CHROMOSOM Ų SANDARA IR MOLE K UL INĖ STRU K T Ū R A

1. CHROMOSOMŲSANDARA IR MOLEKULINĖ STRUKTŪRA

2. ĮVADAS • Chromosomos yra struktūros, talpinančios genetinę medžiagą • Jos yra DNR ir baltymų kompleksas • Genomasapima visą genetinę medžiagą, kurią turi organizmas • Bakterijų genomą dažniausiai sudaro viena žiedinė chromosoma • Eukariotų genomą sudaro vienas pilnas branduolinių chromosomų rinkinys • Pastaba: • Eukariotai dar turi mitochondrijų genomą • Augalai taip pat turi ir chloroplastų genomą 3-2

3. ĮVADAS • Pagrindinė genetinės medžiagos funkcija yra saugoti informaciją, reikalingą organizmui sukurti ir jam funkcionuoti • DNR molekulėtai daro per savo nukleotidų seką • DNR sekosyra būtinos • 1. RNR ir ląstelės baltymų sintezei • 2. Taisyklingai chromosomų segregacijai • 3. Chromosomų replikacijai • 4. Chromosomų kompaktizacijai • Kompaktizuotos chromosomos geriau telpa į ląstelių branduolį 3-3

4. 3.1 VIRUSŲ GENOMAI • Virusai yra smulkios infekcinės dalelės, turinčios nukleino rūgštis, apgaubtas baltymine kapside • Replikacijai virusainaudoja šeimininkų ląsteles • t.y., tas ląsteles, kurias jie infekuoja • Dauguma virusų turi ribotą šeimininkų ratą • Tipiškai jie infekuoja tik vienos šeimininkų rūšies specifines ląsteles 3-4

5. Bakteriofagaitaip pat gali turėti įmovą, bazinę plokštelę ir uodegos siūlus Lipidinis bisluoksnis Paimamas kai virusas palieka šeimininko ląstelę Apibendrinta virusų struktūra 3-5

6. Virusų genomai • Viruso genomąsudaro viruso genetinė medžiaga • Taip pat vadinama viruso chromosoma • Viruso genomas gali būti • Sudarytas iš DNR arba RNR • Viengrandininis arba dvigrandininis • Žiedinis arba linijinis • Virusų genomų dydis varijuoja nuo kelių tūkstančių iki daugiau nei šimto tūkstančio nukleotidų 3-6

7. Kai kurių virusų genomų savybės * ss – viengrandininė (single-stranded); ds – dvigrandininė (double-stranded) ** tūkstančiai nukleotidų ar nukleotidų porų 3-7

8. Paprastos struktūros virusai gali susirinkti patys • Genetinė medžiaga ir kapsidės baltymai spontaniškai susijungia • Pavyzdys: Tabako mozaikos virusas • Vykstant infekcijai subrendę viruso dalelės turi būti surinktos Kapsidę sudaro 2,130 identiškųbaltyminių subvienetų 3-8

9. Sudėtingiems virusams, tokiems kaip bakteriofagas T2, būdingas procesas, vadinamas kryptingu susirinkimu (directed assembly) • Virusųsusirinkimui reikia baltymų, kurie nėra subrendusio viruso sudedamoji dalis • Nekapsidiniai baltymai dažniausiai atlieka dvi pagrindines funkcijas • 1. Vykdo virusinių dalelių surinkimą • “Karkaso” baltymai (scaffolding proteins)nėra subrendusių virusų dalis • 2. Veikia kaip proteazės, skaldančios naujai susintentintus virusų kapsidinius baltymus • Taip gaunami smulkesni kapsidiniai baltymai, iš kurių susiformuoja kapsidė. Paprastai kapsidinių baltymų skaldymas yra signalas pradėti surinkti viruso daleles 3-9

10. 3.2 BAKTERIJŲ CHROMOSOMOS • Bakterijų chromosomos randamos regione, vadinamame nukleoidu • Nukleoidas nėra apgaubtas membrana • Taigi, DNR tiesiogiai kontaktuoja su citoplazma • Bakterijos gali turėti nuo vienos iki keturių tos pačios chromosomos kopijų • Chromosomų skaičius priklauso nuo bakterijų rūšies ir augimo sąlygų 3-10

11. Bakterinė chromosoma dažniausiai yra žiedinė molekulė, kurios ilgis yra keletas milijonų nukleotidų • Escherichia coli ~ 4.6 milijonai bazių porų • Haemophilus influenzae  ~ 1.8 milijono bazių porų • Tipiška bakterinė chromosoma turi keletą tūkstančių skirtingų genų • Struktūrinių genų sekos (koduojančios baltymus) sudaro didesniąją bakterinės chromosomos dalį • Netranskribuojama DNR esanti tarp gretimų genų yra vadinama tarpgeniniais (intergenic) regionais 3-11

12. Reikšmingos DNR susipakavimui, replikacijai ir genų ekspresijai Keleto šimtų nukleotidų ilgio Pagrindinės savybės • Daugumos, tačiau ne visų rūšių bakterijos • turi žiedinę chromosominę DNR • Tipiška chromosoma yra kelių milijonų • bazių porų ilgio • Daugumos rūšių bakterijosturi vieną • chromosomą, tačiau kartais gali būti ir • keletas kopijų • Keletas tūkstančių skirtingų genų yra • išsidėstę chromosomoje • Viena replikacijos pradžios (origin of • replication) seka reikalinga DNR • replikacijai inicijuoti • Trumpos pasikartojančios sekos gali • būti išsidėstę chromosomoje tarp genų 3-12

13. Kilpinė struktūra kompaktizuoja chromosomą apie 10 kartų • Tam, kad tilptų į bakterinę ląstelę, chromosominė DNR turi būti kompaktizuota maždaug 1000 kartų • Vienas tokios kompaktizacijos etapų – kilpų domenųformavimasis • Kilpų skaičius varijuoja priklausomai nuo bakterinės chromosomos ilgio ir bakterijų rūšies • E. colituri 50-100 kilpų, kuriose yra nuo 40,000 iki 80,000 DNR bp 3-13

14. Kilpų superspiralizacija sukuria dar kompaktiškesnę DNR • DNR superspiralizacijayra kitas svarbus bakterinės chromosomos kompaktizacijos būdas 3-14

15. Plokštelės apsaugančios DNR galus nuo laisvo sukimosi Šios dvi DNR konformacijos neaptinkamos gyvose ląstelėse Šios trys DNR konformacijos yratopoizomerai Tiek persukimas, tiek ir neprisukimas indukuoja superspiralizaciją Mažiau vijų Daugiau vijų 3-15

16. DNR superspiralizacija įtakoja chromosomų funkcijas • Bakterijų chromosominė DNR yra neigiamai superspiralizuota • E. colipasižymi viena neigiama superspirale 40-iai dvigubos spiralės vijų • Negiama superspiralizacija turi dvi pagrindines pasekmes • 1. Padeda chromosomai kompaktizuotis • 2. Sukuria tempimo jėgas, korios gali būti išlaisvintos, atskiriant DNR grandines 3-16

17. Palengvina DNR replikaciją ir transkripciją 3-17

18. Superspiralizaciją bakterijų chromosomose atlieka du pagrindiniai fermentai • 1. DNR girazė (taip pat vadinama DNRtopoizomeraze II) • Sukuria neigiamas superspirales naudodama ATP energiją • Ji taip pat gali išvynioti teigiamas superspirales, jei jos susidaro • 2. DNR topoizomerazė I • Atpalaiduoja (išvynioja) neigiamas superspirales • Konkuruojantis šių fermentų veikimas valdo visos bakterinės DNR superspiralizaciją 3-18

19. Sveika DNR pereina per plyšį Sudaryta iš dviejų A ir dviejų B subvienetų Šis procesas DNR struktūroje sukuria dvi neigiamas superspirales Prisiminkite, kad ankstesnioji DNR struktūra turėjo vieną teigiamą superspiralę B subvienetas naudoja ATP šiam procesui katalizuoti Padaro A subvienetas 3-19

20. Girazės sugebėjimas daryti neigiamas superspirales DNR struktūroje yra gyvybiškai būtinas bakterijoms • Šio fermento funkcijos blokavimu yra paremtos kai kurios antibakterinės terapijos • Girazę ir kitas bakterines topoizomerazes inhibuoja dvi pagrindinės vaistų grupės • 1. Chinolonai • 2. Kumarinai • Abi šios vaistų grupės neinhibuoja eukariotinių topoizomerazių • Chinolono pavyzdys yra vaistas Ciprofloxacin (“Cipro”) • Naudojamas šlapimo takų infekcijoms ir juodligei gydyti • Kumarinai randami daugelyje augalų • Jų veikimu remiasi kai kurių vaistažolių antibakterinis poveikis 3-20

21. 3.3 EUKARIOTŲ CHROMOSOMOS • Eukariotiniai organizmai turi vieną arba daugiau chromosomų rinkinių • Kiekvieną chromosomų rinkinį sudaro keletas skirtingų linijiškų chromosomų • Bendras DNR kiekis eukariotų ląstelėse yra didesnis negu bakterinėse ląstelėse • Eukariotų chromosomos yra išsidėsčiusios branduolyje • Tam, kad čia tilptų, jos turi būti labai kompaktizuotos • Tai yra pasiekiama prisijungiant daugeliui baltymų • DNR ir baltymų kompleksas yra vadinamas chromatinu 3-21

22. Eukariotų genomo dydis stipriai varijuoja • Daugeliu atveju ši variacija nėra susijusi su rūšių sudėtingumu • Pavyzdžiui, salamandros Plethodon richmondi genomas yra beveik dvigubai didesnis negu Plethodon larselli • Genomo dydžio skirtumai neatsiranda dėl papildomų genų • Pagrindinis tokių skirtumų šaltinis - kartotinės DNR sekos • Šios sekos nekoduoja baltymų 3-22

23. Genomas daugiau nei dvigubai didesnis už giminingos rūšies genomą Genomo dydis (bp haploidiniam genomui) 3-23

24. Eukariotinių chromosomų sandara • Eukariotinė chromosomoma turi ilgą linijinę DNR molekulę • Chromosomų replikacijai ir segregacijai (išsiskyrimui) reikalingos trijų tipų sekos • Replikacijos pradžios (origins of replication) • Centromeros • Telomeros 3-24

25. Eukariotinė chromosoma dažniausiai yra linijinė • Tipišką chromosomą sudaro nuo kelių dešimčių iki • kelių šimtų milijonų bazių porų • Eukariotų chromosmossudaro rinkinius. Dauguma • rūšių yra diploidinės, t.y. turi dvigubą • chromosomų rinkinį • Genai chromosomoje yra išsibarstę. Tipiška • chromosoma turi nuo kelių šimtų iki kelių • tūkstančių skirtingų genų • Kiekviena chromosoma turi daug replikacijos • pradžios sekų, kurios yra išsidėstę maždaug • kas 100 000 bazių porų • Kiekviena chromosoma turi centromerą, kuri • formuoja kinetochoro baltymų atpažinimo vietą • Telomeroms būdingos specifinės sekos, esančios • abiejuose linijinės chromosomos galuose • Kartotinės sekos dažniausiai randamos • centromeriniuse ir telomeriniuose regionuose, • tačiau taip pat gali būti išsibarstę po visą • chromosomą 3-25

26. Genai yra išsidėstę tarp chromosomos centromerinių ir telomerinių regionų • Viena chromosoma dažniausiai turi nuo kelių šimtų iki keletos tūkstančių genų • Žemesniųjų eukariotų (tokių, kaip mielės) • Genai yra santykinai maži • Juos daugiausia sudaro sekos, koduojančios polipeptidus • t.y.,šiuose genuose yra labai mažai intronų • Aukštesniųjų eukariotų (tokių, kaip žinduoliai) • Genai yra ilgi • Jie turi daug intronų 3-26

27. DNR sekos • Išskiriami trys pagrindiniai DNR sekų tipai • Unikalios ar žemo dažnio kartotinės sekos • Vidutinio dažnio kartotinės sekos • Aukšto dažnio kartotinės sekos 3-27

28. DNR sekos • Unkalios arba mažo dažnio kartotinės sekos • Genome randamos vieną arba keletą kartų • Jas sudaro struktūriniai genai ir tarpgeninės sritys • Vidutinio dažnio kartotinės sekos • Randamos nuo kelių šimtų iki kelių tūkstančių kartų • Jas sudaro • rRNR ir histonų genai • Replikacijos pradžios • Judrieji genomo elementai (transpozonai) 3-28

29. DNR sekos • Aukšto dažnio kartotinės sekos • Randamos nuo dešimčių tūkstančių iki milijonų kartų • Kiekviena kopija yra santykinai trumpa (nuo kelių iki kelių šimtų nukleotidų ilgio) • Kai kurios sekos yra išsklaidytos (disperguotos) genome • Pavyzdys: Alušeimažmogaus genome • Kitos sekos sudaro tandemiškas sankaupas • Pavyzdys: AATAT ir AATATAT sekos Drosophila melanogaster genome • Dažniausiai jos randamos centromeriniame regione 3-29

30. Aukšto dažnio kartotinių DNR sekų išskyrimas • Nustatyta, kad eukariotų chromosomų centromeriniai ir telomeriniai regionai yra labai kompaktiški arba heterochromatininiai • Ankstyvieji citologiniai tyrimai parodė, kad aukšto dažnio kartotinės sekos yra išsidėstę heterochromatininėse chromosomų srityse • Vėliau buvo sukurti biocheminiai metodai, leidžiantys išskirti aukšto dažnio kartotines DNR sekas 3-30

31. Drosophilabuvo pasirinkta kaip idealus tyrimo organizmas • Didelė jos genomo dalis (19%) yra heterochromatininė • Tandeminių kartotinų sekų nukleotidų sudėtis skiriasi nuo likusios chromosominės DNR • Minėtąsias tandemines sekas 100% sudaro AT • Likusios chromosominės DNR sąstatas yra maždaug ~ 60% AT ir 40% GC • AT ir GC poros gali būti atskirtos pagal savo santykinį tankį • AT porų santykinis tankis yra mažesnis, nei GC porų 3-31

32. Hipotezė • Aukšto dažnio kartotinių DNR sekų nukleotidų sudėtis skiriasi nuo likusios chromosominės DNR • Jei taip, tada kartotinė DNR gali būti atskirta nuo likusios DNR, naudojant centrifūgavimą CsCl tankio gradiente 3-32

33. 3-33

34. 3-34

35. Duomenys 3-35

36. Šie DNR pikai yra vadinami satelitine DNR 80% Drosophila DNR būdingas šis tankis. Duomenų interpretacija Dauguma šios DNR yra ne heterochromatininė Jų sudėtyje yra daugiau lengvesnių bazių, lyginant su likusia chromosomine DNR Ši DNR sekvenuota. Tai AATATir AATATAT tandeminiai pasikartojimai 3-36

37. Renatūracijos tyrimai • Renatūracijos tyrimai yra naudingi, tiriant genomo sandarą • Renatūracijos greičio tyrimą sudaro keletas pakopų: • 1. Dvigrandininė DNR yra suardoma į smulkius gabalėlius • 2. Šie gabalėliai yra “ištirpinami” iki viengrandininės DNR, veikiant šiluma • 3. Temperatūra palaipsniui žeminama, leidžiant komplementarioms DNR grandinėms renatūruotis 3-37

38. DNR grandinių renatūracija 3-38

39. Renatūracijos tyrimai • Komplementarių DNR grandinių skirtingas renatūracijos greitis leidžia išskirti tris kartotinių DNR sekų tipus • Tam tikros DNR sekos renatūracijos greitis priklauso nuo jai komplementarių sekų koncentracijos • Aukšto dažnio kartotinės sekos renatūruosis greičiausiai • Jos komplementarių kopijų yra daugiausia • Unikalios sekos renatūruosis lėčiausiai • Tokioms komplementarioms sekoms reikia papildomai laiko, kas susirastų viena kitą 3-39

40. Renatūracijos kinetika gali būti aprašyta gana paprasta matematine fromule • kur • C = viengrandininės DNR koncentracija laiko tmomentu • C0 = Viengrandininės DNR koncentracija reakcijos pradžioje • k2 = reakcijos antros eilės kinetikos konstanta • Šioje lygtyje C/ C0 yra frakcija DNR, kuri yra vis dar viengrandininė, praėjus tam tikram laikui 3-40

41. Renatūracijos eksperimentai gali suteikti kiekybinės informacijos apie DNR sekų sandarą • Renatūracijos greitis grafiškai gali būti pavaizduotas kaip C/C0priklausomybė nuo C0t • Tokia priklausomybė yra vadinama C0tkreive • Tariama: “kot” kreivė 3-41

42. 60-70% žmogaus DNR sudaro unikalios sekos Žmogaus chromosomų DNR C0t kreivė 3-42

43. Eukariotųchromatinokompaktizavimas • Jei pilnai išvynioti DNR, esančią viename žmogaus chromosomų rinkinyje, jos ilgis būtų daugiau nei 1 metras • Tuo tarpu ląstelės branduolio diametras yra nuo 2 iki 4 mm diametro • Todėl DNR turi būti labai stipriai kompaktizuota • Linijinės DNR kompaktizacija eukariotų chromosomose vyksta sąveikaujant DNR ir įvairiems baltymams • Skirtingais ląstelės gyvavimo periodais prie DNR gali prisitvirtinti skirtingi baltymai • Šie kitimai įtakoja chromatino kompaktizacijos laipsnį 3-43

44. Nukleosomos • Eukariotų chromatino pasikartojantys struktūriniai vienetai yra nukleosomos • Ji sudaryta iš dvigrandininės DNR, apsivyniojusios and histoninių baltymų oktamero • Oktamerą sudaro po dvi keturių skirtingų histonų molekulės • 146 bp DNRformuoja 1.65 neigiamos superspiralės vijos apie oktamerą 3-44

45. Ilgis kinta nuo 20 iki 100 bp, priklausomai nuo rūšies ir ląstelių tipo Nukleosomos diametras • Bendra susijungusių nukleosomų struktūra primena karoliukų vėrinį • Ši struktūra sutrumpina DNR maždaug septynis kartus 3-45

46. 3-46

47. 3-47

48. Histonaiyra baziniai baltymai • Jų sudėtyje yra daug teigiamai įkrautų aminorūgščių • Tokių, kaip lizinas ir argininas • Jos jungiasi su fosfatais, esančiais DNR karkase • Yra penki histonų tipai • H2A, H2B, H3 ir H4 yra šerdies histonai • Oktamerą sudaro po dvi kiekvieno šių histonų molekulės • H1 yra jungties histonas • Jungiasi prie jungties DNR • Taip pat jungiasi prie nukleosomos • Tačiau ne taip stipriai, kaip šerdies histonai 3-48

49. Svarbūs chromosomų struktūrai ir kompaktizacijai 3-49

50. Nukleosomos struktūros tyrimai • Nukleosomos struktūros modelį 1974 m. pasiūlė Rogeris Kornbergas • Kornbergomodelis rėmėsi įvairiais chromatino tyrimais • Biocheminiais eksperimentais • Rentgeno difrakcijos tyrimais • Elektroninės mikroskopijosvaizdais 3-50