Genetica Ii_structura Cromozomilor Ek.pdf

De la ADN la cromozomi ADN monocatenar (mc) – unele virusuri, de ex. parvovirusuri

ADN dublucatenar (dc)

circular

Unele virusuri Cromozom bacterian, Plasmide bacteriene ADN mitocondrial, ADN cloroplastic

ADN dc circular ADN dc circular de la virusul SV40

Plasmide la E.coli Plasmide la E.coli

ADN dc circular ADN dc circular din mitocondrii umane

Cromozom la E.coli Cromozom la E.coli

linear

Unele virusuri Cromozomi de la eucariote

ADN dc linear uman in replicare

De la ADN la cromozomi În celule, moleculele de ADN sunt asociate cu proteine Fiecare moleculă ADN + proteinele asociate = cromozom, şi la PK, şi la EK Cuvântul cromozom :   chroma = culoare,    soma = corp  Î cromozom = corp colorat 

Împachetarea ADN‐ului în cromozomi îndeplineşte mai multe funcții : ‐ ADN‐ul celular are dimensiune mai mare decât celula Î ptr a încăpea în celulă, ADN‐ul trebuie compactat ‐ Împachetarea ADN‐ului şi asocierea cu proteine protejează față de alterări ADN‐ul nud este destul de instabil în celule, spre deosebire de cromozomi, care sunt mult mai stabili ‐ Doar în formă compactată în cromozomi, ADN‐ul poate fi transmis eficient şi egal la cele 2 celule fiice ‐ Crz conferă o organizare globală fiecărei molecule de ADN, organizare ce conferă şi accesibilitate către ADN

½ din masa unui crz EK = proteine

Cromatină = regiuni din ADN asociate cu proteine

Majoritatea proteinelor asociate cu moleculele de ADN = proteine cu g.m. mică, bazice ‐ HISTONE Alte proteine asociate cu ADN :  NON‐HISTONE ‐ reglează replicarea, repararea, recobinarea şi transcrierea  Primul rol improtant al proteinelor asociate cu ADN, în mod special al histonelor, este compactarea moleculelor de ADN De ex: grosimea medie a unei pb = 3,4 Å 1 celulă umană conține 3 x 109 pb / set haploid, ~ 1010 Å ~ 1 m → 1 cel. are în nucleu ( φ =10‐15mm) 2 m de ADN

Fiecare celulă are un anumit număr, specie-specific, de cromozomi

PK Nu există membrană nucleară Æ nu există nucleu  Majoritatea PK au 1 cromozom = 1 moleculă de ADN d.c. circular

Cromozomul bacterian ‐ nucleoid

ADN extracromozomal:  PK pot avea şi plasmide (molecule ADN dc, de obicei circulare)  Organismele se înmulțesc prin diviziune celulară simplă  ‐ fisiune binară

EK Majoritatea celulelor EK sunt DIPLOIDE: au câte 2 exemplare din fiecare crz, dar cele 2 exemplare nu sunt identice Număr par de cromozomi în nucleu (2n), fiecare crz = 1 moleculă ADN d.c. linear ADN extracromozomal:  în mitocondrii, cloroplaste – câte 2‐10 molecule ADNdc circular ADN mt Diploidia asigură înmulțirea de tip sexuat a organismelor EK – gameții au ½ nr.crz (câte 1 exemplar din fiecare tip de crz) Organismele EK (majoritatea) se înmulțesc prin reproducere sexuată

Celule 2n

meioză

Gameți n

fecundație

unirea a 2 gameț unirea a 2 gameți

Celule 2n

Cromozomul la procariote

c r o m o so m b a cter ia n

p l i er e

c i r ca 5 0 d o m e n i i p e r c r o m o so m b a cter ia n

REP

su p r a r a su ci r e REP d o m en i i su p r a sp i r a l i z a t e n ega tiv

A D N gir a za

PK – proteine histone-like : HU (Helix-Unwinding)

Cromozomul la eucariote

Nr.total crz

Nr.seturi haploide

Nr.crz. / set haploid

Forma crz

Dimensiune genom [Mpb]

Escherichia coli

1

1

1

circular

4,6

Staphylococcus aureus

1

1

1

circular

2,8

Vibrio cholerae

2

1

2

circular

Agrobacterium tumefaciens

4

1

4

3 C, 1 L

5,7

Saccharomyces cerevisiae drojdia de bere

32

1 sau 2

16

linear

12,1

Caenorhabditis elegans

12

2

6

linear

97

Arabidopsis thaliana

10

2

5

linear

125

Allium cepa

16

2

8

linear

15 000

Pisum sativum mazăre

14

2

7

linear

4500

Drosophila melanogaster

8

2

4

linear

180

Mus musculus

40

2

20

linear

2600

Felis catus pisica domestică

38

2

19

linear

2500

Canis familiaris câine

78

2

39

linear

2400

Sus scrofa porc domestic

38

2

19

linear

2700

Ovis aries oaie

54

2

27

linear

2700

Bos taurus vaca domestică

60

2

30

linear

2900

Equus caballus cal

64

2

32

linear

2600

Gorilla gorilla

48

2

24

linear

2900

Pan troglodytes

48

2

24

linear

3300

Homo sapiens

46

2

23

linear

3200

SPECIE PROCARIOTE

EUCARIOTE

Organismele mai complexe au densitate genică scăzută

NUCLEOZOMUL În celulele EK, majoritatea cantității ADN este împachetat în NUCLEOSOMI Nucleosom = miez de 8 proteine histonice + regiunea ADN înfăşurată în jurul lor

Aspect de mărgele pe un fir

ADN‐ul dintre 2 nucleosomi adiacenți = ADN linker (de legătură) Asamblarea/împachetarea în nucleosomi = prima etapă şi esențială în compactarea ADN‐ului Prin asamblare/împachetare în nucleosomi, ADN‐ul se scurtează de 6 ori ADN înfăşurat în jurul unui octamer histonic ~ 147 pb, de 1,7 ori

H2A H2B H3 H4

Histonele = proteine mici, încărcate pozitiv Histonele = cele mai abundente proteine asociate cu ADN la EK ‐ proteine mici, încărcate pozitiv (conținut ridicat în AA încărcat pozitiv) 11‐15 KDa – H2‐H4 21 KDa – H1

5 tipuri:

H1, H2A, H2B, H3, H4 

2 x [ H2A, H2B, H3, H4 ] = MIEZUL NUCLEOSOMULUI 1 x H1 se leagă la ADN‐ul linker, dintre 2 nucleosomi

histonele  miez

Miezul proteic al nucleosomului are formă de disc În soluție, cele 4 tipuri de histone se asamblează astfel: H2A + H2B → heterodimer H2A‐H2B  H3 + H4 → heterodimer H3‐H4 2 heterodimeri H3‐H4 → tetramer H3‐H4

H2A H2B

Asamblarea unui nucleosom este realizată într‐o anumită ordine: 1. Dimerizarea histonelor

H3 H4

H3 + H4 Æ heterodimer [H3‐H4] 2 x [H3‐H4] Æ tetramer 4[H3‐H4] H2A + H2B  Æ heterodimer [H2A‐H2B]

2. Inițierea nucleosomului 1 tetramer 4[H3‐H4] se ataşează la ADN 

3. Terminarea formării nucleosomului 2 heterodimeri [H2A‐H2B] se ataşează la acest complex NUCLEOSOM 

STRUCTURA CROMATINEI

Eucromatina şi Heterocromatina 

În interfază materialul genetic : - este structurat sub formă de CROMATINĂ - cromozomii nu sunt vizibili la microscop Cele 23 de perechi de cromozomi umani ocupă anumite teritorii în nucleu

Chiar şi în interfază, nu toată cromatina are acelaşi grad de condensare :

EUCROMATINA

HETEROCROMATINA 

‐ se colorează mai slab ‐ este mai activă ca rată de transcriere

‐ se colorează mai intens  ‐ este mai puțin activă ca rată de transcriere

Histona H1 seleagă la ADN linker dintre nucleosomi Odată formați nucleosomii, următarea etapă în împachetarea moleculelor mpachetarea moleculelor   de ADN = legarea histonei H1  H1 = o proteină mică, încărcată pozitiv, se leagă la ADN‐ul dintre nucleosomi Se leagă la ADN în 2 zone: ‐ o zonă este exact în afara unui nucleosom ‐ o zonă este regiunea centrală de înfăşurare a ADN în jurul histonelor miez  În acest mod, H1 stabilizează asocierea ADN‐ului cu proteinele  nucleosomale şi deci, stabilizează structura nucleosomului

Adăugarea histonei H1 Æ un nivel superior de compactare a ADN‐ului

Următoarea etapă de compactare = FIBRA DE 30 nm Modelul SOLENOID

Evidențiată şi in vitro şi in vivo 2 modele de structură a fibrei de 30 nm Se formează un superhelix ce conține 6 nucleosomi per spiră  ADN‐ul linker se găseşte spre interiorul superhelixului, dar NU trece prin axul central al acestuia  Zonele de “intrare” şi “ieşire” a ADN din nucleosomi NU sunt accesibile

Lungimea ADN‐ului linker ului linker   variază (distanța  dintre 2 nucleosomi)

Modelul ZIGZAG

Se formează un superhelix ce conține 4 nucleosomi per spiră  ADN‐ul linker TRECE prin axul central al superhelixului 

Zonele de “intrare” şi “ieşire” a ADN din nucleosomi nu sunt mai accesibile

Regiunile cu linker mai lung Regiunile cu linker mai lung   (deci cu densitate mai  mică de nucleosomi) ai  fibrei de 30 nm au  structură ZIGZAG Într‐un acelaşi nucleu se i nucleu se   pot întâlni în simultan  ambele forme

Regiunile amino‐terminale ale histonelor sunt necesare ptr formarea fibrei 30 nm Cozile amino‐terminale ale histonelor nucleosomale (H2A, H2B, H3, H4) interacționează cu nucleosomii adiacenți

Următoarea etapă în compactarea ADN = formarea de bucle mari Formarea nucleosomilor + formarea fibrei 30 nm Æ compactarea ADN cu scurtare pînă la de 40 de ori Este încă insuficient Æ este necesară compactarea mai puternică a ADN Model: Fibra 30nm formează bucle mari, de 40‐90 kpb, ținute de o structură proteică  denumită  NUCLEAR SCAFFOLD (traducere ad literam : schelă nucleară chelă nucleară)) (traducere ad literam: s

2 clase de proteine: ‐ Topo II: la baza fiecărei bucle, menține forma buclată; buclele sunt topoizomeri ‐ Proteine SMC (Structural Maintenance of Chromosome)

Se formează fibra de cromatină = structură de bază a cromozomilor

MBOG – Nucleosome Assembly

Structura cromozomilor se schimbă de‐a lungul ciclului celular Gradul de condensare a materialului genetic variază în timpul unui ciclu celular Interfază – condensare mai redusă a materialului genetic, permite transcriere, replicare, reparare După replicare, moleculele fiice: ‐ asamblare nucleosomi ‐ formarea fibrei 30nm ‐ coeziunea cromatidelor surori – complex proteic denumit coezină În interfază nu se văd cromozomii ca entități distincte citologic; sunt vizibile doar blocuri cromatice – cromatină ,  unele colorate mai slab – eucromatină, altele colorate mai intens ‐ heterocromatină

Profază – continuă condensarea cromatinei (deci, a materialului genetic) →

formarea cromozomilor ca entității   vizibile la microscop (procesul se mai numeş (procesul se mai numeşte ş te şi  “condensarea  cromozomilor” condensarea  cromozomilor”)

La sfârşitul diviziunii celulare reîncepe procesul de decondensare a ncepe procesul de decondensare a   cromozomilor, pâna la gradul de fibră de cromatină, şi chiar până la fibra 30‐nm, 10‐nm

DEZASAMBLAREA / ASAMBLAREA NUCLEOSOMILOR în replicarea ADN  Nucleosomii sunt ‐ dezasamblați pe molecula parentală, în fața bifurcației de replicare ‐ asamblați pe moleculele fiice, în ordinea anterior prezentată 

Tetramerii H3‐H4 vechi rămân asociați cu i cu   molecula ADN şi  trec ca atare, fie la una  din moleculele noi, fie la cealaltă Dimerii H2A‐H2B vechi se desprind de pe se desprind de pe   ADN şi trec întâi în soluție.

De reținut 

Cromozom monocromatidic

G1

1 cromozom = 1 moleculă ADN = 1 cromatidă

S

Replicare ADN = dublarea cantităţii de ADN

G2

1 cromozom = 2 molecule ADN identice = 2 cromatide surori

Cromozom bicromatidic

Diagram of a replicated and condensed metaphase eukaryotic chromosome. Human chromosomes during metaphase. (1) Chromatid – one of the two identical parts of the chromosome after S phase. (2) Centromere – the point where the two chromatids touch, and where the microtubules attach. (3) Short arm. (4) (4) Long arm.

Molecula ADN este complexată cu proteine Rolul histonelor stabilitatea şi protecţia moleculelor de ADN Împachetarea moleculelor ADN Structurarea cromatinei şi a cromozomilor Mediază acţiunea altor proteine pe molecula ADN – proteine ptr replicarea, exprimarea ADN

Alfabet grecesc Literă mare

Literă mică

Α

α

Β

Se citeşte

Literă mare

Literă mică

Se citeşte

alfa

Ν

ν

niu

β

beta

Ξ

ξ

ksi

Γ

γ

gama

Ο

ο

omicron

Δ

δ

delta

Π

π

pi

Ε

ε

epsilon

Ρ

ρ

rho (ro)

Ζ

ζ

zeta

Σ

σ

sigma

Η

η

eta

Τ

τ

tau

Θ

θ

theta

Υ

υ

ipsilon

Ι

ι

iota

Φ

φ

phi (fi)

Κ

κ

kappa

Χ

χ

chi (hi)

Λ

λ

lambda

Ψ

ψ

psi

Μ

μ

miu

Ω

ω

omega