Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Přednáška II Replikace DNA -DNA replikace -Replikace chromozómu u bakterií -Replikace lineárních chromozómů u eukaryot -Replikace plasmidů.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Přednáška II Replikace DNA -DNA replikace -Replikace chromozómu u bakterií -Replikace lineárních chromozómů u eukaryot -Replikace plasmidů."— Transkript prezentace:

1 Přednáška II Replikace DNA -DNA replikace -Replikace chromozómu u bakterií -Replikace lineárních chromozómů u eukaryot -Replikace plasmidů

2 Veškeré buňky musí duplikovat svou DNA předtím než se rozdělí DNA replikace

3 DNA musí být rozdělena na 2 vlákna Každé vlákno je replikováno (původní vlákno slouží jako templát) – replikace je semikonzervativní Watson-Crick párování (A s T, G s C) DNA replikace

4 Meselson-Stahl pokus 1958 „ the most beautiful experiment in biology“ 3 teorie, jak je DNA replikována – Semi-konzervativní – Konzervativní – Disperzní

5 Meselson-Stahl pokus 1958 „ the most beautiful experiment in biology“ 3 teorie, jak je DNA replikována – Semi-konzervativní – Konzervativní – Disperzní

6 Meselson-Stahl pokus Těžký řetězec není detekován, Tato teorie není pravdivá Tím, že je lehký řetězec detekován, nemůže být tato teorier pravdivá

7 Replikon Jakákoliv DNA či RNA schopna replikace (kruhová s ori, nebo linearní) – Chromozómy - kruhové – Chromozómy - lineární – Plasmidy – prokaryotické (kruhové a lineární) – Plasmidy – eukaryotické (2  u kvasinek) – Genomy mitochondrií a chloroplastů – Genomy virů, viroids

8 Původní vlákno slouží jako templát V 60. letech – pozorování replikující se DNA, tvoří písmeno Y – REPLIKAČNÍ VIDLIČKA Replikační multienzymatický komplex obsahující DNA polymerázu Obecný mechanismus replikace

9 DNA polymeráza (DNAP) byla objevena v roce 1956 A. Kornbergem (E.coli) Vždy ve směru 5‘  3‘ 1960 – radioaktivní thymidine, na pár sekund, existence krátkých úseků DNA (1000 – 2000nt) Okazakiho fragmenty (1000 – 2000bp u prokaryote) Vedoucí (leading) vlákno vs opožďující se (lagging strand) vlákno Obecný mechanismus replikace

10 Replikace vždy ve směru 5´  3´ Reakce je hnaná uvolněnou energíí z dNTP, PPi se rozpadá na jednotlivé molekuly fosfátu Obecný mechanismus replikace

11 Korekturní aktivita – proofreading activity – Chyba pouze na každých 10 9 bazí – 3´  5´ exonukleázová aktivita – Nachází se na jiné podjednotce, či doméně DNAP – Tato aktivita odštípne veškeré nukleotidy, které nejsou dobře spárované – Tato aktivita vyžaduje perfketně spárovaný začátek Obecný mechanismus replikace

12 Korekturní aktivita je důvod proč polymerizace probíhá pouze ve směru 5‘ ku 3‘.

13 DNA polymeráza potřebuje RNA primer – Pro vedoucí vlákno je nutný pouze 1 primer – Pro opožďující vlákno jsou nutné primery kdykoliv DNAP dokončí Okazakiho fragment (během sekundy) DNA primáza – Používá NTP, u eukaryot jsou 10 bazí dlouhé DNAP polymerizuje dokud nenarazí na další RNA primer Proč RNA primer a ne DNA primer ? – Mutace, rozpoznání RNA/DNA – 10nt/200bp  5% genomu Obecný mechanismus replikace

14 RNA primery jsou nakonec odstraněný exonukleázovou aktivitou DNAP I a nahrazeny dNTPs DNA polymeráza – reparační (RNase H) rozeznávající DNA/RNA segmenty DNA ligáza vytvoří kovalentní vazbu mezi dvěma sousedními nukleotidy Obecný mechanismus replikace

15 Proteiny, které se účastní replikace – DNA gyráza – Helikáza ATP dependentní, 1000bp/s – Single-strand binding protein (SSBP) Stabilizují ssDNA, prevence krátkých vlásenkových struktur – DNA polymerase Ráda se odpojuje od DNA Komplex pohybující se svorky (sliding clamp) – Váže DNAP – Nezabraňuje rychlému pohybu DNAP – Jakmile narazí na dsDNA, DNAP se odpojuje Komplex replikační vidličky

16

17

18 Replikační proteiny v E.coli ProteinFUNKCE DnaAVáže se na počátek replikace (ori) HelicaseUvolňuje dsDNA DnaCPomáha helikáze při vazbě na DNA SSBPUdržuje ssDNA PrimázaSyntéza RNA primerů RNáza HOdstranění RNA primerů DNA polymeráza IVyplňuje mezery mezi Okazakiho fragmenty DNA polymeráza IIReparační enzym DNA polymeráza III Hlavní replikační enzym ( , ,  ) Sliding clamp ( , , , ,  ‘, ,  ) DNA ligázaLiguje niky, zvlášte pak v lagging vláknu DNA gyráza  a  podjednotka, zavádí negativní supercoily Topoisomeráza IVŠtípe a liguje dsDNA, uvolňuje pozitivní otáčky

19 Topologické problémy při replikaci DNA Rozpletení dvoušrobovice (800b/s) pomocí helikázy – Oba řetezce je nutno oddělit a prootočit – Chromozom nemůže jen tak rotovat – Vzniklé napětí je uvolněno topoisomerázami (DNA gyrázou) DNA gyráza zavádí negativní superspiralizace a tím uvolňuje pozitivní superspiralizaci způsobenou helikázou

20 Replikace kruhovité molekuly Baktérie, E. coli genom je bp 2 replikační vidličky (  -replikace) DNA replikace a buněčné dělení je synchronizováno

21 Iniciace replikace kruhovité molekuly Iniciace replikace v ori (oriC) – Iniciační komplex obsahuje 5 proteinů: DnaA, DnaB (helikáza), DnaC, DNA gyrázu, SSB – oriC obsahuje repetice 3x GATCTNTTNTTTT a 4x TTATNCANA – Vazba DnaA proteinu – Na rozvolněnou DNA se naváže DnaB a DnaC – začátek replikační vidličky – Helikáza aktivuje primázu a tím pádem syntézu RNA primeru

22 Ukončení replikace – Ter místa Replikace probíha v obou směrech (po směru a proti směru hodinových ručiček) – TerC, TerB, TerF – TerA, TerD, Ter E – Vážou Tus proteiny – Jejich delece jsou slučitelné se životek, replikační vidlička je nepotřebuje k ukončení replikace – Separace spojených molekul toposiomerázou IV Terminace replikace kruhové molekuly

23 Replikon Jakákoliv DNA či RNA schopna replikace (kruhová s ori, nebo linearní) – Chromozómy - kruhové – Chromozómy - lineární – Plasmidy – prokaryotické (kruhové a lineární) – Plasmidy – eukaryotické (2  u kvasinek) – Genomy mitochondrií a chloroplastů – Genomy virů, viroids

24 Syntéza eukaroytické DNA Stejný princip jak u baktérií Replikační systém vyizolovaný ze savčí buňky – 80. léta Studie hlavně na kvasince Komplikovanější MCM – minichromosome maintenance DNAP , ,  – DNAP  - primase – iniciace replikace, syntetizuje primer, který pak produlužuje pomocí dNTPs – 20nt – iDNA – RPA – replication protein A – chrání ssDNA – RFC – replication factor C – váže se na iDNA, přibírá do komplexu posuvnou svorku (PCNA protein) + 2 DNAP – DNAP  - přepisuje opožďující se vlákno – DNAP  - přepisuje vedoucí vlákno – PCNA - Proliferating cell nuclear antigen, homotrimer – Regulační proteiny– Cdc45, GINS complex – neznámá funkce – Primery jsou odstraněny pomocí exonukleázy Fen1 a/nebo Dna2 (rozdíl oproti baktériím) – Mezery jsou dosyntetizovány DNAP  a spojeny pomocí DNA ligázy

25 Replikace lineárních chromozómů – Lidský genom 150x10 6 bazí – Rychlost replikace pouze 50bp/sec – Mnoho počátků replikace U kvasinek cca každých bazí, cca 400 počátků U lidských somatických buněk - mezi až počátků – Obousměrná – Replikační bublina – Synchronizace každý chromozóm je replikován pouze jednou každý počátek prochází iniciací pouze jednou

26 Iniciace replikace Nejlépe studován u kvasinek ORC komplex (origin recognition complex) se váže na na počátek replikace a spouští řadu reakcí: – Cdc6, Cdt1 a ORC a MCM (helicase) = pre-replicative complex (pre-RC) – Tento komplex se formuje pouze v G1 fázi – Pre-RC je aktivován kinázou S-CDK – odpojují se Cdc6 a Cdt1 – tím se aktivuje helikáza – Spouští se replikace

27 Replikace lineárních chromozómů – nové nukleosomy -Chromatin modelujicí proteiny – destabilizují vazbu histonů na DNA Náhodně zůstavají s dceřinnou, či původní DNA

28 -Chromatin sbalujicí proteiny – pomáhají zabalit DNA zpět do nukleosomů Replikace lineárních chromozómů – nové nukleosomy

29 Replikace lineárních chromozómů - telomery Problém při replikaci lineárních chromozómů – DNA polymeráza potřebuje primer – Po odstranění RNA primeru dojde ke zkrácení DNA – Telomery OPAKOVANÉ KRÁTKÉ SEKVENCE OBVYKLE 6 BÁZÍ TTAGGG – OBRATLOVCI TELOMERASE – PRODLOUŽÍ KONCE DNA O JEDEN TANDEM PROTEKCE PROTI EXONUKLEAZOVÉ AKTIVITĚ EXTRÉMNĚ KONZERVOVANÉ – Buněčné hodiny

30 – Protein primery DNA polymeráza může použít volnou –OH skupinu aminokyseliny z proteinu, který se váže na konec chromozómu – Tento protein také chrání DNA před degradací – Systém používán některými viry a bakterií rodu Streptomyces (lineární chromozóm) – Vlásenková struktura chrání konce DNA u Borrelia Replikace lineárních chromozómů - vyjímky

31 Replikon Jakákoliv DNA či RNA schopna replikace (kruhová s ori, nebo linearní) – Chromozómy - kruhové – Chromozómy - lineární – Plasmidy – prokaryotické – Plasmidy – eukaryotické (2  u kvasinek) – Genomy mitochondrií a chloroplastů – Genomy virů, viroids

32 Plasmidy Kruhové molekuly DNA samostatně se množící – Vyjímky jsou lineární plasmidy a RNA plasmidy (zjednodušené RNA viry) Parazitují na buněčném aparátu pro svou replikaci Přinášejí buňce určitou selekční výhodu Nemohou být bez buňky Vyskytují se v různém počtu (obvykle 1-2 plasmidy/chromozóm, ale až 50) Velikost plasmidu je velmi různá Plasmidy mohou nést gen zajišťující resistenci na antibiotikum Kryptické plasmidy (bez očividné funkce) F-plasmidy – specificke pro E.coli a baktérie rodu Shigella a Salmonela P-plasmidy – promiskuitní Transferability vs mobility

33 Obousměrná replikace Replikace valivou kružnicí

34 Stejný mechanismus replikace ukazuje na příbuzný vztah mezi plasmidy a viry ssDNA viry dsDNA viry

35 Mechanismus replikace plasmidu F - conjugation Obousměrná replikace (ori V) Replikace valivou kružnicí (ori T) Konjugační most Nejstarší známý plasmid (byl náhodou přítomen v izolátu E.coli K12, Stanford, 1928) F - fertility Nízké copy number, 100kb Konjugativní vlastnosti – Tra + transfer positive plasmidy – tra geny (nejméně 30 genů) – F + (donor) and F - (recipient) – Některé malé plasmidy jsou tra-, ale mob+ (mohou být mobilizovány za přítomnosti Tra+ plasmidu) – Bakteriální sex

36 Integrace plasmid do chromozomu přes IS místa (inserční sekvence) baktérie, které mají F plasmid v chromozómu - Hfr strains (high frequency chromosomal gene transfer) Celý chromozóm může být přenesen za 90 minut, často dojde k přerušení a pouze část chromozómu je přenesena F plasmid se umí vyštípnout z chromozómu, nese část chromozómu – F‘ prime plasmids Přenos chromozomální DNA díky F-plasmidu

37 Antisense RNA jako kontrola počtu plasmidů v buňce High copy plasmid regulují svůj počet pomocí limitace startu replikace Low copy plasmid – striktní regulace, replikují se s replikací buňky Antisense RNA – studovaná pro plasmid ColE1 Iniciace replikace ColE1 – Syntéze pre-primeru (555bp) – RNAII – Je štípnut ribonukleázou H (volný 3‘-OH) Tento enzyme je specifický pro DNA:RNA – DNA polymeráza pokračuje – RNA I – 108bp, transkripce komplementárního vlákna

38 Závislost buňky na plasmidu Buňka přežije pouze v případě, že si udrží plasmid – 2 komponenty produkované plasmidem: toxin (více stabilní) and protijed (méně stabilní) Protein-based operon F-plasmidu: CcdA (protijed) a Ccd B (toxin, inhibuje DNA gyrázu) RNA-based system: protijed je antisense RNA, která neumožňuje translaci toxinu (Host-killing protein – Hok and Sok antisense RNA)

39 Plasmidy s resistencí na antibiotika R plasmidy 1-2 kopie na buňku Objeveny během 2. svět. války v Japonsku Bacteria Shigella resistentní vůči sulfonamidům R plasmidy jsou transferu schopné Resistentní kmeny baktérií jsou velmi problematické Zákaz používaní lidských antibiotik na prevenci nákazy u zvířat Použití v genovém inženýrství

40 Resistance vůči  -laktam antibiotikům Nejrozšířenější skupina antibiotik (penicilín, ampicilín, cephalosporin) Působí na buněčnou stěnu baktérií – Reaguje s enzymem budující buněčnou stěnu, nedochází ke cross linku peptidoglycanu a dochází k disintegraci buněčné stěny Obsahují  -laktam kruh Resistence díky enzymu  -laktamázy (bla gen) Modifikace antibiotické struktury – více odolná na štěpení  -laktamázou Administrace antibiotika + lactam analogu (clavulanic kyselina), který se váže na enzym a inhibuje ho Otevírá  -laktamový kruh

41 Resistence to chloramphenicol Chloramphenicol, streptomycin a kanamycin Působí na bakteriální translaci (vážou se na 23S rRNA) Resistence: – Chromozomální mutace ribosomálních proteinů – nedojde k inhibici pomocí antibiotika, ale sníží se efektivnost translace – Plasmidová – chloramphenicol acetyl transferáza (CAT) Acetyl skupiny Substituce za fluorine – resistentní vůči modifikaci

42 Resistence na aminoglykosidy Streptomycin, kanamycin, neomycin Produkované půdními baktériemi rodu Streptomyces (sami si produkují resistenci-indukující enzym) Obvykle 3 cukerné kruhy, z nichž alespoň jeden nese aminokyselinu Vážou se na SSU ribozómu a inhibují translaci Inaktivace jejich aktivit pomocí modifikací (fosforylace, acetylace, adenylace) Resistence: neomycin phosphotransferase (npt gen) Derivát kanamycinu U – Amikacin – jeho acetylace schopný cukerný zbytek je blokován hydroxybutyratovou skupinu – i přes to již došlo k evoluci nové N-acetyl transferázy, která je schopna acetylovat tuto molekulu

43 Resistence vůči tetracyklinu Tetracyklin se váže na 16S rRNA a inhibuje translaci Inhibije prokaryotickou i eukaryotickou translaci (eukaryota ho aktive neimportují, spíše naopak, efektivně ho exportují) Resistence: – Plasmid R kódující transporter, který umožnuje efektvní export tetracycklinu zpět do prostředí

44 Replikon Jakákoliv DNA či RNA schopna replikace (kruhová s ori, nebo linearní) – Chromozómy - kruhové – Chromozómy - lineární – Plasmidy – prokaryotické – Plasmidy – eukaryotické (2  u kvasinek) – Genomy mitochondrií a chloroplastů – Genomy virů, viroids

45 Ti plasmids Tumor-inducing (Ti) Přenos mezi baktérií a rostlinou Ti plasmid se nachází v baktérii Agrobacterium Část plasmidu je přenesena do rostlinné buňky pomocí procesu připomínající konjugaci Dojde k začlenění (náhodnému) do chromozómu a k expresi růstových hormonů – nádor a místo pro množení baktérie Ti oblast plasmidu obsahuje geny pro auxin (zvětšuje objem buňky), cytokin (indukuje replikaci buňky) a opin (zdroj energie pro bakéterii) Použití v genovém inženýrství – Arabidopsis thalianna – genů přerušeno pomocí Ti plasmidu – inaktivace genu – studium fenotypu Tumor DNA

46 2  plasmid kvasinek Kruhová molekula 6318bp (dsDNA) kopií/haploidní genom Nachází se v jádře!, váže histony a formuje nukleozóm Použítí v genovém inženýrství – eukaryotický klonovací vektor Skladba: – 2 obrácené repetice (rozdělují plasmid na 2774 a 2346bp) – Flp rekombináza (flipáza) katalyzuje rekombinace, rozeznáva Frt místo – Může dojít k inzercím, či delecím daných segmentů pokud jsou ohraničena Frt místy – Flp/Frt systém je podobný Cre/loxP systému

47 Replikon Jakákoliv DNA či RNA schopna replikace (kruhová s ori, nebo linearní) – Chromozómy - kruhové – Chromozómy - lineární – Plasmidy – prokaryotické (kruhové a lineární) – Plasmidy – eukaryotické (2  u kvasinek) – Genomy mitochondrií a chloroplastů – Genomy virů, viroids

48 Mitochondrie a chloroplasty Původ mitochondrie – alpha baktérie Původ chloroplastu – cyanobaktérie

49 Mitochondrie a chloroplasty -DNA replikace -Nezávislá na buněčném cyklu -DNA transkripce -RNA polymeráza prokaryotního typu -Translace -Prokaryotního typu -Sensitivita na antibiotika -Struktura a kompozice ribozómů -N-formyl methionine

50 Genom mitochondrie Velikost genomu je velice různá Plasmodium falciparum – 6kb Arabidopsis thalianna– 300 Kb Homo sapiens – 16.5 kb

51 Denzní uspořádání genů Uvolněné používání tRNAs (22 tRNAs místo 30 tRNAs) Variabilní genetický kód Vyšší frekvence mutací (10x) Introny – samo se sestřihující Genom mitochondrie

52 Genom chloroplastu Velikost bp až bp Mnohe více genů než u mitochondrie – Geny kódující proces transkripce, translace, fotosyntéze, biosyntézy různých malých molekul

53 Proč si mitochondrie a chloroplasty zachovaly vlastní genomy? -Pouze cox1 a cyb jsou přítomné ve všech mt genomech

54 Polymerázová řetězcová reakce - PCR  Umožňuje namnožení DNA z velmi malého množství Kary Mullis – Nobelova cena v roce 1993

55 – KOMPONENTY: PCR primery (12 – 20nt) Taq DNA polymerase (from Thermus aquaticus) dNTPs Pufr (MgCl 2 ) PCR instrument Polymerázová řetězcová reakce - PCR

56  Cyklus:  90°C – denaturace  50°C – 60°C – nasedání primerů  72°C – elongace  90°C – denaturace 30x Polymerázová řetězcová reakce - PCR

57 2. cyklus 3. cyklus Polymerázová řetězcová reakce - PCR

58 Reverzní transkripce PCR Složitá manipulace s geny obsahující exony mRNA již obsahuje sekvenci, která je translatovatelná Pomocí reverzní transkriptázy (enzym z retrovirů) vytvoření DNA z mRNA Vytvoření jednoho vlákna cDNA – templátová DNA Studium exprese genů

59 Directed mutagenesis Umožňuje změnu sekvence Substitute, delece či inzerce aminokyselin Původní plasmidová DNA izolovaná z baktérií je methylována Nová pomocí PCR vytvořená plasmidová DNA není methylována Restrikce za použití enzymu, který štípe pouze methylovanou sekvenci Transformace pouze nově vytvořeného plasmidu


Stáhnout ppt "Přednáška II Replikace DNA -DNA replikace -Replikace chromozómu u bakterií -Replikace lineárních chromozómů u eukaryot -Replikace plasmidů."

Podobné prezentace


Reklamy Google