Genetyka PDF

Preview

Summary

Genetyka- wykład. ...

Description

Wykład 1 Wstęp do genetyki, Rozwój nauki o dziedziczeniu, Genetyka współczesna, jej zakres i działy  Bada zmienność i dziedziczenie cech organizmów żywych. W wieku IXX był intensywny rozwój nauk – poznawanie struktur i funkcjonowania organizmów żywych.  Teoria samorództwa – organizmy rzekomo powstają z brudu, mułu  Teoria partenogenezy – rodzenie potomstwa bez udziału samca  Odkrycie Graafa (1672) – jajniki ssaków wytwarzają jaja analogiczne do jaj ptasich, wpływ samicy na następną generację zależy tylko i wyłącznie od tych jaj  Leeuwenhoek (1677) - wykryli w nasieniu ssaków niezliczone animalcula (obecnie: plemniki)  Owiści – mały człowieczek jest w komórce jajowej, a plemnik to stymulant do jego rozwoju  Animalculiści – komórka jajowa jest jedynie doskonałym środowiskiem do rozwoju małego człowieczka w plemniku  Wszyscy oni byli performistami – wierzyli, że mały człowieczek jest już ukształtowany w komórce i jest jedynie potrzebny bodziec do rozwoju  Po koniec drugiej połowy IXX w – najważniejszą sprawą jest zapłodnienie (zlanie się jąder plemnika i komórki jajowej)  Do końca XIX stulecia wiele koncepcji dziedziczenia było błędnych oprócz pracy Mendla (1866).  Podobieństwo organizmu potomnego jednoznacznie wskazuje na udział zarówno komórki jajowej, jak i plemnika w jego rozwoju.  W XIX wieku – bezsensowny spór na temat roli informacji genetycznej i roli środowiska w kształtowaniu cech. Przyjmowano za prawdę, że wystąpienie pewnych cech u organizmu bierze się z „zapatrzenia” w swoich rodziców.  Kolejni potomkowie tej samej pary rodzicielskiej są w coraz większym stopniu coraz bardziej podobni do ojca. Wierzono również, że samica coraz bardziej upodabnia się do swojego partnera płciowego – teoria saturacji.  Wierzono też, że samica zapłodniona po raz pierwszy, będzie całe życia rodziła potomstwo posiadające cechy tego pierwszego partnera, pomimo pochodzenia potomstwa od innego partnera – zjawisko telegonii.  Do końca XIX wieku panowało przekonanie Lamarcka – zakładał, że cechy nabyte są dziedziczone  Darwin – wpływy zewnętrzne mogą się kumulować i mogą być przekazywane  Spostrzeżenia Prospera Luce'a (XVII w) – zauważył trzy typy dziedziczenia: u potomstwa jest przewaga cech jednego z rodziców (I), występuje równomierne wymieszanie cech (II) obu rodziców i że występują nowe cechy (III), niewystępujące u rodziców. I,II – prawa Mendla, III – dziedziczenie cech z różnych par alleli.  Jedna z podstawowych prób wyjaśnienia mechanizmu przenoszenia cech (teoria pangenezy) to teoria Darwina – wszystkie komórki ciała wytwarzają maleńkie elementy (gemmule). Przypuszczalnie przenoszone przez krew do jąder i jajników (miejsce powstawania komórek rozrodczych) – są one wykorzystywane przy tworzeniu komórek rozrodczych. Wiedział, że to nie jest prawda, ale musiał jakoś funkcjonować i kontynuować swoje prace badawcze.  Weissmann (1834–1914) przeciwstawił się tym wszystkim poglądom – modyfikacje ciała nie są przekazywane, a jeśli chodzi o dziedziczność to ciało jest bez znaczenia. Wg niego jedyną istotną rzeczą jest zmienność komórek rozrodczych. Komórki te określił jako plazmę zarodkową. Ciała rozwijające się służą jedynie zachowaniu ciągłości tej plazmy.  Morawski (1866) – wyniki przeprowadzonych kilkuletnich doświadczeń nad krzyżowaniem grochu różniącego się między sobą cechami morfologicznymi. Do 1900 r. nie były wykorzystywane.  Pierwsze 20-lecie XXw – doświadczenia nad krzyżowaniem roślin i zwierząt.  Galton – główny przeciwnik teorii Mendla; zajmował się głównie cechami ilościowymi – wzrost, masa ciała itd., nie dostrzegał w wynikach zasad Mendla. Posługiwał się szeroko metodami statystyki – to w niej widział podstawowe narzędzie badań genetycznych  Mendel i Galton badali zupełnie inne cechy lezące u podstaw dziedziczenia. Wyjaśniono w końcu istotę nieporozumień.  Rozwinęła się nowa gałąź nauki – genetyka populacji. Poważnie przyczyniły się badania Pearsona i Fischera.  Pearson – opracował podstawy rachunku korelacyjnego  Fischer – badał przyczyny zmienności, stał się twórcą analizy wariancji.  Statystyka stała się nieodłącznym elementem badań nad każdym organizmem.  Inny powód krytyki Mendla – zasadnicza trudność pogodzenia jej treści z ideami ewolucji.

 Pojęcie genu – przez długi czas było czysto teoretyczne.  Morgan (1866-1945) – opracowanie chromosomowej teorii dziedziczności. Pracowali na Drosophilia melanogaster. Geny mają swoje siedlisko w chromosomach. Są one ułożono liniowo. Między chromosomami homologicznymi następuje wymiana odcinków homologicznych. Częstość wymiany jest wprost proporcjonalna do odległości genów na tymże chromosomie. Częstość wymiany odcinków chromosomów oznaczono jako j.m. jednostki Morgana.  Avery–MacLeod–McCarty (1944) – DNA przeniesiony z jednej komórki bakteryjnej do innej, zmienia dziedziczne cechy biorcy. Badania potwierdziły rolę DNA w procesach dziedziczenia.  Watson i Crick (1953) – wykrycie struktury DNA  Działy współczesnej genetyki: ◦ genetyka klasyczna – nauka o dziedziczności – genetyka klasyczna ◦ cytogenetyka – genetyka komórki ◦ genetyka biochemiczna (fizjologiczna) – śledzenie przekazywania między pokoleniami typów procesów metabolicznych ◦ immunogenetyka – dziedziczne uwarunkowanie właściwości serologicznych ◦ genetyka rozwoju ◦ genetyka molekularna – przejście od opisu materiału genetycznego do manipulowania nim: ▪ wyróżniła się dzięki temu inżynieria genetyczna  1962 – odkrycie enzymów restrykcyjnych  1970 – odkrycie enzymu odwrotnej restryktazy  1983 – opracowanie PCR  1975 – sekwencjonowanie DNA Główne metody hodowania roślin i zwierząt – selekcja i klonowanie  Selekcja – terminem tym określa się wybór zwierząt o określonych cechach do rozmnażania; jego skutkiem jest zmiana frekwencji genów w populacji. Celem selekcji jest wydzielenie najlepszych osobników o pożądanych cechach do rozpłodu przy równoczesnym eliminowaniu z dalszej hodowli sztuk gorszych, co umożliwia uzyskanie postępu hodowlanego. Jej podstawę stanowi genetyczna zmienność cech w populacji, występująca nawet u najbardziej ustalonych ras.  Selekcja prowadzona jest przez hodowcę (selekcja sztuczna) na podstawie m.in. zdrowia, oceny pokroju, pochodzenia, plennosci i wartości hodowlanej potomstwa. Rasy powstałe bez ingerencji człowieka to tzw. rasy prymitywne (selekcja naturalna).  Mianem klona określa się organizmy mające identyczny lub prawie identyczny materiał genetyczny. Klonami są więc organizmy powstałe w procesie rozmnażania wegetatywnego, takie jak kolonie bakterii, jednokomórkowców, odrośla i rozmnóżki roślin etc.  Termin klonowanie jest używany w kilku znaczeniach: 1. Klonowanie to proces tworzenia organizmów mających taką samą informację genetyczną jak dawca. Szczególnym przypadkiem jest twinning, czyli powstawanie lub otrzymywanie bliźniąt monozygotycznych, gdzie nie można wyróżnić dawcy. 2. Klonowanie organizmów oznacza procedurę otrzymywania organizmów o takiej samej informacji genetycznej, z reguły poprzez procedurę transferu jądra z komórki somatycznej do komórki jajowej pozbawionej uprzednio jądra. W przypadku klonowania roślin stosuje się procedurę odróżnicowania komórek dawcy do komórek merystematycznych. 3. Klonowanie genów – w genetyce i biologii molekularnej proces wyosobniania genu. Polega na łączeniu fragmentów materiału genetycznego z wektorem molekularnym i ich namnażaniu w innym organizmie. Otrzymuje się w ten sposób wiele kopii tego samego genu. Termin klonowanie genów odnosi się też do identyfikacji genów poprzez wykorzystanie procedury klonowania genów. Jeśli pojedynczy fragment genomu jest przenoszony z jednego wektora do drugiego, taki proces określa się mianem subklonowania.

 Opanowano obecnie metody klonowania wielu gatunków roślin i zwierząt. W przypadku zwierząt zazwyczaj stosuje się technikę polegającą na przeniesieniu jądra komórki somatycznej pobranej z klonowanego osobnika, do komórki jajowej pozbawionej jądra. Proces ten tworzy funkcjonalną zygotę. Zygota ta może, jeśli się jej na to pozwoli, rozwinąć w żywego osobnika. Dawca komórki

jajowej z reguły pochodzi z tego samego gatunku. Transfer jądra do komórki jajowej innego gatunku rzadko jest skuteczny.  Klony otrzymane w procesie transferu jądrowego nie są w 100% genetycznie identyczne z dawcami. W trakcie tego procesu wymienia się bowiem tylko materiał genetyczny zawarty w jądrze komórkowym pozostawiając DNA mitochondrialny biorcy. Mitochondrialny DNA ma jednak minimalny wkład w dziedziczenie cech genetycznych. Materialne podłoże dziedziczenia w komórkach  Materialnym podłożem dziedziczenia w komórkach jest DNA  Różnice między prokariota i eukariota PROKARIOTA - Brak jądra - zamiast niego zwinięta nić DNA (genofor) na pewnym obszarze (nukleioid) - Brak organelli energetycznych - Ich bł k zawiera receptory białkowe odbierające sygnały z zewnątrz - Cytoplazma zawiera wszystkie rodzaje RNA (mRNA, r, t) + rybosomy 70S - Często mogą się aktywnie poruszać (rzęski z flagelliny) - Gruba ściana komórkowa zbudowana z proteoglikanów - Skład ściany: kwas diaminopimelinowy, kwas muraminowy - Ich ściana może mieć dodatkową otoczkę śluzową - Ciśnienie w środku wyniso od 3-5 atmosfer - Ich błona to kompleks białkowo-lipidowy - Aparat jądrowy może się dzielić dzięki amitozie - Czasem ich błony tworzą wypustki do wnętrza (mezosomy) (zwiększają pow oddechową) - Właściwie wszystkie reakcje biochemiczne zachodzą w cytoplaźmie - Małe organizmy ( do 7 μm)

EUKARIOTA - Występuje jądro komórkowe wraz z otoczką jądrową - Materiał genetyczny zwarty w chromosomy (struktury chromatynowe) - Występują wyspecjalizowane obszary cytoplazmy - Wytępują autonomiczne organelle mitchondria, chloroplasty - Występują filamenty: możliwość ruchu, transportu wewnątrzkomórkowego, organizacji aparatu mitotycznego - Zawiera minimum 4 chromosomy - Występują rybosomy 70S, 80S - Błona jest kompleksem białkowo-lipidowo cukrowym - Występują liczne białka kanałowe - Możliwość przeprowadzenia mitozy, czasami mejozy - Liczne białka receptorowe na powierzchni błony - Występują organella energetyczne fotosyntetyzujące - Ściana komórkowa z celulozy/chityny lub brak - Wielkość od 10 mikrometrów do 100 (średnio)

Fizyczna organizacja genomu wirusów, bakterii i organizmów eukariotycznych  Budowa genomu wirusowego: ◦ Mogą być jedno- i dwuniciowe, są zbudowane z DNA lub RNA o strukturze liniowej lub kolistej ◦ Genomy mogą być typu plus (pozytywne) lub minus (negatywne) lub posiadają jednocześnie obie nici ◦ Genomy wirusowe mogą być segmentowane ◦ Niektóre cząstki wirusowe nie mają całego genomu i replikują się jedynie w obecności wirausa typu dzikiego lub w wyniku komplementacji ◦ Białko otaczające wirusowy kwas nukleinowy stanowi kapsyd  Genom prokariotów:  Skłąda się z superhelikalnej, kolistej cząsteczki DNA, zwanej chromosomem bakteryjnym. Mają zwarty, centralny obszar (nukleoid), złożony z białkowego rdzenia, od któego rozchodzą się pętle superhelikalnego DNA. Niektóre spośród białek nukleidowych pomagają w upakowaniu DNA. Rozdzielenie replikowanych chromosomów bakteryjnych w czasie podziału komórki zachodzi dzięki oddzielnym miejsciom ich przyłączenia do błonu

komórkowej  Prawie wszystkie geny bakteryjne znajdują się w chromosomie  Geny są zorganizowane w operony lub występują jako pojedyncze kompie  Istnieje również niekodujący, międzygenowy DNA  Na plazmidach bakterii zlokalizowane są geny, które mogą warunkować cechy użyteczne dla bakterii. Ulegają one nieznacznej replikacji. Niektóre plazmidy integrują się z chromosomem bakteryjnym  Genom eukariotów:  Genom to całkowity jąrowy DNA zawarty w gamecie  Różnią się pod względem ilośći DNA jądrowego, ale nie jest to związane z liczbą genów  Olbrzymia część dodatkowego DNA to sekwencje powtórzone  Organizmy diploidalne posiadają 2 komplety genomów (ich komórki rozrodcze 1) Budowa kwasów nukleinowych + Struktura i funkcje DNA oraz RNA  Budowa DNA – długa makrocząsteczka zbudowana z dużej liczby deoksyrybonukleotydów (zasada azotowa, cukier, reszta fosforanowa)  w DNA – deoksyryboza, w RNA – ryboza  zasady azotowe – pochodne puryny i pirymidyny: ◦ adenina, guanina – purynowe ◦ tymina, cytozyna – pirymidynowe  nukleozyd – związek zasady azotowej z cukrem  ester nukleozydu i kwasu fosforowego – nukleotyd  najczęstsze miejsce estryfikacji nukleotydów – grupa -OH związana z piątym węglem cukru (nukleozydo-5'-fosforan)  rdzeń DNA jest niezmienny  łańcuch jest polarny – końce 3'-OH i 5'-OH ◦ 5'-OH w grupie po lewej stronie (na początku) ◦ 3'-OH w grupie po prawej stronie (na końcu)  w 1953 Watson i Crick wydedukowali przestrzenną strukturę DNA – wnioskowali o całym mechanizmie replikacji DNA ◦ zaproponowali model, który okazał się prawidłowy ◦ 2 helikalne łańcuchy polinukleotydowe ◦ oplatają wspólną oś ◦ łańcuchy biegną w przeciwległych kierunkach ◦ zasady purynowe i pirymidynowe znajdują się wewnątrz, a fosforany i reszty cukrów - na zewnątrz ◦ płaszczyzny zasad prostopadłe do osi helisy ◦ płaszczyzny pierścieniu cukrów – prostopadłe względem zasad ◦ średnica helisy – 2nm ◦ odległość między sąsiednimi zasadami – 0,34nm ◦ zasady są skręcone względem siebie pod kątem 36o ◦ jeden skręt helisy – 10 nukleotydów ◦ to daje okres powtarzalny – 3,4nm ◦ łańcuchy łączą się wiązaniami wodorowymi ▪ A=T ▪ C≡G ◦ specyficzność parowania zasad, dzięki czemu jeden łańcuch helisy jest zawsze komplementarny do drugiego ◦ informację genetyczną koduje ściśle określona sekwencja zasad ◦ wiele cząsteczek DNA tworzy formy koliste ▪ oś dwuniciowej helisy kolistego DNA może sama ulegać zwinięciu, tworząc superhelisę ▪ DNA zwinięty superhelikalnie jest bardziej zwarty niż zrelaksowane formy DNA ◦ podczas replikacji oba łańcuchy DNA ulegają rozpleceniu ◦ każdy łańcuch stanowi matryce dla nowo powstałego łańcucha ◦ replikacja DNA jest procesem semikonserwatywnym – każda potomna cząsteczka uzyskuje jeden łańcuch rodzicielski i drugi nowo zsyntetyzowany ◦ replikacja zachodzi z udziałem wielu białek i polimeraz DNA

▪ ▪

              

nowa nić syntetyzowana 5' → 3' polimeraza DNA katalizuje powstanie wiązania fosfodiestrowego wtedy, gdy zasada nowo wchodzącego nukleotydu jest komplementarna do zasady będącej w łańcuchu ▪ polimerazy DNA są enzymami sterowanymi przez matrycę DNA ▪ niektóre wirusy podczas cyklu życiowego posiadają jednoniciowe DNA, które w zainfekowanym organizmie gospodarza dobudowuje komplementarny odcinek, dzięki czemu powstaje forma zreplikowana podwójnej helisie ◦ materiał niektórych wirusów – RNA ▪ w replikacji bierze udział polimeraza RNA – zależna od RNA ◦ retrowirusy (np. onkogenne RNA HIV) – od RNA do DNA (odwrotny niż powszechnie występujący) ▪ RNA transkrybowany do dwuniciowego DNA przez odwrotną transkryptazę (polimeraza DNA zależna od RNA) RNA – długa nierozgałęziona cząsteczka cukier – ryboza zasady azotowe: adenina, uracyl, guanina, cytozyna ▪ A=U ▪ G≡C różne rodzaje RNA: ▪ zaledwie 75 nukleotydów lub nawet kilka tysięcy ▪ zwykle z pojedynczej nici, wyjątek – dwuniciowe RNA niektórych wirusów obecne rejony o budowie dwuniciowej helisy – nazywane spinkami do włosów mRNA – RNA informacyjne: ▪ matryca do syntezy białek tRNA – RNA transportujące: ▪ przenosi zaktywowane aminokwasy do rybosomów ▪ zbudowane z 75 nukleotydów – najmniejsze RNA w organizmach rRNA – RNA rybosomalne: ▪ główny składnik rybosomów ▪ podczas biosyntezy białka pełni funkcje katalityczne i strukturalne snRNA – niskocząsteczkowe RNA jądrowe ▪ usuwa introny i łączy eksony ▪ uczestniczy splicingu RNA typowa bakteria 0,5 – 1 mikrograma RNA (6% masy) komórka ssaków – 20-30 mikrograma RNA (1% masy) podział: ◦ RNA kodujące i niekodujące RNA kodujące – mRNA będące transkryptami genów, ulegają translacji białek w drugim etapie ekspresji genomu, rzadko stanowi więcej niż 4% całego RNA, określany jako transkrypton okres półtrwania bakteryjnego RNA → nie więcej niż kilka minut u eukariontów → większość degradowana w ciągu kilku godzin po syntezie

 RNA niekodujące – transkrypty o różnych funkcjach, rRNA (>80% całego RNA w aktywnie dzielących się bakteriach), tRNA, inne rodzaje specyficzne dla bakterii i eukariontów ◦ eukarionty → rozmaite krótkie RNA (uRNA/snRNA – bogate w urydyny, małe jąderkowe (miRNA - pełnią funkcje podczas dojrzewania innych cząsteczek RNA) i małe cytoplazmatyczne RNA (scRNA – nieobecne u wszystkich eukariontów), transportującoinformacyjne tmRNA (wyglądają jak tRNA, przyłączone do mRNA, dodają krótkie etykietki peptydowe do białek nieprawidłowo zsyntetyzowanych – przeznaczane do degradacji ◦ obecne cząsteczki prekursorowe – sytnetyzowane wyjściowo jako pre-RNA  etapy dojrzewania RNA: ◦ modyfikacje końców → do końca 5' większości cząsteczek jest dołączony pojedynczy nietypowy nukleotyd (czapeczka), do końca 3' łańcuch poli-A ◦ składanie → usuwanie intronów z pre-RNA ▪ prze-mRNA z niewyciętymi intronami tworzy heterogenne jądrowe RNA

◦

  

     

cięcie → istotne w dojrzewaniu tRNA i mRNA; pre-mRNA i pre-tRNA muszą zostać pocięte na kawałki, aby powstały dojrzałe formy RNA ◦ modyfikacje chemiczne → cząsteczki rRNA i tRNA wszystkich organizmów ulegają modyfikacji (polega na dodaniu nowych grup chemicznych dołączanych do bardzo specyficznych nukleotydów w obrębie każdego rodzaju RNA), obróbki chemiczne – redagowanie RNA, nie jest powszechne, występuje u kilku grup eukariontów niektóry prokariotyczne mRNA i tRNA zawierają introny ◦ u bakterii bardzo rzadko występują introny Forma DNA opisana przez Watsona i Cricka to forma B-DNA, ma określone cechy opisane na początku. Mówi się, że głównie ta forma występuje w komórce. Najważniejsze zmiany konformacyjne: ◦ rotacja w obrębie beta-N-glikozydowego, obejmuje zmianę ▪ zmiana zasady wpływa na względne położenie polinukleotydów ▪ prowadzi do zmian w ogólnej strukturze helisy ▪ wymiary zmieniają się wraz ze zmianą wilgotności włókien ▪ zmodyfikowana forma A-DNA ma średnice 2,55nm, a przyrost wynosi 0,29nm, skok helisy 3,2nm (11 par na skręt) ◦ obrót wokół wiązania między 3' a 5' reszty cukrowej ▪ obrót wokół wiązania wpływa na konformację szkieletu cukrowo-fosforanowego B', C, C', C-bis DNA→ wszystkie są prawoskrętne Z-DNA → lewoskrętny, średnica 1,84nm (cieńszy) B-DNA: dwa rowki → większy i mniejszy A-DNA: dwa rowki → większy i mniejszy (płytszy i szerszy niż B-DNA) Z-DNA: jeden rowek → bardzo wąski i głęboki Obecność rowków powoduje, że nie trzeba rozrywać helisy, aby odczytać informację nukleotydów.

Wykład 2  Kod genetyczny ◦ algorytm zależności aminokwasów i jedno lub trójliterowych sekwencji genetycznych ◦ jest powszechny i uniwersalny ◦ wszystkie organizmy posługują się DNA ◦ syntetazy aminoacylowe-tRNA katalizują translację DNA ◦ Obróbki potranskrypcyjne: ▪ do końca 3' jest przyłączony koniec poli-A (poliadenylowy) ▪ zmodyfikowany RNA w cytoplazmie zostaje precyzyjnie rozszyfrowany w rybosomie wg reguł kodu genetycznego ◦ Biosynteza białka zgodnie z odczytaną informacją genetyczną zawartą w RNA, zachodzi w rybosomie. Znajdują się w nim trzy miejsca: A – przyłączenie adenylo czegoś tam, P – peptydylo-tRNA, E – miejsce ostatniego wiązania białka przed wyjściem. ◦ Jeden z kodonów terminujących, koduje selenocysteinę (21 aminokwas determinowany kodem genetycznym). ◦ 76 angstremów – odległość między dwoma domenami RNA. ◦ 1 zasada antykodonu i 3 zasada kodonu oddziałują zgodnie z zasadą tolerancji. ◦ Kod genetyczny nie jest stały i ulega ewolucji. Znane są odstępstwa od kodowania – stwierdzone w mitochondriach i w niewielkiej ilości w DNA jądrowym. ▪ Opisano 9 znanych odstępstw (6 z nich w mitochondriach, 3 w genach jądrowych): ▪ wykazano, że kodon izoleucyny (AUA) w mitochondriach koduje również metioninę ▪ odkrycia zasad kodowania w mitochondriach doprowadziło do weryfikacji zasady tolerancji w oddziaływaniach kodon-antykodon i w rodzinie genów antykodon UNN może być rozpoznawany przez 4 kodony, natomiast antykodon UMN może być tylko przez 2 kodony ◦ Wiązania .. nie są jedynym czynnikiem odpowiedzialnym za działanie kodon-antykodon, a po drugie, że sekwencja antykodonu nie gwarantuje jednoznaczności antykodonu tylko w oparciu o tworzenie wiązań wodorowych typu Watsona-Cricka. Analiza kodu genetycznego nie może ograniczać się tylko do analizy sekwencji genów, ale powinna również uwzględniać strukturę I-rzędową tR...