BM Gena 2015

Biologie moleculara Gene: definiii, diversitate, organizare, funcii S.Capcelea, A.Bilan

1

GENE

Definiii, diversitate, organizare, funcii

1. Scurt istoric 2. Definiii 3. Clasificarea genelor umane 4. Expresia genelor nucleare 5. Organizarea general a genelor 6. Particularitile genelor nucleare

6.1. Gene de clasa II

6.1.1 Particularitile expresiei genelor de clasa II 6.1.2 Structura genelor de clasa II

Promotorul

Regiunea codificatoare

Terminatorul

Enhancer i Silencer 6.2 Gene de clasa I

6.3 Gene de clasa III

7. Familii de gene

8. Psudogene

8.1 Rolul pseudogenelor

9. Transpozonii 9.1 Clasa I: retrotranspozoni

9.2 Clasa II: transpozoni ADN

9.3 Rolul transpozonilor n funcionarea genomului uman 10. Gene mitocondriale 11. Concluzii


2

1. Scurt istoric Prima ipotez despre structura i funcia materialului genetic a fost formulat de

Gregor Mendel (1865). Pentru a explica geneza unor caractere fenotipice ereditare i modul lor de transmitere la descendeni, el a presupus existena unor factori ereditari. Aceste elemente, care iniial erau pur ipotetice, au devenit, n timp, structuri reale, materiale.

Dup descoperirea i descrierea cromozomilor (Waldeyer, 1988) Boveri i n special Sutton (1902) au emis i susinut ipoteza c factorii ereditari sau genele (dup termenul introdus de Wilhelm Johansen, 1903) sunt pri din cromozomi.

Aceast idee a fost confirmat de Thomas Hunt Morgan i colaboratorii si (1910-1925). n felul acesta, gena nceteaz s mai fie o supoziie logic, abstract, a geniului mendelian i capt un coninut concret, material.

Cercetrile ulterioare au demonstrat natura chimic a cromozomilor i genelor. n 1944 Oswald Avery i colaboratorii si au demonstrat c materialul genetic este

reprezentat de molecula de ADN.

n 1953 Francis Crick i James Watson au descoperit organizarea molecular a ADN i au determinat c succesiunea de baze azotate (A, G, C, T) reprezint codul genetic. Informaia genetic perpetueaz datorit replicrii moleculelor de ADN i se realizeaz prin transcripia ADN cu sinteza ARN pentru sinteza de proteine..

n concluzie, gena

reprezint un fragment din molecula de ADN care

conine informaia genetic despre sinteza unui anumit tip de protein sau a unei molecule de ARN, fiind

considerat unitatea molecular a ereditii i variabilitii. Fiecare gen const dintr-o succesiune specific de baze azotate, n conformitate cu

ARN-ul/proteina codificat. Grupul de gene alturate, localizate ntr-un cromozom formeaz un grup de nlnuire

(grup lincaj). n cadrul acestor grupri, gena ocup o poziie delimitat de genele vecine. Gena nu are granie morfologice sau grupri chimice particulare, ea are o delimitare funcional, relevat de semnificaia mesajului genetic nscris.

2. Definiii Gena deine secvena de nucleotide ce controleaz sinteza diferitor molecule de ARN

(ARNm, ARNr, ARNt, ARNsn) i a diferitor molecule de proteine. Fiecare gen are o succesiune specific de baze, de regul de pe ea se sintetizeaz un singur tip de ARN. Complexitatea structurilor i funciilor organismelor vii este determinat de spectrul proteinelor pe care le conine. n setul diploid de cromozomi umani se conin circa 25 00040 000 perechi de gene diferite codificatoare de proteine.

Genele care codific ARNm, tradus n lanuri polipeptidice specifice, sunt denumite gene structurale. Pentru acestea se utilizeaz i termenul de cistron. Genele care se transcriu independent poart denumirea de uniti transcripionale monocistronice (caracteristice pentru eucariote), iar mai multe gene ce se transcriu n comun uniti transcripionale policistronice (caracteristice procariotelor).


3

Prin sinteza diferitor tipuri de proteine genele controleaz structurile, funciile i proprietile celulei i a organismului n ntregime. Produii genelor, interacionnd cu factorii de mediu, pot modula activitatea organismului pentru adaptarea lui n condiiile schimbtoare ale ambiantului.

Sub aciunea factorilor de mediu genele i pot modifica secvena nucleotidic (apar gene mutante). Mutaiile determin apariia diferitor variante alelice ale uneia i aceleai gene care pot avea asupra fenotipului diferite efecte:

- neutre apar variaii individuale ale unuia i aceluiai caracter (grupele sanguine i serice la om);

- pozitive gene de rezisten la anumite noxe; - defavorabile apar caractere patologice letale sau semiletale (de ex., deficiene

enzimatice i blocarea unor lanuri metabolice). Totalitatea genelor din setul diploid de cromozomi al unui individ se numete genotip.

Totalitatea caracterelor i proprietilor individului controlate de genotip n interaciune cu mediul se numete fenotip.

3. Clasificarea genelor umane

Exist o multitudine de tipuri de gene, n dependen de informaia codificat de ctre acestea, modalitatea espresiei, momentul expresiei i locul expresiei. Ulterior vom analiza cele mai importante grupe de gene:

A. Dup localizare:

gene nucleare - o circa 30 000 perechi gene (gene structurale, ARNr, ARNt); o 50% materne i 50% paterne; o formeaz, de regul, uniti de transcripie monocistronice; o pot avea expresie specific de esut.

gene mitocondriale - o 37 de gene (structurale, ARNr, ARNt); o 100% materne o formeaz uniti de transcripie policistronice; o se expreseaz continuu n toate esuturile.

B. Dup produsul genic:

Gene structurale (codificatoare de proteine)

Gene ARNr

Gene ARNt

Gene microARN

Pseudogene

Transpozoni

C. Dup particularitile transcripiei:

Gene de clasa I o transcrise de ARN polimeraza I; o codific ARNr 28S, 18S i 5,8S; o formeaz uniti de transcripie comune (policistronice).

Gene de clasa II o Transcrise de ARN polimeraza II; o Codifc pentru proteine, ARNsn, ARNsno; o Formeaz uniti de transcripie monocistronice.


4

Gene de clasa III o Transcrise de ARN polimeraza III; o Codifc pentru ARNr 5S, ARNt, diverse tipuri de microARN; o Formeaz uniti de transcripie monocistronice.

D. Dup locul expresiei:

Gene house keeping o se expreseaz n toate esuturile; o codific proteine indespensabile activitii organismului (factori de

transcripie, factori de translaie); o defectul lor reprezint mutaii letale.

Gene cu specificitate de esut o se expreseaz n anumite esuturi; o codific proteine ce controleaz diferenierea celular; o mutaiile lor implic defecte ale anumitui esut/organ.

Fig.1 Gene implicate n dezvoltarea i funcionarea organelor i esuturilor la om

E. Dup perioada expresiei:

Gene active pe tot parcursul vieii - o Genele house keeping o Genele ARNr o Genele ARNt o Genele microARN

Gene active numai prenatal - o genele ce asigur morfogeneza (HOX A, HOX B, HOX C, HOX D, etc) o genele ce asigur creterea (IGF2, H19, etc.) o genele ce particip la sexualizare (SRY, SF1, Dax1 etc.)

Gene active la pubertate - o Ex.: genele GnRH (gonadotropin-releasing hormone neurons),

responsabile de reglarea fertilitii n pubertate.

Gene active la adult - o Ex.: gene responsabile de tolerana la lactoz.

Gene active numai n anumite condiii de mediu - o Ex.: gene responsabile de enzimele pentru detoxifiere (CYP, ADH, CAT).


5

F. Dup numrul de copii:

Gene unice o Gene pentru proteine (marea majoritate)

Gene repetitive o gene pentru Histone o gene ARNr o geneARNt

Familii de gene o Gene pentru globine o Gene pentru actin o Gene pentru miozin

Superfamilii de gene o Gene pentru Ig o Gene pentru receptori nucleari la hormoni

4. Expresia genelor nucleare

Genele nucleare sunt dispersate de-a lungul moleculelor de ADN, conin diverse secvene reglatoare i se expreseaz n mai multe etape. Expresia genelor ncepe cu transcripia ADNului i sinteza de ARN precursori; precursorii sunt supui processingului cu formarea ARN funcional:

ARNr asociat cu proteine ribozomale formeaz subunitile ribozomului i transferat n citoplasm reprezint sediul translaiei, sintezei polipeptidului;

ARNm transferat n citoplasm pe ribozomi reprezentnd matria pentru sinteza polipeptidului;

ARNt transferat n citoplasm, asociat cu aminoacidul corespunztor asigur translaia ARNm i adaptarea aminoacizilor ce formeaz polipeptidul codificat n ARNm;

ARNsn controleaz processingul ARNm, n special splicingul (nlturarea intronilor i unirea exonilor);

ARNsi transferat n citoplasm, maturizat i asamblat ntr-un complex ce regleaza translaia (inactivarea ARN i degradarea lui.)

Fig.2 Etapele generale ale expresiei genelor nucleare.


6

Etapele generale ale expresiei genelor codificatoare de ARNr, ARNt i proteine.

Gene de clasa I

ARNr

Gene de clasa III

ARNr

Gene de clasa II,

structurale

Gene de clasa III

ARNt (I) Transcripia ADN genic

cu sinteza preARNr 45S

(I) Transcripia ADN genic cu sinteza preARNr

(I) Transcripia ADN genic cu sinteza preARNm

(I) Transcripia ADN genic cu sinteza

preARNt

(II) Processingul ARNr cu

formarea ARNr 18S, 5,8S

i 28S

(II) Processingul ARNr 5S (II) Processingul ARNm

CAParea

Polyadenilarea

Splicingul

(II) Processingul ARNt

(III) Asamblarea subunitilor ribozomale 40S i 60S

(IV) Exportul subunitilor ribozomale din nucleu n citoplasm

(III) Exportul ARNm din

nucleu n citoplasm (III) Exportul ARNt

din nucleu n citoplasm

(V) Asamblarea ribozomului 80S pentru iniierea translaiei ARNm i sinteza proteinei

(IV) Translaia ARNm cu sinteza polipeptidului

(V) Maturizarea

polipeptidului cu formarea

proteinei funcionale

(IV) Activarea ARNt

cu formarea

complexului

aminoacil-ARNt i transportul

aminoacizilor spre

ribozomi pentru sinteza

polipeptiduluiu

Cunoaterea etapelor expresiei unei gene permite nelegere structurii ei. Gena conine:

proximal secvene reglatoare ale iniierii transcripiei i recunoatere a SIT +1;

central secvene codificatoare de ARN/proteine i situsurile de control al processingului;

distal secvene reglatoare ale terminrii transcripiei.

5. Organizarea general a genelor

Promotorul se conine n fiecare gen (unitate de transcriere) i reprezint secvena care regleaz iniierea transcripiei unei gene, sau a setului de gene. Promotorul se gsete

n aval de regiunea transcris (la captul 5) (gene pentru ARNm i ARNr nucleolar) sau

se conine n interiorul secvenei transcrise (gene pentru ARNt). Primul nucleotid transcris este notat cu +1; nucleotidele din gen situate n faa punctului de iniiere (SIT+1) a transcripiei se noteaz cu (-), iar cele ce se gsesc spre captul 3' cu (+). Promotorul conine secvene consens care se deosebesc la diferite clase de gene, iar genele de clasa II, codificatoare de proteine, au promotori specifici fiecreia din ele.

Regiunea codificatoare conine informaia despre structura unui ARNr, ARNt, miscroARN sau ARNm i polipeptid. Secvenele codificatoare exonii - pot alterna cu secvene

Fig.3. Organizarea general a genei


7

necodificatoare introni. Intronii n timpul processingului ARN sunt nlturai i astfel, regiunea codificatoare conine i situsuri de splicing (detaliile le gsii mai jos).

Terminatorul este plasat la sfritul unitii transcripionale i reprezint o secven de nucleotide care controleaz terminarea transcripiei. De-a lungul genei se afl anumite situsuri/boxe (secvene mici de nucleotide), ce servesc ca locuri de interaciune pentru factorii de transcripie, activatori, represori etc.

6. Particularitile genelor nucleare

6.1 Genele de clasa II Genele codificatoare de proteine sunt reprezentate de segmente de ADN care sunt

transcrise de ctre ARN-polimeraza II. Dup cum a fost menionat, se cunosc mai multe tipuri de gene de clasa II dependent de proteina codificat, locul i momentul expresiei:

Figura 4. Clasificarea genelor umane codificatoare de proteine Venter et al. (2001). n aceas diagram sunt omise

nc 13000 de gene funcia crora nu este cunoscut.

Figura 5. Categoriile de gene umane caracterizate dup funcie, numrul genelor cunoscute i procentaj la numrul total de loci nucleari (Uniprot).


8

6.1.1 Particularitile expresiei genelor de clasa II

Pentru nelegerea structurii genei de clasa II v prezentm schema etapelor principale ale expresiei genei i elementele majore de control:

Figura 6. Particularitile expresiei unei gene de clasa II i principalele elemente reglatoare

I. Transcripia este un proces complex de sintez complimentar a ARN mesager precursor (preARNm) de pe molecula de ADN.

- Factorii de transcripie recunosc boxele promotorului genei de transcris; - Procesul se realizeaz cu ajutorul enzimei ARN-polimeraza II de la SIT +1 ce

conine primul nucleotid transcris. II. Processing-ul preARNm sau maturizarea ARNm decurge n 3 etape:

- Cap-area - modificarea captului 5 al preARNm unde se adaug o molecula 7 metil-guanozin numit ,,CAP.

- Poliadenilarea - la captul 3 al preARNm, se recunoate situsul poly(A), se cliveaz secvena terminatorului i se adaug mai multe Adenine (ATPuri) ce formeaz coada poliAdenilic (AAAAA..).

- Splicingul proces de eliminare a regiunilor necodante (introni) i unire a secvenelor codante (exoni). Intronii sunt recunoscui dup dubletele GU..AG. n urma splicingului molecula de ARNm devine mai scurt.

III. Transportul ARNm din nucleu n citoplasm. La aceast etap ARNm cu poliA este recunoscut de ctre receptorii porului nuclear i este transferat din nucleu n citoplasm pentru a putea avea loc urmtoarea etap - translaia (sinteza polipeptidului).

IV. Translaia reprezint procesul de decodificare a informaiei genetice din ARNm cu sinteza polipeptidului. Acest proces se desfoar n ribozomi, unde ARNt transport aminoacidul corespunztor codonului din molecula de ARNm. Translaia permite aranjarea specific a aminoacizilor unii prin legturi peptidice i formarea unui lan polipetidic.

- ARNm este recunoscut de ribozom datorit unei combinaii specifice de nucleotide din secvena lider;

- ncepe translaia de la codonul start AUG; - Se finiseaz translaia cu codonul STOP ( UAA,UAG sau AGA).


9

V. Conformaia proteinei reprezint maturizarea polipeptidului format n urma translaiei. Procesul se desfoar cu ajutorul chaperonelor; aminoacizii ncorporai interacioneaz prin formarea legturilor de hidrogen i/sau disulfidice i determin configuraia proteic spaial, tridimensional, specific. Proteinele pot fi glicozilate, fosforilate, etc.; pot asocia cu mai multe lanuri polipeptidice.

6.1.2 Structura genelor de clasa II

Genele nucleare codificatoare de proteine reprezint o combinaie linear de secvene nucleotidice ce codific un polipeptid sau mai multe variante polipeptidice (datorit splicingului alternativ) i controleaz expresia i rata expresiei acestor gene.

Figura 7. Ordinea liniar a secvenelor unei gene de clasa II, de regul, este urmtoarea: Promotorul cu boxele de interaciune cu factorii de transcripie ajutori ai ARN-

polimerazei II;

SIT +1 situsul de iniiere a transcripiei cu primul nucleotid ncorporat n preARNm, fiind i situs de CAPare a ARNm;

Secvena lider, regsit n regiunea 5' a ARNm, situs de interaciune cu ribozomul pentru iniierea translaiei;

ATG, codonul de iniiere a translaiei; Exoni (numr variabil) - secvene nucleotidice codificatoare pentru polipeptid; Introni (separ exonii, cu situsurile de splicing 5'GT i 3'AG, numr variabil) - secvene

nucleotidice necodificatoare;

codonul stop (TAA, TGA, sau TAG) al translaiei pe ultimul exon; Terminatorul cu situsul Poly(A), responsabil de terminarea transcripiei, i

poliAdenilarea 3' al ARNm;

Secvene modulatoare ale ratei transcripiei (enhanceri i silenceri);

Unele gene pot conine mai multi promotori alternativi i, respectiv, SIT +1; pot conine situsuri alternative de splicing sau situsuri alternative de polyAdenilare.


10

Promotorul

Promotorul genei de clasa II conine o serie de secvene consens, care reprezint situsuri specifice pentru factorii de transcripie.

Figura 8. Promotorul genei de clasa II i factorii de recunoatere i transcripie

Proximal situsului +1 se gsesc urmtoarele boxe: Boxa Goldberg-Hogness sau boxa TATA

Localizare: -20 -30 de nucleotide de la situsul de iniiere (+1), la nivelul creia se gsete secvena 5' TATAATAAA3'. Funcie: recunoscut de TFIID ce direcioneaz enzima ARN-polimeraza II spre situsul de iniiere al transcripiei.

Boxa CAAT Localizare: -50 .-130 de nucleotide de la situsul de iniiere, caracterizat prin secvena 5'GGCCAATCT3'.

Funcie: controleaz legarea proteinelor C/EPB (CAAT-box/Enhncer Binding Protein) pentru iniierea transcripiei i eficiena acestui proces.

Boxa GC Localizare: -90 de nucleotide fa de nucleotidul (+1), avnd succesiunea 5'GGGCGG3' ce interacioneaz cu factorul de transcripie Sp1. Funcie: poate avea mai multe copii n promotor i intervine n direcionarea procesului de transcripie.

n afar de aceste boxe mai sunt i alte secvene consens, ce se leag de proteine reglatoare specifice pentru gena dat:

Motive octamer ATTTGCAT, recunoscute de Octn,

o Oct1 este un factor general (ubiquitar) o Oct2 este specific pentru celulele limfoide.

CP1, CTF = NF1, C/EBP interacioneaz cu boxa CCAAT. CP1 i CTF sunt identificate n majoritatea esuturilor, iar C/EBP n celulele ficatului i adipocite.

Acestea sunt necesare pentru o expresie difereniat a genelor n celule diferite i perioade ontogenetice diferite (de ex., genele pentru globin se transcriu doar n celulele precursoare ale eritrocitelor, gena pentru miozin n celulele musculare, iar gena pentru insulin - n celulele specializate ale pancreasului etc.).


11

Regiunea codificatoare

S-a demonstrat c la eucariote genele codificatoare de proteine au o structur discontinu, mozaic. Regiunea transcriptibil a genelor la eucariote cuprinde secvene codificatoare denumite exoni i secvene necodificatoare introni.

Paradoxul valorii C confirm c din totalul ADN-ului genomic doar o parte (2-3%) particip la sinteza proteinelor. S-a constatat o discordan ntre dimensiune moleculei de ARNm, cu cea a ARN precursor (transcript primar) i dimensiunea secvenei de ADN care a servit ca matri pentru transcripia ARN respectiv. P. Sharp (1977) a emis ipoteza structurii discontinue, sau n mozaic, a genei la eucariote.

Numrul de exoni i introni este variabil i depinde de complexitatea proteinei pe care o codific:

gena -globinei conine 3 exoni i 2 introni;

gena pentru precolagen conine 51 exoni i 50 introni;

gena pentru Factorul 8 de coagulare conine 26 exoni i 25 introni (secvena de ADN const din 180000 p.b., iar molecula ARNm respectiv are o lungime de doar 9000 b. i constituie 0,2%);

gena care codific distrofina conine 79 de exoni i 78 de introni, mai mult de 25000000 pb, iar ARNm - doar 14000 b.

Exonii reprezint secvene codificatoare ale genei ce se transcriu, sunt prezeni n ARN precursor, n ARNm i se regsesc n secvena de aminoacizi a proteinei. La captul 5 al primului exon este o secven scurt de cteva zeci de nucleotide (secvena lider) cu rol de iniiere a translaiei care este urmat de codonul universal de iniiere a translaiei ATG. La captul 3 al ultimului exon se afl unul din cei trei codoni de STOP informaional (TAA, TAG sau TGA) ce determin terminarea sintezei proteinei i o secven scurt netranslat.

Fig. 9. Numrul exonilor la diferite gene ale vertebratelor

Fig. 10. Lungimea exonilor i intronilor la diferite gene ale

mamiferelor


12

Numrul exonilor la diferite gene este diferit, dependent de numrul de domenii pe care le are proteina codificat. n fig. 9 este reprezentat dependena dintre numrul de exoni i frecvena lor n genomul vertebratelor.

Intronii

n antitez cu exonii, vin intronii, care sunt nite secvene necodificatoare ale genei i se transcriu mpreun cu exonii. Intronii reprezint secvene necodificatoare ale genei ce se transcriu, sunt prezeni n ARN-precursor, dar nu sunt prezeni n ARNm (fig. 8.4). n timpul maturizrii ARNm (splicing) intronii sunt eliminai din ARN-precursor.

Intronii au o lungime cuprins ntre 100 i 10000 pb i, de regul, sunt mai lungi dect exonii (fig. 10). Majoritatea intronilor prezint la extremitatea 5' secvena dinucleotidic GT iar la 3' AG, astfel sunt recunoscui de factorii ce i nltur n timpul splicing-ului.

Anterior se considera c intronii nu sunt altceva dect deeuri destinate distrugerii n urma splicing-ului, dar studiile recente au presupus i demonstrat unele funcii ale acestora. Unii introni n urma splicing-ului devin precursori pentru procesarea ulterioar a altor ARN codificatori, precum ARNsn (small nuclear), microARN i ARN necodificatori lungi (long non-coding RNAs). Ali introni au o durat lung de via i pot fi exportate n citoplasm, sugernd c acetia au roluri n translaie. Unii introni care se acumuleaz dup splicing joac un rol important, dar misterios, n latena viral.

n genomul uman majoritatea genelor sunt constituite din exoni i introni, dar sunt gene doar cu un exon, fr introni:

- Genele pentru Histone; - Genele pentru Interferon; - Genele pentru majoritatea ribonucleazelor; - Genele pentru proteinele ocului termic (chaperoni); - Genele pentru proteine G cuplate cu receptori; - Gene pentru majoritatea receptorilor hormonali i neurotransmitori.


13

Structura genei de clasa II este dictat de particularitile funciei proteinei codificate.

Ttabelul 1. Exemple de proteine i particularitile regiunii codante a genei codificatoare.

Proteina

Dimensiunea

proteinei

(nr. de

aminoacizi)

Mrimea

genei (kb)

Nr.

exonilor

Nr.

intronilor

ADN

codant (%)

Dimensiunea

medie a

exonului (pb)

Dimensiunea

medie a

intronului

(pb)

SRY 204 0.9 1 0 94 850 -

-Globina 146 1.6 3 2 38 150 490

Albumina

din ser 609 18 14 13 12 137 1100

Colagen de

tip VII 2928 31 118 117 29 77 190

p53 393 39 10 9 6.0 236 3076

Fenilalanin

hidroxilaza 452 90 26 25 3 96 3500

Factorul

VIII de

coagulare

2351 186 26 25 3 375 7100

CFTR 1480 250 27 26 2.4 227 9100

Distrofina 3685 2400 79 78 0.6 180 30770

kb kilobaze =1000 perechi nucleotide ; pb perechi baze; ADN codant (%) totalitatea de informaie dintr-o gen ce va fi expresat n urma pierderii intronilor la splicing;

Terminatorul genelor de clasa II

Terminatorul genelor la eucariote nu este bine definit. Transcripia progreseaz la 1000 i mai multe nucleotide dup codonul STOP. Cum i cnd se termin transcripia rmne nc o enigma pentru specialitii din domeniu. Dar, se cunoate c la 30-35 pn la 100 nucleotide distal de codonul stop (TGA, TAA sau TAG) -

o se gsete situsul de clivare i situsul polyA ce este transcris n preARNm ca AAUAAA.;

o urmeaz o secven G sau GC numit regiunea GSR, important pentru interaciunea cu factorii proteici ce asigur poliAdenilarea ARNm;

o complexele CPSF (cleavage and polyadenylation specificity factor) i CstF (cleavage stimulation factor) recunosc situsul de poliAdenilare, cliveaz captul 3 al ARNm, activeaz poliA polimeraza ce prelucreaz captul 3 al ARNm i, astfel,

o se termin transcripia i se inactiveaz ARN polimerazei II.


14

Enhanceri i Silenceri Enhancerii i Silencerii sunt elementele din vecintatea promotorului genelor de clasa II

i sunt localizate ntr-un interval de 200 pb fa de situsul de start +1. Multe astfel de elemente, coninnd mai puin de 20 pb, pot fi utile n reglarea unei gene particulare.

Enhancerii au de obicei o lungime de aproximativ 100-200 pb, conin mai multe elemente de control de la 8 la 20 pb. Acestea pot fi localizate de la 200 pb la 10 kb n amonte sau n aval de promotor, n interiorul unui intron, sau n aval de exonul final al genei;

Elementele din proximitatea promotorului i activatorii sunt adesea specifici unui tip celular, funcionnd numai n tipuri celulare difereniate specific.

Factorii de transcripie, care stimuleaz sau reprim transcripia, se leag la elemente situate n proximitatea promotorului i la Enhanceri - activatorii / la Silencer - represorii.

Activatorii conin, n general, mai multe situsuri de legare pentru factorii de transcripie. Legarea cooperativ a mai multor activatori la situsuri nvecinate din structura unui element activator formeaz un complex multi-proteic numit Enhanceosome. Asamblarea acestuia necesit adesea proteine mici care se leag la anul mic al ADNului i determin curbarea rapid a secvenei, permitnd proteinelor de pe fiecare parte a curburii s interacioneze mult mai bine.

Majoritatea represorilor de la eucariote sunt proteine modulare. Similar cu activatorii,

acetia conin de obicei un singur domeniu de legare Silencer, i unul sau mai multe domenii represoare, i pot controla transcripia cnd sunt legai la situsuri aflate la sute sau mii de baze fa de situsul de start.

Figura 11. Rolul enhancerilor n expresia genelor:

(1) Proteinele activatoare ale transcripiei se leag la enhancer declannd curbarea ADNului;

(2) Activatorii interacioneaz cu coactivatorii pentru stimularea

decondensrii cromatinei; (3) Activatorii se leag la mediatori

declannd asamblarea ARN polimerazei II i factorilor de transcripie generali la boxele promotorului.


15

6.2 Gene de clasa I

Genele pentru ARNr 5,8S; 18S; 28S, transcrise de ARN polimeraza I sunt organizate ntr-o unitate de transcripie ce se repet n tandem de cteva sute de ori i formeaz organizatorul nucleolar (fig. 12). La om sunt 700-800 de gene, organizate in clastere, localizate pe cromozomii

13, 14, 15, 21 i 22.

Fiecare unitate de transcripie este separat de unitile vecine prin secvene netranscriptibile - spaceri. Unitatea repetabil conine ~12000 pb. Genele pentru ARNr de regul nu conin introni, excepie fcnd genele protozoarelor. Promotorii genelor pentru ARNr au o varietate mic i sunt recunoscui de factorii de transcripie ce activeaz enzima ARN-polimeraza I. Promotorii genelor de clasa I au o structur bipartit:

promotorul de baz localizat n regiunea -45 +20 ce controleaz iniierea transcripiei i

un element de control proximal n regiunea -180 -107 (UCE upstream control element).

6.3 Gene de clasa III

Genele pentru ARNr 5S gene de clasa III - sunt localizate n afara nucleolului i sunt transcrise de enzima ARN-polimeraza III. Aceste gene formeaz uniti transcripionale n care gena pentru ARNr 5S se repet n tandem de 200-300 de ori, localizate pe cromozomul 1. Promotorul este localizat n interiorul genelor n limitele +50 +90.

Genele pentru ARNt, de asemenea sunt gene de clasa III, sunt organizate n uniti transcripionale n care secvenele codificatoare sunt separate prin succesiuni necodificatoare, repetate n tandem. n genomul uman sunt circa 820 gene ARNt. La drojdii genele pentru ARNt pot conine introni de 10-30 pb. Genele pentru ARNt sunt transcrise de ARN-polimeraza III, iar promotorul are o structur similar cu cea a genelor ARNr 5S.

Fig. 12. Organizarea genelor pentru ARNr 5,8S, 18S, 28S


16

7. Familii de gene

Diferite familii de gene pot fi recunoscute n dependen de omologia secvenelor nucleotidice i similaritatea structural a produselor proteice.

n familiile de gene cu membrii strns nrudii, genele au un grad nalt de omologie a secvenelor n cea mai mare parte din lungimea genei sau a secvenei codificatoare. Exemplele includ familiile genelor pentru histone (histonele sunt puternic conservate i membrii subfamiliei

sunt aproape identici) i familiile genelor -globinei i -globinei.

n familiile de gene caracterizate de un domeniu proteic comun, membrii pot avea o omologie de secveniere, dar acetia posed anumite secvene care specific domenii ale proteinelor codificate. Exemplele includ familia de gene PAX i SOX. Unele gene codific produse care sunt legate din punct de vedere funcional n sens general, dar care arat o omologie de secvene foarte slab, fr a prezenta asemnri importante a secvenei de aminoacizi, dar, exist unele dovezi pentru caracteristicile structurale generale comune. Astfel de gene pot fi grupate ntr-o superfamilie evolutiv, antic de gene, cu foarte muli membri de gene. Unii membri de gene formeaz proteine foarte divergente n comparaie cu cele ale altor membri de familie, din cauza diferitor duplicaii multiple care avuser loc n procesul evoluiei a unei superfamilii de gene, dar totui genele rezultante din duplicaiile recente par a fi ntr-o corelaie mai strns din p.d.v. al secvenei.

Fig. 13. Familia genelor este localizat pe crs. 16, si conine in urmtoarea ordine: o gen zeta (), o pseudogen (), o pseudogen () si doua gene , care codific 2-globina si 1-globina. Gena 1-globinei codific un polipeptid format din 141 a.a. (exonul 1 cotific primii 31 a.a., exonul 2- de la 32 la a.a.99 i exonul 3 codific de la a.a.100 pn la 141. Familia genelor este localizat pe crs.11 i conine n urmtoarea ordine: o gen epsilon () dou gene gama ( G i A), o gen delta () i o gen beta (). Gena -globinei codific un polipeptid din 146 a.a.. Ambele familii se expreseaz dependent de perioada ontogenetic i esut, coopereaz pentru formarea HB E (embrionar) 22 sau 22 n sacul vitelin; HB F(fetal) - 22 n ficat; HB A (adultului) - 22 n mduv. roie a oaselor.


17

Tabel 2. Caracteristica principalelor familii de gene din genomul uman

Familia de gene Nr. copiilor Organizarea Localizarea n

cromozom

Familii de gene grupate pe acelai crs (formeaz clastere)

Grupul genelor factorilor de cretere 5 Grupate n limita a 67 kb;

O pseudogen 17q24

Grupul genelor -globinei 7 Grupate n peste ~50kb 16p13

Genele catelelor grele (heavy chains)

ale clasei I de HLA ~20 Grupate n peste 2 Mb 6p21

Genele HOX 38 Organizate n 4 clastere 2q31, 7p15,

12q13, 17q21

Familia genelor pentru histone 61

Grupuri de dimensiuni medii, aflate

n mai multe locaii; dou grupuri

mari pe crs 6

Mai muli

Familia genelor receptorilor olfactivi >900 ~25 grupuri dispersate n ntreg

genomul Mai muli

Familii de gene alternante

Gene pentru Aldolaza 5

Trei gene funcionale i dou

pseudogene n cinci cromozomi

diferii

Mai muli

Gene PAX 9 Toate 9 copii sunt gene funcionale Mai muli

Gene NF1 (neurofibromatoza tip I) >12

O gena funcional pe 22q11; restul

reprezint pseudogene neprocesate

sau fragmente de gene

Mai muli, de

obicei

pericentromeric

Cene pentru catena grea (heavy chain)

a feritinei 20

O gena funcional pe crs 11;

majoritatea sunt pseudogene

procesate

Mai muli


18

8. Pseudogene

Pseudogenele sunt nite copii defecte ale genelor funcionale. Acestea pot fi duplicaii pariale sau complete ale genelor codificatoare de polipeptide sau ARN. Secvena ADN a unei pseudogene este structural asemntoare cu gena original (ancestral) funcional, dar conine numeroase mutaii care inactiveaz gena. Gena funcional codificatoare de polipeptide conine o secven deschis de citire (open reading frame), o poriune lung de nucleodite care sunt transcrise i ulterior translate ntr-o secven de aminoacizi, ntrerupi de codoni-stop. n contrast cu acestea, pseudogenele derivate din genele menionate anterior sunt copii defecte, ce i-au pierdut capacitatea de a forma proteine: pot prezenta codoni STOP n mijlocul genei; nu au promotor; sunt trunchiate; prezint doar fragmente de gen, au acumulat numeroase mutaii.

Fig. 14 Originea pseudogenelor.

Exist doua procese acceptabile care presupun apariia pseudogenelor:

Duplicaia unei gene cu acumularea unor modificri ale secvenei ADN n una din copii, precum: inserii, deleii, ce pot aprea n timpul duplicaiei unei gene. Aceste dizabiliti pot avea ca consecine pierderea funciei genei la nivel de transcripie sau translaie (sau ambele), ntruct secvena nu mai este cabapil s produc o protein. Copiile genelor ce sunt inactivate n aa condiii sunt numite pseudogene neprocesate sau pseudogene duplicate.

Retrotranspoziia transcripia invers a unui transcript ARNm cu o reintegrare ulterioar a ADNc n genom. Astfel de copii de gene sunt calificate drept pseudogene procesate. Aceste gene nu au promotor, nu au introni i, de asemenea, pot acumula diferite mutaii pe parcursul evoluiei

Fig. 15 Pseudogene procesate i neprocesate.


19

8.1 Rolul pseudogenelor n funcionarea genomului

O gen neprocesat duplicat conine secvenele reglatorii i codificatoare, inclusiv intronii genei originale. Acest fenomen duce la un exces genetic, fapt care permite unei gene s acumuleze mutaii, devenind o pseudogen nefuncional. Uneori, gena duplicat acumuleaz mutaii ce duc la apariia funciilor noi, diferite de cele ale genei ancestrale. Aceasta faciliteaz apariia unor noi abiliti ale organismului care o posed sursa evoluiei.

Genele noi generate de duplicaia genelor neprocesate sunt, de obicei, localizate n vecintatea genelor originale n cadrul genomului sau, este posibil o eventual separare dintre aceste gene, ca rezultat al numeroaselor rearanjamente cromozomiale (cum ar fi translocaiile). Compararea genelor funcionale cu pseudogenele lor poate furniza informaii despre rata mutaiilor, despre mecanismele de producere a duplicaiilor i altor rearanjamente cromozomiale.

Pseudogenele generate prin intermediul ARNm demonstreaz trsturile ARN-ului procesat. Aceste gene sunt lipsite de secvene reglatorii transcripionale adiacente, nu conin introni i posed o regiune 3 poliadenilat. Aceste secvene sunt convertite n ADNc de ctre enzima reverstranscriptaza, dupa care integrat napoi n genom ntr-o locaie nou. Astfel, aceste pseudogene reprezint copia ARNm matur i arhiva variatelor de splicing al diferitor precursori ai aceleiai gene informaie important pentru analiza evoluiei genomurilor.

n orice studiu al evoluiei moleculare, este necesar compararea i deosebirea genelor la o varietate de organisme, pentru a putea aprecia felul n care organismele s-au adaptat pentru a-i asigura supravieuirea. Pseudogenele sunt de o importan vital, ntruct acestea inregistreaz procesul de transformare al ADN-ului genomic i pot fi folosite ca un model n determinarea ritmurilor care stau la baza substituiilor de nucleotide, inseriilor i deleiilor n ntregul genom.


20

9. Transpozonii

Transpozonul este o secvena de ADN care i poate schimba poziia n cadrul genomului, uneori crend sau inversnd mutaii i alternnd dimensiunea genomului celulei. Dupa mecanismul transpoziiei, fie acesta copy and paste sau cut and paste, transpozonii se clasific n doua clase.

9.1 Clasa I: retrotranspozonii

Mecanismul de producere (copy-paste): transpozonii sunt iniial transcrii din ADN n ARN, dup care ARN-ul produs este retranscris napoi n ADN. Aceast copie de ADN ulterior este introdus ntr-o poziie nou n genom. Procesul de reverstranscripie este catalizat de reverstranscriptaz, care de obicei este codificat de transpozoni. De regul, retrotranspozonii sunt grupai n trei categorii:

LTRs cu repetiii terminale lungi; codific reverstranscriptaza; sunt similari cu retrovirusurile.

LINEs (Long interspersed nuclear elements): codific reverstranscriptaza; lipsite de LTR; sunt transcrise de ARN-polimeraza II.

SINEs (Short interspersed nuclear elements): nu codific reverstranscriptaza; sunt dependente de LINEs, sunt transcrise de ARN-polimeraza III.

9.2 Clasa II: transpozoni ADN

Mecanismul de producere (copy-paste): transpoziiile sunt catalizate de numeroase enzime transpozaze. Unele enzime se pot lega de oricare parte a ADN-ului, respectiv situsul-int poate fi oriunde, pe cnd alte enzime se leag de secvene specifice. Ulterior, transpozaza taie situsul-int pentru a produce capete adezive, taie nsi transpozonul, dup care l unete (cu ajutorul ADN-ligazei) la situsul-int (care este adeziv), dup care recupereaz locurile goale cu perechi de baze, proces efectuat de ADN-polimeraz.

Transpozonii i pot pierde abilitatea de a sintetiza transpozaze prin mutaii, totui continu s sar prin genom, deoarece ali transpozoni nca mai produc transpozaze. Este posibil ca unii transpozoni s devin transpozoni prin simple mutaii, acestea producnd secvene care transmit semnale transpozazelor.

9.3 Rolul transpozonilor n funcionarea genomului uman

Transpozonii provoac numeroase mutaii. Acetia pot afecta genomul celulei-gazd n mai multe feluri:

Un transpozon care se autoinser ntr-o gen funcional, o va inactiva;

Dup ce un transpozon ADN prsete o gen, golul format, mai mult probabil, nu va fi reparat corect;

Multiple copii ale aceleiai secvene, precum secvenele Alu, pot mpiedica cuplarea exact a cromosomilor n timpul meiozei, rezultnd un crossing-over inegal, una din cauzele principale ale duplicaiilor cromozomiale.

Transpozonii sunt cauza unor boli, precum: hemofilia A si B, imunodeficiene severe, porfiria, predispoziia la cancer, DMD (distrofia muscular Duchenne) etc.


21

10. Gene mitocondriale

Genomul mitocondrial conine 37 gene, care sunt repartizate compact pe cele dou catene H (grea) i L (usoar).

Catena H formeaz o unitate policistronic format din:

Promotor (PH) , 12 gene structurale, 2 gene ARNr separate prin 14 gene ARNt i terminator;

Catena L formeaz alt unitate de transcripie policistronic constituit din:

Promotor (PL), 1 gena structural, 8 gene ARNt i terminator. Ambele catene sunt transcrise n sensuri opuse de ctre complexul POLRMT-TFAM-TFB2M (ARN polimeraza mitocondrial + factori de transcripie mitocondriali).

Figura 16. Genele structurale codific pentru citocrom oxidaze (COX) subunitile 1,2 i 3; NADH dehidrogenaze (ND) subunitile 1, 2, 3, 4, 4L, 5 i 6; ATP sintetaze (ATPS) subunitile 6 i 8; i citocromi b

(Cytb). ND6 i 8 gene ARNt sunt localizate pe catena L. Celelalte gene sunt loc lizate de-a lungul catenei H. Genele ARNt sunt indicate cu o singur liter, cu abrevierea aminoacizilor.


22

11. Concluzii Genomul uman conine 46 molecule de ADN nuclear i 2-10 molecule de ADN mitocondrial.

Informaia genetic nscris n diferite gene presupune sinteza coordonat a unor proteine celulare i extracelulare necesare organizrii i funcionrii corecte a organismului la diferite perioade ontogenetice i n anumite condiii de mediu.

Astfel, genomul conine ansamblul de secvene nucleotidice:

Codificatoare de proteine i ARN (ARNm, ARNr, ARNt)

care asigur sinteza proteinelor (doar 2-3%);

Reglatoare a expresiei genelor n esutul corespunztor, n perioada ontogenetic corespunztoare;

Modulatoare a expresiei genelor i reaglatoare a cantitii de produs genic adaptat

necesitilor celulei, organismului;

Inductibile de factorii de mediu pentru expresia genelor

responsabile de rspunsul adecvat important adaptrii organismului n diferite condiii

de via sau lupta cu factori distructivi;

Structurale, necodante menite pentru pstrarea integritii genomului (ADN telomeric), transmiterea corect a informaiei genetice din generaie n generaii (ADN centromeric), recombinarea corect a cromozomilor n timpul meiozei (secvenele Alu).


23

*****

Genele de clasa I:

Organizare:

Promotorul - parial transcris, recunoscut de factorii de transcripie ce ajut ARN

polimeraza I;

Regiunea codificatoare conine trei gene ARNr 18S, 5.8S, i 28S separate prin spaceri (secvene necodante);

Terminator;

Se repet de sute de ori.

Particulariti ale expresiei:

Sunt active n nucleol;

Se expreseaz n toate esuturile. Funcii;

a) La nivel molecular codific pentru sinteza ARNr 18S, 5,8S i 28S; b) La nivel celular asigur formarea subunitilor ribozomale; c) La nivel de organism asigur sinteza proteinelor necesare activitii vitale a

organismului;

Genele de clasa II:

Organizare:

Promotorul - netranscris, conine o combinaie specific fiecrei gene a boxelor TATA, CAAT, CG, Oct etc., care sunt recunoscute de proteine reglatoare ale activitii ARN polimerazei II, interacioneaz cu enhanceri i silenceri;

Regiunea codificatoare conine secvena lider, codon de iniiere a traslaiei (ATG), exonin / intronin-1, codon de terminare a translaiei;

Terminatorul conine situs Poly(A);

Sunt numeroase i, de regul, unice. Particulariti ale expresiei:

Sunt active n nucleoplasm;

Sunt : o gene house keeping ce se expreseaz n orice tesut; o gene cu specificitate de esut / de perioada ontogenetic / de sex / de mediu.

Funcii; a) La nivel molecular codific pentru sinteza unui polipeptid; b) La nivel celular dependent de proteina codificat, asigur formarea sau funcionarea

unei structuri celulare, asigur desfurarea unui lan metabolic, asigur derularea unui lan de semnalizare, etc.;

c) La nivel de organism asigur expresia unui caracter fenotipic morfologic, sau fiziologic, sau psihic, sau comportamental.


24

Genele de clasa III:

Organizare:

Promotorul - situat n interiorul regiunei transcrise, recunoscut de factorii de transcripie reglatori ai activitii ARN polimerazei III;

Regiunea codificatoare conine gene ARNr 5S sau gene ARNt ;

Terminator;

Se repet de sute de ori. Particulariti ale expresiei

Sunt active n nucleoplasm;

Se expreseaz n toate esuturile. Funcii;

a) La nivel molecular codific pentru sinteza unui ARNr 5S sau a unui ARNt; b) La nivel celular ARNr 5S mpreun cu produii genelor de clasa I asigur formarea

ribozomilor, iar ARNt transport aminoacizii spre ribozomi i transleaz codonii din ARNm;

d) La nivel de organism asigur sinteza proteinelor necesare activitii vitale a organismului.

BM Gena 2015

Documents

Transcript of BM Gena 2015