STRUCTURA I ORGANIZAREA CELULAR A ADNConf. dr. Cristina RUSU

-A-T-C-G-C-G-A-T-T-A-C-G-A-T--T-A-G-C-G-C-T-A-A-T-G-C-T-A- 1953 - J.D. WATSON i F. CRICK au propus un model al structurii ADN (Premiul Nobel 1962):

dou catene polinucleotidice (A,T,G,C),

legate complementar prin bazele azotate: A-T; G-C,

nfurate ntr-o elice dubl, rsucit spre dreapta.STRUCTURA ADNU.M.F IAI

STRUCTURA PRIMAR A ADN1.1. STRUCTURA PRIMARADN este un macro-polimer de dezoxiribonucleotide; [P 5dR1 - N]n

dR N = nucleozid;

P - dR N = nucleotid;PentozD-2-dezoxiribozaBaz azotat:Pur A, GPir T, CGrup fosfat(ac.ortofosforic)U.M.F IAI

Polimerizarea nucleotidelor: legturi covalente (puternice) 3- 5 fosfodiester*

Se formeaz o caten (lan):- continu, - linear (neramificat!) o parte "constant" (ax) fosfo-glucidic i o parte variabil bazele azotate *,- polaritate 5 3

Catena = structura PRIMAR a ADN - deine informaia ereditar codificat

1.1. Structura primar a ADNU.M.F IAI

Informaia genetic codificat - secvena (ordinea) nucleotidelor determin ordinea aminoacizilor n proteine. 5'- ATGCCTAGATCA - 3' aa1- aa2-aa3- aa4alfabet nucleic = patru "litere": A, T, G, C

"cuvinte" de trei litere = triplet sau codon aminoacid ATG Met

asamblate ntr-o "fraz" = o gen = unitatea de informaie genetic; secvena nucleotide secvena AA n protein. ATG TGT AAA CCA met cis lys pro

Sensul de "citire" al informaiei genetice este determinat de polaritatea 5' 3' a catenei de ADN5'- ATGCCTAGATCA - 3' aa1- aa2 -aa3-aa4

Structura primar a ADNU.M.F IAI

STRUCTURA SECUNDAR a ADNdou catene polinucleotidice, legate ntre ele prin bazele azotate,

n mod complementar :

b. purin. b. pirimid.A T i G C *

cele dou catene sunt strict codeterminate. De exemplu: 5'-ACGTCAG-3 3'-TGCAGTC-5 *U.M.F IAI

Legea complementaritii bazelor explic mecanismele prin care se realizeaz funciile genetice ale ADN: transcripia, replicarea, repararea leziunilor, recombinarea

Pentru aceste funcii catenele se pot desface parial matrie pt sinteza unor noi molecule complementare (ARNm sau ADN).Structura secundar a ADNU.M.F IAI

catenele ADN sunt antiparalele ();

catenele ADN se nfoar plectonemic dubl spiral elicoidal coaxial dextrogir;

Structura ADN este perfect regulat ! ( 2 nm; pas=3,4nm);

Dou anuri laterale: mic (histone) mare ( proteine reglatoare);

n condiii fiziologice - molecula ADN are o mare stabilitate metabolic.Structura secundar a ADNU.M.F IAI

Denaturarea i hibridizarea ADNn condiii experimentale (tratare termic sau chimic) ruperea (desfacerea) legturilor de hidrogen = denaturare monocatene *.

monocatenele de ADN rcite lent se pot reasocia pe baza complementaritii = renaturare sau hibridizare. rcire brusc monocatene separate

U.M.F IAI

DENATURAREA I HIBRIDIZAREA ADNMonocatenele ADN separate se pot uni, pe baz de complementaritate, cu alte monocatene de ADN sau ARN formnd hibrizi moleculari;

HM folosii n diagnostic i tratament:

hibridizare ntre o monocaten de ADN nativ i o "sond de ADN (secven de ADN obinut artificial) ce corespunde unei gene, marcat fluorescent:hibridizarea sondei prezena semnalului prezena genei;absena semnal = deleia geneidelU.M.F IAI

ATOncogen sauGenom HIVProteinaanormalOncogen sauGenom HIVATTABlocareexpresieoligonucleotid antisens BOALA HM folosii n tratamentul unor boli hibridizarea ntre o molecul de ADN nativ i un oligonucleotid antisens produce un heteroduplex care blocheaz funcia genei (oncogen, genom HIV).VINDECAREU.M.F IAI

STRUCTURA GENOMULUI UMANGenomul uman (GU) = coninutul ADN celular sau

25 de molecule diferite de ADN 24 n nucleu: 22 autosomi + X + Y 1 n mitocondrii, = 3,2 miliarde de perechi de baze (pb)

GU = genom nuclear (complex, 99,5% ADN) + genom mitocondrial (simplu i mic, 0,5%). U.M.F IAI

1. PROIECTUL GENOM UMAN (1990 2005)Obiectivele majore ale PGU:

descifrarea secvenei nucleotidice i structurii GU (harta genetic a omului),

identificarea genelor umane (cartea vieii). U.M.F IAI

PROIECTUL GENOM UMAN (1900 2005)februarie 2001:schia iniial a GU,

octombrie 2004: versiunea finisat, de nalt precizie, a secvenei nucleotidice aproape complete a GU (2,85 miliarde de pb sau ~ 99% din eucromatin). GENOMICA STRUCTURALU.M.F IAIU.M.F IAIU.M.F IAI

GENOMIC STRUCTURAL( patru comentarii majore)Numrul genelor umane este surprinztor de mic (~25.000).

Genele reprezint mai puin de ... 5 % din GU

Genele sunt distribuite inegal ntre i n interiorul cromozomilor

Cine face diferena dintre OM i alte specii * ?

Poziia genelor n genom

Structura mai complex (modular) a genelor i proteinelor.

Modul n care lucreaz genele (mai intens, mai complex);U.M.F IAI

GENOMIC STRUCTURAL

Genomul a dou persoane nenrudite, din populaii diferite, are n comun 99,9% din secvenele nu-cleotidice din ADN. Ce deosebete atunci un om de altul, fcndu-ne pe fiecare dintre noi UNIC?

diferena de 0,1% (3 mil pb) = POLIMORFISM INDIVIDUAL Se spulber definitivideea raselor umaneU.M.F IAI

POLIMORFISMUL INDIVIDUAL al ADNO,1 % din genom = 3 milioane pb. Aceast mic parte din genom este alctuit din diferite secvene polimorfice de ADN:

CNV: copy number variation = secvene mari de ADN

MINISATELIII HIPERVARIABILI: secvene foarte scurte (14-65 pb), SNPs ( single nucleotid polymorphism) 1 pb la fiecare 1000 pb (n total 1,4 miliarde)

Numrul, secvena i poziia acestor markeri polimorfici sunt caracteristice fiecrui individU.M.F IAI

POLIMORFISMUL INDIVIDUAL al ADNO,1 % din genom = 3 milioane pb.Markerii genetici individuali determin (dar nc nu tim cum):

rspunsul la agresiuni (boal), predispoziia / vulnerabilitatea la boal;

efectele medicamentelor (farmacogenomica);

coordonarea fizic, abilitile, memoria, creativitateaIMPORTAN:U.M.F IAI

GENOMIC STRUCTURAL (1900-2005)Descifrarea secvenei GU i identificarea genelor nu explic:

cum este structurat i funcioneaz o fiin uman;

rolul genelor n starea de sntate i boal. Ce se va ntmpla n epoca postgenomic (2006?) ? se va stabili funcia precis a fiecrei gene (adnotare funcional)Se vor descifra relaiile funcionale dintre gene:la nivelul trasnscripiei (transcriptom)la nivelul proteinelor (proteom)GENOMIC FUNCIONALU.M.F IAI

4. Care vor fi consecinele descifrrii GU asupra medicinii clinice ?...publicarea schiei GU va schimba cu siguran practica medical n urmtoarele decenii; medicina genomic va transforma profund medicina clinic

(Getting Ready for Gene-based Medicine H. Varmus, N.Engl.J.Med, 2002)MEDICINA GENOMICU.M.F IAI

Medicina genomic (molecular) Elucidarea mecanismelormoleculare alebolilor O nou TAXONOMIE (clasificare a bolilor)pe subtipuri genotipiceDIAGNOSTIC MOLECULAR(presimptomatic; predispoziie genetic)NOI INTE I METODE TERAPEUTICEPREDICIE I PROFILAXIE PERSONALIZAT(riscul individual)TERAPIE INDIVIDUALIZAT(farmacogenomic)U.M.F IAI

PRECIZRI:1. Transformrile practicii clinice se fac TREPTAT, sunt lente, dar profunde.

2. Traversm o perioad de TRANZIIE ce implic dou categorii de aciuni:

mbuntirea trainingului medical s fim pregtii s nelegem i aplicm medicina genomic.

... n stadiul actual avem nevoie de cunotine, vocabular i, mai ales, de un concept larg despre rolul genomicii pentru a evita RISCUL DE A NU NELEGE MEDICINA VIITOARE (Dumont-Driscoll - 2002)U.M.F IAI

PRECIZRI:Schimbarea treptat a gndirii clinice ingrijirii medicale (3 concepte fundamentale):

n medicina clasic pe primul plan este BOALA, n medicina genomic important este BOLNAVUL (medicina personalizat)Se va trece de la diagnostic i tratament la predicie i profilaxie personalizat bazate pe susceptibilitile genetice individuale; ...pstrarea sntii va deveni mai important dect tratarea bolii.U.M.F IAIMEDICINA SECOLULUI XXI VA FI: PERSONALIZAT, PREDICTIV, PREVENTIV

STRUCTURA GENOMULUI UMANGU = un genom nuclear (complex, 99,5% ADN) + un genom mitocondrial (simplu i mic, 0,5%).U.M.F IAI25.000 gene

GENOMUL NUCLEAREnorm (3,2 miliarde pb),

Fragmentat: (22 A + X + Y) molecule de ADN + proteine cromozomi

Complex, heterogen:

ADN nerepetitiv

ADN moderat repetitiv

ADN nalt repetitiv

ADN genic (25%) + ADN extragenic (75%)U.M.F IAI

Genomul nuclear - ADN GENIC (25%)Gena = unitatea de informaie genetic codific un produs primar specific (proteine sau ARN)

Genele structura foarte complex:

ADN codant = exoni (10%)

ADN necodant (90%) = IntroniSecvene de reglare, Gene nefuncionale (pseudogene) Fragmente de gene- Gene ce codific proteine (1,5%),- Gene ce codific ARN U.M.F IAI

ADN EXTRAGENIC (75%)Secvene netranscrise (necodante);

Funcii puin cunoscute:- tampon al mutaiilor;- mperecherea corect a cromozomilor omologi n meioz i schimbul egal (CO) de segmente cromozomiale recombinare genic surs de variabilitate !!!

Alctuit din:ADN nerepetitiv = secvene unice / nr mic de copii (60%)

- ADN repetitiv (40%).U.M.F IAI

ADN EXTRAGENIC NEREPETITIV (60%)SECVENELE UNICE sau

SECVENE NTR-UN NUMAR MIC DE COPII

DUPLICAII SEGMENTALE (5% GU) blocuri (~10Kb) ce flancheaz genele (pe acelai cromozom) ;

rol n sinapsa corect a omologilor in meioz * .

Importan:fiind identice - pot genera erori de mperechere a cromozomilor omologi CO inegal mutaii: duplicaii /deleii genice BOLI GENOMICEgenU.M.F IAI

ADN EXTRAGENIC REPETITIV (40%)ADN moderat repetitiv (~30%): secvene scurte repetate de sute de mii de ori, dispersate n genom(ex SINEs i LINEs)

ADN nalt repetitiv (~10%): secvene foarte scurte, repetate n tandem , de milioane de ori; 3 tipuri:ADN satelit (blocuri heterocromatin la centromer, telomere) = rol structural;ADN minisatelit (minisatelii hipervariabili), dispersat n toi cromozomii = markeri genetici individuali = folosii n amprenta geneticADN microsatelitU.M.F IAI

GENOMUL MITOCONDRIALADNmt cteva mii de copii per celul = 0,5%

Genomul mitocondrial difer de genomul nuclear:

mic (16.569 pb);

circular;

neasociat cu proteine;

fr ADN repetitiv;

compact: 97%=secvene codante

37 de gene:contigue, fr introni.

Codul genetic mitocondrial difer puin de cel nuclearU.M.F IAI

GENOMUL MITOCONDRIALGenomul mitocondrial al zigotului provine, prin ovul, exclusiv de la mam.

ADNmt poate suferi mutaii germinale sau somatice

Mutaiile germinale produc o serie de boli degenerative ce afecteaz sistemul nervos, muchii etc, care se transmit maternal:de la mam la toi descendenii; brbaii bolnavi nu transmit boalaU.M.F IAI

GENOMUL MITOCONDRIALADNmt poate suferi mutaii somatice, dup natere:

produse de radicalii liberi de O2 (generai n mitocondrii);

favorizate de structura ADNmit (absena histonelor; densitate mare de gene; etc) Mutaiile se acumuleaz rapid datorit absenei mecanismelor de reparare

Determin scderea produciei de energie boli degenerative, cancer i senescen U.M.F IAI

1953: descifrarea structurii ADN a permis n mare msur elucidarea enigmelor i mecanismelor ereditii i vieii.

ADN (elicea vieii) devenit o icoan a tiinei / medicinii moderne

2003: descifrarea structurii genomului uman a revoluionat medicina medicin genomic (molecular)CONCLUZIIU.M.F IAI

V mulumesc !abcrusu@gmail.com