3Cromatida 4
Chiasmata
RecombinareRecombinare geneticăprin crossing-over
B. CONCEPŢIA ACTUALĂ DESPRE STRUCTURA GENEI
Gena = complex liniar de secvenţe nucleotidice care produc un polipeptid / o
moleculă de ARN funcţional.
- secvenţe codante, necodante, reglatoare
→ gena = unitate de transcripţie.
- cele ~ 25.000 de gene umane conţin numai o mică parte (25%) din ADN nuclear
- clasificate în funcţie de produsul codificat şi de ARN-polimeraza care realizează
transcrierea:
● gene ribozomale (gene de clasă I) - ARN-polimeraza I; codifică molecule de
ARNr 28 S, 18 S şi 5,8 S;
● gene care codifică proteine (gene de clasă II) - ARN-polimeraza II;
● gene care codifică ARN t şi alte molecule mici de ARN (ARNsn, ARNsno) (gene
de clasăIII) - ARN-polimeraza III.
- densitate gene nucleare umane = 1/45 Kb ADN (1/0,45 în ADN mitocondrial);
- distanţa medie dintre gene este de 25-35 Kb25-35 Kb.
1. STRUCTURA GENELOR CARE CODIFICĂ PROTEINE
Majoritatea genelor umane - structură discontinuă: secvenţe codante şi necodante.
- alcătuite dintr-un cadru de citire (reading frame), flancat de secvenţe de reglare a
genei.
1. Cadrul de citire1. Cadrul de citire
= regiunea transcrisă în ARN mesager precursor (ARN-polimeraza II);
- aflat în regiunea centrală a genei;
- alcătuit din secvenţe codante - exoni - şi secvenţe necodante - introni.
► Exonii:
= secvenţele codante ale genei: codifică anumite regiuni ale proteinei = domenii;
- orice genă are n exoni şi n-1 introni
- număr - variabil de la o genă la alta (2 ÷ câteva zeci)
- există gene mici cu un singur exon (ADNmt, histone, interferoni,SRY);
- lungime - variabilă (150 pb) (ex. g. insulinei –150 pb, g. distrofinei – 180 pb).
► Intronii:
= secvenţe care nu codifică nici un produs specific;
- transcrise iniţial în ARNm precursor, dar nu se regăsesc în ARNm matur;
- număr - variabil (2 la genele insulinei ÷ 79 la genele distrofinei);
- 0 – g. interferonului, g. histonelor;
- lungime - variabilă (medie = 1.000 pb), mult mai mare ca a exonilor.
- majoritatea: - încep cu 5'GT (situs donor) şi se termină cu 3'AG (situs
acceptor);
- aceste secvenţe → decupare corectă a intronilor în timpul matisării (splicing)
- rol: încă neelucidat: - iniţial - separare a exonilor;
- mai recent - autoclivare ARN, reglarea expresiei
genelor, chiar funcţii codificatoare.
Cadrul de citire:
- începe cu situsul de iniţiere (start) al transcrierii (SIT);
- urmează regiunea netradusă 5'UTR (untranslated region) care conţine:
● o secvenţă consens (prezentă la toate genele)
● codonul start ATG = locul iniţiere translaţie (coresp. primului aminoacid);
- urmează primul exon (E1);
- după ultimul exon - secvenţa netradusă 3'UTR:
- începe cu un codon stop (TGA, TAG, TAA) (= semnal oprire translaţie);
- se continuă cu secvenţa AATAAA = situsul de terminare transcripţie.
Situs poliA
5’ UTR
E 1 E 2
3’ UTR
Situs iniţiere
transcripţie
E 3
Codon START(ATG)
Codon STOP(TAA)
boxa TATA
boxa CAAT
boxa CG
Situs terminare
transcripţie
Secvenţe octamerice
RE
Activator
5’ 3’
Situs poliA
5’ UTR
E 1 E 2
3’ UTR
Situs iniţiere
transcripţie
E 3
Codon START(ATG)
Codon STOP(TAA)
boxa TATA
boxa CAAT
boxa CG
Situs terminare
transcripţie
Elem. expr. specific tisulară
RE
Activator
5’ 3’
La ~ 20 de nucleotide în aval de situsul terminator - situsul de poliadenilare:- la ARNm se adaugă ~ 200 de nucleotide cu adenozină (A); - desprinderea ARN-polimerazei şi eliberarea moleculei ARN sintetizate.
2. Secvenţele de reglare a genei = secvenţe netranscrise, dispuse de o parte şi de alta a cadrului de citire (majoritatea la capătul 5’)a) Promotorul = succesiune secvenţe situate în amonte de cadrul de citire (pe o distanţă de ~ 150 pb faţă de SIT) - conţine mai multe secvenţe nucleotidice scurte, pe care se fixează proteine reglatoare = factori de transcripţiefactori de transcripţie (TF II – “transcription factors”):
- leagă ARN-polimeraza II a.î. transcripţia să înceapă exact la SIT - cu primul nucleotid,
- activează enzima (ARN-polimeraza nu poate recunoaşte direct promotorul şi nu poate
iniţia singură transcripţia).
- cuprinde mai multe secvenţe scurte:
(1)(1) Boxa Boxa (cutia) (cutia) TATATATA (Hogness)(Hogness)
= secvenţa TATAAA, situată la 25-35 pb în amonte faţă de SIT;
- reprezintă locul la care se fixează ARN-polimeraza II (prin intermediul TFIID);
- necesară pentru iniţierea corectă a procesului de transcriere (în punctul de start);
- asigură expresia genei la un nivel bazal;
Situs poliA
5’ UTR
E 1 E 2
3’ UTR
Situs iniţiere
transcripţie
E 3
Codon START(ATG)
Codon STOP(TAA)
boxa TATA
boxa CAAT
boxa CG
Situs terminare
transcripţie
Elem. expr. specific tisulară
RE
Activator
5’ 3’
- mutaţie → posibilă iniţierea transcripţiei, dar deplasarea punctului de start faţă de
normal;
- prezentă la majoritatea genelor specifice unui anumit tip de ţesut (specific
tisulare);
- la genele comune („housekeeping genes”) - secvenţa GC (insule GC).
(2) (2) Boxa CAATBoxa CAAT
= secvenţa GGCCAATCT, situată în amonte de boxa TATA, la ~ 70-80 pb faţă de SIT
(3)(3) Boxa GCBoxa GC
= secvenţa GGGCGG, situată în amonte de boxa TATA, la ~ 90 pb faţă de SIT
- de (2) şi (3) se fixează alţi TF (cresc eficienţa transcrierii).
Situs poliA
5’ UTR
E 1 E 2
3’ UTR
Situs iniţiere
transcripţie
E 3
Codon START(ATG)
Codon STOP(TAA)
boxa TATA
boxa CAAT
boxa CG
Situs terminare
transcripţieElem. expr.
specific tisulară
RE
Activator
5’ 3’
În regiunea proximală a promotorului - secvenţe ADN care (după fixarea anumitor
TF) stimulează intens / blochează transcripţia → specificitatea expresiei unei gene:
(3)(3) Secvenţele octamerice Secvenţele octamerice (ATTTGCAT)
= secvenţe care determină expresia specifică a anumitor gene în funcţie de tipul
de celulă / stadiul dezvoltării ontogenetice.
(4)(4) Secvenţele (elemente) de răspuns Secvenţele (elemente) de răspuns (“response elements” - RE)
= secvenţe care reglează transcripţia unei gene în funcţie de anumite semnale
extracelulare (t°, C% unor ioni, substanţe nutritive, hormoni, morfogeni) →
activarea anumitor FT → fixare pe RE ale anumitor gene → transcripţia
temporară.
Situs poliA
5’ UTR
E 1 E 2
3’ UTR
Situs iniţiere
transcripţie
E 3
Codon START(ATG)
Codon STOP(TAA)
boxa TATA
boxa CAAT
boxa CG
Situs terminare
transcripţieElem. expr.
specific tisulară
RE
Activator
5’ 3’
b) Intensificatorii (activatori, amplificatori) (enhancers)
= secvenţe ADN care cresc nivelul bazal al transcripţiei ← amplifică activitatea
promotorului (zeci-mii x);
- situaţi în amonte faţă de promotor (la sute / mii de pb faţă de SIT);
- unii funcţionează predominant sau exclusiv în anumite ţesuturi → sugerează
rolul în diferenţierea celulară;
c) Atenuatorii (silencers)
= secvenţe ADN situate în amonte de promotor;
- reduc / reprimă (blochează) transcripţia unor gene.
2. CLASIFICAREA GENELOR CARE CODIFICĂ PROTEINE
Genele care codifică proteine - gene comune şi gene specifice.
(1) Genele comune
= gene care se exprimă în toate celulele;
= gene menajere (housekeeping genes);
- codifică proteine indispensabile funcţiilor celulare
(metabolisme intermediare, sinteză de proteine, etc.);
- reprezintă: > 90% din genele exprimate în orice tip celular;
- se află în regiunile de eucromatină bogate în GC;
- transcrierea lor este în general permanentă, dar la un nivel
scăzut.
(2) Genele specifice
= genele a căror expresie este limitată în timp sau în spaţiu.
Limitare temporală = expresia genelor în anumite stadii ale
dezvoltării, diferenţierii sau ciclului celular.
Limitare spaţială = exprimarea specifică a genelor în
anumite:
- ţesuturi (ex. muscular, nervos, etc),
- linii celulare (ex. celulele derivate din creasta
neurală),
- tipuri celulare (ex. celulele liniei eritrocitare),
- celule individuale (ex. neuroni olfactivi, limfocite B).
- acest tip de expresie stă la baza diferenţierii celulare.
a) Majoritatea genelor - unice (două copii în genomul diploid)
- unele gene - duplicate în cursul evoluţiei →
► pot fi aproape identice şi folosite alternativ în
transcripţie (genele α1 şi α2 pentru α-globină);
► pot suferi modificări minime care nu le alterează funcţia
→ se exprimă:
- în diferite perioade ontogenetice (genele α, β, ε şi γ
pentru
globină) sau
- în ţesuturi sau organe diferite (genele pentru amilaza
salivară / pancreatică).
► pot fi nefuncţionale = pseudogene (ψ)
b. În genom pot fi prezente un număr mai mare/mai mic de secvenţe similare unor
gene funcţionale. Genele care au structură asemănătoare = familii de gene:
(1) Familii clasice de gene
- ex. fam. genelor ARNr, fam. genelor histonelor, fam. genelor β-globinei;
- au ? origine comună ← duplicaţia unei gene ancestrale;
- fiecare genă dintr-o familie poate codifica proteine aseamănătoare structural şi
funcţional;
- unele dintre genele familiei pot fi nefuncţionale → pseudogene.
(2) Familii de gene care codifică factori de transcripţie
- ex. familiile genelor HOX, PAX, SOX, etc. - intervin în embriogeneză;
- genele acestor familii au în comun o secvenţă care codifică un domeniu identic
al proteinei, prin care aceasta se fixează pe ADN-ul genei ţintă
- ex. domeniul homeobox pentru genele HOX.
(3) Superfamilii de gene
- conţin un număr mare de copii ale unei gene ← duplicaţia excesivă a unei gene
ancestrale;
- au structură şi funcţie diferită.
- ex.: ▪ superfamilia genelor imunităţii (genele pentru Ig, genele pentru R
limfocitelor T, genele HLA)
▪ superfamilia genelor care codifică R nucleari pentru hormoni.
3. ELEMENTE GENETICE MOBILE
- unele secvenţe ADN se pot deplasa dintr-o poziţie cromozomială în alta =
transpoziţie; secvenţele = elemente transpozabile / transpozoni.
În funcţie de mecanismele realizării transpoziţiei - transpozoni şi retrotranspozoni.
(1) Transpozonii
= elemente care se deplasează ca atare (sub formă de secvenţe ADN);
- conţin în structura lor şi genele care codifică enzimele necesare exciziei şi
inserţiei lor – transpozaze;
- elementul transpozabil de origine îşi păstrează de obicei poziţia neschimbată →
doar copiile acestuia (← replicare) se deplasează şi se integrează în altă poziţie
din genom;
- la om – încă discutabil.
(2) Retrotranspozonii
- denumirea ← mecanismele transpoziţiei ~ deplasării retrovirusurilor;
- migrarea se realizează prin intermediul transcriptelor ARN;
- cea mai importantă etapă = copierea ARN (reverstranscriptază) într-o moleculă
de ADN → integrată, la întâmplare, într-o altă regiune a genomului.
- au originea în elemente retrovirale, care se integrează în genomul celulelor
germinale → transmise în stare latentă în succesiunea generaţiilor.
- reprezintă marea majoritate a elementelor transpozabile la om → ocupă circa
10% din genom; reprezentate de 2 familii:
- LINEs = produşii transcripţiei ARN-polimerazei II
- SINEs = produşii transcripţiei ARN-polimerazei III.
Existenţa elementelor genetice mobile → plasticitate genom