1 MOLEKULAAR- JA RAKUBIOLOOGIA | YTM0011 II KONTROLLTÖÖ KORDAMISKÜSIMUSED | MIHKEL HEINMAA TTÜ YAGB31 | 08/10/10 TRANSKRIPTSIOON JA GEENI REGULATSIOON 1. Missuguseid geneetilise infovahetuse protsesse tähistavad a) transformatsioon, 2) transkriptsioon 3) translatsioon. Transformatsioon on geneetilise info ülekandumine ühest bakterirakust teise rakust isoleeritud DNA abil. Transkriptsioon ehk RNA süntees on DNA ühe ahela (matriitsahel) alusel komplementaarse RNA ahela süntees. Translatsioon on mRNA põhjal ribosoomides valguahela süntees. 2. Võrdle transkriptsiooni initsiatsiooni protsesse prokarüootidel ja eukarüootidel. Prokarüoodi transkriptsiooni initsiatsioon: RNA polümeraas seondub ühega paljudest spetsiifilistes tranksriptsiooni
Sel juhul kandub elusrakkudesse surnud rakkudest vabanenud DNA. Transkriptsioon ümberkirjutamine, DNA ühe ahela alusel komplementaarse RNA molekuli süntees. Translatsioon mRNA põhjal ribosoomides valguahela sünteesimine ehk lihtsamalt öeldes valgu süntees. (RNA alusel valgu süntees tsütoplasmas paiknevatel ribosoomidel.) Translatsiooniprotsess loob geneetilise koodi ehk vastavuse mRNAde nukleotiidahelate ja valkude polüpeptiidahelate vahel. 2. Initsiatsioon prokarüootidel: transkriptsioon algab sellega, et protsessi läbiviiv ensüüm RNA polümeraas kinnitub struktuurgeenide ees asuvas promootoris sisalduvatele transkriptsiooni algussignaalidele. RNA polümeraas ei vaja transkriptsiooni initsiatsiooniks praimerjärjestust nagu seda vajas DNA polümeraas. Promootori piirkonnas, 10np transkriptsiooni alguspunktist eespool, on kindel järjestus TATAAT -, mis on tuntud Pribnow box'i nime all. Sellel järjestusel kinnitub RNA polümeraas DNA-le ja oletatakse, et selles
substraadina. Ribosoomi subühikute vahele jääb põhiline aktiivtsenter, mis moodustab tRNA'de sidumiskohad: · A-saiti seondub aminoatsüül-tRNA - paikneb nii väiksemal kui suuremal subühikul. · P-saiti seondub peptidüül-tRNA. · E-sait on deatsüleeritud tRNA spetsiifiline. TRANSKRIPTSIOON on matriitssüntees, mille käigus sünteesitakse DNA molekuli ühe ahela nukleotiidse järjestusega komplementaarne RNA molekul. Transkriptsioon toimub eukarüootidel tuumas, prokarüootidel tsütoplasmas. Prokarüoodi transkriptsiooni initsiatsioon: RNA polümeraas seondub ühega paljudest spetsiifilistes tranksriptsiooni faktoritest (-faktor) moodustades holoensüümi. Saab seonduda promootor-piirkonnaga DNA'l. -35 -10 regioon sisaldab prokarüootset promootorit.. Selles staadiumis DNA on kaksikheeliks. DNA põimub lahti üksikahelaks initsiatsiooni saidi lähedal. RNA-
transcription factors or histones and is involved in the process of transcription by RNA polymerase. It has the core DNA sequence 5'- TATAAA-3' or a variant, which is usually followed by three or more adenine bases and has been highly conserved through evolution. The TATA box is usually located 25 base pairs upstream to the transcription site. 4. Nimeta peamised DNAd siduvad domäänid, mis on iseloomulikud transkript-sioonifaktoritele (vähemalt 3) a. Homedomään valgud, tsink-sõrm valgud (zinc-finger), leutsiin lukud, heeliks-ling-heeliks (helix-loop-helix). 5. Mis roll on histoondeatsetülaasidel (HDAC) ja mis funktsioon on histoon-atsetülaasidel (HAT)? a. Histoondeatsetülaasid: b. Need valgud põhjustavad nukleosoomides, mis seonduvad TATA- box'i ja promootor-proksimaalsele järjestusele, histooni N- treminaalsete sabade de-atsetülatsiooni. Kui histoon on
abil. Helikaas keerab biheeliksi lahti kasutades ATP energiat. Primaas teeb lühikese RNA praimeri, mis on komplementaarnte templeit DNA-ga ja seejärejl hakkab polümeraas seda pikendama moodustades lühikese 5'RNA-3'DNA tütarahela. Seejärel võtab polümeraas üle ja jätkab ahela pikendamist. Pol on seotud templeitahelaga seotuse tõttu Rfc-valguga (replication factor C), mis pöördudes muutub PCNA-ks (proliferating cell nuclear antigen trimeerne valk, mis ümbritseb tütarDNA-d). Tavaliselt on mehhanism kahesuunaline replikatsioonikahvlid liiguvad kahes suunas. Regulatsioon toimub kuuest MCM valgust koosneva helikaasi aktiivsuse kontrollimisega.
Molekulaarbioloogia dimensioon – 1 A – 300 A (üle 500 – rakubioloogia, alla 1 - biofüüsika) 1 A (ongström) = 10 -10 m 1nm = 10 A 2-ahelalise DNA läbimõõt – 20 A kovalentne side – 1,5 A globulaarse valgu d – 50 A dsDNA (double stranded) d – 50 A ribosoomide, valgumolekulide d – 200-300 A DNA aluspaaride vahe – 3,4 A vesiniksideme pikkus – 3 A nukleosoom – 60x110x110 A bakteri ribosoom – 200x200x230 A tuumapoorid – 120x120x75 A bakteriaalne RNA polümeraas – 90x90x60 A Molekulaarbioloogia põhidogma DNA↔ RNA →valk DNA sünteesitakse nii DNA kui RNA alusel! RNA-sõltuv DNA polümeraas – pöördtranskriptaas – revertaas – katalüüsib DNA sünteesi RNA matriitsilt, leiti algselt retroviirustelt. Dogma evolutsiooniline aspekt: looduslik valik toimub organismide mitte geenide tasemel. Valik toimub geeniproduktide tasemel. Ühte „head“ geeni võib ümbritseda „halvad“ geenid ja teda ei valita. Mutatsioonid toimuvad juhuslikult
Geenide tihedus varieerub kromosoomidel suuresti: on geenirikkaid piirkondi, näiteks -globiini klaster, geenivaesemaid piirkondi ja "geenikõrbeid". Vaid väga väike osa sisaldab valkukodeerivaid eksoneid. Geeniperekonnad. Rühma duplitseeritud geene, mis kodeerivad aminohappejärjestuselt sarnaseid aga mitte identseid valke, nimetatakse geeniperekonnaks. Mittefunktsionaalne DNA. Ei kodeeri mRNAd ega ühtki muud organismile vajalikku RNAd ning ei oma mingit muud funktsionaalset tähtsust. Korduvjärjestused. Jaotuvad lihtjärjestusega DNAks (tsentromeersed alad) ja mõõdukalt korduvateks DNA järjestusteks (mobiilsed DNA elemendid). Tandemid. Tandeemselt korduvad geenid kodeerivad rRNAsid, tRNAsid ja histoone. Neid eristavad duplitseerunud geeniperekondadest identsed või peaaegu identsed valgulised või funktsionaalsed RNA-produktid. Tandemkordusega geenide paljusus
Tuuma maatriks – sisemine membraan sopistub sisse ja moodustab harjakesi, mille vahele jääb vedel maatriks. 1) Kinnituskohtade abil aitab organiseerida kromosoome, lokaliseerida geene ja reguleerida DNA transkriptsiooni ja replikatsiooni tuumas. 2. Tuumaümbris mitoosis, selle taastamine Mitoosi käigus laguneb tuumaümbris lamiinide fosforüülimise tõttu. Defosforüülimine taastab protsessi. Mitoosi ajal on tuumaümbris fosforüülitud ja lagunenud kujul. 3. Tuuma poori kompleks, selle ehitus: asetus membraanis, funktsionaalsed piirkonnad (keskosa, külgmised struktuurid, korv, tsütoplasma poolsed filamendid), nukleoporiinide kolm kihti sh FG- nukleoporiinid. Tuumapoori kompleks (NPC nuclear pore complex) on kanalid, mille kaudu toimub tsütoplasma ja tuuma vahel selektiivne molekulide liikumine. Ehitus: iga kompleks koosneb u 30st erinevat valgust (nukleoporiinist, NP) igast nukleoporiinist on tuumapooris palju koopiaid (ühes kompleksis 500-1000 valku).
Koplementaarsus ja antiparalleelsus- 5´ 3´ Sekundaarstruktuur- iga ahela täispööre e suur vagu(10 nukleotiidi), vahemaa N-aluste vahel e. väike vagu. RNA- ribonukeliinhape, viib läbi valkude sünteesi, geneetilised regulatsiooni protsessid RNA-analüüsi kasutatakse diagnostikas palju vähem, kuna RNA on palju ebastabiilsem (nii säilitamise, kui analüüsi suhtes). Vajadusel (RNA-viiruste analüüs) kasutatakse näiteks revertaasi polümeraas mis sünteesib RNA pealt DNA. Valgud- koosnevad ah, nende kaudu jõuab pärilik info tunnustesse Replikatsioon, transkriptsioon, translatsioon- matriitssüsteemireaktsioonid Nukleosiid- suhkur + lämmastikalus Nukleotiid- suhkur+ lämmastikalus+ fosfaatrühm ( lisaks nukleiinhappe mood. On teisi ül: ATP, koensüümide koostises- CoA, signaalmolekul-cAMP Nukleiinhape- tekib kui nukleotiidid seostuvad omavahel fosfodiestersildadega.
DNA spetsiifilisuse näitaja : A + T / G + C. DNA spetsiifilisust tõendab see, vesiniksidemed saavad moodustuda ainult kindlate paaride korral. 80. Valkude ehitus ja struktuursed vormid. Valk koosneb aminohappe jääkidest, mis on ühendatud peptiidsidemetega. Primaarne struktuur - aminohapete järjestus. Sekundaarne struktuur - alfa-heeliks ja beeta- sheets. Tertsiaarne struktuur - kolmemõõtmeliseks voldinud. Kvaternaarne struktuur - 2 või enama polüpeptiidi assotsiatsioon. Chaperonid - valgud, mis soodustavad polüpeptiidil moodustada kolmemõõtmelist struktuuri. Interaktsioonid: Kovalentsed S-S, mittekovalentsed - ioonsed, H-sidemed, hüdrofoobsed interaktsioonid, Van der Waalsi interaktsioonid 81. Kaksikheeliks, selle alternatiivstruktuurid. Negatiivne superspiralisatsioon. Komplementaarsed ahelad A ja T vahel 2 ja G ja C vahel 3 H-sidet. Antiparalleelsus - üks ahel 5' 3', teine vastupidi Alternatiivvormid: A - paremalepöörduv - 11 aluspaari pöördeks - diameeter 2,3 nm
replikatsiooni mull- topoisomeraas on kaksikahela lahti keeranud, helikaas lõhub vesiniksidemed ja tekib replikatsiooni mull replikatsiooni kahvel- Replikatsioon toimub alguspunktist lähtuvalt kahes suunas, moodustub kaks Y-kujulist struktuuri. Matriitsahelad- Transkriptsioonil DNA-ahel, mida kopeeritakse komplementaarse RNA- ahela moodustamiseks. DNA sünteesi liider- ja viivisahel- Replikatsioon toimub alati 5´3´ suunas.Juhtiv ahel on 5´3´ suunaga ja DNA polümeraas kinnitub ning sünteesitakse uus ahel. Teisel ahela 3´5´ suunaga ei suuda polümeraas koheselt sünteesida. DNA replikatsioonil osalevad ensüümid DNA polümeraas- sünteesib uue ahela, liigub 5´3´ suunas DNA praimaas- sünteesib mahajäävale ahelale RNApraimeri, olemuselt on RNApolümeraas DNA ligaas- seob Okazaki fragmendid, luues fosfodiestersideme DNA helikaas- lagundab vesiniksidemed Eksonukleaasid- lagundavad RNApraimeri DNA topoisomeraasid- keerab DNA ahela replikatsiooniks lahti
Genoomi arhitektuur: • Liigispetsiifilised kromosoomid ja nende evolutsioon, homoloogia (sünteensuse) kaardid. Kromosoomistik on liigispetsiifiline, igal liigil on kindel arv, kindla kujuga kromosoome. Näiteks inimestel on 46 kromosoomi, koertel 78, kassidel 38, tubakal ja kartulil 48 jne. • Mõisted Eu- ja heterokromatiin: omadused, funktsioon. Kromatiin jaguneb eu- ja heterokromatiiniks. Eukromatiin on valdavalt dekondenseerunud olekus ning seal toimub geenide transkriptsioon ehk on transkriptsiooniliselt aktiivne interfaasis. On geenirikas. Eukromatiini iseloomustab histoonide kõrge atsetüleerituse tase (ning samuti on transkriptsiooniliselt aktiivsele kromatiinile omased histoonide metüleerimised). Tema replikatsiooni aeg on varieeruv. Heterokromatiin on transkriptsiooniliselt inaktiivne. Esineb tsentromeerides ja telomeerides. Heterokromatiini iseloomustab võime levida: kui
transkriptsiooni tasandil on see sama mis XX emasel. Aneuploidsel kärbsel: Emane X:A 1.0 Isane X:A 0.5 Interseks 0.5 X:A 1.0 (steriilne, mõlemate sootunnustega Sõltub sellest palju x-kromosoome autosoomide suhtes on. Emaefekt: On seotud sooga, kuid ei ole määratud otseselt geenide poolt tuuma genoomis, vaid ekspressiooni profiiliga viljastatud munaraku varases arengus, mida mõjutavad munaraku tsütoplasmasse kogunenud valgud või RNA. Need on vajalikud organismi varases arengus Valgud ja mRNA on juba munarakus enne viljastamist Geenid mida nad mõjutavad on tuumas Ei ole seotud geenide või genoomi muutustega, vaid on puhtalt geeni ekspressiooni tulemus. Kui munarakk küpseb foliikulas, siis munaraku valgud, mida tsütoplasmas on terve rida, moodustuvad sellest munaraku genoomist endast. Need valgud, mis on sinna ennem tulnud,
Suuremad makromolekulide kompleksid on kuni 300 Å läbimõõduga, mis on enamasti molekulaarbioogia ülemine piir. Suuremate struktuuridega tegeleb juba rakubioloogia. Järelikult on molekulaarbioloogia dimensioon ühest kuni mõnesaja ongströmini ehk 10-10 - 3·10-8 meetrit. Mõned näited: kaheahelaline DNA ja kaheahelaline RNA, biheeliksi (kaksikspiraali) diameeter - 20 Å keskmine globulaarne valk, molekulmassiga 50 000 daltonit, diameeter - 50 Å bakteriaalne RNA polümeraas (koosneb neljast globulaarsest valgust) molekulmassiga 500 000 daltonit, dimensioonid 90x90x160 Å nukleosoom (DNA valkudega pakitud struktuuriüksus kromosoomides), molekulmassiga 300 000 daltonit, dimensioonid 60x110x110 Å 2 bakteriaalne ribosoom, molekulmass 2,5 megadaltonit, dimensioonid 200x200x230 Å Rakubioloogia väiksemad uurimisobjektid on näiteks tuumapoorid, molekulmassiga
Bakterid ja arhed. Ainuraksed, taimed, seened, loomad. 5. Raku tuum ja tuumamembraan Tuum on geneetiline komponent, mis koosneb tuumakattest ja karüoplasmast e tuumaplasmast, mis sisaldab kromatiinainet, millest moodustuvad kromosoomid. Kromosoomid koosnevad põhiliselt DNAst ja valkudest. Tuumas toimuvad DNA replikatsioon, geenide regulatsioon ja transkriptsioon. Enamik DNAst on rakutuumas kromatiini kujul. Kaetud tuumamembraaniga, milles on tuumapoorid. Aktiivsetel rakkudel moodustunud RNA rikas ala – tuumake, nukleool. Tuumaskelett toetab tuuma struktuuri. Tuumas on palju struktuure, mille kohta ei ole piisavalt informatsiooni: PML kehad, Cajal kehad, splaisingu speklid. Tuumaümbrise e tuumakatte moodustavad välismembraan ja sisemembraan ning nende vahele jääv perinukleaarruum. Tuumaümbrises paiknevad poorid, läbi nende toimub
teaduslikud uuringud. Transgeensete hiirte kasutamine: Imetajate geeniekspressiooni uurimine ja Geenide ülekandevektorite ja meetodite katsetamine, et neid hiljem kasutada inimese puhul. Transgeensed kanad, kes on resistentsed ALV (avian leukosis virus) vastu. Nende organism sisaldab defektset ALV-d, mis produtseerib loodusliku viiruse paljunemist blokeerivat valku. Ravimunad: raviotstarbelised valgud ja vaktsiinid munavalges. Transgeensed mikroorganismid: Inimese kasvuhormooni ja insuliini tööstuslik tootmine Organismi kloonimine. Imetajate kloonimine: Organismi kloonimise tulemusena saadakse kaks või enam geneetiliselt identset isendit 1. Sisuliselt on kloonid ka ühemunakaksikud, sest nad arenevad ühest viljastatud munarakust 2. Embrüokloonimine: koduloomade puhul rakendatud varajase embrüo (2-8 raku staadium) rakkude
Tsentromeerid ja telomeerid. DNA kordusjärjestused eukarüootses genoomis. 11. DNA replikatsioon. Nukleiinhapete sünteesist üldiselt: nukleiinhapete sünteesi suund; sünteesi läbiviivad ensüümid. DNA replikatsiooni mudelid: semikonservatiivse mudeli tõestamine; kahesuunalise replikatsiooni tõestamine. DNA replikatsiooni alguspunkt bakterites ja eukarüootidel. DNA replikatsioonikahvlite liikumine vastassuunas. DNA polümeraasid bakterites: E. coli DNA polümeraas I; replikatiivne DNA polümeraas III; DNA polümeraaside vigu korrigeeriv (proofreading) aktiivsus; vigaderohked DNA polümeraasid pol IV ja pol V bakterites. DNA replikatsiooni toimumine mõlemalt DNA ahelalt korraga: juhtiv ahel; mahajääv ahel; Okazaki fragmendid; praimosoom; replisoom. DNA replikatsiooni initsiatsioon oriC-lt bakteris E. coli. DNA ahelate lahtikeeramisel osalevad valgud. Veereva ratta replikatsiooni mudel
erinevates kudedes erinev. Raku üldstruktuur on kõigil juhtudel siiski sama. Membraaniga ümbritsetud tuumas paikneb raku DNA ning seal toimub ka RNA süntees. Sünteesitud RNA molekulid transporditakse tsütoplasmasse läbi tuumapooride. Tsütoplasma sisaldab torujaid membraane, mis moodustavad võrgustiku, mida nimetatakse endoplasmaatiliseks retiikulumiks (ER). Osa ER-st on karedapinnaline, kuna seal paiknevad ribosoomid ning seal toimub valgusüntees. Sünteesitud valgud transporditakse läbi ER membraani ning viiakse raku erinevatesse piirkondadesse, kus neid vajatakse. Ribosoomidest vaba ER-i nimetatakse siledaks ER-ks ning seal toimub näiteks teatavate hormoonide süntees. Golgi kompleksis, mis koosneb samuti membraansetest struktuuridest, säilitatakse ning sageli modifitseeritakse sünteesitud valke. Näiteks insuliin sünteesitakse esmalt proinsuliinina, mis seejärel Golgi kompleksis lõigatakse funktsionaalseks insuliiniks
annaabi.ee 
Sisene Facebook'ga
Sisene Google'ga
Sisene LinkedIn'ga
