Egy vagy több nukleotid mutációja megváltoztathatja a fehérje szerkezetét és működését

Átírás

1 Egy vagy több nukleotid mutációja megváltoztathatja a fehérje szerkezetét és működését Mutáció: egy sejt genetikai anyagában létrejövő hirtelen véletlenszerű változás, aminek hatására az a sejt és az abból származó összes sejt külső megjelenésben vagy viselkedésben a normál típushoz képest eltér. pont mutáció esetén a kémiai változás a gén csak egy bázispárját érinti DNS templát szálán egy nukleotid cseréje abnormális fehérje szintézisét eredményezheti

2 Pontmutáció hatása a hemoglobinban: Vad típusú hemoglobin Sarló sejtes hemoglobin Vad típusú hemoglobin DNS C T T G Mutáns hemoglobin DNS C T G T mrns G mrns G U Normál hemoglobin Glu Sarló sejtes hemoglobin Val

3 Mutagének Spontán mutációk előfordulhatnak a DNS replikációja, javítása alatt vagy rekombináció miatt mutagén olyan fizikai vagy kémiai hatás, melynek kövtkeztében nő a mutánsok száma egy populációban. Kis szakaszt érintő mutációk típusai génen belüli pont mutációkat két általános csoportra oszthatjuk: nukleotid-pár cserék/szubsztitúciók Egy vagy több nukleotid-pár beékelése/inzerciója vagy kiesése/deléciója

4 Szubsztitúciók nukleotid-pár szubsztitúció esetén a nukleotid párt egy másik váltja fel Silent - "csendes" mutáció az, amikor a kodon változik, de ugyanazt az aminosavat jelenti továbbra is Neutral - semleges hatású mutáció, mivel a mutáció következtében egy aminosav egy másik, de hasonló tulajdonságú aminosavra változik Missense - megváltozott értelmű mutáció következtében egy aminosavat jelentő kodon úgy változik meg, hogy az eredeti aminosavat helyettesíteni képtelen új aminosav beépülését eredményezi. Nonsense "értelmetlen"mutáció az, amikor aminosavat nem jelentő kodon keletkezik, azaz egy kodon stop kodonra változik.

5 Vad típus DNS templát szál T C T T C C C G T T T G G T T T G G C T mrns Protein mino terminális U G G U U U G G C U Met Lys Phe Gly (a) nukleotid-pár szubsztitúció: silent (csendes) G helyett Stop Karboxil terminális T C T T C C C T T T G G T T T G G T T C helyett U U G G U U U G G U U Met Lys Phe Gly Stop

6 Vad típus DNS templát szál T C T T C C C G T T T G G T T T G G C T mrns Protein mino terminális U G G U U U G G C U Met Lys Phe Gly (a) nukleotid-pár szubsztitúció: missense C helyett T Stop Karboxil terminális T C T T C T C G T T T G G T T T G C T G helyett U G G U U U G C U Met Lys Phe Ser Stop

7 Vad típus DNS templát szál T C T T C C C G T T T G G T T T G G C T mrns Protein mino terminális U G G U U U G G C U T helyett Met Lys Phe Gly (a) nukleotid-pár szubsztitúció: nonsense Stop Karboxil terminális T C T C C C G T T T G T G T T T G G C T helyett U U G U G U U U G G C U Met Stop

8 Inzerciók és deléciók Inzerciók és deléciók nukleotid párok hozzáadódását vagy hiányát jelentik a gén szekvenciájában. Gyakrabban okozzák a fehérje hibáját, mint a szubsztitúciók. Hatásuk gyakran ún. frameshift mutáció kereteltolódást okozó mutáció, ahol egy vagy több bázispár kiesés, beékelődés hatására a leolvasási keret a kódoló szekvencián belül eltolódik, így a mutáció helye után a DNS teljesen más aminosav sorrendet határoz meg.

9 Vad típus DNS templát szál T C T T C C C G T T T G G T T T G G C T mrns Protein mino terminális U G G U U U G G C U Met Lys Phe Gly (b) nukleotid-pár inzerció vagy deléció: a kereteltolódás azonnal nonsense mutációt okoz Extra Stop Karboxil terminális T C T T C C G G T T T G T G T T T G G C T Extra U U G U G U U U G G C U Met Stop 1 nukleotid-párinzerciója

10 Vad típus DNS templát szál T C T T C C C G T T T G G T T T G G C T mrns Protein mino terminális U G G U U U G G C U Met Lys Phe Gly (b) nukleotid-pár inzerció vagy deléció: kereteltolódás kiterjedt missense mutációt okoz Stop Karboxil terminális hiányzik T C T T C C C G T T T G G T T G G C T U hiányzik U G G U U G G C U Met Lys Leu la 1 nukleotid-párdeléciója

11 Vad típus DNS templát szál T C T T C C C G T T T G G T T T G G C T mrns Protein mino terminális U G G U U U G G C U Met Lys Phe Gly Stop Karboxil terminális (b) nukleotid-pár inzerció vagy deléció: nincs kereteltolódás, de egy aminosav többlet vagy hiány van T T C hiányzik T C C C G T T T G T T T G G C T G hiányzik U G U U U G G C U Met Phe Gly Stop 3 nukleotid-párdeléciója

12 prokarióta, archea és eukarióta génexpresszió összehasonlítása baktériumok és eukarióták az RNS polimerázukban, az átírás befejezésében és a riboszómáikban különböznek; az archaea-k ezekben a tulajdonságokban inkább az eukariótákra hasonlítanak baktériumok egyidejűleg tudnak egy gént átírni és transzlálni Eukariótákban az átírás és a transzláció a sejtmaghártya miatt térben elkülönül rchaea-kban az átirás és a transzláció gyakran kapcsolt

13 Kapcsolt génátírás és transzláció baktériumokban RNS polimeráz DNS Poliriboszóma mrns RNS polimeráz átírás iránya 0.25 µm DNS Poliriboszóma polipeptid (N terminális) Riboszóma mrns ( vég)

14 génexpresszió szabályozása z egysejtű pro- és eukarióták a környezet változásainak megfelelőenfolyamatosan változtatják a génexpressziójukat Soksejtű eukariótákban a génexpresszió szabályozza a fejlődés folyamatát és felelős az egyes sejttípusok kialakulásáért. Ezek zavara fejlődési rendellenességekhez vagy pl. teratómákhoz vezethet. Teratóma: olyan daganat, melyben a test többféle szövetére jellemző strukrúra képződik

15 Génkifejeződési mintázat egy fejlődő légyembrióban

16 baktériumok környezetük megváltozására a transzkripciójuk szabályozásával reagálnak természetes szelekció azokat a baktériumokat részesítette előnyben, akik akkor állítottak elő termékeket, amikor a sejtnek arra szüksége volt. sejt képes szabályozi a termék termelését egy visszaható gátlással vagy az adott gén szabályozásával génexpresszió baktériumokban az operon modell szerint szabályozódik

17 Visszaható gátlás Prekurzor Enzim 1 trpe gén trpd gén Génexpresszió szabályozása Enzim 2 Enzim 3 trpc gén trpb gén trp gén Tryptophan (a) Enzim aktivitás szabályozása (b) z enzim termelésének szabályozása

18 Operonok: az alapmodell Funkcionálisan rokon gének csoportját egyszerű be-ki kapcsoló segítségével lehet összehangoltan szabályozni szabályozó kapcsoló a DNS egy operátornak nevezett szakasza, mely leggyakrabban a promóter régióban található z operon a DNS olyan szakasza, mely magába foglalja az operátort, a promótert és az általuk szabályozott géneket.

19 z operont a represszornak nevezett fehérje tudja kikapcsolni represszor megakadályozza a gének átírását úgy, hogy köt a operátorhoz, és gátolja az RNS polimerázt represszor egy független ún. regulátor gén terméke represszor fehérje lehet aktív vagy inaktív állapotban attól függően, hogy más molekulák jelen vannak-e korepresszor olyan molekula, mely együttműködik a represszorral az operon szabályozásában

20 Promóter Promóter trp operon z operon génjei DNS trpr trpe trpd trpc trpb trp Regulátor gén mrns RNS polimeráz Operator Start kodon Stop kodon mrns E D C B Fehérje Inactív represszor (a) Triptofán hiányzik, represszor inaktív, operon bekapcsolva DNS mrns Fehérje Triptofán (korepresszor) (b) Triptofán jelen van, represszor aktív, operon off Nem készül RNS ktív represszor Polipeptid alegységek,melyek a triptofán bioszintézis enzimjeit alkotják Például az E. coli képes a triptofán aminosav bioszintézisére lapállapotban a trp operon ON állapotban van, és a triptofán szintézis génjei átíródnak Ha a triptofán jelen van, köt a trp represszorhoz, ami kikapcsolja a trp operont represszot csak a korepresszor triptofán jelenlétében aktív

21 DNS mrns Protein Regulátor gén laci Promóter RNS polimeráz ktív represszor Operator (a) laktóz hiányzik, represszor aktív, operon off lacz Nincs RNS képzés lac (laktóz - tejcukor) operon egy indukálható operon és olyan géneket tartalmaz, melyek a laktóz metabolizmusához kellenek alapállapotban a lac represszor aktív és a lac operont kikapcsolt állapotban tartja z induktornak nevezett molekula inaktiválja a represszort és a lac operont bekapcsolja lac operon DNS laci lacz lacy lac mrns RNS polimeráz mrns Protein β-galaktozidáz Permeáz Transzacetiláz llolaktóz (induktor) Inaktív represszor (b) laktóz jelen van, represszor inaktív, operon on

22 Promóter Pozitív génexpresszió szabályozás DNS laci CP-kötőhely cmp Inaktív CP ktív CP llolaktóz lacz RNS Operator polimeráz köt és a transzkripció fut Inaktív lac represszor (a) laktóz jelen van, glükóz kevés van (cmp-szint magas): nagy mennyiségű lac mrns szintetizálódik DNS laci CP-kötőhely Inaktív CP Promóter lacz Operator RNS polimeráz kevésbé tud kötődni Inaktív lac represszor (b) laktóz jelen van, glükóz jelen van (cmp-szint alacsony): kevés lac mrns szintetizálódik Számos operon pozitív szabályozás alatt is áll; ez esetben transzkripciós aktivátorok segítik a gének átírását, ilyen a katabolit aktivátor fehérje (CP) Ha a glükóz-szint (a baktérium inkább ezt szereti használni) alacsony, a CP aktiválódik, mert köti a ciklikus MP-t (cmp) z aktivált CP a lac operon protóteréhez kapcsolódik és az RNS polimeráz kötési affinitását növeli, így gyorsítja a transzkripciót Ha a glükóz-szint emelkedik, a CP lekapcsolódik a lac operonról, és a transzkripció visszatér a normál szintre CP más katabólikus útvonalban részt vevő enzimek termelését is segíti

23 Szignal DNS RNS Sapka z mrns lebomlása Gene NUKLEUSZ kromatin kromatin midifikácó: DNS kicsomagolása Hiszton acetiláció és DNS demetiláció Gén elérhető a transzkripcióra Transzkripció Exon elsődlegesátirat Intron RNS processzálás Farok mrns a sejtmagban Transzport CITOPLZM mrns a citoplazmában Transzláció z eukarióta génexpresszió számos lépésen át szabályozott Minden sejt a szervezetben genetikailag azonos különböző sejttípusok között megfigyelhető különbség a differenciális génexpresszió eredménye, vagyis az azonos genomú sejtek eltérő géneket fejeznek ki. gének expressziója számos ponton szabályozható Polipeptide Fehérje módosítás, pl. hasítás vagykémiai modifikáció fehérje lebonlása ktív fehérje sejtmegfelelő pontjára szállítás Sejtfunkció (pl. enzimatikus aktivitás, szerkezeti funkció)

24 kromatin struktúrájának módosítása DNS a sejtmagban hiszton fehérjékhez kapcsolódik (kromatin) és különböző kondenzáltságú állapotban van DNS kettős helix (2 nm átmérő) Nukleoszóma (10 nm átmérő) DNS, a kettős hélix Hisztonok Hisztonok Hiszton farok H1 Nukleoszómák, gyöngysor szerkezet(10-nm szál)

25 Kromatida (700 nm) 30nm-es szál Hurkok Állvány 30nm-es szál 300-nm fiber z erősen csomagolt heterokromatikus régióban lévő gének általában nem fejeződnek ki kromatin DNS-ének és hisztonjainak kémiai módosítása megváltoztatja a kromatin szerkezetét és így a génátíródást hurkolt szakaszok (300nm-es szál) Replikált kromoszóma (1,400 nm) metafázisos kromoszóma

26 kémiai modifikáció számára elérhető aminosavak Nukleoszóma hiszton farkak DNS kettős helix (a) hisztonok farki része kilóg a nukleoszómából Nem-acetilált hisztonok cetilált hisztonok (b) hisztonok farki részének acetilációja lazítja a kromatin szerkezetét HISZTON MÓDOSÍTÁS hiszton acetiláció során acetil csoportok kapcsolódnak a hisztonok pozitívan töltött lizin oldalláncaihoz (a hisztonok farki részén) Ez fellazítja a kromatin szerkezetet, így elősegítii a transzkripció iniciációs szakaszát metil csoportok hozzáadása (metiláció) kondenzálja a kromatint; ugyanakkora metilált aminosavak melletti foszforiláció lazítja a kromatint

27 DNS metiláció DNS metilációja, a bázisok metilcsoporttal való ellátása, a legtöbb fajban csökkenti a transzkripciót DNS metilációja azadott gén hosszú idejű inaktivációját okozhatja a fejlődés során szülői imprinting során metiláció szabályozza hogy az anyai vagy az apai allélok fejeződjenek-e ki a fejlődés kezdetén z X kromoszóma inaktivációját is részben metiláció okozza.

28 Epigenetikus öröklődés Bár a kromatin módosítások nem változtatják meg a DNS szekvenciáját, de átadódhatnak a sejt utódaiba Ezt az öröklődési formát epigenetikus öröklődésnek nevezzük

29 Egy tipikus eukarióta gén szerkezete Enhanszer (disztális szabályozó elemek) DNS Proximális szabályozó elemek Poli- Transzkripció szignál Transzkripció start helye szekvencia terminációs régiója Exon Intron Exon Intron Exon Upstream elsődleges RNS átirat (pre-mrns) Promóter Transzkripció Downstream Poli- szignál Exon Intron Exon Intron Exon az elsődleges átirat levágott RNS processzálás vége Intron RNS Kódoló szakasz mrns G P P P Sapka UTR Start kodon Stop kodon UTR Poli- farok

30 transzkripciós faktorok és az enhanszerek szerepe transzkripció elindulásához az eukarióta RNS polimeráztranszkripciós faktorok jelenlététigényli z enhanszerek távoli (upstream) szabályozó elemek (gyakran intronban helyezkednek el) z aktivátor az enhanszerhez köt és segíti az adott gén átírását

31 DNS Enhancer ktivátorok Disztális szabályozó elemek DNS-t hajlító fehérje Promóter Gén TT box Általános transzkripciós faktorok Szabályozó fehérjék RNS polimeráz II Transzkripciós iniciációs komplex RNS polimeráz II RNS szintézis

32 dott aktivátorok jelenléte, sejtsorsra jellemző géneket aktivál. Szabályozó elemek vailable activators Enhancer LIVER CELL NUCLEUS Promóter lbumin gén Crystallin gén vailable activators LENS CELL NUCLEUS lbumin gene expressed lbumin gene not expressed Crystallin gene not expressed Crystallin gene expressed (a) Liver cell (b) Lens cell

33 RNS processzálás Exonok DNS Troponin T gén elsődleges RNS transzkript RNS splicing mrns vagy

34 kromatinmósosítás z erősenkondenzált kromatinban található gének általában represszáltak hiszton acetilációlazítja a kromatinszerkezetét és segíti a traszkripciót Transzkripció transzkripció iniciációjának szabályozása: DNS szabályozó elemeiaz enhanszerekben specifikustranszkripciós faktorokatkötnek DNS metilációáltalában gátolja a génexpressziót DNS meghajlása miatt az aktivátorfehérjék kölcsönhatásba lépnek a promóternél lévőkkel, elindítva a transzkripciót Koordinált szabályozás: Máj specifikus gének enhancere lencse specifikus gének enhancere kromatin módosítás mrns degradáció Transzkripció RNS processzálás Transzláció Protein processzálás és degradáció mrns degradáció Minden mrns jellemző életidővelrendelkezik, melyet részben az és UTR szekvenciák szabnak meg. RNS processzálás lernatív RNS splicing: elsődleges RNS átirat mrns vagy Transzláció transzláció iniciációját iniciációs faktorok szabályozzák. Protein processzálás és degradáció Protein processzálás és proteoszómális degradáció a szabályozás alapjaezen a szinten.

35 nem-kódoló RNSek sokrétű szerepet játszanak a génexpresszió szabályozásában DNS-nekcsak egy kis része kódol fehérjéket, és a DNS nem fehérje kódoló részének egy nagyon kis része tartalmazza az RNSek (rrns, trns) génjeit genom egy jelenzős része ún. nem-kódoló RNSekké íródik át (noncoding RNSs - ncrnss) nem kódoló RNSek a génexpressziót két ponton szabályozzák: mrns transzláció kromatin konfiguráció

36 z mrnseken a mikrornsek és a kis interferáló RNSek hatnak MikroRNSek (mirns) kis egyszálú RNS molekulák, amikkötnek az mrnshez elindíthatják az mrns degradációját vagy blokkolhatják a transzlációt

37 Hairpin mirns Hidrogén kötés Dicer (a) elsődleges mirns átirat mirns mirnsprotein komplex mrns degradált Transzláció blokkolt (b) mirnsek képződése és szerepe

38 z RNS molekulák segítségével megvalósított génexpresszió gátlás az RNS interferencia (RNSi) RNSi-t kis interferáló RNSek (small interfering RNSs - sirnss) okoznak z sirnsek és mirnsek hasonlóak, de különböző RNS prekurzorból képződnek

39 kromatin modifikáció kromatin modifikáció Kicsi vagy nagy nem-kódoló RNSek elősegíthetik a heterokromatin kialakulását, így blokkolva a transzkripciót. Transzkripció RNS processzálás Transzláció mirns vagy sirns blokkolhatja az adott mrns transzlációját. mrns degradáció Transzláció Protein processzálás és degradáció mrns degradáció mirns vagy sirns specifikusan kijelölhet egy mrns-t a degradációra.