Gener og kromosomer Winnie Eskild, IMBV 2004

Karakteristiske trekk hos levende organismer De er kompliserte og strengt organiserte strukturer De har evne til å ekstrahere, endre og utnytte energi i omgivelsene De vedlikeholder og reproduserer seg selv med stor nøyaktighet De har mekanismer til å oppfatte endringer i miljøet og evne til å respondere på dem Alle komponenter har definert funksjon og regulert interaksjon De gjennomgår evolusjonsmessige endringer

Opprettholdelse av egenart En sentral egenskap ved levende organismer er deres evne til opprettholdelse og videreføring av arten Dette er svært energikrevende Når dette ikke alltid lykkes 100% oppstår mutasjoner Stumme mutasjoner har ingen/liten konsekvens fordi de ikke medfører endring av artens karakteristika Eksempelvis har mennesket 250 forskjellige utgaver av hemoglobin molekylet som transporterer oksygen i blodet. Alle er normale, dvs proteinet fungerer normalt og individet opplever ingen problemer

Opprettholdelse av egenart Radikale mutasjoner medfører endring av artens karakteristika; funksjoner kan endres, forsvinne eller forsterkes De fleste individer med radikale mutasjoner overlever ikke Noen få radikale mutasjoner fører til at et individ klarer seg bedre og vil resultere i videreføring av den endrete funksjon. Her finner en grunnlaget for evolusjonen

Gener Beskrivelsen av de karakteristika som definerer et individ ligger i genene våre Genene utgjør oppskriften for et individ Denne oppskriften ligger lagret i form av en kode, den genetiske koden Den genetiske koden består av DNA og er skrevet med de fire bokstavene G, A, T, C

Gener Et gen kan ses på som den grunnleggende informasjons-enheten for liv Den biokjemiske definisjonen av et gen er et stykke DNA (eller RNA) som inneholder koden for syntese av en biologisk forbindelse Watson og Crick klarla strukturen til DNA dobbelheliksen i 1953 Dette muliggjorde de neste generasjoners enorme fremskritt i forståelsen av hvordan gener kopieres og hvordan den informasjon de bærer blir brakt til uttrykk via de biologiske forbindelsene de koder for Idag kjenner vi sekvensen for menneskets genom

Tre sentrale prosesser i viderebringelse og uttrykk av genetisk informasjon Replikasjon Transkripsjon Translasjon

Replikasjon Replikasjon er kopiering av alt cellens DNA. Finner sted i forbindelse med celledeling. Sørger for at to datterceller får hver sitt fullstendige sett av DNA

Transkripsjon Transkripsjon er kopiering av selekterte gener, hvor genkoden overføres til RNA. Tre typer RNA Ribosomalt RNA (rRNA) er en strukturell del av ribosomet Transfer RNA (tRNA) er bærer av aminosyrer i proteinsyntesen Messenger RNA (mRNA) bærer koden for et protein til ribosomet

Translasjon Translasjon er syntese av protein med mRNA som templat Den enkelte cellen investerer mye energi i disse 3 prosessene for å unngå feil Eksempel: En peptidbinding ville kunne dannes av et enkelt enzym og kreve ca 21 kJ/mol. For å sikre seg mot feil bruker cellen ca 125 kJ/mol og engasjerer over 200 forskjellige biologiske molekyler i denne prosessen

Organisering og pakking av DNA Nesten alle kroppens celler inneholder en fullstendig kopi av genomet vårt (unntak: røde blodceller) Genom: den totale mengde av DNA som definerer den enkelte arten Genomet omfatter alle våre gener plus all det DNA som vi idag ikke kjenner funksjonen til

Organisering og pakking av DNA Genomisk DNA er fordelt i mindre enheter, kromosomer Kromosomer varierer i antall, størrelse og form: liniær eller sirkulær De enkleste former for liv, virus, har de minste genomer vi kjenner til. Virusgenomet er ufullstendig, dvs det inneholder ikke alle de genene som trengs for å opprettholde og videreføre virusen. Virus kan bare reprodusere seg selv i en annen celle, hvor den benytter en del av vertscellens gener Virusgenomet kan bestå av RNA eller DNA (dobbel- eller enkeltrådet)

Organisering og pakking av DNA Bakteriofag T2 har et genom som er 3500 ganger så langt som fagen selv, til trots for at genomet er ufullstendig Pakking av genomet slik at det får plass men samtidig er tilgjengelig for replikasjon og transkripsjon er en enorm utfordring Fag er virus som angriper bakterier

Virus og deres DNA Ca 300 ganger partiklens lengde

Bakterier og deres DNA E.coli har et sirkulært kromosom, ca.5x106 bp I utstrakt form er det 850 ganger bakteriens lengde Har i tillegg plasmider: små sirkulære DNA, ekstrakromosomale, 103-105 bp Kromosomalt DNA er festet til celle-membranen, plasmider er fri i cytosol Plasmider bærer genetisk informasjon og replikeres ved celledeling Plasmider kan bære gener som koder for antibiotika resistens Finnes i bakterier og visse sopparter Hvis E.coli 1 mm => DNA 85 cm

Plasmider Plasmiders funksjon og årsaken til at de finns er ukjent Plasmider med antibiotikaresistens gir grunn til bekymring f.eks koder -lactamasegenet for penicillinresistens Overforbruk av antibiotika i dyrefôr og til behandling av mennesker gir resistente organismer et overlevelsesfortrinn og selekterer dem Plasmider kan overføres mellom forskjellige mikroorganismer Farlige bakterier kan bli resistente, f.eks tuberkulose bakterier

Plasmider Plasmider er helt sentrale innen bioteknologien. Siden de replikeres kan en få lagd store mengder kopier som lett kan skilles fra kromosomalt DNA og dermed isoleres De tillater innsetting av fremmed DNA og kan lage protein med det som templat, rekombinant protein

DNA-mengde Virus har det enkleste genomet vi kjenner til og også det minste Bakterier har noe større genom: E.coli ha f.eks 100 ganger så mye DNA som bakteriofag  Går vi videre til de enkleste eukaryoter øker DNA-mengden igjen. Gjær har 4 ganger så mye DNA som E.coli Avanserte eukaryoter som f.eks. menneske har 600 ganger mere DNA enn E.coli

Ekstrakromosomalt DNA i eukaryoter Hos eukaryoter finner en DNA i mitokondrier og i kloroplaster Mitokondrielt DNA er lite og sirkulært. Ca 16 000 basepar hos menneske Hos menneske utgjør mitokondrielt DNA ca 0,1% av total DNA Mitokondrielt DNA koder for rRNA og tRNA plus noen få mitokondrielle enzymer Størsteparten, ca 95%, av de genene som er aktive i mitokondriet kodes av kromosomalt DNA Mitokondrielt DNA replikeres i mitokondriet som deler seg ved celledeling og har med seg sitt eget DNA

Mitokondrier deler seg

DNA er fordelt i kromosomer

Kromosomer Mennesket har 22 kromosompar og to kjønnskromosomer Kromosomene varierer i størrelse, de største er ca 25 ganger større enn de minste Hvert kromosom består av én DNA dobbeltråd I utstrakt form er hver celles DNA 2 m langt

Kromosomstruktur Hvert kromosom er ett liniært molekyle Kromosomene er de størst biomolekyler vi kjenner Omkring midten av kromosomet finnes sentromeren Et forankringspunkt for mikrotubuli, viktig ved celledeling Telomeren er endesekvensen på kromosomet Rundt sentromeren og telomeren finnes områder med tusenvis av kopier av enkle DNA sekvenser, satelitt DNA. Områder med repetisjoner av sekvenser uten funksjon telomer sentromer telomer

Sentromeren Forankringspunkt for mikrotubuli. Under celledeling festes hvert av to like kromosompar til hvert sitt mikrotubulinettverk som fordeler dem i hver sin celle Gjær sentromeren er isolert. Består av 130 basepar med mye A og T Høyere eukaroter har større sentromerer med enkel, repetert sekvens. F.eks sekvenser på 5-10 basepar gjentatt tusenvis av ganger. Funksjonsdetaljer er ukjente.

Telomeren Telomerens rolle er å holde sammen DNA trådene i enden av kromosomet Gjærtelomeren er isolert. Består av litt upresise gjentakelser av et sekvensmotiv på ca 100 basepar: 5’-(TxGy)n 3’-(AxCy)n 1< x,y <4 20 < n < 100 i prokaryoter 1500 < n i eukaryoter Telomeren settes på etter replikasjon. Enzymet er telomerase

Repeterte sekvenser LINE: long interspersed element SINE: short interspersed element Bl.a. Alu elementer SSR: simple-sequence repeats SD: large segmental duplications

Repeterte sekvenser Finnes i eukaryot DNA. Satellitt DNA. Eksempel fra mus: Hyppig repeterte sekvenser (highly repetitive): 10 basepar gjentatt flere millioner ganger. Disse utgjør ca 10% av musegenomet Ofte repeterte sekvenser (moderately repetitive): 150-300 basepar gjentatt 1000 ganger eller mere. Utgjør ca 20% av musegenomet. Utover noen få antatte funksjoner, anses repeterte sekvenser å være fyll-DNA

Repeterte sekvenser De resterende 70% av musegenomet består av unike sekvenser og noen få repetisjoner Blant de ”moderately repetitive” sekvenser finner en transposoner og Alu-sekvenser. Hos menneske utgjør Alu-sekvenser 1-3% av genomet. Det antas at 5-10% av det hunam genom består av repeterte sekvenser

Genstruktur Genene våre omfatter flere typer sekvens: eksoner: sekvenser som uttrykkes i form av biologiske forbindelser introner: sekvenser som ikke uttrykkes. Deres funksjon er stort sett ukjent. Her finnes regulatoriske sekvenser som bestemmer hvor ofte et gitt gen skal uttrykkes. Disse områder definerer også transkripsjons-start og -slutt. Ekson Intron

Ekson/intron ratio og størrelse Antall introner i et gen varierer fra ingen i histonene til 50 (collagengenet ) eller flere Introndelen av et gen varierer sterkt: fra null til 85% (kylling ovalbumin) eller mere Intronstørrelsen varierer sterkt. I genet for -subenheten av hemoglobin utgjør ett av intronene over halvparten av genet. Introner med mindre enn 100 basepar er beskrevet Titin (muskelprotein) har 178 introner

Genet er koliniært med sitt produkt DNA RNA Protein

DNA supercoil DNA er en dobbelheliks I liniær form er det maksimal avstand mellom de enkelte omdreininger i heliksen, men ikke lengre enn at hydrogenbindingene mellom hver omdreining stabiliserer strukturen Dette kalles ”relaxed” tilstand (avslappet)

DNA supercoil Bøyes heliksen minker avstanden mellom omdreiningene på heliksens ene side samtidig den øker på den andre siden Heliksen tåler noe bøyning uten å bli ustabil Denne bøyningen gir mulighet for supercoiling som er nødvendig for pakking i høyere strukturer Både kromosomalt og plasmid DNA danner supercoils

DNA supercoil

Kromatin og kromosomer Kromosomer som synlige, definerte strukturer foreligger bare i forbindelse med celledeling Når en celle ikke deler seg foreligger DNA som kromatin Kromatin består av DNA spunnet runt et proteinkompleks, nukleosomet Det er ca like mye DNA og protein Proteinene er hovedsaklig histoner. Det finnes også en del regulatoriske proteiner

Histoner Finnes i alle eukaryote celler Histoner er små proteiner: 11-21 kDa Histoner er basiske proteiner: ca 25% aminosyrer er Lys eller Arg Fem typer: H1, H2A, H2B, H3, H4

Histoner

Histoner H3 og H4 er sterkt konserverte Av H4s 102 aa er bare to forskjellige mellom ku og erteplante. Mellom gjær og human H4 er 8 aminosyrer forskjellige H1, H2A og H2B er noe mindre konserverte Post-translasjonell modifikasjon gir variasjon innen hver type: metylering, ADP-ribosylering, fosforylering og acetylering Post-translasjonell modifikasjon endrer nettoladning, konformasjon og funksjon. Disse ting påvirker transkripsjonen

Sammenpakking av DNA I kromosomet er DNA 104 ganger mere sammenpakket enn i kromatin Sammenpakningsnivåene er - nukleosomet - 30 nm fiberen - loopen - rosetten - kromatiden

Nukleosomet Ett nukleosom per ca 200 basepar DNA Nukleosomet består av en proteinkjerne (histoner) med DNA kveilet rundt Histonkjernen består av to stk H2A, H2B, H3, H4, ialt 8 stk 146 basepar DNA kveiles nesten to ganger rundt histonkjernen Ca 54 basepar DNA danner forbindelsen til neste nukleosom H1 bindes til denne DNA-forbindelsen Ca 7 X sammenpakning

30 nm fiberen 30 nm fiberen er en spiralstruktur lagd av nukleosomperlekjedet Noen områder av kromosomet har ikke denne strukturen Ca. 100 ganger sammenpakning

Loop’en (løkken) Loop’en består av ca 2-10 X 104 basepar Hver loop en festet til et skjelett av protein; H1, topoisomerase II og andre Genene i en loop er ofte relaterte, f.eks deltar i samme reaksjonsvei

Rosetten Seks loops festet til proteinskjelettet danner en rosett Rosettene ligger etter hverandre som skiver på en tråd

Coil og kromatid Rosettskivene kveiles i en spiral som kalles en coil. 30 rosetter per omdreining i spiralen Hele spiralen kalles kromatid

Bakterielt kromosom Prokaryoter har ingen kjerne DNA ligger delvis sammenpakket i nukleoiden Nukleoiden utgjør en stor del av celle-volumet Kromosomet er festet til celle-membranen et eller flere steder Et proteinskjelett organiserer DNA i store loops

Bakterielt kromosom Bakterier har mye histoner men de deltar ikke i sammenpakking av DNA Bakterielt DNA er ikke stabilt sammenpakket på noe tidspunkt Kort livssyklus (15 min) antas å forhindre organisert sammenpakking