Az öröklődés molekuláris alapjai ban mutatta be James Watson és Francis Crick elegáns kettős hélix modelljét a DNS szerkezetének magyarázatára

Átírás

1 z öröklődés molekuláris alapjai 1953-ban mutatta be James Watson és Francis Crick elegáns kettős hélix modelljét a DNS szerkezetének magyarázatára

2 z örökítőanyag keresése: mikor T. H. Morgan csoportja megmutatta, hogy a gének a kromoszómákon találhatóak, a kromoszómák mindkét komponense (DNS és fehérje) lehetséges örökítőanyag volt bizonyítás kulcsa a megfelelő kísérleti organizmus kiválasztása volt DNS öröktésben játszott szerepét elsőként baktériumokban és az azokat megfertőző vírusokban (bakteriofág) fedezték fel

3 Bizonyíték, hogy a DNS baktériumokat transzformál 1928-ban Frederick Griffith a Streptococcus pneumoniaekét törzsét tanulmányozta:az egyik (S) tüdőgyulladást okoz, az másik (R) vonal viszont nem-patogén Ha hővel elöl S törzset összekeverte R sejtekkel, az R sejtek patogének lettek.

4 KÍSÉRLET Élő S sejtek (kontroll) élő R sejtek (kontroll) Hővel elölt S sejtek (kontroll) Hővel elölt S sejtek és élő R sejtek keveréke EREDMÉNYEK elpusztult egészséges egészséges elpusztult élő S sejtek

5 megfigyelt jelenséget transzformációnak nevezte el ben Oswald very, Maclyn McCarty és Colin MacLeod leközölték, hogy a transzformáló anyag a DNS Következetetésük azon alapult, hogy módszeresen tesztelték a Griffith kísérletében szóba jöhető vegyületeket.

6 Továbi bizonyítékok a DNS mellett 1952-ben lfred Hershey és Martha Chase elegáns kísérletekkel megmutatta, hogy a T2 bakteriofág (baktériumokat fertőző vírus) örökítőanyaga a DNS Ennek bizonyítására olyan kísérletet állítottak össze, ahol a T2 fág két összetevője (DNS, fehérje) közül csak egy kerül be a fertőzött E. coli sejtbe: rra következtettek: a fág DNS-e szállítja a genetikai információt

7 fág fej DNS baktérium sejt 100 nm

8 KÍSÉRLET fág radioaktív protein baktérium sejt 1. sor: radioaktív kén ( 35 S) DNS radioaktív DNS 2. sor : radioaktív foszfor ( 32 P)

9 KÍSÉRLET fág baktérium sejt radioaktív protein Üres fehérje burok 1. sor: radioaktív kén ( 35 S) DNS fág DNS radioaktív DNS 2 sor: radioaktív foszfor ( 32 P)

10 KÍSÉRLET fág baktérium sejt radioaktív protein üres protein burok Radioaktivitás (fág fehérje) a felülúszóban 1 sor: radioaktív kén ( 35 S) DNS fág DNS centrifugálás radioaktív DNS csapadék(baktérium sejtek és azok tartalma) 2 sor: radioaktív foszfor ( 32 P) centrifugálás csapadék Radioaktivitás (fág DNS) a csapadékban

11 Sugar phosphate backbone end Nitrogenous bases Thymine (T) denine () Cytosine (C) Phosphate Guanine (G) Sugar (deoxyribose) DNS Nitrogenous base nucleotide end

12 És további bizonyítékok: Ekkor már ismert volt, hogy a DNS egy polimer, mely szerves bázisból, cukorból és foszfát csoportból áll 1950-ben, Erwin Chargaff leközölte, hogy a DNS összetétele fajonként változik (bizonyíték a változatosságra) ún. Chargaff szabályok: DNS bázisöszzetétele fajonként változik Bármely fajban az és T bázisok száma egyforma és a G és C bázisok száma is egyenlő

13 DNS szerkezeti modelljének megalkotása: Maurice Wilkins és Rosalind Franklin Röntgen krisztallográfiával tanulmányozta a DNS szerkezetét Franklin készítette az első képet a DNS molekuláról ezzel a technikával

14 DNS szerkezeti modelljének megalkotása: (a) Rosalind Franklin (b) Franklin Röntgen-diffrakciós képe a DNS-ről

15 Figure 16.7 C G G C C G end Hydrogen bond end G C T T 3.4 nm G C G C G C T 1 nm T C G C G C G G C T T T T 0.34 nm end end (a) Key features of DNS structure (b) Partial chemical structure (c) Space-filling model

16 Watson és Crick megalkotta a kettős hélix modelljét a DNS kémiai összetétele és Röntgendiffakciós képe alapján Franklin úgy gondolta, hogy két cukorfoszfát gerinc van, és a bázisok a molekula belseje felé néznek Watson ún. antiparallel modell javasolt bázis párosodást az egyenletes térbeli távolságból vezették le

17 Purin + purin: túl széles Pirimidin + pirimidin: túl keskeny Purin + pirimidin: megfelelt a diffrakciós adatoknak

18 cukor denin () cukor Guanin (G) cukor Timin (T) cukor Citozin (C) Watson és Crick felismerte, hogy a bázispárok összetétele azok szerkezetén alapul. denin () csak timinnel (T), és guanin (G) csak citozinnal (C) alkot párt Watson-Crick modell így a Chargaff szabályokat is magyarázta

19 DNS másolása: Mivel a DNS szálai komplementerei egymásnak, mindegyik szál képes templátként szolgálni DNS replikációja során, az eredeti molekula szétnyílik és a komplementer új láncok megszintetizálódnak Watson és Crick ún. szemikonzervatív modellt javasolt a másolásra.

20 Figure C T G T G T C (a) Szülői molekula

21 Figure T T C G C G T T T T G C G C (a) szülői molekula (b) szálak szétválása

22 Figure (a) szülői molekula (b) szálak szétválása (c) Leány DNS molekulák, mindegyik tartalmaz egy eredeti szálat és egy újonan szintetizáltat T T T T T T T T T T T T C C C C C C C C G G G G G G G G

23 szülői sejt első replikáció második replikáció (a) Konzervatív modell (b) Szemikonzervatív modell (c) Diszperzív modell

24 Matthew Meselson és Franklin Stahl kísérletei a szemikonzervatív modellt támogatták régi szál nukleotidjait a nitrogén nehéz izotópjával jelölték, míg az új szál nukeotidjai künnyű nitrogénizotóp jelölést kaptak z első replikáció hibrid DNS-t eredményezett, (konzervatív modell kilőve) második replikáció könnyű és hibrid DNS-t készített, ez a szemikonzervatív modellt támogatta

25 KÍSÉRLET 1 baktérium tenyészet 15 N médiumban (nehéz izotóp) 2 baktériumokat átrakták 14 N (könnyű izotóp)-t tartalmazó tápközegbe EREDMÉNYEK 3 DNS mintát fugálták az első replikáció után 4 DNS mintát fugálták a 2. replikáció után könyebb nehezebb KÖVETKEZTETÉS Predikció: Első replikáció Második replikáció Konzervatív modell Szemikonzervatív modell Disperzív modell

26 DNS replikációja: nézzük közelebbről! replikáció meghatározott helyeken ún replikációs origóknál kezdődik, ahol a DNS két szála kettéválik z eukatióta kromoszómák több száz vagy ezer replikációs origót tartalmaznak replikáció minden origótól két irányban folyik egészen addig míg a molekula le nem másolódott

27 (a) Replikációs origó E. coli sejtben Replikációs origó kétszálú DNS molekula szülői( templát) szál Replikációs buborék leány (új) szál Replikációs villa (b) Replikációs origók in egy eukarióta sejtben Replikációs origó Szülői (templát) szál buborék kétszálú DNS molekula leány (új) szál replikációs villa két leány DNS molekula két leány DNS molekula 0.5 µm 0.25 µm

28 replikációs buborékkét oldalán egy-egy replikációs villát találunk ( Y-alakú régió, ahol az új szál hosszabodik) Helikázok azok az enzimek, amik kicsavarják a DNS-t a replikációs villánál Egyszálú DNS-t kötő fehérjék stabilizálják az egyszálú DNS-t Topoizomeráz enzim a DNS szupertekercselésért felel

29 Figure Primáz Topoizomeráz RNS primer Helikáz Egyszálú DNS kötő fehérje DNS polimeráz nem tud magától elindulni a templát DNS-en, mert csak véghez tud nukleotidotadni kezdő nukleotid szál egy rövid RNS primer Primáz enzim egy rövid RNS láncolt (5-10 nukleotid) készít ez szolgálkezdő pontként.

30 z új DNS szál szintézise DNS polimeráz enzim katalizálja a folyamatot lánchosszabítás sebessége 500 nukleotid másodpercenként baktériumokban és kb. 50 nukleotid/sec humán sejtekben a folyamat során dntp-k épülnek be

31 Figure új szál Templát szál foszfát cukor bázis T T C G C G OH G C DNS polimeráz G T C C P P i pirofoszfát OH C Nukleozid trifoszfát 2 P i

32 vezető szál késlekedő szál replikációs origó Primer replikáció iránya Késlekedő szál vezető szál Replikációs origó ntiparalell elongáció DNS polimeráz a szabad végekre rak nukleotidot, az új DNS szál - irányba növekszik templát DNS mellett, a DNS polimeráz egy vezető szálat szintetizál a replikációs villa irányában RNS primer Csúszó kapocs templát DNS DNS pol. III

33 templát szál RNS primer for fragmentum 1 1 vezető szál Áttekintés replikációs origó késlekedő szál 2 1 replikáció iránya késlekedő szál vezető szál Okazaki fragmentum 1 RNS primer for fragmentum 2 Okazaki fragmentum Hogy a másik új szálat (késlekedő szál) is hosszabítsa, a DNS polimeráznak a replikációs villától távolodva is szintetizálnikell késlekedő szálszakaszokban ún. Okazaki fragmentumumokban készülel, amiket a DNS ligáz összekapcsol 2 Replikáció iránya 1

34 templát szál

35 templát szál 1 RNS primer a fragmentum 1-nek

36 templát szál 1 RNS primer fragmentum 1 Okazaki fragmentum 1 1

37 templát szál 1 RNS primer fragmentum 1 Okazaki fragmentum 1 1 RNS primer a fragmentum 2höz 2 Okazaki fragmentum 2 1

38 templát szál 1 RNS primer fragmentum 1 RNS primer fragmentum 2 Okazaki fragmentum Okazaki fragmentum

39 templát szál 1 RNS primer fragmentum 1 RNS primer fragmentum 2 Okazaki fragmentum Okazaki fragmentum Replikáció iránya 1

40 vezető szál Áttekintés replikációs origó késlekedő szál vezető szál késlekedő szál replikáció iránya vezető szál DNS pol III eredeti DNS Primer Primáz DNS pol III 4 késlekedő szál DNS pol I DNS ligáz 3 2 1

41 DNS pol III Eredeti DNS vezető szál Kapcsoló fehérje Helikáz DNS pol III késlekedő szál késlekedő szál templát

42 Korrektúra olvasás és hibajavítás DNS polimeráz átnézi az újonan készült DNS-t, és kijavítja a hibás nukleotidokat mismatch javítás során, a javító enzim helyrehozza a bázis párosodást DNS fizikai hatásoktól vagy kémiai ágenstől is megsérülhet Egy nuclease kivágja a sérült szakaszt és a polimeráz javítja a DNS hibás szálát

43 Nukleáz DNS polimeráz DNS ligáz

44 DNS molekulák végének replikációja DNS polimerázaz eukaritóta kromoszómák esetén problémábaütközik nem tudja befejezni az véget így az egymást követő másolások során a DNS rövidebb lesz prokariótáknál nincs ilyen probléma a gyűrű alakú DNS miatt

45 z eredeti DNS szál vége vezetőszál késlekedő szál utolsó fragmentum Utolsó előtti fragmentum Késlekedő szál eredeti szál RNS primer primerek levétele és a 3 vég hosszabítása második replikáció Új vezetőszál új késlekedő szál további replikációk Rövidebb és rövidebb molekulák

46 z eukarióta kromoszómák DNS molekuláinak végén egy speciális szakasz van, az ún. teloméra teloméra nem akadályozza meg a DNS rövidülését, de védi a a kromoszóma végi géneket telomérák rövidülése összefügg az öregedéssel telomeráz enzim hosszabíthatja meg a telomérákat.

47 1 µm

48 5 µm

49 Kariotipizálás Eredmény Homológ kromoszómapár 5 µm Centromere testvér kromatidok metafázisos kromoszóma

50 Ivartalan és ivaros szaporodás Ivartalan szaporodás (reprodukciónak) során az új utód egyedeket csak egyetlen szülő hozza létre ivarsejtek képzése nélkül. klón fogalom azonos szülőtől származó genetikailag azonos egyedeket jelenti Ivaros szaporodás során két szaporító ivarsejt (gaméta) összeolvadását igényli a megtermékenyítéskor (az ivaros folyamat során), és így a képződő diploid zigóta (és a belőle kifejlődő utód) két különböző haploid genom kombinációjának eredménye

51 Figure mm Szülő Sarj (a) Hidra (b) Gyökérsajr

52 Figure n = 6 Magyarázat nyai kromoszóma készlet (n = 3) pai kromoszóma készlet (n = 3) testvér kromatidák (egy megkettőződött kromoszóma) Centroméra homológ pár nem testvér kromatidái Homológ kromoszóma pár

53 Figure 13.5 Key Haploid (n) Diploid (2n) Haploid gametes (n = 23) Egg (n) MEIOSIS Sperm (n) FERTILIZTION Ovary Testis Diploid zygote (2n = 46) Mitosis and development Multicellular diploid adults (2n = 46)

54 z ivaros életciklusok variációja az élővilágban meiózis és a megtermékenyítés váltakozása általánosan jellemző Három alaptípust találunk:

55 Figure 13.6a Magyarázat Haploid (n) Diploid (2n) n ivarsejtek n n MEIOZIS FERTILIZÁCIÓ 2n Zigóta 2n Diploid soksejtű szervezet Mitózis (a) Állatok

56 Figure 13.6b Magyarázat Haploid (n) Diploid (2n) Haploid soksejtű szervezet (gametofiton) Mitozis n Mitozis n n n Spórák ivarsejtek MEIÓZIS n FERTILIZÁCIÓ 2n Diploid soksejtű szervezet (sporofiton) 2n Mitózis Zigóta (b) Magasabbrendű növények és számos alga

57 Figure 13.6c Magyarázat Haploid (n) Diploid (2n) Hapliod egysejtű vagy többsejtű szervezet Mitozis n Mitozis n n n ivarsejtek n MEIÓZIS FERTILIZÁCIÓ 2n Zigóta (c) legtöbb gomba és számos egysejtű

58 Meiózis történései Interfázis Homológ kromoszóma párok a diploid szülői szervezetben homológ kromoszómák megkettőződött párjai Kromoszóma duplikáció Meiózis I testvér kromatidok diploid sejt megkettőződött kromoszómákkal Meiózis II 1 homológ kromoszómák szétválnak Haploid sejt megkettőződött kromoszómákkal 2 testvér kromatidok szétválnak Hapliod sejt egyszeres kromatidájú kromoszómákkal

59 meiózis szakaszai - első főszakasz Profázis I Metafázis I nafázis I Telofázis I és citokinézis testvér kromatidok Centroszóma (centriólum párral) Kiazma osztódási orsó Centroméra (kinetokórral) metafázisos lemez testvér kromatidok kapcsolatban maradnak homológ kromoszóma pár sejtmaghártya töredékei homológ kromoszómák párba rendeződnek és egyes szakaszaik kicserélődnek; 2n = 6 ebben a példában. kinetokórhoz kapcsolt mikrotubulusok homológ párok a metafázisos síkba rendeződnek. homológ kromoszómák szétválnak Minden homológ kromoszóma pár szétválik. Két haploid sejt képződik; minden kromoszóma két testvér kromatidot tartalmaz.

60 meiózis szakaszai - második főszakasz Profázis II Metafázis II nafázis II Telofázis II és citokinézis a következő osztódási szakaszban a testvér kromatidák szétvállnak; így négy haploid leánysejt képződik. Testvér kromatidok elválnak Hapliod leány sejt képződik

61 mitózis és a meiózis összehasonlítása MITÓZIS MEIÓZIS Szülői sejt Kiazma MEIÓZIS I Profázis Megkettőződött kromoszóma Kromoszóma kettőződés 2n = 6 Kromoszóma kettőződés Profázis I Homológ kromoszóma pár Metafázis Metafázis I nafázis Telofázis Leánysejtek meiózis I. után nafázis I Telofázis I Haploid n = 3 2n Leánysejtek 2n n n n n Leánysejtek MEIÓZIS II

62 3 esemény, mely a meiózisra jellemző és mindhárom a meiózis I-ben fordul elő: homológ kromoszómák összekapcsolódása a profázis I-ben és a Crossing-over (a genetikai információ cseréje) metafázis lemezbenhomológ kromoszóma párokat találuk (tetrád) egyedi 2 kromatidás kromoszómák helyett z anafázis I-ben, a homológ kromoszómák válnak szét a testvér kromatidák helyett

63 ÖSSZEFOGLLÁS Tulajdonság Mitózis Meiózis DNS replikáció mitózis kezdete előtt az interfázisban történik meiózis I. előtt az interfázisban történik Osztódások száma Homológ kromoszómák kapcsolódása Leánysejtek száma és kromoszóma készlete Szerepe az állatiszervezetben Egy, 4 szakasszal: profázis, metafázis, anafázis, és telofázis Nem fordul elő kettő, mindegyik diploid (2n) és genetikailag azonos a szülő sejttel Lehetővé teszi a soksejtűszervezet kialakulását a zigótából ; sejteket termel a növekedéshez, javításhoz és számos szervezetben az ivartalan szaporodás alapja kettő, mindegyik 4 szakasszal: profázis, metafázis, anafázis, és telofázis profázis I-ben fordul elő + crossing over a nem-testvér kromatidák között négy, mindegyik haloid (n), a szülői kromoszómaszámfelét hordozzák az utódsejtek; genetikailag különböznek a szülői sejttőlés egymástól Ivarsejtek előállítása; redukálja a kromoszómaszámot a felére és növeli az ivarsejtek genetikai változatosságát: azivaros szaporodás alapja

64 profázis I (meiózis) homológ kromoszóma pár TEM anafázis I anafázis II Kiazma Centroméra Crossing-over a folyamata során rekombináns kromoszómák keletkeznek, melyek midkét szülőtől származó DNS-t tartalmaznak Crossing-over a profázis I elején kezdődik, amikor a homológ kromoszóma párok pontosan (génről génre) egymás mellé rendeződnek Leány sejtek rekombináns kromoszómák