DNA 18.4.2016 Tiina Immonen, FT, yo-lehtori HY Lääketieteellinen tiedekunta Biokemia ja kehitysbiologia Koordinaattori, Master s Degree Programme in Translational Medicine (TRANSMED) 1
Sisältö DNA:n rakenne DNA:n kahdentuminen Geenien ilmentyminen: transkriptio Genomin muuntuminen ja virheiden korjaus 2
Kirjallisuus Heino, Vuento: Biokemian ja solubiologian perusteet 2. painos Luku 2 Biomolekyylit s. 40-45 ja luku 6 (Genomin rakenne ja geenien ilmentyminen) Alberts: Molecular biology of The Cell, luvut 4 ja 5 3
DNA:N RAKENNE 4
DNA:n rakenne nukleotidit sokeri (deoksiriboosi) emäs (adeniini, tymiini, sytosiini ja guaniini) Fosfaattiryhmä(t) Esim. ATP, TTP, CTP, GTP sallitut emäsparit A-T: kaksi vetysidosta G-C: kolme vetysidosta DNA on kaksoisjuoste, jossa suosteet ovat aina vastakkaissuuntaiset 5 -pää: vapaa fosfaatti 3 -pää: vapaa OH ryhmä
DNA on makromolekyyli Yhden eukaryoottisolun tumassa on DNA:ta noin 1,8 metriä Eukaryoottien DNA on jakautunut kromosomeihin (bakteereissa yleensä yksi rengasmainen) 6
Ihmisen perimässä on kolme miljardia emäsparia Diploidissa solussa (kaksinkertainen kromosomisto) on 46 kromosomia: 22 somaattista paria ja kaksi sukukromosomia (joko XX tai XY). Merkitään 44 + X,Y tai 46, XY. Sukusoluissa on haploidi kromosomisto (23 kromosomia). Ihmisen haploidin genomin koko on n. 3 x 10 9 emäsparia. Mitokondioissa (ja kasvien kloroplasteissa) on oma rengasmainen DNA joka muistuttaa bakteerien rengaskromosomeja. Nisäkkäiden mitokondrio-dna:n koko on n. 16500 emäsparia (alle 0.001% genomista). Figure 4-11 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)
DNA pakkautuu Tumassa negatiivisesti varautunut DNA- rihma kiertyy positiivisesti varautuneiden histoniproteiini-kompleksien ympärille Geenien luentaa varten vuorovaikutusta on löyhennettävä histoneja muokataan lisäämällä negatiivisia ryhmiä (histoniasetyyli-transferaasit) Erityisen tiukasti pakkautunutta DNA:ta ei voida lukea: heterokromatiini 8
REPLIKAATIO 9
Eukaryoottisolun perimä sijaitsee (pääosin) tumassa perimä, perintöaines, genomi 1.(suppea merkitys:) haploidisen kromosomiston kaikki perintötekijät 2.(laaja merkitys:) diploidisen solun perintötekijät, jotka koostuvat äidiltä periytyneistä ja isältä periytyneistä tuman perintötekijöistä sekä mitokondrioiden perintötekijöistä 10
Tuman kromosomit kahdentuvat ennen mitoosia Figure 17-4 + fig. from ch. 17, 5 and 4 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)
Kromosomien DNA kahdentuu Kumpikin juoste kopioidaan Emäspariutumisen yksikäsitteisyyden johdosta kopioituva juoste on identtinen templaatin alkuperäisen vastinjuosteen kanssa Uusissa DNAmolekyyleissä on yksi vanha ja yksi vastasyntetisoitu juoste semikonservatiivisesti 12
Replikaatio etenee aloituskohdasta molempiin suuntiin Eukaryooteissa replikaatiolla on kromosomissa monta aloituskohtaa (bakteereilla yksi), joista kahdentaminen etenee molempiin suuntiin kunnes replikaatiohaarukat kohtaavat 13
DNA:n replikaatio Figure 5-19a Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) 14
GEENIEN ILMENTYMINEN 15
Geeni on. geeni, gene [ge'ne],{e}, gen -en arvsanlag -en ärfligt anlag {r} (<< ge'nos {kr} syntyperä) perintötekijä DNA:n (joillakin viruksilla RNA:n) jakso, joka riittää yhden spesifisen polypeptidin koodittamiseen (MOT Lääketiede 2.0) A DNA segment that contributes to phenotype/function. (HUGO Gene Nomenclature committee) 16
Geeni = perimän jakso joka koodaa toiminnallisen molekyylin Proteiini (rakenneproteiinit ja entsyymit) RNA-molekyyli, joka osallistuu solun toimintaan (lähetti-rna, ribosomaalinen RNA, snrna, sno-rna) RNA-molekyyli, joka katalysoi reaktioita (ribozyymi) RNA-molekyyli, joka säätelee geenien ilmentymistä (mikro-rna) 17
Geenien arvioitu lukumäärä eri lajeissa (2004) Pallokala 30 000 Lituruoho 25 000 Hiiri 21 000-26 000 Ihminen 21 000 26 000 Seeprakala 20 000 Sukkulamato 19 000 Banaanikärpänen 13 000 Hiiva 5 900 18
ENCODE projekti (2012) Ihmisen genomissa proteiineja koodaavia geenejä 20 687 Tämän lisäksi 8800 lyhyitä ja 9640 pitkiä ei-koodaavia RNA-molekyylejä koodaavaa aluetta >80% genomista toiminnallista 19
Eri soluissa on samat geenit, ilmentyminen määrää fenotyypin Kussakin solutyypissä ilmentyy vain osa genomin sisältämistä geeneistä. Osa on kullekin solutyypille ominaisia, osa kaikille soluille yhteisiä. Erilaistuneissa soluissa osa geeneistä on hiljennetty epigeneettisin mekanismein, jotka säätelevät esim. DNA:n pakkautumista. Epigeneettinen säätely periytyy tytärsoluille. (Duodecim Terveyskirjasto) 20
TRANSKRIPTIO 21
Transkriptiossa DNA:n informaatio kopiodaan RNA:han RNA-nukleotidit valitaan muodostamalla emäspareja templaatin DNA-nukleotidien kanssa Tymiinin tilalla RNA:ssa urasiili Figure 6-7 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) 22
Lähetti-RNA välittää DNA-tiedon proteiinisynteesiin 23
Geenien ilmentyminen Figure 6-21b Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) 24
Lähetti-RNA:n muokkaus ja ilmentymisen säätely (eukaryootit) Geenin ilmentymistä säätelevät geeniaktivaattorit (transkriptiotekijät), jotka käynnistävät transkription. Intronit poistetaan RNA-kopiosta silmukoimalla. Vaihtoehtoisella silmukoinnilla voidaan tuottaa erilaisia lähetti-rna-molekyylejä -> erilaiset proteiinituotteet Mikro-RNA molekyylit estävät toisten geenien ilmentymistä mirna Figure 6-21a Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) 25
Transkription aloitus Aktivaattorit sitoutuvat säätelyalueille Mediaattori välittää tiedon transkription aloituskoneistolle DNA:n pakkausta pitää löyhentää (histoniasetylaasit ja muut histoneja muokkaavat entsyymit, kromatiininmuokkauskompleksit Aktivointiin voivat vaikuttaa esim. solun energiatila tai solun ulkopuoliset viestit (esim. hormonit) Figure 6-19 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)
PERIMÄN MUUNTUMINEN 27
Miten perimä muuntuu ja miten sitä pyritään estämään DNA:n kahdentumisessa syntyy virheitä DNA:han tulee vaurioita sekä elimistön oman toiminnan että ympäristön vaikutuksesta vesimolekyylien liike aineenvaihduntatuotteet mutageenit säteily Vain n. 1/1000 vauriosta johtaa pysyvään muutokseen. DNA:n korjausmekanismit pyrkivät korjaamaan muutokset 28
Replikaatiovirheiden korjaus Virheitä / genomi 10 4 10 2 10 0 DNA-polymeraasi tarkistaa jälkensä : 3 5 eksonukleaasiaktiivisuus Jonkin aikaa replikaation jälkeen voidaan yhteensopimattomista emäksistä päätellä kumpi on uusi (= virheellinen) ja vaihtaa se oikeaan Table 5-1 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)
Esimerkki: UV-säteily aiheuttaa vierekkäisten emästen välille virheellisiä sidoksia Virheellinen sidos aiheuttaa mutkan kaksoiskierteen rakenteessa Mutka tunnistetaan juoste katkaistaan vauriokohdan molemmin puolin ja aukko täytetään (nukleotidienpoistokorjaus) 30
DNA:han kuulumattomat rakenteet voidaan tunnistaa Figures 5-48a and 5-50a Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)
Mutta: Metyylisytosiinista tulee tymiini Noin 1/3 tauteja aiheuttavista pistemutaatioista on tämän mekanismin kautta syntyneitä Geenien aktiivisuutta säädellään mm. metyloimalla sytosiineja eukaryoottien DNA:ssa paljon metyylisytosiineja Deaminaation seurauksena metyylisytosiinista syntyy tymiini, joka on DNA:n luonnollinen emäs Korjausmekanismi ei tiedä kumpi emäs syntyneestä G- T parista pitäisi korjata voidaan korjata joko G-C (alkuperäinen) tai A-T (mutaatio) Figure 5-50b Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)
Virheiden vaikutus Pistemutaatio eksonissa Muutokset aminohapposekvenssissä Uusi lopetuskodoni -> lyhentynyt proteiini Hiljaiset mutaatiot: aminohapposekvenssi ei muutu Pistemutaatio intronissa: eksoni-intronirajojen muutokset proteiinirakenteen muutos Säätelyalueiden mutaatiot (voivat olla myös introneissa) muutokset geenin ilmentymisessä Insertiot ja deleetiot aminohappojärjestys muuttuu toimimaton tuote (yl.) geenituotteen puute 33
Mutaatioiden merkitys Evoluutio uusia alleeleja (ABOveriryhmäantigeenit) ja uusia ominaisuuksia (lajiutuminen) Hyödyllisiä ominaisuuksia laktoosin sieto! Mutta myös sairauksia Perinnölliset taudit (mutaatiot sukusoluissa) Somaattisten solujen mutaatiot -> syöpä Suomalainen tautiperintö: meillä yleisiä peittyvästi periytyviä mutaatioita Korjausmekanismien virheet aiheuttavat perinnöllisen syöpäalttiuden (esim. Xeroderma pigmentosum)
Syövän kehittyminen Solun muuttuminen pahanlaatuiseksi vaatii useiden uusien ominaisuuksien kehittymistä ja useiden mutaatioiden kertymistä samaan soluun. Siksi syövän yleisyys lisääntyy väestön vanhetessa. Hanahan D, Weinberg RA: Hallmarks of Cancer: The Next Generation Cell 144(5), 2011, 646 674 35