Молекулярная биология Скоблов Михаил Юрьевич Лекция 3 кислот. Часть 1.

реклама
Молекулярная биология
Лекция 3. Функции нуклеиновых
кислот. Часть 1.
Скоблов Михаил Юрьевич
Часть 1. История исследования
функции ДНК
Происхождение ДНК
Земное!
Внеземное?
Эксперимент Миллера — Юри
Теория химической эволюции
Ученые из NASA проанализировали состав
12 богатых углеродом метеоритов, 9 из
которых найдены в Антарктике. В них были
обнаружены компоненты ДНК такие как
аденин, гуанин, а также и другие
клеточные компоненты - гипоксантин и
ксантин.
История изучения ДНК
• В 1869 году Фридрих Мишер обнаружил неизвестное
соединение, содержащееся в ядрах клеток, и назвал его
нуклеином, от латинского nucleus — ядро.
Эксперимент Эвери, Маклеода и Маккарти по трансформации бактерий. 1944 г.
История изучения ДНК
Эксперимент Эвери, Маклеода и Маккарти по
трансформации бактерий. 1944 г.
Вторая серия…..
Вывод:
Только ДНК определяет
наследственные свойства организма.
Реализация ДНК как генетического материала
У каждого живого организма есть наследственный материал
Реализация ДНК как генетического материала
Размер генома человека 3,2x109
нуклеотидных пар, из него около
1.5% генома кодирует белки
А остальное?
“junk DNA”?
Реализация ДНК как генетического материала
Плотность генов,ген/тыс.нукл.
Прокариоты и вирусы
Эукариоты
Размер генома, тыс. нукл.
Реализация ДНК как генетического материала
Гены организованы по разному:
Ген А
Размер генома человека
3,2x109 нуклеотидных
пар, из него около 30%
генома кодирует гены
кодирующие белки
мРНК гена А
А остальное?
У прокариот:
“junk DNA”?
У эукариот:
Ген А
мРНК гена А
Реализация ДНК как генетического материала
Парадокс:
С эволюционной сложностью организма
растёт и доля ДНК не кодирующей белки…
Реализация ДНК как генетического материала
Структура генома человека
Информационная емкость ДНК
Демонстрация записи текста целой книги Чёрча в
1 пикограмм молекул.
Авторы кодировали не текст ASCII, а бинарный код
—книгу Чёрча, с сохранением форматирования
HTML и иллюстраций JPEG. Перед записью код
разбили на 96-битные блоки. Общий объём
записанной информации составил 54898 таких
блоков, то есть примерно 643 килобайта, включая
служебную информацию — 19-битный уникальный
адрес каждого блока (на диаграмме внизу он
изображён красным цветом).
В
данном
эксперименте
достигнута
информационная плотность записи 5,5 петабит на
кубический миллиметр.
Информационная емкость ДНК
Исследователи
из
Европейского
института
биоинформатики опубликовали работу с описанием
способа, как можно существенно повысить
информативность ДНК, предложив отказаться от
четверичной системы (Base-4) в пользу троичной
(Base-3), а четвёртый нуклеотид использовать в
служебных целях для разбиения длинных цепочек
Информационная плотность
записи 2,2 петабайта на 1
грамм
биологического
материала.
На сегодняшний день стоимость
кодирования информации в ДНК
оценивается примерно в $12400 за
мегабайт, стоимость считывания
— $220 за 1 МБ.
Часть 2. Функции ДНК
Анализ первичной структуры ДНК и её функции
Что? Где? Когда?
Проект ENCODE
Полученные данные позволяют провести фактически полноценный анализ по
исследованию регуляции изучаемого локуса.
Гены
Найти ген – значит картировать РНК на ДНК,
проаннотировать эту последовательность.
«Ген – это совокупность геномных последовательностей,
кодирующих
сцепленный
набор
потенциально
перекрывающихся функциональных продуктов».
Гены
Псевдогены. Классификация.
(процессированый)
(единичный)
(дуплицированный)
Процессированные псевдогены
Виды
Количество
генов
Количество
процессированных
псевдогенов
Arabidopsis
33583
4260
Caenorhabditis elegans
21187
2445
Drosophila melanogaster
22372
2208
Danio rerio
34291
16357
Gallus gallus
22720
5539
Canis lupus familiaris
24953
12852
Rattus norvegicus
42743
13962
Mus musculus
58433
19119
Pan troglodytes
32989
16785
13
12
10
48
24
52
33
33
51
Homo sapiens
42000
17609
42
%
?
функциональность
• Образованы 10% кодирующих генов
• Около 80% примато-специфичные
• Значительная фракция псевдогенов (до 20%) транскрипционно активна…
Механизмы действия процессированных псевдогенов
Псевдогены и miRNA
“PTEN is a functionally
haploinsufficient tumour
suppressor gene”.
• В нормальных образцах и рака простаты
найдена прямая корреляция экспрессии
между PTEN и PTENP1
• Локус PTENP1 селективно теряется при раке
•3’ UTR PTENP1 проявляет активность
опухолевого супрессора
miR-17
miR-21
miR-214
miR-19
miR-26
Регуляторные участки в геноме
Промотор — последовательность
нуклеотидов ДНК, узнаваемая РНКполимеразой для осуществления
транскрипции.
мРНК гена А
ТАТА-бокс - консервативная, богатая аденином и тимином последовательность
ДНК, выявленная примерно у четверти генов человека на расстоянии 25-30 п. о.
слева («вверх по течению») от точки инициации транскрипции. ТАТА-бокс
обеспечивает ориентацию РНК-полимеразы относительно промотора, участвует в
инициации транскрипции генов.
Регуляторные участки в геноме
Энхансер (enhancer) — последовательность ДНК, способный связываться с
факторами транскрипции, при этом увеличивая уровень транскрипции гена или
группы генов.
Сайленсер (silencer) — последовательность ДНК, с которой связываются факторы
транскрипции (белки-репрессоры), что приводит к понижению или к полному
подавлению транскрипции гена.
Инсулятор (insulator) — последовательность
ДНК, способная блокировать взаимодействие
между энхансером и промотором, если
находится между ними.
Регуляторные участки в геноме
Уровень экспрессии гена является результирующей всех взаимодействий.
Регуляторные участки в геноме
•Проанализировано 19 тканей и типов клеток мыши
•Найдено около 300 000 цис-регуляторных элементов
•Они составляют до 11% генома мыши
•И включают в себя более 70% консервативных не-кодирующих
последовательностей
Регуляторные участки в геноме
Было идентифицировано 295,676 цисрегуляторных последовательностей,
включающих в себя:
• 53,834 возможных промоторов
• 234,764 потенциальных энхансеров
• 111,062 инсуляторов
Анализ консервативности регуляторных элементов
Сами последовательности
высоко консервативны
Однако сравнение их активного
состояния в эмбриональных
стволовых клетках мыши и человека
показало, что только 25% процентов
активных энхансеров и инсуляторов
консервативны.
Повторяющиеся последовательности в ДНК
Простые повторы
Организм
Тандемные
повторы
Диспергированные
повторы
Всего повторов в
Сателлиты и
геноме
простые повторы
Мобильные
элементы
Кукуруза
70%
10%
60%
Рис
35%
9%
26%
Рожь
87%
15%
72%
Нематода
16%
7%
9%
8%
6%
2%
Дрозофила
16%
6%
10%
Москит
95%
11%
84%
Курица
16%
7%
9%
Мышь
62%
15%
47%
Человек
64%
17%
46%
Медовая пчела
Повторяющиеся последовательности в ДНК
Общее число 5 млн, 50% генома
Диспергированные повторы
Тандемные повторы
Сателлиты
Минисателлиты Микросателлиты
> 100 нуклеотидов
от 7 до 100 нукл.
от 1 до 6 нуклеотидов
ATGCGTAGCTAGCAGTAG
CTGACGTACATGCTAACA
TGCTAACATGCTAACATG
CTAACATGCTAACATGCT
AACATGCTAACATGCTAA
CATGCTAACATGCTAACA
TGCTACTAGCAGTAGCTG
ACGTAGACTAGGCTAGC
ATGCGTAGCTAGCAGTAGC
TGACGTACAACAACAACAA
CAACAACAACAACAAATGC
GTAGCTAGCAGTAGCTGAC
GTATAGGCTAGCATGCAGTC
TAGCTAATGCGATCGCATCG
Повторяющиеся последовательности в ДНК
Диспергированные повторы
Транспозоны
мобильные элементы, репликация которых
включает
перемещение
своей
ДНК
последовательности на новое место в
геноме
• 2-3% генома человека
• Примеры: MER1, MER2
Ретротранспозоны
мобильные элементы, которые могут
самовоспроизводиться в геноме,
осуществляя
реакцию
обратной
транскрипции.
• 42% генома человека
• Примеры: Alu, MIR, LINE1, LINE2…..
Открытие мобильных элементов
Нобелевская премия по физиологии и
медицине:
«За открытие мобильных генетических
элементов»
Исследование южноамериканских видов кукурузы
Барбара Мак-Клинток, 1944-1951 гг.
лаборатория Колд-Спринг Харбор
Эффект транспозиции мобильных элементов выражался в
изменении окраски зёрен кукурузы относительно
образцов из поколений от контрольного скрещивания.
Полиморфизм ДНК
Сравнение результатов секвенирования
индивидуальных геномов человека
Gonzaga-Jauregui C, Lupski JR, Gibbs RA.
Human genome sequencing in health and disease.
Annu Rev Med. 2012;63:35-61.
Функционирование вторичной структуры ДНК
Квадруплексы - последовательности нуклеиновых кислот, обогащенные гуанином и
способные образовывать структуры из двух, трёх или четырех цепей.
В геноме человека
насчитывается около
300 тысяч
квадруплексов.
ДНКазимы
• Впервые дезоксирибозимы были экспериментально продемонстрированы в 1994
Брикеро и Джойсом
• Они использовали селекцию in vitro для поиска специфичных ДНК
последовательностей способных катализировать Pb2+-зависимое расщепление
фосфодиэфирной связи в РНК
• Сегодня в литературе описано большое количество различных каталитических
молекул ДНК способных расщеплять, лигировать, фосфорилировать
деапуринизировать молекулы ДНК, метилировать порфирины, расщеплять и
лигировать молекулы РНК.
• Также в литературе описано
несколько десятков случаев
использования in vivo РНКрасщепляющих
дезоксирибозимов для
подавления экспрессии
генов с ориентированием на
будущий прикладной
потенциал.
Скачать