16.10.2014

1

Tema 5

Structura, funcţia şi

localizarea

GENELOR Elemente genetice mobile

ADN

macromoleculă bicatenară;

secvenţe neîntrerupte de perechi de

nucleotide;

deţine informaţia codificată despre sinteza

ARN şi proteine formarea şi funcţionarea

tuturor structurilor organismului monocelular

şi pluricelular

Codul genetic - ADN:

Litere: A, G, C, T

Cuvinte ( codon= triplet de nucleotide p/u un aminoacid): AAG - lys

AGC - ser

GCA - ala

TTC – phe

TAG – stop

Etc.......

Fraze (secvenţe nucl.) 5' AAGAGCGCATTCTAG 3'

lys – ser – ala – phe

16.10.2014

2

Expresia genelor

ADN ARNm Proteină

5’..GACTATTGCAAGATTACCATGT-3’ Catena codogenă (netranscrisă)

3’..CTGATAACGTTCTAATGGTACA-5’ Catena anticodogenă (transcrisă)

Transcripţie (ARN-polimeraza)

5’- AUUGCAAGAUUACCAUGU-3’ ARNm

Translaţie (ARNt, pe ribozomi)

Leu – Ala – Arg – Leu – Pro – Cys polipeptid

+1

Gena:

Definiţie

Localizare şi graniţe

Structură

Funcţii

Tipuri

Proprietăţi

Particularităţi

Definiţie:

Gena – un fragment polinucleotidic din

molecula de ADN care deţine informaţia

despre sinteza :

unui lanţ polipeptidic sau

câtorva lanţuri polipeptidice înrudite sau

a unei molecule de ARN funcţional

(ARNr, ARNt)

16.10.2014

3

Expresia genelor

ADN

ARNr

ARNt

ARNm Proteină

Clasificarea genelor nucleare:

Gene clasa I Gene clasa III Gene clasa II

(structurale)

Codifică ARNr 28S, 18S şi 5,8S

Codifică proteine

Codifică ARNt, ARNr 5S

Genele 28, 18 şi 5,8S –

unitate transctipţională

Fiecare genă –

unitate transctipţională

o genă /m.m. gene – unitate

transctipţională

Fiecare celulă a organismului conţine setul complet de

gene (~30000 perechi gene pentru 46 mol. ADN nuclear)

Expresia genică numai 10% din toate genele

Expresie continuă

Gene ARNr

Gene ARNt

Gene house

keeping

Expresie dependentă:

- de ţesut;

- de perioada

ontogenetică;

- de perioada ciclului

celular;

- de factorii de mediu

Non-expresie

pseudogene

16.10.2014

4

Structura generală a genelor /

unităţilor de transcripţie

Regiune centrală – codificatoare;

Regiuni reglatoare:

proximală – PROMOTORUL

distală – TERMINATORUL

Secvenţe modulatoare

Gene clasa I codifică ARNr biogeneza ribozomilor sinteza proteinelor

Promotor (-45……+20)

Gena ARNr18S

Spacier

Gena ARNr5,8S

Spacier

Gena ARNr28S

Terminator

Gene clasa II codifică proteine structuri/funcții cel organism Enhancer/ Silevcer

Promotor (ex: ……..-120…GC….-80..CATT……-30..TATA…)

Exon/intron/exon/intron……..exon

Terminator, situs polyA

Gene clasa III ARNt codifică ARNt sinteza proteinelor

Promotor (+55……+80)

Gene ARNt

Terminator

Gene clasa III ARNr5S codifică ARNr biogeneza ribozomilor sinteza Pr

Promotor

Gene ARNr 5S

Terminator

16.10.2014

5

Particularităţile genelor

mitocondriale

•13 gene structurale

•p/u subunităţi ale

citocrom oxidazelor

•p/u subunităţi ale

NADH

dehidrogenazelor

•p/u subunităţi ale

ATPsintetazei

•2 gene ARNr

•22 gene ARNt

Particularităţile genelor

mitocondriale •Catena H

•Promotor

•12 gene structurale

•2 gene ARNr

•Separate de 14 gene ARNt

•terminator

•Catena L

•Promotor

• o genă structurală

•8 gene ARNt

•Terminator

•Transcrise de ARN-polimeraza mit

ARNm

Transcripţie

Translaţie

Gena

reglatoare Gena 1 Gena 2 Gena 3

Proteină

represor

operator

ARNm ARNm ARNm

Enzima 1 Enzima 2 Enzima 3

Operonul la procariote

Terminator

Enzima 1 Produs

intermediar

A

Produs

intermediar

B

SUBSRTAT Enzima 2 Enzima 3 Produs

final

16.10.2014

6

Operonul la procariote

Grup de gene ce codifică enzimele unui lanţ metabolic

Conţine Promotor + secv.operator

Gene structurale A, B, C... !!! Se transcriu concomitent

Terminator

Activitatea este controlată De gena reglatoare

În dependenţă de particularităţile metabolismului

T P +1 18S 5,8S 28S

Transcripţie

Processing (autosplicing)

18S 5,8S 28S

ADN

proARNr

ARNr

Etapele expresiei genelor de clasa I

Asamblarea RNP 40S şi 60S

Ribozomi 80S

28S + 5,8S + 5S + 49 proteine = 60S

Transferul RNP în citoplasmă

T P

Transcripţie

Transferul RNP în citoplasmă

Etapele expresiei genelor de clasa II E E E E I I I ADN

proARNm

Processing-ul ARNm ARNm 7MeGppp AAAAAAAAAAAAA..........

Translaţie

Conformaţia proteinei

7MeGppp AAAAAAAAAAAAA..........

Proteină

16.10.2014

7

Transcripţie

Transferul ARNt în citoplasmă

Etapele expresiei genelor de clasa III (ARNt)

Processing-ul ARNt

A

T ADN

B

+1

proARNt

ARNt

Formarea aminoacil-ARNt Aminoacil-ARNt

Transcripţie

Etapele expresiei genelor de clasa III (ARNt)

Processing-ul ARNr

A

T ADN

B

+1

proARNr

Asamblarea RNP 40S şi 60S

28S + 5,8S + 5S + 49 proteine = 60S

Ribozomi 80S

Transferul RNP în citoplasmă

Gene clasa II = structurale

Caracteristica generala

Functia (la trei nivele)

Tipurile genelor structurale

Proprietatile genelor

Particularitatile structurii genelor cl II

Promotorul genelor cl II

Exonii

Intronii

Terminatorul

16.10.2014

8

Gene clasa II = structurale (25% din ADN nuclear)

Codifică unul sau mai multe polipeptide;

Formează unităţi transcripţionale monocistronice;

Au structură mozaică (ex1in ex2in ex3in.....exn): Exoni – secv.codante

Introni – secv.necodante

Pot fi transcrise:

în toate celulele organismului

cu specificitate de ţesut sau vârstă sau ……..;

Sunt transcrise de ARN – polimeraza II într-un transcript primar – preARNm;

Sunt numeroase, de regulă, unice şi heterogene;

Pot forma familii multigenice repetitive sau nonrepetitive;

Prezintă polimorfism individual.

Funcţia genelor cl.II sau structurale:

La nivel molecular

codifica sinteza polipeptidului proteină

funcţională;

La nivel celular,tisular

formarea unei structuri celulare, funcţionarea

unui lanţ metabolic, unei căi de semnalizare,

etc.;

La nivel de organism

realizarea unei funcţii specifice (gîndire, auz,

văz, respiraţie, digestie, contracţie

musculară, etc.;) → caracter specific.

Tipurile genelor structurale

House keeping – gene ce codifică proteine celulare indispensabile, active în toate tipurile de cel., în toate perioadele vieţii;

Ţesut – specifice – gene ce codifică proteine necesare specializării tisulare;

Reglatoare ale ontogenezei;

Dependente de factorii de mediu.

16.10.2014

9

Proprietăţile genelor

Specificitate

Pleiotropie

Discreţie

Replicare

Stabilitate

Variabilitate

Recombinare

Plasticitate

Particularităţile structurii genelor de clasa II

Regiunile genelor cl.II

Promotor:

boxa TATA (-20, -30)

boxa CAAT (-70, - 100)

boxe ţesut – specifice ( - )

Regiunea codificatoare:

SIT - +1

secvenţa lider

exon1/intron/exon2/intron/.../exonn

Terminatorul

Situs de poliadenilare

Enhancers şi silencers

16.10.2014

10

Promotorul genelor cl.II

Reglează iniţierea transcripţiei:

Activarea genei ţintă;

Fixarea TFIID,A,B... şi ARN – polimerazei II;

Identificarea (+1) şi catenei transcrise;

Direcţionarea ARN – polimerazei II.

Nu se transcrie;

Promotorii diferitor gene cl. II se deosebesc prin

combinarea specifică a diferitor boxe;

Mutaţiile în secvenţa de nucleotide a promotorului pot duce la inactivarea genei şi→

Exoni Secvenţe ale genelor structurale ce codifică

secvenţe din proteină;

Se transcriu şi se translează;

Se regăsesc în preARNm, ARNm;

Fiecare exon codifică un domeniu proteic;

În timpul splicing-ului alternativ unii exoni pot fi înlăturaţi;

Mutaţiile în secv. exonice ...

!!! Domeniu proteic structural / funcţional

Introni

Secvenţe necodificatoare ale genelor structurale ce separă exonii;

Se transcriu, dar nu se translează;

Se regăsesc în preARNm, dar nu în ARNm;

În timpul splicing-ului intronii sunt înlăturaţi;

exon15’GU ……….AG3’exon25’GU ……….AG3exon3

Asigură posibilitatea splicing-ului alternativ (combinării diferite ale exonilor) – sursa polimorfismului proteinelor codificate de aceeaşi genă.

Mutaţiile în secv. intronice ....

16.10.2014

11

Structura terminatorului

• secvenţă invertată la capătul 3’ al regiunii transcrise

• controlează activitatea ARN-polimerazei

• conţine situsul de poliadenilare

• controlează clivarea capătului 3’ al pre ARNm

• controleză sinteza “cozii” poliA a preARNm

Structura unităţilor transcripţionale

ale genelor ribozomale la eucariote

(gene clasa I – transcrise de ARN polimeraza I)

• Promotor (-45 ... +20)

• Gena 18S

• Gena 5,8S

• Gena 28S

• terminator

n

promotor terminator promotor

Organizarea genelor pentru ARNr 5S

Organizarea genelor de clasa III –

transcrise de ARN polimeraza III

•Promotor - boxa A (+ 55) şi boxa B (+ 80)

•Gene ARNt / ARNr5S

•Terminator

n

16.10.2014

12

Particularităţile genelor

mitocondriale

•13 gene structurale

•p/u subunităţi ale

citocrom oxidazelor

•p/u subunităţi ale

NADH

dehidrogenazelor

•p/u subunităţi ale

ATPsintetazei

•2 gene ARNr

•22 gene ARNt

Particularităţile genelor

mitocondriale •Catena H

•Promotor

•12 gene structurale

•2 gene ARNr

•Separate de 14 gene ARNt

•terminator

•Catena L

•Promotor

• o genă structurală

•8 gene ARNt

•Terminator

•Transcrise de ARN-polimeraza mit

• Dimensiunile genomului uman ~7 x 109 pb

• 2% din genomul uman codifică pentru proteine

• Numărul genelor – ~30000 perechi

• Cromozomul 1 conţine cel mai multe gene – 2782

• Cromozomul Y conţine cel mai puţine gene – 307

• Funcţia cunoscută – la 50% dintre genele umane studiate

• Dimensiunile genelor – variază

• Gena β-globinei – 1,5 kb

• Gena insulinei – 1,7 kb

• Gena catalazei – 34 kb

• Gena distrofinei - 2,4 Mb

Particularităţile genomului nuclear

16.10.2014

13

Localizarea şi graniţele genelor:

Genele sunt localizate de-a lungul moleculelor de ADN;

Genele se prezintă sub formă de secvenţe nucleotidice unice sau repetate;

Genele unei molecule de ADN sunt separate prin secvenţe necodificatoare – spaţiatori (spacer);

Genele vecine pot avea regiuni reglatoare / modulatoare comune;

Genele nu au graniţe fixe morfologice, doar graniţe funcţionale (se stabilesc în timpul transcripţiei);

Lungimea genelor este variabilă (gene mici, miglocii, mari).

Sunt ptezente SINEs şi LINEs ADN- transpozoni

ARN-transpozoni

retrotranspozoni

Retrotranspozoni (clasa 1) utilizează revers transcriptaza pentru sinteza unui ARN – intermediar în

transpoziţie

codifică integraza şi reverse transcriptaza pentru transpoziţie.

ADN- transpozoni (clasa 2) Fragmentele de ADN se transpozează direct ditr-o mol de ADN în alta:

Producînd o copie de ADN (transpoziţia replicativă)

sau, clivarea cu inserare într-o poziţie nouă (transpoziţie conservativă).

Codifică transpozaza pentru transpoziţie.

Poate transfera gene adiţionale.

Sunt caracteristici eucariotelor şi procariotelor

Elemente genetice mobile =

TRANSPOZONI

16.10.2014

14

Transpozoni

Rolul biologic al transpozonilor

Recombinarea situs-specifică ADN

Polimorfismul individual al ADN

Mutageneza inserţională

Instabilitate genomică produc situsuri fragile în ADN

Evoluţia genomurilor