Molekulārā Ģenētika

1. Molekulārā Ģenētika Cilvēka Genoms: Bioloģija un Medicīna • Ievads • Molekulārās Ģenētikas Pamati • Gēnu Aktivitātes Regulācija • Cilvēka Genoma Projekts • Tests I • Cilvēka Genoms I • Cilvēka Genoms II • Genoma Variācijas • Tests II • Monogēnās un Kompleksās Slimības • Farmakoģenētika(& koronārā sirds slimība) • [Imunoglobulīnu gēni] • [Vēža molekulārā bioloģija] • Tests III • Parādi (vai eksāmens) • Laimīgu Jauno Gadu!  http://priede.bf.lu.lv - Studiju materiāli / MolekularasBioloģijas / MolGen / LV

2. Gēnu aktivitāte atšķiras un tiek regulēta Aktīvs gēns Genomes, 3rd Edition Neaktīvs gēns

3. Hromatīna Struktūra un Gēnu Aktivitāte

4. heterohromatīna proteīni nukleosomas histonu modifikācijas 1. Eihromatīns • ‘parastā’ forma • satur (potenciāli) aktīvus gēnus 2. Heterohromatīns • kompaktāka forma, kas inaktivē gēnus • specifiskas histonu modifikācijas • papildus proteīni (HP1) • konstitutīvs • vienmēr un visur • centromēras, telomēras u.c. • nesatur gēnus • fakultatīvs • noteiktās šūnās vai noteiktā laikā • satur neaktīvus gēnus heterohromatīns eihromatīns Molecular Biology of the Cell, 5th Edition Interfāzes hromatīna tipi Pozicionālais efekts - klonēta gēna ekspresijas efektivitāte atkarīga no tā, kādā hromosomas rajonā šis gēns ieklonēts

5. Divi veidi, kā hromatīna struktūra nosaka gēnu aktivitāti 1 Heterohromatīns (gēni nepieejami) Eihromatīns (gēni pieejami) 2 Gēns aktīvs Gēns neaktīvs Genomes, 3rd Edition (modificēts)

6. Eihromatīna struktūru ietekmējoši mehānismi • 2. Nukleosomu remodelēšana • pārveidošana (šeit) • histonu noņemšana • histonu aizstāšana • 1. Histonu modifikācijas • aktivējošas (šeit) • represējošas Gēna aktivators (šeit) vai represors Histonu acetiltransferāze Nukleosomu remodelēšanas komplekss pārveidotas nukleosomas specifiskas acetilācijas vispārējie transkripcijas faktori un RNS polimerāze TRANSKRIPCIJAS AKTIVĀCIJA

7. Tipiskākās histonu modifikācijas nukleosoma acetilēts lizīns metilēts arginīns metilēts lizīns fosfoserīns Recombinant DNA, 3rd Edition

8. Histonu kods modifikācijas “nozīme” heterohromatīna veidošana, sailensings (“silencing”) [gēnu represijas veids] gēnu ekspresija gēnu ekspresija Hox gēnu sailensings, X hromosomas inaktivācija

9. Gēnu aktivitāti būtiski ietekmē DNS metilācija citozīns 5-metilcitozīns metilēšana CG sekvencēs; inaktivē gēnus; CpG salas - parasti promoteros • DNS metilēšanu noteiktās vietās pēc replikācijas veic DNS metiltransferāzes (DNMT 1, DNMT 3A, DNMT 3B). • CpG (jeb vienkārši CG) salas – genoma rajoni, kuros CG sekvenču ir krietni vien vairāk kā citviet genomā.

10. Visticamāk, DNS metilācija izraisa hromatīna struktūras izmaiņas CpG sala Gēns CpG sala tiek metilēta MeCP (Methyl-CpG-binding protein) MeCP2 proteīns Saistās MeCP proteīni Hromatīna modifikācijas Genomes, 3rd Edition (modificēts)

11. Regulatorās Sekvences un Gēnu Aktivitāte

12. Eikariotiem; it īpaši tādiem kā Jūs; raksturīgi ļoti kompleksi gēnu regulatorie rajoni promoters (minimālais) regulatora sekvence baktērija raugs cilvēks enhansers Molecular Biology of the Gene, 6th Edition Regulatora DNS sekvence – sekvence, pie kuras saistās transkripcijas regulatorie proteīni

13. Regulatoro sekvenču veidi TF – transkripcijas faktors 2010, 11, 439-446 • Promoteri – vietas, kur saistās RNS polimerāze, lai uzsāktu transkripciju • Enhanseri (pastiprinātāji) – veicina transkripciju • Sailenseri (klusinātāji) – bloķē transkripciju, iniciējot heterohromatīna veidošanos • Insulatori (izolatori) jeb robeželementi (“boundary elements”) – sargā gēnus no nevēlamām ietekmēm: • 1. enhanseru bloķētāji – bloķē ‘komunikāciju’ starp enhanseru un promoteru • 2. barjeru sekvences - novērš heterohromatīna izplatību • 3. kombinētie • Lokusu kontroles rajoni (LCR – locus control region) – nepieciešami dažu genoma domēnu aktivitātei S – sailensers P – promoters I – insulators E – enhansers TF – transkripcijas faktori

14. Eikariotu gēnu transkripciju regulējošo rajonu uzbūve ir modulāra • Promoteru moduļi (pēc Genomes, 3rd Ed.) • minimālie (“core”) - TATA u.c. • visiem gēniem • bazālie • ietekmē bazālo transkripcijas līmeni • daudzos RNS polimerāzes II promoteros • CAAT box (NF1 un NFY aktivatori), GC elements (SP1), oktamēra modulis (Oct1) u.c. • atbildes (“response”) • nodrošina atbildi pret signāliem no ārpuses • CRE – nodrošina atbildi pret cAMP, SRE – atbilde uz seruma faktoru u.c. • šūnu specifiskie • raksturīgi gēniem, kas tiek ekspresēti tikai noteikta tipa šūnās • eritroīdais modulis (saista GATA-1 aktivatoru), mioblastu modulis (MyoD) u.c. • attīstības regulācijas • raksturīgi gēniem, kas ir aktīvi tikai noteiktos attīstības posmos Genomes, 3rd Edition

15. Tas nodrošina efektīvu kombinatoro kontroli Levine M & Tjian R (2003) Nature, 424, 147

16. Modelis cilvēkab-globīna gēna kontrolei

17. Nez, kurš no transkripcijas iniciācijas tipiem tieši pašreiz notiek Jūsos? Tieša RNS polimerāzes saistīšanās RNS polimerāze Netieša RNS polimerāzes saistīšanās RNS polimerāze Platforma, kuru veido DNS saistošie proteīni Genomes, 3rd Edition

18. (TFII – general Transcription Factor for RNA polymerase II) transkripcijas sākums TATA elements TBP TFIID TFIIA TFIIB UTF, ATF CTF, GTF citi faktori TFIIF TFIIE RNS TFIIH TRANSKRIPCIJA RNS polimerāze II Minimālā (“core”) promotera elementus atpazīst vispārējie transkripcijas faktori (TF)

19. Dažiem gēniem ir alternatīvi promoteri, eg, distrofīna gēnam Alternatīvie promoteri C – smadzeņu garozā; M – muskuļos; Ce – smadzenītēs; R – tīklenē; CNS – centrālajā nervu sistēmā; S – Švāna šūnās; G – citos audos. Genomes, 3rd Edition Cilvēka distrofīna gēns

21. Eikariotu DNS transkripcijas iniciācijai nepieciešami arī aktivatori Aktivators Enhansers Genomes, 3rd Edition

22. Aktivatori palīdz izveidot transkripcijas iniciācijas kompleksu Multisubvienību kofaktoru kompleksi (mediators u.c.) Hromatīna remodelēšanas un modificēšanas kompleksi Aktivators Levine M & Tjian R (2003) Nature, 424, 147

23. Aktivatori var darboties arī no distances; un ļoti lielas aktivators TATA elements transkripcijas starts enhansers Promoteram pievienojas universālie transkripcijas faktori, RNS polimerāze II, mediators, hromatīna pārveidošanas komplekss un histonu acetilāzes hromatīna remodelēšanas komplekss mediators histonu acetilāze SĀKAS TRANSKRIPCIJA Divi modeļi: (i) tiešā kontakta modelis (šeit); (ii) signāla pakāpeniska pārnese (“tracking”)

24. Cilvēka interferona gēna transkripcijas iniciācijas modelis gēna aktivācijas proteīns histonu acetiltransferāze histonu kods transkripcijas iniciācijai histonu acetiltransferāze hromatīna remodelēšanas komplekss hromatīna remodelēšanas komplekss gēna aktivācijas proteīns histonu kināze histonu kināze pārējie transkripcijai nepieciešamie komponenti TRANSKRIPCIJA

25. INSULATORI sadala genomu funkcionālos domēnos gēns A enhansers gēns B insulators (enhansera bloķētājs) insulators (barjeras sekvence) aktīvi transkribējama hromatīna domēns

26. Insulatori bloķē enhanseru ietekmi uz ‘svešiem’ gēniem enhansers promoters enhansers insulators promoters promoters enhansers insulators promoters enhansers insulators promoters enhansers Molecular Biology of the Gene, 5th Edition

27. Divi no enhanseru bloķēšanas modeļiem E – enhansers EB - enhansera bloķētājs

28. Sailenseru un barjeras sekvenču darbības mehānisms S – sailensers, B – barjeras sekvence, TF – transkripcijas faktori, CR – hromatīna remodelētāji, HM – histonu modificētāji, R – represors 2010, 11, 439-446

29. Citi barjeras sekvenču darbības modeļi West GW & Fraser P (2005) Hum Mol Gen, 14, R101

30. 100 000 bāžu pāri lokusa kontroles rajons globīna gēnu domēns b-globīna gēns relatīvā globīnu sintēze vecums nedēļās DZIMŠANA Dažu genoma rajonu aktivitāti nosaka Lokusu kontroles rajoni (LCR)

31. Cāļa b-globīna LCR struktūra Vol. 7, 703-713

32. RNS interference • Fenomens, kad īsas (21-22 nukleotīdi) RNS molekulas represē gēnu ekspresiju. miRNS (mikro RNS) • Gēnu ekspresijas regulācija – vismaz 30% cilvēka gēnu • Priekštecis (pre-miRNS) – vienpavediena RNS • Izcelsme – šūnas transkripti siRNS (mazās interferences RNS) • Aizsardzība pret vīrusiem un transpozonu ekspansiju • Priekštecis – divpavedienu RNS • Izcelsme - dažāda

33. RNS interferences mehānisms citoplazma kodols pasažiera RNS (“passanger” RNA) hromatīna remodelēšana RISC = RNA-induced silencing complex RNS inducēts sailensinga (jeb represijas) komplekss gida RNS (“guide” RNA) translācijas inhibēšana degradēšana Molecular Biology of the Gene, 6th Edition (modificēts)

34. miRNS procesings un darbības mehānisms (Drosha un Pasha) ŠĶELŠANA KODOLS CITOPLAZMA ŠĶELŠANA Argonauts u.c. proteīni neliela komplementaritāte izteikta komplementaritāte mRNS mRNS inhibēta translācija ātra mRNS degradēšana

35. miRNS var būt iekodētas dažādos rajonos pre-miRNS kodējošā rajonā stop kodons starta kodons pre-miRNS nekodējošā rajonā pre-miRNS proteīnu kodējoša gēna intronā Molecular Biology of the Gene, 6th Edition (modificēts)

36. EPIĢENĒTIKA Waddington, 1942: “[T]he branchof biology which studies the causalinteractions between genes andtheirproducts, whichbring the phenotypeinto being” (epi[ģenēze] + ģenētika). Tagad parasti ar šo terminu izprot: epi (grieķiski: επί– virs [DNS līmeņa]) ģenētika.

37. Epiģenētiskā regulācija un iedzimtība • Fenotipisko izmaiņu iedzimtība, kas nav saistīta ar DNS sekvences izmaiņām (šūnu ‘atmiņa’). Mehānismi • DNS metilācija • Histonu modifikācijas • [Nekodējošās RNS] • Autopozitīvā regulācija • Strukturālā iedzimtība

38. Ģenētiskās un Epiģenētiskās iedzimtības salīdzinājums ĢENĒTISKĀ IEDZIMTĪBA EPIĢENĒTISKĀ IEDZIMTĪBA gēns X aktīvs gēns Y aktīvs HROMATĪNA STRUKTŪRAS MAIŅA DNS NUKLEOTĪDU SEKVENCES MAIŅA gēns X inaktivēts gēns Y inaktivēts SOMATISKO ŠŪNU ATTĪSTĪBA gēns X neaktīvsgēns X neaktīvs gēns Y neaktīvsgēns Y neaktīvs DZIMUMŠŪNU ATTĪSTĪBA gēns Y aktīvs gēns X neaktīvs

39. DNS metilācijas ainu atjaunošana metilēts citozīns metilēšana nemetilēts citozīns DNMT1 (DNS metiltransferāze 1) DNS replikācija metilēšana

40. Histonu modifikāciju atjaunošana

41. Specifiski epiģenētiskie fenomeni Imprintigs (‘iezīmētie gēni’) Gēns tiek ekspresēts atkarībā no tā, vai tas mantots no mātes vai tēva Gēnu ‘devas’ kompensācija Nejauša izvēle – nav svarīgi, vai gēns mantots no tēva vai mātes • X hromosomas inaktivācija • Mono-alēliskā ekspresija

42. Imprintings

43. Imprintinga mehānisms Igf2 lokusā Molecular Biology of the Gene, 5th Edition

44. X hromosomas inaktivācija

45. X hromosomas inaktivācijas mehānisms XIC: X-inaktivācijas centrs XIST: X-inaktivācijai specifisks transkripts

46. Molecular Biology of the Gene, 6th Edition

47. Tas, kas notiek Jūsu šūnās, ir atkarīgs ne tikai no Jūsu DNS Šūna Waddington CH (1957). From: Cell(2007)128, 635-638. DOI: (10.1016/j.cell.2007.02.006)

48. Identiskie dvīņi nav identiski

49. Fenotips = Genotips + Epigenotips + Vide

50. Varbūt Lamarkam ir arī kāds kriksītis taisnības?