Nukleiinihapot! Juha Klefström, Biolääketieteen laitos/biokemia ja genomibiologian tutkimusohjelma Helsingin yliopisto Juha.Klefstrom@helsinki.fi Nukleiinihapot! kertausta matkan varrella, vähemmän kuitenkin perusasioissa! Enlightment?! BIOKEMIAN JA FARMAKOL.! PERUSTEET! MOLEKYYLIBIOLOGIA! MIKROBIOLOGIA! PATOLOGIA! ONKOLOGIA! JNE..!
Nukleiinihappoluennon oppimistavoitteet! Spesiaali: mikrorna http://www.nature.com/ng/journal/v38/n6s/index.html - Nukleiinihappojen perustehtävät! - Nukleiinihappojen rakenne ja! ominaisuudet!! Lisäksi luennolla käsitellään aiheita:! - Geeni, kromatiini, kromosomi, genomi! - Genomien erot ja merkitys lääketieteessä! Kirjallisuus! Oppikirjat:! 1. Devlin! 2. Lehninger, Principles of Biochemistry", 4th ed., 2005 Chapter 8 3. B. Alberts, Molecular Biology of the Cell, 4th ed., 2002, 5th ed., 2008 Nukleiinihappojen perustehtävät! DNA! deoksiribonukleiinihappo! DNA on nukleiinihappo, joka sisältää kaikkien! eliöiden solujen ja joidenkin virusten geneettisen! materiaalin. Eliön lisääntyessä geneettinen materiaali kopioituu ja! välitetään jälkeläisille! Geeni = DNA jakso joka sisältää biologisen tuotteen! (RNA, proteiini) valmistukseen vaadittavan informaation! Eukaryoottisoluilla (aitotumallisilla) DNA sijaitsee tumassa ja! mitokondrioissa. Kasveilla myös viherhiukkasissa.!! Prokaryooteilla (alkeistumallisilla) DNA sijaitsee solulimassa!
Nukleiinihappojen perustehtävät! RNA! ribonukleiinihappo! central dogma! RNA:n tehtäviin kuuluu DNA:n sisältämän! geneettisen informaation kopioiminen! (transkriptio) ja koodaaminen proteiineiksi! (translaatio).!! Lisäksi RNA:t toimivat rakennekomponentteina! (esim ribosomi), niillä on katalyyttisiä tehtäviä! (ribotsyymit), ne säätelevät geenitoimintaa! (mikrorna:t) ja eräillä viruksilla geneettinen! informaatio on RNA muodossa DNA:n sijasta!! RNA:ta on sekä tumassa että solulimassa! Elämän alku RNA maailma?!
Nukleiinihappojen perustehtävät! RNA lajit ja niiden tehtävät! 1. lähetti-rna (messenger RNA; mrna)! Kopioi DNA informaation geenistä ja kuljetetaan! tumasta solulimaan translaatiota varten! 2. siirtäjä-rna (transfer RNA; trna)! trna:t osallistuvat translaatioprosessiin ribosomeilla! liittämällä aminohappoja mrna määräämässä! järjestyksessä transloituvaan proteiiniin! 3. ribosomaalinen-rna (ribosomal RNA; rrna) rrna:t muodostavat yhdessä ribosomaalisten! proteiinien kanssa ribosomin. rrna:t ylläpitävät! ribosomin rakennetta ja katalysoivat proteiinisynteesiä! Nukleiinihappojen perustehtävät! RNA lajit ja niiden tehtävät! 4. Pienet tuman RNA:t (small nuclear RNA; snrna)! eukaryoottisoluissa katalysoivat mm. intronialueiden! poistoa mrna:sta (splicing, pujonta, silmukointi)! 5. Kaksijuosteiset RNA:t! (double stranded RNA; dsrna; mirna; RNAi)! - mikrornat eli mirnat säätelevät geenien! ilmentymistä! - löydetty viruksista sekä kasvi- ja eläinsoluista!
Nukleiinihappojen perustehtävät! Geneettinen koodi on lähes sama kaikissa! organismeissa! - Mitokondriot lukevat koodia pienillä eroilla (varhainen luenta?)! Kodoni CAA! GUU! Nukleiinihappojen rakenne ja ominaisuudet! DNA:n rakenne ja ominaisuudet!
Nukleiinihappojen rakenne ja ominaisuudet! DNA:n rakenne ja ominaisuudet! -DNA:n perusyksikkö eli monomeeri on nukleotidi! Nukleiinihappojen rakenne ja ominaisuudet! DNA nukleotidi! Pentoosisokeri (pentose sugar)! - deoksiriboosi! Typpiemäkset (nitrogen base)!! - Adeniini! Puriinit! - Guaniini! } (purines)! - Sytosiini! } Pyrimidiinit! - Tymiini! (pyrimidines)! fosforihappo (phosphoric acid, phosphate)! siis ESP = Emäs, sokeri, fosfori!
Nukleiinihappojen rakenne ja ominaisuudet! DNA:n rakenne ja ominaisuudet! -DNA:n perusyksikkö eli monomeeri on nukleotidi! -Lineaarinen DNA nukleiinihappoketju syntyy nukleotidien! polymerisoituessa! Nukleiinihappojen rakenne ja ominaisuudet! RNA:n rakenne ja ominaisuudet! -Myös RNA:n perusyksikkö on nukleotidi ja lineaarinen RNA! nukleiinihappoketju syntyy nukleotidien polymerisoituessa! - RNA on yksijuosteinen makromolekyyli, joka voi pariutua! itsensä kanssa emäsparien muodostaessa molekyylin! sisäisesti A-U ja C-G pareja!
Nukleiinihappojen rakenne ja ominaisuudet! RNA nukleotidi! Pentoosisokeri (pentose sugar)! - riboosi! Typpiemäkset (nitrogen base)!! - Adeniini! Puriinit! - Guaniini! } (purines)! - Sytosiini! } Pyrimidiinit! - Urasiili! (pyrimidines)! fosforihappo (phosphoric acid, phosphate)! DNA ja RNA nukleotideissä kaksi eroa! 1. Sokeri! RNA! DNA! Deoksi!
DNA ja RNA nukleotideissä kaksi eroa! 2. Yhden emäksen käyttö! Tymiini on metyloitu urasiili,! jolla merkitystä DNA vaurioiden! tunnistamisessa!! RNA! DNA! Nukleiinihappojen rakenne ja ominaisuudet! Nimistöä! *! *! RNA:n nukleosidit: adenosiini, guanosiini, sytidiini ja uridiini! DNA:n nukleosidit: deoksiadenosiini, deoksiguanosiini, deoksisytidiini! ja (huom!) tymidiini! DNA:n nukleotidit: deoksiadenylaatti, deoksiguanulaatti, deoksisytidy-! laatti ja tymidylaatti!
Nukleiinihappojen rakenne ja ominaisuudet! DNA:n rakenne ja ominaisuudet! -DNA:n perusyksikkö eli monomeeri on nukleotidi! -Lineaarinen DNA nukleiinihappoketju syntyy nukleotidien! polymerisoituessa! Nukleiinihappojen rakenne ja ominaisuudet! Nukleiinihappojen biologinen synteesi tapahtuu aina templaattia! esim. vastinjuostetta hyväksi käyttäen!
Nukleiinihappojen rakenne ja ominaisuudet! Nukleiinihappojen polymerisaatio! Esim. DNA synteesi replikaation aikana! Nukleiinihappojen rakenne ja ominaisuudet! Nukleotidi deoksiadenylaatti! eli A! Nukleotidi tymidylaatti! eli T!
Nukleiinihappojen rakenne ja ominaisuudet! Nukleotidi deoksiadenylaatti! eli A! Nukleotidi tymidylaatti! eli T! Nukleiinihappojen rakenne ja ominaisuudet! Nukleotidi deoksiadenylaatti! eli A! fosfodiesterisidos! Nukleotidi tymidylaatti! eli T!
Nukleiinihappojen rakenne ja ominaisuudet! Nukleiinihappojuoste on polaarinen! eli sillä on suunta! 5 GATC 3! Nukleiinihappojen rakenne ja ominaisuudet! DNA synteesin aloitus vaatii alukkeen (primer)! T! G! A!
Nukleiinihappojen rakenne ja ominaisuudet! RNA synteesi voi alkaa ilman aluketta! Esim. mrna transkriptio! Nukleiinihappojen rakenne ja ominaisuudet! DNA-kaksoiskierre ja kromatiini! Hall of Fame:! James Watson! Francis Crick! Rosalind Franklin! Maurice Wilkins!
Nukleiinihappojen rakenne ja ominaisuudet! DNA-kaksoiskierre! 3 muotoa: Klassiset A ja B muodot oikeakätisiä, Z-muoto! vasenkätinen! Täyskierros! 10 emästä! (3.46 nm)! Pieni uurre! Suuri uurre! Emäkset kierteen keskiosassa! Sokeri-fosfaatti runko ulkona! Nukleiinihappojen rakenne ja ominaisuudet! DNA:n rakenne ja ominaisuudet! -DNA:n perusyksikkö eli! monomeeri on nukleotidi! -Lineaarinen DNA nukleiinihappo-! ketju syntyy nukleotidien! polymerisoituessa! - DNA muodostaa kaksoiskierre! rakenteen (!-helix), jossa emäsparit! muodostavat A-T ja C-G pareja!
Kromatiini Nukleiinihappojen ja genmit! rakenne ja ominaisuudet! Kromatiini! Solun tumassa oleva DNA ei ole paljaana. DNA:han on sitoutunut! proteiineja (pääasiassa histoni proteiineja), jotka pakkaavat DNA:n! kompaktiksi kromatiiniksi ja myös säätelevät kromatiinirihman! transkriptiota! Solujakautumisen aikana kromatiini kondensoituu kromosomiksi! Nukleiinihappojen rakenne ja ominaisuudet! Kromatiini! Nukleosomi! DNA-helminauha! Kromatiinirihma! Eukromatiini! - löyhään pakattua, helppolukuista! rihmaa)! Heterokromatiini! - tiukkaan pakattua, ei-transkriptoitavaa! - rihmaa)! Metafaasi kromosomi!
Nukleiinihappojen rakenne ja ominaisuudet! Kromosomit! Nukleiinihappojen rakenne ja ominaisuudet! Kromosomit! ja karyotyyppi! - autosomaaliset kromosomit! - sukupuolikromosomit! 2 kertaa 22! +! xx! xy!
Wrapping of DNA! http://www.youtube.com/watch?v=e8nhcqesyl8! Genomit! Genomit ja genomien synty! Genomi on organismin koko perintöaines, joka on koodattu DNA:han. Sisältää myös ne DNA:n osat jotka eivät osallistu proteiinien tuottamiseen.! Nukleiinihapot luennolla väläytetään eri lajien genomien! rakenteeseen, genomien syntyyn ja tutkimiseen liittyviä! asioita - näitä asioita sekä genomien toimintaa käsitellään syvällisemmin molbio jaksolla! Ihmisen genomihanke! valmistui 2003!
Genomit! Ihmisen genomi metreissä! Jos 1 nukleotidi pari 1mm, ihmisen koko genomin pituus olisi 3200 km! Tässä skaalassa proteiinia koodaava geeni löytyy n. 300 m välein! Geenin keskimääräinen pituus 30m, josta koodaavaa sekvenssiä! vain 1 metri! Genomit! Geenien järjestäytyminen kromosomissa!
Genomit! Useiden lajien genomit tunnetaan nukleotidin tarkkuudella! Genomit! Vertailtaessa eri lajien genomeja huomataan että! Geneettinen informaatio on osittain säilynyt samanlaisena elämän! synnystä saakka! Esimerkkinä rrna geenin konservoituminen! kaikissa kolmessa domeenissa (bakteerit, arkit, eukaryootit)!
Genomit! Simpanssin genomiprojekti (Nature 09/2005)! 98% DNA:sta ja lähes kaikki geenit yhteisiä! Mikä erottaa?! Kielen kehitys?! Aivojen evoluutio?! Genomit! Geenit ovat samanlaisia, genomit erilaisia!! Genomien kokovertailua eri lajien välillä! Ameeba! Saniainen! Ihminen!
Genomit! Eri lajien genomien tuntemisen merkitys! terveyden tutkimukselle! - karvalakkimallit esim. solusyklin perusgeenit! löytyivät hiivasta, solukuoleman geenit madosta!! - tauti- ja hoitomallit, etenkin hiiri! Sekvenssierot lääketieteen työkaluina! Nukleiinihapposekvenssien väliset erot lajin sisällä! pikku huopalahti 2005!
Ihmispopulaatioiden väliset geneettiset erot:! Maantieteellisesti lähellä toisiaan olevat euroopalaiset väestöt ovat! myös geeniperimän suhteen lähimpänä toisiaan! Kaikissa! ei-afrikkalaisissa! on! Neandertaaliverta!
Sekvenssierot lääketieteen työkaluina! Ihmisgenomien eroavaisuuksien merkitys lääketieteessä:! Tautigeenien tunnistaminen perinnöllisissä sairauksissa! Sekvenssierot lääketieteen työkaluina! Ihmisgenomien eroavaisuuksien merkitys! lääketieteessä: Syöpägeenimutaatioiden! yleisyys erityyppisissä syövissä! -TCGA projekti pyrkii selvittämään! 20 eri syöpätyypin yleisimmät mutaatiot! sekvensoimalla tuumoreiden genomit! -Kohti yksilöllisiä hoitoja ->! mutaationmukainen lääkitys!!
Sekvenssierot lääketieteen työkaluina! Ihmisgenomien eroavaisuuksien merkitys lääketieteessä:! Farmakogenomiikka! Sekvenssierot lääketieteen työkaluina! Ihmisgenomien eroavaisuuksien merkitys lääketieteessä:! Oikeuslääketiede!
Ei-koodaavat RNA:t: mikrorna! 5. Kaksijuosteiset RNA:t! (double stranded RNA; dsrna; mirna; RNAi)!! - mikrornat eli mirnat säätelevät geenien! ilmentymistä. Geenien vaimennus.! - Viruksissa, kasvi- ja eläinsoluissa! - Arviolta 1-4% ihmisen geeneistä tuottaa mikrorna:ta, yksi mikrorna voi säädellä satojen erilaisten lähetti-rna:iden ilmentymistä! - mikrorna säätelyn häiriöt taudeissa esim syövät! microrna - The silence of the genes