Az öröklődés molekuláris alapjai
1953-ban mutatta be James Watson és Francis Crick elegáns kettős hélix modelljét a DNS szerkezetének magyarázatára
Az örökítőanyag keresése: • Amikor T. H. Morgan csoportja megmutatta, hogy a gének a kromoszómákon találhatóak, a kromoszómák mindkét komponense (DNS és fehérje) lehetséges örökítőanyag volt • A bizonyítás kulcsa a megfelelő kísérleti organizmus kiválasztása volt • A DNS öröktésben játszott szerepét elsőként baktériumokban és az azokat megfertőző vírusokban (bakteriofág) fedezték fel
Bizonyíték, hogy a DNS baktériumokat transzformál • 1928-ban Frederick Griffith a Streptococcus pneumoniae két törzsét tanulmányozta:az egyik (S) tüdőgyulladást okoz, az másik (R) vonal viszont nem-patogén • Ha hővel elöl S törzset összekeverte R sejtekkel, az R sejtek patogének lettek.
KÍSÉRLET Élő S sejtek (kontroll)
élő R sejtek (kontroll)
Hővel elölt S sejtek (kontroll)
Hővel elölt S sejtek és élő R sejtek keveréke
EREDMÉNYEK
elpusztult
egészséges
egészséges
elpusztult
élő S sejtek
• A megfigyelt jelenséget transzformációnak nevezte el. • 1944-ben Oswald Avery, Maclyn McCarty és Colin MacLeod leközölték, hogy a transzformáló anyag a DNS • Következetetésük azon alapult, hogy módszeresen tesztelték a Griffith kísérletében szóba jöhető vegyületeket.
Továbi bizonyítékok a DNS mellett • 1952-ben Alfred Hershey és Martha Chase elegáns kísérletekkel megmutatta, hogy a T2 bakteriofág (baktériumokat fertőző vírus) örökítőanyaga a DNS • Ennek bizonyítására olyan kísérletet állítottak össze, ahol a T2 fág két összetevője (DNS, fehérje) közül csak egy kerül be a fertőzött E. coli sejtbe: • Arra következtettek: a fág DNS-e szállítja a genetikai információt
fág fej
baktérium sejt
100 nm
DNS
KÍSÉRLET fág
radioaktív protein
baktérium sejt 1. sor: radioaktív kén (35S)
DNS
radioaktív DNS
2. sor : radioaktív foszfor (32P)
KÍSÉRLET fág
radioaktív protein
Üres fehérje burok
baktérium sejt 1. sor: radioaktív kén (35S)
DNS fág DNS
radioaktív DNS
2 sor: radioaktív foszfor (32P)
KÍSÉRLET fág
radioaktív protein
üres protein burok
Radioaktivitás (fág fehérje) a felülúszóban
baktérium sejt 1 sor: radioaktív kén (35S)
DNS fág DNS centrifugálás csapadék(baktérium sejtek és azok tartalma)
radioaktív DNS
2 sor: radioaktív foszfor (32P) centrifugálás
Radioaktivitás (fág DNS) csapadék a csapadékban
Sugar–phosphate backbone
Nitrogenous bases
5ʹ end Thymine (T)
Adenine (A)
Cytosine (C)
Phosphate Guanine (G) Sugar (deoxyribose) DNS Nitrogenous base nucleotide 3ʹ end
És további bizonyítékok: • Ekkor már ismert volt, hogy a DNS egy polimer, mely szerves bázisból, cukorból és foszfát csoportból áll • 1950-ben, Erwin Chargaff leközölte, hogy a DNS összetétele fajonként változik (bizonyíték a változatosságra) • ún. Chargaff szabályok: • DNS bázisöszzetétele fajonként változik • Bármely fajban az A és T bázisok száma egyforma és a G és C bázisok száma is egyenlő
A DNS szerkezeti modelljének megalkotása: • Maurice Wilkins és Rosalind Franklin Röntgen krisztallográfiával tanulmányozta a DNS szerkezetét • Franklin készítette az első képet a DNS molekuláról ezzel a technikával
A DNS szerkezeti modelljének megalkotása:
(a) Rosalind Franklin
(b) Franklin Röntgen-diffrakciós képe a DNS-ről
Figure 16.7
C
5ʹ end
G
C
Hydrogen bond
G C
G C
G
3.4 nm C
G C
G
1 nm
T T
C
C A
G
T
3ʹ end
T A T
G
C
A
G
G
A
C
G
A
C
A
T
A
T
3ʹ end
T A
(a) Key features of DNS structure
0.34 nm
5ʹ end (b) Partial chemical structure
(c) Space-filling model
• Watson és Crick megalkotta a kettős hélix modelljét a DNS kémiai összetétele és Röntgendiffakciós képe alapján • Franklin úgy gondolta, hogy két cukorfoszfát gerinc van, és a bázisok a molekula belseje felé néznek • Watson ún. antiparallel modell javasolt • A bázis párosodást az egyenletes térbeli távolságból vezették le
Purin + purin: túl széles
Pirimidin + pirimidin: túl keskeny
Purin + pirimidin: megfelelt a diffrakciós adatoknak
cukor cukor Adenin (A)
Timin (T)
cukor cukor Guanin (G)
Citozin (C)
• Watson és Crick felismerte, hogy a bázispárok összetétele azok szerkezetén alapul. • Adenin (A) csak timinnel (T), és guanin (G) csak citozinnal (C) alkot párt • A Watson-Crick modell így a Chargaff szabályokat is magyarázta
A DNS másolása: • Mivel a DNS szálai komplementerei egymásnak, mindegyik szál képes templátként szolgálni • A DNS replikációja során, az eredeti molekula szétnyílik és a komplementer új láncok megszintetizálódnak • Watson és Crick ún. szemikonzervatív modellt javasolt a másolásra.
Figure 16.9-1
A
T
C
G
T
A
A
T
G
C
(a) Szülői molekula
Figure 16.9-2
A
T
A
T
C
G
C
G
T
A
T
A
A
T
A
T
G
C
G
C
(a) szülői molekula
(b) A szálak szétválása
Figure 16.9-3
A
T
A
T
A
T
A
T
C
G
C
G
C
G
C
G
T
A
T
A
T
A
T
A
A
T
A
T
A
T
A
T
G
C
G
C
G
C
G
C
(a) szülői molekula
(b) A szálak szétválása
(c) Leány DNS molekulák, mindegyik tartalmaz egy eredeti szálat és egy újonan szintetizáltat
szülői sejt (a) Konzervatív modell
(b) Szemikonzervatív modell
(c) Diszperzív modell
első második replikáció replikáció
• Matthew Meselson és Franklin Stahl kísérletei a szemikonzervatív modellt támogatták • A régi szál nukleotidjait a nitrogén nehéz izotópjával jelölték, míg az új szál nukeotidjai künnyű nitrogén izotóp jelölést kaptak • Az első replikáció hibrid DNS-t eredményezett, (konzervatív modell kilőve) • A második replikáció könnyű és hibrid DNS-t készített, ez a szemikonzervatív modellt támogatta
KÍSÉRLET 1 baktérium tenyészet 15 N médiumban (nehéz izotóp) EREDMÉNYEK 3 DNS mintát fugálták az első replikáció után
2 baktériumokat átrakták 14N (könnyű izotóp)-t tartalmazó tápközegbe
4 DNS mintát fugálták a 2. replikáció után
KÖVETKEZTETÉS Első replikáció Predikció: Konzervatív modell
Szemikonzervatív modell
Disperzív modell
könyebb nehezebb
Második replikáció
A DNS replikációja: nézzük közelebbről! • A replikáció meghatározott helyeken ún replikációs origóknál kezdődik, ahol a DNS két szála kettéválik • Az eukatióta kromoszómák több száz vagy ezer replikációs origót tartalmaznak • A replikáció minden origótól két irányban folyik egészen addig míg a molekula le nem másolódott
(a) Replikációs origó E. coli sejtben Replikációs origó
(b) Replikációs origók in egy eukarióta sejtben kétszálú DNS molekula Replikációs origó
szülői( templát) szál leány (új) szál Replikációs villa
kétszálú DNS molekula Replikációs buborék
Szülői (templát) szál
buborék
leány (új) szál
replikációs villa
két leány DNS molekula
0.25 µm
0.5 µm
két leány DNS molekula
• A replikációs buborék két oldalán egy-egy replikációs villát találunk ( Y-alakú régió, ahol az új szál hosszabodik) • Helikázok azok az enzimek, amik kicsavarják a DNS-t a replikációs villánál • Egyszálú DNS-t kötő fehérjék stabilizálják az egyszálú DNS-t • Topoizomeráz enzim a DNS szupertekercselésért felel
Figure 16.13
Primáz 3ʹ
Topoizomeráz 3ʹ 5ʹ
5ʹ
RNS primer
3ʹ Helikáz 5ʹ Egyszálú DNS kötő fehérje • • •
A DNS polimeráz nem tud magától elindulni a templát DNS-en, mert csak 3ʹ véghez tud nukleotidot adni A kezdő nukleotid szál egy rövid RNS primer Primáz enzim egy rövid RNS láncolt (5-10 nukleotid) készít ez szolgál kezdő pontként.
Az új DNS szál szintézise • DNS polimeráz enzim katalizálja a folyamatot • A lánchosszabítás sebessége 500 nukleotid másodpercenként baktériumokban és kb. 50 nukleotid/sec humán sejtekben • a folyamat során dNTP-k épülnek be
Figure 16.14
Templát szál 3ʹ
új szál
5ʹ cukor foszfát
5ʹ
3ʹ
A bázis
T
A
T
C
G
C
G
G
C
G
C
T
A
DNS polimeráz
OH 3ʹ
A P
C Nukleozid trifoszfát
OH 3ʹ
Pi
pirofoszfát
C
2Pi
5ʹ
5ʹ
vezető szál
replikációs origó
Késlekedő szál
Primer késlekedő szál
A replikáció iránya
vezető szál
Replikációs origó 3ʹ 5ʹ RNS primer
5ʹ
3ʹ
3ʹ templát DNS
Csúszó kapocs 5ʹ
DNS pol. III 3ʹ 5ʹ
5ʹ 3ʹ
3ʹ 5ʹ
Antiparalell elongáció • DNS polimeráz a szabad 3ʹ végekre rak nukleotidot , az új DNS szál 5ʹ 3ʹ irányba növekszik • A templát DNS mellett, a DNS polimeráz egy vezető szálat szintetizál a replikációs villa irányában
3ʹ templát szál
Áttekintés 5ʹ
vezető szál
3ʹ 5ʹ
RNS primer for fragmentum 1 3ʹ
replikációs origó késlekedő szál 2
5ʹ
1
3ʹ
Okazaki fragmentum 1
5ʹ RNS primer for fragmentum 2 5ʹ Okazaki 3ʹ fragmentum 2 2
•
1
3ʹ 5ʹ
• 1
3ʹ
5ʹ
3ʹ 5ʹ
2 1 3ʹ
3ʹ 5ʹ
5ʹ 2
Replikáció iránya
1
3ʹ 5ʹ
1
replikáció iránya
5ʹ 3ʹ
késlekedő szál
vezető szál
Hogy a másik új szálat (késlekedő szál) is hosszabítsa, a DNS polimeráznak a replikációs villától távolodva is szintetizálni kell A késlekedő szál szakaszokban ún. Okazaki fragmentumumokban készül el, amiket a DNS ligáz összekapcsol
3ʹ templát szál
5ʹ
3ʹ 5ʹ
3ʹ 5ʹ
templát szál
3ʹ 5ʹ
3ʹ 5ʹ
RNS primer a fragmentum 1-nek 1 3ʹ 5ʹ
3ʹ 5ʹ
templát szál
3ʹ 5ʹ
3ʹ 5ʹ
3ʹ
1
RNS primer fragmentum 1 3ʹ 5ʹ
Okazaki fragmentum 1 5ʹ 1
3ʹ 5ʹ
3ʹ 5ʹ
templát szál
3ʹ 5ʹ
3ʹ 5ʹ
3ʹ
1
RNS primer fragmentum 1 3ʹ 5ʹ
Okazaki fragmentum 1 5ʹ 1
RNS primer a fragmentum 2höz 5ʹ 3ʹ
Okazaki fragmentum 2
3ʹ 5ʹ
2 1
3ʹ 5ʹ
3ʹ 5ʹ
templát szál
3ʹ 5ʹ
3ʹ 5ʹ
RNS primer fragmentum 1 3ʹ 5ʹ
1
3ʹ RNS primer fragmentum 2
Okazaki fragmentum 1 5ʹ 1 5ʹ 3ʹ
Okazaki fragmentum 2
3ʹ 5ʹ
2 1
5ʹ 3ʹ
3ʹ 5ʹ
2 1 5ʹ 3ʹ
3ʹ 5ʹ
3ʹ 5ʹ
templát szál
3ʹ 5ʹ
3ʹ 5ʹ
RNS primer fragmentum 1 3ʹ 5ʹ
1
3ʹ RNS primer fragmentum 2
Okazaki fragmentum 1 5ʹ 1 5ʹ 3ʹ
Okazaki fragmentum 2
3ʹ 5ʹ
2 1
3ʹ 5ʹ
5ʹ 3ʹ 2
1 5ʹ 3ʹ
3ʹ 5ʹ
2 Replikáció iránya
1
3ʹ 5ʹ
Áttekintés replikációs origó
vezető szál
késlekedő szál
vezető szál 5ʹ
késlekedő szál
vezető szál replikáció iránya
DNS pol III 3ʹ
3ʹ eredeti DNS
Primer 5ʹ 3ʹ
Primáz 5ʹ
DNS pol III 4
3ʹ5ʹ
késlekedő szál DNS pol I 3
2
DNS ligáz 1 3ʹ 5ʹ
DNS pol III Eredeti DNS 5ʹ 3ʹ
5ʹ
3ʹ
3ʹ 5ʹ
5ʹ
Kapcsoló fehérje
3ʹ
Helikáz 3ʹ
DNS pol III 5ʹ
vezető szál
3ʹ
5ʹ
késlekedő szál
késlekedő szál templát
Korrektúra olvasás és hibajavítás • A DNS polimeráz átnézi az újonan készült DNS-t, és kijavítja a hibás nukleotidokat • A mismatch javítás során, a javító enzim helyrehozza a bázis párosodást • DNS fizikai hatásoktól vagy kémiai ágenstől is megsérülhet • Egy nuclease kivágja a sérült szakaszt és a polimeráz javítja a DNS hibás szálát
5ʹ
3ʹ
3ʹ
5ʹ Nukleáz
5ʹ
3ʹ
3ʹ
5ʹ DNS polimeráz
5ʹ
3ʹ
3ʹ
5ʹ DNS ligáz
5ʹ
3ʹ
3ʹ
5ʹ
A DNS molekulák végének replikációja • A DNS polimeráz az eukaritóta kromoszómák esetén problémába ütközik • nem tudja befejezni az 5ʹ véget így az egymást követő másolások során a DNS rövidebb lesz • A prokariótáknál nincs ilyen probléma a gyűrű alakú DNS miatt
Az eredeti DNS szál vége
5ʹ
vezetőszál késlekedő szál
3ʹ utolsó fragmentum RNS primer
Késlekedő szál
eredeti szál
Utolsó előtti fragmentum
5ʹ 3ʹ A primerek levétele és a 3’ vég hosszabítása 5ʹ 3ʹ második replikáció 5ʹ
Új vezetőszál
3ʹ
új késlekedő szál
5ʹ
3ʹ további replikációk Rövidebb és rövidebb molekulák
• Az eukarióta kromoszómák DNS molekuláinak végén egy speciális szakasz van, az ún. teloméra • A teloméra nem akadályozza meg a DNS rövidülését, de védi a a kromoszóma végi géneket • A telomérák rövidülése összefügg az öregedéssel • A telomeráz enzim hosszabíthatja meg a telomérákat.
1 µm
5 µm
Kariotipizálás
Eredmény Homológ kromoszómapár Centromere
testvér kromatidok metafázisos kromoszóma
5 µm
Ivartalan és ivaros szaporodás • Ivartalan szaporodás (reprodukciónak) során az új utód egyedeket csak egyetlen szülő hozza létre ivarsejtek képzése nélkül. • A klón fogalom azonos szülőtől származó genetikailag azonos egyedeket jelenti • Ivaros szaporodás során két szaporító ivarsejt (gaméta) összeolvadását igényli a megtermékenyítéskor (az ivaros folyamat során), és így a képződő diploid zigóta (és a belőle kifejlődő utód) két különböző haploid genom kombinációjának eredménye
Figure 13.2
0.5 mm
Szülő Sarj
(a) Hidra
(b) Gyökérsajr
Figure 13.4
Magyarázat 2n = 6
Anyai kromoszóma készlet (n = 3) Apai kromoszóma készlet (n = 3)
testvér kromatidák (egy megkettőződött kromoszóma)
A homológ pár nem testvér kromatidái
Centroméra
Homológ kromoszóma pár
Figure 13.5
Haploid gametes (n = 23)
Key Haploid (n) Diploid (2n)
Egg (n)
Sperm (n) MEIOSIS
Ovary
FERTILIZATION
Testis Diploid zygote (2n = 46) Mitosis and development Multicellular diploid adults (2n = 46)
Az ivaros életciklusok variációja az élővilágban • A meiózis és a megtermékenyítés váltakozása általánosan jellemző • Három alaptípust találunk:
Figure 13.6a
Magyarázat Haploid (n) Diploid (2n) n
ivarsejtek
n
n MEIOZIS
2n Diploid soksejtű szervezet (a) Állatok
FERTILIZÁCIÓ
Zigóta 2n Mitózis
Figure 13.6b
Magyarázat Haploid (n) Diploid (2n)
Haploid soksejtű szervezet (gametofiton) Mitozis n
n
Mitozis n
n
Spórák ivarsejtek
MEIÓZIS
Diploid soksejtű szervezet (sporofiton)
n
2n
FERTILIZÁCIÓ
2n
Zigóta
Mitózis
(b) Magasabbrendű növények és számos alga
Figure 13.6c
Magyarázat Haploid (n) Diploid (2n) Hapliod egysejtű vagy többsejtű szervezet
Mitozis n
n
n
Mitozis n
ivarsejtek MEIÓZIS
n
FERTILIZÁCIÓ
2n Zigóta (c) A legtöbb gomba és számos egysejtű
Meiózis történései
Interfázis Homológ kromoszóma párok a diploid szülői szervezetben A homológ kromoszómák megkettőződött párjai
testvér kromatidok
Kromoszóma duplikáció
diploid sejt megkettőződött kromoszómákkal
Meiózis I
1 A homológ kromoszómák szétválnak Haploid sejt megkettőződött kromoszómákkal
Meiózis II 2 A testvér kromatidok szétválnak
Hapliod sejt egyszeres kromatidájú kromoszómákkal
A meiózis szakaszai - első főszakasz Anafázis I
Metafázis I
Profázis I Centroszóma (centriólum párral) testvér kromatidok
homológ kromoszóma pár
A testvér kromatidok kapcsolatban maradnak
Kiazma osztódási orsó
sejtmaghártya töredékei
Telofázis I és citokinézis
Centroméra (kinetokórral) metafázisos lemez
A homológ kromoszómák szétválnak kinetokórhoz kapcsolt mikrotubulusok
A homológ kromoszómák párba rendeződnek és egyes szakaszaik kicserélődnek; 2n = 6 ebben a példában.
A homológ párok a metafázisos síkba rendeződnek.
Minden homológ Két haploid sejt kromoszóma pár szétválik. képződik; minden kromoszóma két testvér kromatidot tartalmaz.
A meiózis szakaszai - második főszakasz Profázis II
Metafázis II
Anafázis II
Telofázis II és citokinézis
a következő osztódási szakaszban a testvér kromatidák szétvállnak; így négy haploid leánysejt képződik. Testvér kromatidok elválnak
Hapliod leány sejt képződik
A mitózis és a meiózis összehasonlítása MEIÓZIS
MITÓZIS Szülői sejt
MEIÓZIS I
Kiazma
Profázis I
Profázis Megkettőződött kromoszóma
Kromoszóma kettőződés
2n = 6
Kromoszóma kettőződés
Homológ kromoszóma pár
Metafázis
Metafázis I
Anafázis Telofázis
Anafázis I Telofázis I
Leánysejtek meiózis I. után
2n Leánysejtek
Haploid n=3
MEIÓZIS II
2n n
n n Leánysejtek
n
• 3 esemény, mely a meiózisra jellemző és mindhárom a meiózis I-ben fordul elő: – A homológ kromoszómák összekapcsolódása a profázis I-ben és a Crossing-over (a genetikai információ cseréje) – A metafázis lemezbenhomológ kromoszóma párokat találuk (tetrád) egyedi 2 kromatidás kromoszómák helyett – Az anafázis I-ben, a homológ kromoszómák válnak szét a testvér kromatidák helyett
ÖSSZEFOGLALÁS Tulajdonság
Mitózis
Meiózis
DNS replikáció
A mitózis kezdete előtt az interfázisban történik
A meiózis I. előtt az interfázisban történik
Osztódások száma
Egy, 4 szakasszal: profázis, metafázis, anafázis, és telofázis
kettő, mindegyik 4 szakasszal: profázis, metafázis, anafázis, és telofázis
Homológ kromoszómák kapcsolódása
Nem fordul elő
A profázis I-ben fordul elő + crossing over a nem-testvér kromatidák között
Leánysejtek száma és kromoszóma készlete
kettő, mindegyik diploid (2n) és genetikailag azonos a szülő sejttel
négy , mindegyik haloid (n), a szülői kromoszómaszám felét hordozzák az utódsejtek; genetikailag különböznek a szülői sejttől és egymástól
Szerepe az állati szervezetben
Lehetővé teszi a soksejtű szervezet kialakulását a zigótából ; sejteket termel a növekedéshez, javításhoz és számos szervezetben az ivartalan szaporodás alapja
Ivarsejtek előállítása; redukálja a kromoszómaszámot a felére és növeli az ivarsejtek genetikai változatosságát: az ivaros szaporodás alapja
profázis I (meiózis)
Crossing-over
homológ kromoszóma pár Kiazma
Centroméra TEM anafázis I
anafázis II
• a folyamata során rekombináns kromoszómák keletkeznek, melyek midkét szülőtől származó DNS-t tartalmaznak • A Crossing-over a profázis I elején kezdődik, amikor a homológ kromoszóma párok pontosan (génről génre) egymás mellé rendeződnek
Leány sejtek rekombináns kromoszómák
