Organizácia ľudského genómu

Ľudský genóm je súhrn genetickej informácie,

Ľudský genóm je súhrn genetickej informácie

obsiahnutý v bunke. Má 2 zložky:

obsiahnutý v bunke. Má 2 zlo

I.

Jadrový genóm

Jadrový genó

II.

Mitochondriálny genóm

Mitochondriálny genó

I. Jadrový genóm

celková dĺžka: 3200 Mb

distribúcia:

dis

24 rôznych lineárnych molekúl

24 rôznych lineárnych m

(22

(

typov autozómov a chromozómy X a Y)

typov autozómov a chromoz

3000 Mb

3000 Mb euchromatínu

euchrom

a 200 Mb

a 200 Mb konštitutívneho

konštitut

heterochromatínu (heterochromatín – permanentne

heterochromatín – permanentne

kondenzované a transkripčne inaktívne oblasti)

kondenzované a transkripčne inaktívne oblasti

veľká variabilita v distribúcii obsahu DNA v

v distribúcii obsahu DN

jednotlivých chromozómoch

jednot

typy sekvencií

typy sekvenci

1.

Jednotkové sekvencie (

Jednotkové sekvenci ~55%)

2.

Repetitívne sekvencie (

Repetitívne sekvencie ~45%)

Obsah DNA v jednotlivých chromozómoch

Gény a súvisiace sekvencie

počet:

poče 25 – 30 tisíc

25 – 3

–

90 – 95 % kódujúcich polypeptid

90 – 95 % kódujúcich polype

–

5 – 10 % kódujúcich netranslatované RNA molekuly

5 – 10 % kódujúcich netranslatované RNA

–

bezstavovce 14 – 20 tisíc, stavovce 25 – 30 tisíc

bezstavovce 14 – 20 tisíc, stavo

kódujúca časť predstavuje

kódu

1,5 % ľudského genómu

1,5 % ľudského

distribúcia génov: nerovnomerná

–

heterochromatín neobsahuje gény

heterochromatín neobsahuje

–

rozdiely aj vrámci euchromatickej časti genómu a

rozdiely aj vrámci euchromatickej časti genómu

medzi jednotlivými chromozómami

medzi jednotlivými

•

vysoká hustota v subtelomerických obl.

vysoká hustota v subtelomerických

•

chr. 19 a 22 bohaté na gény

•

chr. 18, X a Y chudobné na gény

chr. 18, X a Y chu

Variabilná hustota génov: HLA oblasť a DMD

1Mb - ~ 70 génov

2,4Mb – 1 gén (dystrofín)

Charakteristika génov kódujúcich

polypeptid

výrazná variabilita vo veľkosti:

výrazná variabilita vo veľkosti: priemer 27 kb

priemer 27

–

inzulín 1,4 kb

1

vs. dystrofín

vs. dystro

2,4 Mb

2

výrazná variabilita v počte exónov:

výrazná variabilita v

priemer 9

priemer

–

0 (interferón) vs.

(interferó

363 (titín)

dĺžka exónov:

dĺžka exónov: priemer 170 bp

priemer 17

–

7,6 kb

7

exón 26 génu

exón 26

ApoB

dĺžka intrónov:

dĺžka intrónov: enormná variabilta

e

(dlhé gény majú dlhé

(dlhé gény

intróny)

intrón

–

0,5 kb

0

(β-globín) vs. 800 kb (gén WWOX)

dĺžka polypetidu:

dĺžka polypetid

priemer 500 – 550 a. k.

priemer 500 – 550

–

najdĺhší: 38 138 (titín)

gény v génoch (3 gény v intr. 26 génu pre NF1)

gény v génoch (3 gény v intr. 26

prekývajúce sa gény

Dĺžka ľudských génov

krátke

E1

I 1

E2

I 2

E3

1 – 10 kb

stredne dlhé

10 – 100 kb

dlhé

> 100 kb

Variabilita v dĺžke génov a v obsahu

exónov

pod 10 kb

10-100 kb

nad 100 kb

Gény v rámci génu: gén pre NF typu 1

a 3 „vnútorné“ gény v intróne 26

Charakteristika génov kódujúcich

polypeptid – pokr.

unikátne gény (single copy)

unikátne gény (sin

génové rodiny

génové ro
–

vznikli duplikáciou unikátnych génov

vznikli duplikáciou uniká

–

často majú rovnakú alebo podobnú funkciu

často majú rovnakú alebo podobnú f

–

môžu vytvárať zhluky al. roztrúsené po celom

môžu vytvárať zhluky al. roztrúsené po

genóme

–

veľká časť genómu je tvorená génovými rodinami

veľká časť genómu je tvorená

Typy génových rodín:

Typy génových rodín

1.

klasické génové rodiny

klasické génové ro
–

vykazujú vysokú sekvenčnú homológiu

vyka

–

evolučná aj funkčná príbuznosť

evolučná aj funkčná

Charakteristika génov kódujúcich

polypeptid – pkr.

2.

génové rodiny s dlhými konzerovanými

génové rodiny s d

doménami

doménam
–

gény s dôležitou funkciou vo vývine (

gény s dôležitou

PAX-,

homeobox-

home

gény)

3.

génové rodiny s krátkymi konzerovanými

génové rodiny s krátkymi

motívami aminokyselín

motívami am
–

nemusia byť homologické na úrovni DNA, ale

nemusia byť homologické na úrovni DNA,

majú spoločnú všeobecnú funkciu – RNA

majú spoločnú všeobecnú funkciu

helikázy, DEAD box a pod.

helikázy, DEAD box a pod

4.

génové super rodiny

génové super rod
–

malá sekvenčná homológia

malá sekven

–

spoločné štrukturálne charakteristiky – HLA gény

spoločné štrukturálne charakteristiky

Príklady tandemových génových rodín

α-globín: 16p13.3

β-globín: 11p15.5

rastový hormón: 17q23

albumín: 4q12

Histónová génová rodina

Ľudské RNA gény

~3000 RNA génov = 10% genómu
Hlavné triedy RNA

–

rRNA

•

18S, 5S a 5,8Sr RNA:

súčasť cytopl. ribozómov

–

tRNA: 22 typov mt tRNA; 49 typov cytoplazm. tRNA (497 génov;
väčšina z nich na chromozómoch 1 a 6 v génových rodinách)

–

snRNA: U1, U2, U4 a i.: súčasti spliceosomov

•

16SrRNA, 23SrRNA:

súčasť mt ribozómov

–

snoRNA: asi 100 rôznych typov; účasť na rRNA processingu

•

Iné RNA triedy

• Telomerázové RNA: súčasť telomerázy,

• Antisense RNA: mnoho typov, asociované s imprintingom

• MicroRNA: krátke (22nt), regulácia translácie, ~200 génov

Pseudogény v ľudskom genóme

• nefunkčné kópie génov (neexprimujú sa): „mŕtve konce“

evolúcie génov – ale aj zdroj evolučných inovácií

• celkový počet cca 20 000

Typy:

• bežné (konvenčné, neupravené) Ψgény:

•väčšinou v tandeme s génom

•obsahujú exóny aj intróny

•vznik: nehomologický c-o

• upravené Ψgény: disperzne v genóme

•obsahujú len sekvencie exónov

•vznik: reverzná transkripcia

Pseudogény v ľudskom genóme – pokr.

• exprimované neupravené

•prechodné štádium, gén už nie je funkčný ale exprimuje sa,
napr. θ-globin

• exprimované upravené

•pseudogén sa včlení do blízkosti promótora

•pseudogén vzniknutý z génu s vnútorným promótorom

• skrátené gény, génové fragmenty

•pravdepodobný vznik nehomologický crossing-over al.
nehomologická výmena sesterských chromatíd

Vznik upraveného pseudogénu reverznou

transkripciou z mRNA transkriptu

Repetitívne sekvencie

tvoria 45 % ľudského jadrového genómu

tvoria 45 % ľudského jadrového ge

Triedy:

Tried

nízko repetitívne:

nízko repetit

do 100 repetícií

do 100 repetí

stredne repetitívne:

stredne rep

100 – 10 000

vysoko repetitívne:

vysoko repetitívn

nad 10 000

Typy:

tandemovo usporiadané

tandemovo usporiada

rozptýlené

databáza: www.girinst.org

Repetitívne sekvencie – pokr.

Tandemové repetitívne sekvencie

Tandemové repetitívne sekvenc

1.

satelitná DNA

satelitná

2.

minisatelitná DNA

minisatelitná D

3.

mikrosatelitná DNA

mikrosatelitná DNA

Satelitná DNA

Satelitná DN (nie je totožná so satelitmi chromozómov)

(nie je totožná so satelitmi chromozóm

skladá sa z dlhých blokov tandemových opakovaní (100 kb až

skladá sa z dlhých blokov tandemových opakovaní (100 kb až

niekoľko Mb)

niekoľko

tvorí väčšiu časť heterochromatínu v oblasti centromér

tvorí väčšiu časť heterochromatínu v oblasti centrom

hlavné triedy

hlavn

α-satelitná (alfoidná) DNA

-satelitná (alfoidná) D

dĺžka opakovania:

dĺžka opakovania 171 bp

171 b

centromerická oblasť všetkých chromozómov

centromerická oblasť všetkých chromozóm

tvorí 3 – 5 % DNA obsahu chromozómu

tvorí 3 – 5 % DNA obsahu chromozó

má významnú úlohu vo funkcii centroméry

má významnú úlohu vo funkcii centrom

Repetitívne sekvencie – pokr.

β-satelitná DNA

-satelitná DN

dĺžka opakovania:

dĺžka opakovania 68 bp

68 b

centromerická oblasť chromozómov 1, 9, 13, 14, 15, 21, 22

centromerická oblasť chromozómov 1, 9, 13, 14, 15, 21,

a Y

satelitná DNA 1

satelitná DNA

dĺžka opakovania:

dĺžka opakovania 25 – 48 bp

25 – 48

bohatá na AT

bohatá na

centromerická oblasť chromozómov a iných heterochrom.

centromerická oblasť chromozómov a iných heterochrom

oblastí

oblas

satelitná DNA 2 a 3

satelitná DNA

dĺžka opakovania:

dĺžka opakovania 5 bp

5 b

výskyt pravdepodobne na všetkých chromozómoch

výskyt pravdepodobne na všetkých chromozóm

Repetitívne sekvencie – pokr.

Minisatelitná DNA

Minisatelitn

stredne dlhé (0,1 – 20 kb) dlhé bloky tandemových opakovaní

stredne dlhé (0,1 – 20 kb) dlhé bloky tandemových opakova

roztrúsené po veľkej časti nukleárneho genómu

roztrúsené po veľkej časti nukleárneho genóm

známe 2 triedy:

známe 2 t

1.

hypervariabilná minisatelitná DNA (VNTR)

hypervariabilná minisatelitná DNA (VNT

dĺžka opakovania:

dĺžka opakovania 9 – 24 bp

9 – 24

môžu mať spoločnú základnú („core“) sekvenciu

môžu mať spoločnú základnú („core“) sekvenc

lokalizácia predovšetkým v blízkosti telomér

lokalizácia predovšetkým v blízkosti telom

2.

telomerická minisatelitná DNA

telomerická minisatelitná DN

3 – 20 kb

3 – 20 k tandemových opakovaní

tandemových opakova

dĺžka opakovania 6 bp (TTAGGG)

dĺžka opakovania 6 bp (TTAGG

lokalizácia v teloméroch všetkých chromozómov

lokalizácia v teloméroch všetkých chromozómo

priama zodpovednosť za telomerickú funkciu

priama zodpovednosť za telomerickú funk

Repetitívne sekvencie – pokr.

Mikrosatelitná DNA

Mikrosateli

(Short Tandem Repeats – STR)

alebo aj (

alebo aj Simple Sequence Repeats – SSR)

krátke (do 0,1 kb) bloky tandemových opakovaní

krátke (do 0,1 kb) bloky tandemových opakov

roztrúsené po celom genóme (tvoria asi 2 % genómu)

roztrúsené po celom genóme (tvoria asi 2 % genóm

dĺžka opakovania:

dĺžka opakovania menej ako 10 bp

menej ako 10

najčastejšie sú dinukleotidové opkovania CA/TG (CG/GC

najčastejšie sú dinukleotidové opkovania CA/TG (CG

sú zriedkavé)

sú zriedka

tri- a tetranukleotidové sú zriedkavejšie ale zato

tri- a tetranukleotidové sú zriedkavejšie ale z

veľmi

veľm

polymorfné

polymorfn (mapovanie génov, kriminalistika, nepriama

(mapovanie génov, kriminalistika, nepriam

dg. a pod.)

dg. a po

vznik: prekĺznutie vlákien pri replikácii

vznik: prekĺznutie vlákien pri replik

význam: zatiaľ neznámy

význam: zatiaľ neznám

Repetitívne sekvencie – pokr.

Roztrúsené opakovania

Roztrúsené opako

– tvoria cca 43 % ľ. g.

– tvoria cca 43 %

•

takmer všetky r. o. sú odvodené od

takmer všetky r. o. sú odvodené o transpozónov

transpozón

Podľa dĺžky opakovania sa delia

Podľa dĺžky opakovania sa d

1.

SINE – S

SINE – hort

h

Interspersed

ntersperse Nuclear

ucle

Elements (100 – 400 bp)

lements (100 – 400 b

•

Alu rodina

rod

•

dĺžka opakovania:

dĺžka opakovan

280 bp

2

•

je špecifická pre primátov (identifikácia úsekov DNA

je špecifická pre primátov (identifikácia úsekov D

ľudského pôvodu)

ľudského pôvo

•

počet kópií 1,2 mil. (1 kópia na 3 kb)

počet kópií 1,2 mil. (1 kópia na 3 k

•

10,7 % ľudského genómu

10,7 % ľudského genó

•

ešte známe

ešte znám MIR (450 000 kópií) a

(450 000 kópií)

MIR3 (85 000 kópií)

(85 000 kó

Repetitívne sekvencie – pokr.

2.

LINE – L

LINE – ong

o

Interspersed

ntersperse Nuclear

ucle

Elements (20 % genómu)

lements (20 % genóm

•

LINE1 (L1)

LINE1 (L – 6,1 kb (600 000 kópií)

– 6,1 kb (600 000 k

•

kóduje 2 proteíny

kóduje 2 prote

•

60 – 100 L1 je schopných aktívnej transpozície

60 – 100 L1 je schopných aktívnej transpozíc

(a môžu zapríčiniť dedičné ochorenie, napr. HA)

(a môžu zapríčiniť dedičné ochorenie, napr. H

•

tvorí 17 % ľudského genómu

tvorí 17 % ľudského genó

•

ešte sú známe

ešte sú znám LINE2

L

(370 000 kópií) a

(370 000 kópií)

LINE3

LINE3 (44 000)

(44 0

3.

LTR transpozóny

LTR transpozón (Long

o

Terminal

ermin Repeats) – 8,5 % ľ. g.

epeats) – 8,5 % ľ. g

•

ERV

ERV (Endogenous

ndogen

Retrivral

etriv

Sequences)

equenc

4.

DNA transpozóny

DNA transpozón - 3 % ľudského genómu

- 3 % ľudského genó

•

nie sú aktívne u človeka (transpozónové fosílie)

nie sú aktívne u človeka (transpozónové fosílie

Chrom. lokalizácia hlavných tried

repetitívnych sekvencií

Štruktúra Alu-sekvencie a úplnej L1

sekvencie

Ľudský mitochondriálny genóm

počet kópií v bunke: 100 – 100 000

počet kópií

–

term. diferencované kožné bunky – bez mtDNA

term. diferencované kožné bunky – bez mtDN

–

oocyty – 100 000 (spermie – niekoľko 100)

oocyty – 100 000 (spermie – niekoľko 1

jedna cirkulára dvojvláknová molekula

jedna cirkulára dvojvlá

dĺžka: 16 569 bp

16 569 b (známa kompletná sekvencia – 1981)

(známa kompletná sekvencia – 1981

–

ťažký reťazec (H) – bohatý na G

ťažký reťazec (H) – bo

–

ľahký reťazec (L) – bohatý na C

ľahký reť

–

D slučka – krátka trojvláknová oblať (7S DNA)

D slučka – krátka trojvláknová oblať

segregácia pri bunkovom delení – náhodná

segregácia pri bunkovom delení –

dedičnosť – matroklinná (matrilineárna)

dedičnosť – matroklinná (matriline

replikácia: separátna na H a L reťazci

replikácia: separátna na H a L reťa

–

najprv H reťazec (začiatok v D-slučke)

najprv H reťazec (začiatok v D-sluč

–

L reťazec – až po replikácii 2/3 H reťazca

L reťazec – až po replikácii 2/3 H reť

Ľudský mitochondriálny genóm – pokr.

transkripcia:

transkrip

–

promotor pre obidve vlákna v D slučke

promotor pre obidve vlákna v D slu

–

prebieha súčasne na obidvoch vláknach v opačnom smere

prebieha súčasne na obidvoch vláknach v opačnom sme

ako replikácia

ako replik

–

je kontinuálna, t.j. vzniká veľký multigénový transkript

je kontinuálna, t.j. vzniká veľký multigénový transkr

mitochondriálny genetický kód:

mitochondriálny genetický k

–

mierne sa líši od nukleárneho

mierne sa líši od nukleárn

•

je 60 kodónov (v nukleárnom genóme 61)

je 60 kodónov (v nukleárnom genóme 61

•

4 stop kodóny - 2 totožné s nukl. g. UAA, UAG a 2 odlišné

4 stop kodóny - 2 totožné s nukl. g. UAA, UAG a 2 odliš

AGA a AGG (kódujú arginín v nukl. g.)

AGA a AGG (kódujú arginín v nukl.

•

UGA kóduje triptofan v mt. – v nukl. g. je to stop k.

UGA kóduje triptofan v mt. – v nukl. g. je to stop k

mt gény:

m

celkový počet 37

–

28 na H vlákne,

na H vlák

9 na L vlákne

na L vlák

–

13 kóduje polypeptid,

kóduje polypep

22 tRNA a

tRNA a 2 rRNA

r

Ľudský mitochondriálny genóm – pokr.

–

väčšina mt polypeptidov je kódovaných nukleárnym g.

väčšina mt polypeptidov je kódovaných nukleárnym

–

mt genóm je extrémne kompaktný (93 % kódujúce sekv.)

mt genóm je extrémne kompaktný (93 % kódujúce se

•

len D slučka neobsahuje kódujúce sekv.

len D slučka neobsahuje kódujúce se

–

gény neobsahujú intróny

gény neobsahujú intr

–

vyskytujú sa prekrývajúce sa gény

vyskytujú sa prekrývajúce sa g

–

susediace gény separované väčšinou len 1 – 2 bázami

susediace gény separované väčšinou len 1 – 2 báza

–

niektorým génom chýba terminačný kodón

niektorým génom chýba terminačný ko

Ľudská mtDNA

bohatý
na G

bohatý
na C

ND – NADH dehydrogenáza (7)

ATP – ATPáza (2, čiast. prekryv)

CO – cytochróm c oxidáza (3)

CYB – cytochróm B (1)

Čiastočný prekryv dvoch mt génov:

ATPáza 6 a ATPáza 8

Porovnanie jadrového a mt genómu

jadrový

jadrov

mitochondriálny

mitochondriáln

veľkosť

3200 Mb

16,6 kb

počet rôznych molekúl

23 (XX) /24 (XY)

jedna

molekúl v bunke

46 (v diploidnej b.)

100 až 100 000

počet génov

~30 - 35 000

37

hustota génov

~1/100 kb

1/0,45 kb

repetitívna DNA

>50%

0%

transkripcia

monocistronická

polycistronická

intróny

vo väčšine génov

chýbajú

% kódujúcej DNA
rekombinácia

dedičnosť

<1,5%

min. 1 c-o / chrom. /

meióza

mendelistická

~93%

chýba

maternálna

Všeobecný prehľad genómu

1

2

3

4

5

Jadrový genóm

repetitívne sekv. – transpoz.

heterochromatín

iné nekonzervované

vysoko konzervované nekód.

kódujúce

45%

6,6%

44%

3%

1,5%

kódujúce
vysoko konz
nekonz

mtDNA

93%

5%

2%

Organizácia ľudského genómu

25-30000 génov