Uspořádání genomu v jádře buňky a jeho možná funkce Stanislav Kozubek Biofyzikální ústav AV ČR, v.v.i.
DNA, nukleosomy, chromatin, chromosom a genom Chromosom
Genom v jádře
Buňka
Chromatinové vlákno
Nukleosomy DNA
Chromosomy-počty Člověk
46
Myš
40
Drosofila melanogaster
8
Mikroskopický červ Caenorhabditis elegans
12
Kvasinky (Sacharomyces cerevisie)
32
Arabidopsis thaliana (rostlina)
10
Žába Xenopus laevis (jižní Afrika)
36
Pes
78
Kuře
78
Pšenice
20
Mravenec Myrmecia pilosula
2
Červ Parascaris equorum
2
Rak Cambarus clarkii
200
Přeslička rolní Equisetum arvense
216
Lidské chromosomy obarvené pomocí multicolor FISH
Lidské chromosomy obarvené pomocí multicolor FISH
Chromosomová teritoria (CT) První experimenty, které vedly k závěru, že chromosomy se nacházejí v jádře v podobě ohraničených domén, byly pokusy T. Cremera v létech 1982-1984. Zavedení FISH podstatně urychlilo poznání chromosomů jak v mitóze, tak v interfázi.
Chromosomová teritoria se nepřekrývají; ani jejich části
Funkční uspořádání genomu v jádře Jadérko Chromatinová vlákna
Chromosom Proteinový komplex
Jaderné pory
Transkripce
Náhodný (Gausovský) polymer v jádře buňky (jsou zobrazeny 2 body polymeru R a R´)
L
〈L2〉 ≈ n
Genomic separation [Mbp]
Mean squared distances [μm2]
Mean squared distances [μm2]
Střední vzdálenosti mezi genetickými elementy v závislosti na jejich molekulárních vzdálenostech (H. Yokota et al., 1995)
Genomic separation [Mbp]
A random-walk/giant-loop model Interfázního jádra (Sachs et al., 1995) flexible backbone" straight for visual clarity only
"gian" loops"
Polární struktura chromosomových teritorií
Go-lymphocytes Stimulated lym CT 8
CT 8
CT 9
CT 9
CT 19
CT 19
<45o
CT 8 in Go-lymphocytes
Porovnání s náhodným modelem: 3 elementy náhodně generovány po rotaci
60o
Side view – elements are located in one plane
Orientace CT v jádrech buněk 1) Buněčná jádra rotujeme tak, abychom dostali CT na jednu osu 2) Vypočte se střední poloha CT na této ose
Mean position
5 Distance along y-axis [μm]
4 3
Probability density [x10-2]
Orientace CT v jádře buňky TP53 RARa cen17
2 1 0 -1
4
RARA TP-53 cen17
3 2 1 0
-2
0
-3
20 40 60 80 Distance in % of radius
-4 -5 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 Distance along x-axis [μm]
5
Výše popsaným způsobem dostaneme reálné polohy genetických lokusů vzhledem k CT a také do značné míry vzhledem k jádru. Transformace odstraní fluktuace polohy genetických elementů jež jsou způsobené fluktuacemi CT uvnitř jádra
100
Polohy chromosomů v jádře se mohou lišit
Chr. 22
Chr. 8
Vzdálenosti genů od středu jádra
ABL, IGH a C-MYC v buňkách HL-60 a v G0 lymfocytech
Úhlové distribuce Rozdělení úhlů mezi spojnicemi střed jádra – gen pro homologní dvojice genů. Jeden z genů dvojice leží na ose x, druhý je v ploše obrázku.
A Lateral distance [μm]
ABL
-5 -4 -3 -2 -1
0
1
2
3
4
Distance from the center of nucleus [μm]
5
Rozdělení úhlů gen-střed-gen
Geny ABL, c-MYC, BCR, a centromera C1 v buňkách Go-lymfocytů
Angle
Struktura chromosomových teritorií Závěry o uspořádání chromosomů v jádře buňky: 1) Vytvářejí teritoria (útvary v prostoru, CT). 2) Velkou úlohu při formování jejich struktury hraje náhoda; struktura CT však není zcela náhodná. 3) Polohu teritoria v jádře buňky ovlivňuje do značné míry náhoda; zcela náhodná však tato poloha a orientace nejsou.
Regulace exprese lidského genomu Regulace transkripce na úrovni genetického kódu Regulace na úrovni chromatinu a jádra Úroveň sestřihu, translace, degradace RNA a proteinu
Transkripční mapa genomu (Caron et al., 2001)
Centre to domain distances [%]
Positions of all chromosomes in nuclei of different cell types
90 80
Lymphocytes
18
4
3
70
8
14 10
60
9
1
17
20
11 22
16 19
50 40
2
4
6
8
10
Average expression [tags/105 tags]
Umístění genetických elementů HSA 17 vzhledem ke středu jádra a jejich umístění na transkripční mapě TP53
cen17 0.035 0.030 0.025 0.020 0.015 0.010 0.005 0.000
0.030 0.020 0.015 0.010 0.005 0.000 0
20
40
60
80
0
100
Distance in % of radius
20
40
60
80
100
Distance in % of radius
TP53
p13.1
ISO-p
p11.2
centromere Iso-p
RARA 0.025
Probability
0.020 0.015 0.010 0.005 0.000 0
20
40
60
80
0.045 0.040 0.035 0.030 0.025 0.020 0.015 0.010 0.005 0.000
100
0
20
Iso-q
0.030 0.025 0.020 0.015 0.010 0.005 0.000 0
40
60
80
RARA
q12-q22.1
ISO-q
q21.3-q32
100
Distance in % of radius
Distance in % of radius
Probability
Probability
0.025
20
40
60
80
Distance in % of radius
100
Umístění genetických elementů HSA 17 a HSA 12 na transkripčních mapách chromosomů 77, 71, 156
TP53 Iso p
Cen17
RARα
C12, 185 108, 140, 190
Iso q 73, 103, 189, 197 206, 97, 116
Lukášová et al., 2002
Okumura et al., 2000
Vliv genové exprese na strukturu chromosomových teritorií
Volpi et al., JCS, 2000
Eva Bártová
Martin Falk
Lenka Stixová
Lenka Štefančíková
Soňa Legartová
Emilie Lukášová
Veronika Foltánková
Iva Falková
Jana Poláková
Alena Bačíková
Děkuji za pozornost
