Trzy wielkie działy genetyki:GENETYKA GENETYKA GENETYKA

KLASYCZNA MOLEKULARNA EWOLUCYJNA

(Mendel 1866) (Watson & Crick 1953) (Darwin-Wallace 1858)

Darwin, C. R. and A. R. Wallace. 1858. On thetendency of species to form varieties; and on the perpetuation of varieties and species by natural means of selection. [Read 1 July] Journal of the Proceedings of the LinneanSociety of London. Zoology 3: 46-62.

Darwin sformułował cztery główne twierdzenia:* świat istot żywych nie jest niezmienny * proces zmian jest ciągły i stopniowy * wszystkie gatunki są ze sobą spokrewnione * zmiany ewolucyjne są wynikiem doboru naturalnego.

Dwie pierwsze tezy zostały (po fali niemerytorycznych dyskusji) przyjęte jeszcze za życia Darwina. Niezbitych dowodów na potwierdzenie trzeciej dostarczyła dopiero biologia molekularna. Teza czwarta zyskała potwierdzenie dzięki badaniom ekologicznym i biogeograficznym.Do sformułowania współczesnej teorii ewolucji, opartej na przemyśleniach Darwina, ale adekwatnej do stanu wiedzy w wieku XX, wybitnie przyczynił się TheodosiusDobzhansky swoją syntezą ewolucjonizmu Darwina z genetyką mendlowskąopublikowaną w książce pt. Genetics and the Origin of Species (1937).

Między 1856-63 Mendel przetestował ok. 28 000 roślin grochu, badał 7 cech, z których każda miała dwie łatwo rozróżnialne formy. Innowacjąbyło użycie czystych linii, zliczanie otrzymanych form potomstwa i analiza statystyczna wyników. Podsumowanie (prawo czystości gamet, prawo niezależnej segregacji cech) zostało zawarte w dwu wykładach, które wygłosił po niemiecku 8 lutego i 8 marca 1865 r. na zebraniach Towarzystwa Historii Naturalnej w Brnie, a następnie opisał w długim artykule opublikowanym w sprawozdaniach tegoż Towarzystwazatytułowanych Verhandlungen des naturforforschenden Vereinsw r. 1866. Rozesłano 115 egz., jeden do biblioteki Darwina. Darwin nawet nie rozciąłkartek artykułu Mendla, choćprzeczytał inne artykuły tego numeru czasopisma.

Watson & Crick 1953

struktura DNA (podwójna spirala komplementarnych nici)- kolejność/sekwencja nukleotydów ATCG, - zasada komplementarności A-T i G-C i obu nici,- zdolność do replikacji/powielania identycznych cząsteczek

* umożliwia też ZMIENNOŚĆ cech co służy zachowaniu życia na Ziemi, umożliwia przystosowanie organizmów do w-ków środowiska i ewolucję gatunków

* zapewnia WIERNOŚĆ przekazywania cech zarówno ogólnych – charakterystycznych dla danego gatunku, jak i specyficznych – gwarantujących podobieństwo między organizmami spokrewnionymi

prawa Mendla struktura DNA genetyka ilościowa

mejoza i mitoza chemia DNA prawo Hardy’ego-Weinberga

determinacja płci transkrypcja przewidywanie równowagi

sprzężenie z płcią translacja ewolucja

mapowanie chromosomów klonowanie DNA specjacja

cytogenetyka (zmiany kontrola ekspresji genów

chromosomowe) mutacje i naprawa DNA

dziedziczenie pozachromosomowe

GENETYKA GENETYKA GENETYKA

KLASYCZNA MOLEKULARNA EWOLUCYJNA

gen - odcinek DNA niosący informację o budowie jednego polipeptydu (czasem rodziny blisko spokrewnionych polipeptydów tzw. izoform) lub jednego rodzaju funkcjonalnego RNA (rRNA, tRNA, snRNA, snoRNA, miRNA...)

zależność gen-polipeptyd – wynik ekspresji genu (transkrypcji informacji z DNA na RNA oraz translacji kodu genetycznego zawartego w sekwencji kodującej mRNA na sekwencję aminokwasów w białku)

zależność gen(y)-cecha, genotyp-fenotyp – sumaryczny wynik regulacji ekspresji genów przez sekwencje regulatorowe, interakcji alleli(zjawiska dominacji, współdominacji, kodominacji) i genów nieallelicznych (proste współdziałanie genów zaangażowanych w ten sam szlak metaboliczny, epistaza, kumulowanie się efektów genów cech ilościowych), zjawisk epigenetycznych oraz warunków środowiska

istnieją chromosomy bogate (11, 17,19) i ubogie w geny (18)

ncRNA – funkcjonalne RNA niekodujące białektRNArRNAsnRNAsnoRNAmiRNAgRNApiRNAtmRNAsignal recognition particle RNA …

zmienności genetycznej (mutacjom, rekombinacjom) podlega całe DNA - zarówno geny białek, geny ncRNA jak i DNA międzygenowe

allel - jedna z powstałych na skutek zmienności genetycznej form danego odcinka DNA zajmującego określone miejsce (locus) w genomie

GENOM - całość informacji genetycznej danego gatunku1pz (ang. 1 bp, base pair)

1000 pz = 1 kpz (ang. 1 kb, kilobase)1mln pz = 1 Mpz (ang. 1 Mb, megabase)

haploidalny genom jądrowy 24 chromosomy3200 Mbp; ~25 000 genów

genom mitochondrialny16,6 kb; 37 genów

genom człowieka = genom jądrowy + genom mitochondrialny

Wielkość genomówProkariota - od 0,6 Mb(niektóre obligatoryjne wewnątrzkomórkowe pasożyty) do 10 Mb(niektóre sinice)liczba genów 500 - 8 000

Eukariota - duża rozpiętość

wartość C - całkowita długość haploidalnego genomu

paradoks wartości C brak korelacji pomiędzy wielkościągenomu a poziomem złożoności gatunku.

Ohno S (1970) Evolution by gene duplication. London: George Allen and Unwin. 160 p.

http://www.gmu.edu/departments/mmb/baranova/pages/ppt/LEC5-organizationOfHumanGenome.ppt#279,17,Slajd 17

POWTÓRZENIA!!!

tylko 5-10% typowego genomu kręgowców jest kodujące,co najmniej 20% stanowiąsekwencje powtórzone

Nonrepetitive Repetitive DNA DNA

100

83

17

70

30

6436 5446

30

70

E. coli(bacterium)

Gen

ome

size

(bp)

1010

109

108

107

106

105

C. elegans(nematode worm)

D. melanogaster(fruit fly)

M. musculus(mouse)

X. laevis(toad)

N. tabacum(tobacco)

powtórzenia

tandemowe (satelitarne) rozproszone (LINE, SINE)zduplikowane geny i pseudogeny

HUMAN GENOME

Genes and gene-related sequences

Extragenic DNA

Nuclear genome3000 Mb

30-40000 genes?

Mitochondrial genome16.6 kb

37 genes

Coding DNA

Noncoding DNA

Unique or low copy number

Moderate to highly

repetitive

Pseudogenes Gene fragments

Introns,untranslated

sequences, etc.

Tandemly repeated

or clustered repeats

Interspersedrepeats

Unique or moderately repet it ive

Two rRNAgenes

22 tRNAgenes

13 polypeptide-encoding genes

~30% ~70%

~10% ~90%

80% 20%

powt. mikrosatelitarne (200 000 loci u człowieka)wlk. powtórzenia 2-6 pz, ilość powtórzeń 10-100loci rozproszone, zwykle niehomologiczne, powstające w wyniku poślizgu replikacyjnego lub nierównego c-o

powt. satelitarne: centromerowe, heterochromatynowewlk. powtórzenia 5-200 pz, ilość powtórzeń >1000

powt. minisatelitarne (30 000 loci u czlowieka) wlk. powtórzenia 15-50 pz, ilość powtórzeń do 1000[np. sekwencje telomerowe (TTAGGG)n stabilizujące chromosomy i ulegające skróceniu z każdym cyklem komórkowym]

powt. specyficzne dla chromosomu – umożliwiają malowanie chromosomów

mini- i mikrosatelity umożliwiająidentyfikację ludzi w badaniu genetycznych odcisków palców (ang. DNA fingerprinting)

powt. rozproszone - elem. ruchome, transpozonystanowią 20-40% genomu, czasem >60%rozproszone między genami, wewnątrz intronów, UTRów i

sekwencji kodującychklasa I - retro(trans)pozony - przeniesienie wymaga

transkrypcji + odwrotnej transkrypcji + integracji tak powstałej kopii (kopiuj poprzez RNA i cDNA & wklej)SINEs (short interspersed elements)

rodzina Alu - 200 ~ 300 bp x >106 kopii w genomie człowieka rodzina Alphoid - heterochromatyna centromerowa, 170bp x ~103

kopii LINEs (long interspersed elements)

rodzina LI – 6400 bp x 104 kopii ε Gγ Aγ

δ β

ψβ2

ψβ1

Alu repeats

LINEs

10 kbelem. Alu i LINE w regionie genów ß-globiny na chromosomie 11 człowieka

powtórzone elementy rozproszone w lokus genu retinoblastomy

powt. rozproszone - elem. ruchome, transpozonystanowią 20-40% genomu, czasem >60%rozproszone między genami, wewnątrz intronów, UTRów i

sekwencji kodującychklasa I - retro(trans)pozony - przeniesienie wymaga

transkrypcji + odwrotnej transkrypcji + integracji tak powstałej kopiiSINEs (short interspersed elements)

Alu family - 200 ~ 300 bp x >106 copiesAlphoid family - centromeric heterochromatin, 170bp x ~103 copies

LINEs (long interspersed elements) LI family - 6400bp x 10,000 copies

klasa II - transpozony DNA – przeniesienie wymaga (i) wycięcia z dotychczasowego locus + integracji w nowym miejscu

(wytnij & wklej) lub (ii) replikacji + integracji kopii w nowym miejscu (kopiuj & wklej)

duplikacje genów prowadzą do powstawania:

rodzin genów - rodzin wariantów genów zróżnicowanych w procesie ewolucji, rozproszonych lub zgrupowanych w klastery

pseudogenów - niefunkcjonalnych kopii genów lub fragmentów genów powstałych podczas ekspansji rodziny genowej lub retrotranspozycji; mogą być pozbawione intronów; zawierają insercje, delecje, mutacje nonsens, zwykle nie są transkrybowane

geny i pseudogeny w klasterze genów HLA klasy I

ortologi – homologicznegeny występujące u różnych gatunków o dużym stopniu homologii świadczącym o wspólnym genowym pochodzeniu, rozdzielone na skutek specjacji

paralogi - homologiczne geny w tym samym genomie, pochodzące od wspólnego przodka, rozdzielone w wyniku duplikacji genu

http://angel.elte.hu/~fij/homepage/okt/gbi/kieg/img/ncbi-homolog-ortholog-paralog.gif

porównanie rodzin paralogicznych genów α- i β-globiny człowieka sugeruje, że są one strukturalnie różne pod wieloma względami, różnice mogą wpływać na: transkrypcję, naprawę DNA, rekombinację i replikację

Higgs 2004 Hematology Am Soc Hematol Educ Program 1: 1-13

Figure 7.6. Chromosomal distribution of the human histone gene family. Eleven clusterscomprising a total of about 60 histone genes are distributed over seven humanchromosomes. The two clusters on 6p contain the great majority of histone genes. Otherclusters contain only one or two of the histone gene subtypes. Note that identical histonescan be specified by genes on different chromosomes.Strachan & Read 1999 Human molecular genetics 2 John Wiley & Sons, Inc., BIOS Scientific Publishers Ltd