Všeobecná biológiaPrednášky - zimný semester 2015

1. ročník magisterské štúdium

19. októbr 2015

A. Génová expresia

7. Prednáška

Gén v DNA

mRNA

Proteín

Čo je génová expresia?

Francis Crick a James Watson(1957)

“Sekvenčná hypotéza” - informácia v DNA a proteínoch je kolineárna (3 bázy kódujú jednu z 20 aminokyselín)

“The central dogma” - informácie idú priamo

DNA -> RNA -> Protein

The central dogma

J.Watson & F. Crick1963

The Nobel Prize in Chemistry 2015

Tomas Lindahl Paul Modrich Aziz Sancar

MECHANISTIC STUDIES OF DNA REPAIR

Čo je gén?

Úsek DNA definovaný poradím nukleotidov

Nuclear membrane

Chromatin

fiber

} Other Chromatin

factors

H1

H1

Nuclear matrix

Nuclear

pore

Nucleosomes

DNA

Chromatin fiber

(30 nm dia.)

Štruktúra DNA v jadre

Ako je uložený gén?

DNAzbalenie

• Ovplyvňuje traskripčnú aktivitu• Spája proteíny do špeciálnych lokusov• Zabraňuje funkcii určitých genetických oblastí

Nukleozóm

Čo je gén?

Typy génov:rRNAtRNAmRNA

Počet génov• Walter Gilbert [1980s] 100k

• Antequera & Bird [1993] 70-80k

• John Quackenbush et al. (TIGR) [2000] 20k

• Ewing & Green [2000] 30k

• Tetraodon analysis [2001] 35k

• Human Genome Project (public) [2001] ~ 31k

• Human Genome Project (Celera) [2001] 24-40k

• Mouse Genome Project (public) [2002] 25k -30k

• Lee Rowen [2003] 25,947

Génová expresia u eukaryotov môže byť regulovaná na viacerých miestach

Génová expresia – kontrola na úrovni traskripcie

Génová expresia – kontrola na úrovni traskripcie

Lodish 11-21

DNA modrámRNA červená

Génová expresia – kontrola na úrovni traskripcie

Génová expresia – kontrola na úrovni traskripcie

Génová expresia – Lac operónový systém

Génová expresia–regulácie v eukaryotických bunkách

Génová expresia

TATA homeobox

Miesto naviazaniaRNA polymerázy

Génová expresia

Trascipčné faktory

TF

Génová expresia - Transkripčné faktory

Génová expresia - Transkripčné faktory

Génová expresia - Transkripčné faktory

Génová expresia - Transkripčné faktory

Gén v DNA

mRNA

Proteín

Čo je génová expresia?

Génová expresia u eukaryotov môže byť regulovaná na viacerých miestach

PolyA+RNA červená Splizozóm- zelený prekrytie (červený a zelený) = yellow

mRNA úpravy

mRNA úpravy

mRNA úpravy

DNA

mRNAnezrelá - primárna

mRNAupravená

transkripcia

Zostrih - splicing

Génová expresia u eukaryotov môže byť regulovaná na viacerých miestach

Freeze-fracture/freeze etch technique

Nukleárne póry

Nukleárne póry

Génová expresia u eukaryotov môže byť regulovaná na viacerých miestach

Gén v DNA

mRNA

Proteín

Čo je génová expresia?

Gén: proteín-kód DNA

Proteín

mRNA

DNA

transkripcia

translácia

CCTGAGCCAACTATTGATGAA

PEPTIDE

CCUGAGCCAACUAUUGAUGAA

Lodish et al, Fig 4-21

Translácia

Lodish et al, Fig 4-22

Translačný kód(Marshall Nirenberg 1961)

Aspartic Acid Asp D Glutamic Acid Glu E Phenylanine Phe F Glycine Gly G Alanine Ala A Cystine Cys C Histidine His H Isoleucine Ile I Lysine Lys K Leucine Leu L Methionine Met M Asparagine Asn N Proline Pro P Glutamine Gln Q Arginine Arg R Serine Ser S Threonine Thr T Valine Val VTryptophan Trp W Tyrosine Tyr Y

biogénne aminokyseliny, meno a kódy

Proteíny

Genetickýkód

Ribozómy

60% rRNA + 40% proteínov

Translácia a syntéza proteínov

Viazané vs, voľné ribozómy

rRNAsekundárna štruktúra

T. thermophilus - Ramakrishnan et al., Cell, 2002

Ribozómy

Voľné a viazané ribozómy

Endoplazmatické retikulum

Gén v DNA

mRNA

Proteín

Čo je génová expresia?

tRNA

Lodish et al, Fig 4-26

tRNAs

Lodish et al, Fig 4-20

Ribozómy

Vznik translačnej jednotky -ribozóm+mRNA+tRNAmet

Continue to next slide

See notes page

Plug keeps the

translocator closed

when it is not being

used for co-translational

insertion

Génová expresia

Môj Pane, identifikovali ľudský genóm

Hnusní hackeri, musím ihneď zmeniť heslo

To ešte nie je koniec !

Celkový pohľad na problém

Metabolites

Protein FunctionsProtein Structures

Medical expertknowledge

MicroarraysDNA

Chromosomal Location

Čo si želáme poznať ?

• Kompletnú a presnú analýzu všetkých génov aj s ich lokalizáciou v genomickej pozícií

• Všetky transkripty od každého génu, ktoré sa môžu zosyntetizovať

• Lokalizáciu a časovú schému expresie každého transkriptu

• Proteíny, ktoré môžu byť vytvorené z každého transkriptu

• 3-D štruktúru každého proteínu

• Lokalizáciu a časovú schému expresie každého traskriptu

• Funkciu každého zosyntetizovanéhoproteínu

Hardy J, Singleton A, 2009 NEJM

Hardy J, Singleton A, 2009 NEJM

Koncepcia „personalizovanej medicíny”

Masívny paralelná individuálna genotypizácia ~1 million SNAPs za << 500 €

Možnosť kompletného sekvenovania 2x3 mld báz individuálneho genómu do 3 roky za cenu~ 1,000 €

Možnosť paralelného stanovenia tisícky proteínov za menej ako 1 000€

KFTFaF UK Bratislava

Genomika a proteomika súčasný stav

Predpoklad Diagnóza Predikcia

Personálna terapia

"Here's my

sequence...”

New Yorker, 2005

Len približne 3-5% z ľudskej DNA kódujú funkčné gény.

Gény sú vsunuté do dlhých úsekov ne-kodújúcej DNA a majú veľmi nepravidelné usporiadanie.

Častá je prítomnosť opakovaní, pseudo-géno a intrónov, ktoré tvoria veľmi problematické oblasti DNA.

Počet génov človeka

Celera len ~30,000 génov (25 647)

Affymetrix GeneChips ~ 60,000 génov

GenBank ~ 49,000 génov kódujúcich sekvenciu

UniGene ~ 89,000 sekvencií

Problémy s génmi

Súčasná problematika genomiky a proteomiky

6. Spetember 2012- The ENCODE (Encyclopedia of DNA Elements)

32 vedeckých skupín s viac ako 440 vedcov

Problémy s proteínmi

Očakávané prínosy:

Racionálny dizajn molekúl liečiv Génová terapia a kontrolné systémy pre liečiva Personalizácia terapie a na mieru šité lieky

+ Proteomika + Epigenetika + Imaging + Verejné zdravotníctvo + …..

Revolúcia v zdravotníctve

Biotechnológia Bioinformatika+ Genomika+

Perspektívy a budúcnosť