10. Γονιδιώματα των Προκαρυωτών και των Ευκαρυωτικών Οργανιδίων

Παρουσίαση με θέμα: "10. Γονιδιώματα των Προκαρυωτών και των Ευκαρυωτικών Οργανιδίων"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 10. Γονιδιώματα των Προκαρυωτών και των Ευκαρυωτικών Οργανιδίων

2 Ομάδες προκαρυωτών Βακτήρια
Αρνητικά κατά Gram Θετικά κατά Gram Κυανοβακτήρια Αρχαιοβακτήρια (αντοχή σε δύσκολες συνθήκες) Σε θερμές πηγές Σε αλμυρές λίμνες Σε αναερόβιους πυθμένες λιμνών

3

4 Φυσικά χαρακτηριστικά προκαρυωτικών γονιδιωμάτων

5 Το πυρηνοειδές της Escherichia coli
Το πυρηνοειδές της Escherichia coli. Αυτή η μικροηλεκτρονιογραφία από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο διέλευσης παρουσιάζει την εγκάρσια τομή ενός διαιρούμενου κυττάρου E. coli. Το πυρηνοειδές είναι η αραιοχρωματική περιοχή στο κέντρο του κυττάρου. Figure 8.1 Genomes 3 (© Garland Science 2007)

6

7 Η παραδοσιακή άποψη του προκαρυωτικού χρωμοσώματος
Το κυκλικό χρωμόσωμα της E. coli με περίμετρο 1.6mm πρέπει να στριμωχθεί σε ένα κύτταρο διαστάσεων 1 x 2 μm Βοήθεια πρωτεϊνών Υπερελίκωση

8 Figure 8.2 Genomes 3 (© Garland Science 2007)

9 Οι πρώτες ενδείξεις περί υπερελίκωσης προέκυψαν τη δεκαετία του 1970 από την εξέταση μεμονωμένων πυρηνοειδών Το 1981 επιβεβαιώθηκε ότι η υπερελίκωση προκύπτει και ελέγχεται από δύο ένζυμα: DNA γυράση DNA τοποϊσομεράση Ι

10 Το DNA της E. coli δεν έχει απεριόριστη ελευθερία περιστροφής μόλις υποστεί μια εντομή.
Η πιθανότερη εξήγηση είναι ότι είναι προσδεδεμένο σε πρωτεΐνες που περιορίζουν την ικανότητά του να χαλαρώνει, οπότε η περιστροφή σε ένα σημείο εντομής καταλήγει σε απώλεια υπερελίκωσης μόνο από ένα μικρό τμήμα (βρόχος) του μορίου.

11 Όταν το τριμεθυλψωραλένιο φωτο-ενεργοποιείται από παλμό φωτός, προσδένεται στο DNA με ταχύτητα ευθέως ανάλογη του βαθμού περι-στροφικής τάσης που διαθέτει το μόριο. Συνεπώς, ο βαθμός υπερ-ελίκωσης μπορεί να ελεγχθεί μετρώντας την ποσότητα τριμεθυλ-ψωραλενίου που προσδένεται σε ένα μόριο στη μονάδα του χρόνου. Μετά την ακτινοβόληση κυττάρων E. coli προκειμένου να εισαχθούν μονόκλωνες εντομές στο DNA τους, η ποσότητα του προσδεδεμένου τριμεθυλψωραλενίου είναι ανάλογη της δόσης της ακτινοβολίας. Αν το πυρηνοειδές της E. coli δεν ήταν οργανωμένο σε περιοχές, τότε μια μεμονωμένη εντομή στο DNA θα οδηγούσε σε πλήρη απώλεια της υπερελίκωσης.

12 Το τρέχον μοντέλο υποστηρίζει ότι:
Το DNA της E. coli είναι προσδεδεμένο σε ένα πρωτεϊνικό πυρήνα από τον οποίο προεξέχουν ακτινοειδώς υπερελικωμένοι βρόχοι. Κάθε βρόχος περιέχει ~100 kb υπερελικωμένου DNA Στις πρωτεΐνες του πυρηνοειδούς περιλαμβάνονται: η DNA γυράση η DNA τοποϊσομεράση Ι 4 τουλάχιστον άλλες πρωτεΐνες που πιστεύεται ότι διαδραματίζουν πιο ειδικό ρόλο στη συσκευασία. Η πιο άφθονη από αυτές είναι η HU που λειτουργεί κατ΄αντιστοιχία με τις ευκαρυωτικές ιστόνες Κάθε κύτταρο E. coli περιέχει περίππου πρωτεΐνες HU

13 Όλο και περισσότερα βακτήρια ανακαλύπτονται με μη κυκλικό γονιδίωμα

14 Lyme disease

15

16 Streptomyces coelicolor Agrobacterium tumefaciens
Borrelia burgdorferi Streptomyces coelicolor Agrobacterium tumefaciens Γραμμικά χρωμοσώματα Τερματικές δομές ισοδύναμες με τελομερίδια

17 Πολυμερή γονιδιώματα (multipartite genomes)

18 Figure 8.5 Genomes 3 (© Garland Science 2007)

19 Table 8.1 Genomes 3 (© Garland Science 2007)

20 1 2 1. Κεντρικές κυτταρικές λειτουργίες (έκφραση γονιδίων και παραγωγή ενέργειας, παθογονικότητα) 2. Αρκετά βασικά γονίδια, συν γνωρίσματα χαρακτηριστικά των πλασμιδίων (ιντεγκρόνιο: γονίδια που καθιστούν τα πλασμίδια ικανά να αιχμαλωτίζουν γονίδια από φάγους και άλλα πλασμίδια) Table 8.2 part 1 of 2 Genomes 3 (© Garland Science 2007)

21 Figure 8.2 part 2 of 2 Genomes 3 (© Garland Science 2007)

22 Γενετικά χαρακτηριστικά των προκαρυωτικών γονιδιωμάτων
Συμπαγής γενετική οργάνωση Μόλις το 11% του γονιδιώματος της E. coli είναι μη κωδικοποιητικό DNA

23 Figure 8.6 Genomes 3 (© Garland Science 2007)

24 Η οργάνωση των γονιδίων στο γονιδίωμα της E. coli
Περισσότερα γονίδια σε σχέση με τους ευκαρυώτες Λιγότερος χώρος ανάμεσα σε γονίδα: 43 γονίδια καταλαμβάνουν το 86% του χώρου Ύπαρξη οπερονίων Απουσία ιντρονίων Σπανιότητα επαναλήψεων

25 Τα οπερόνια είναι χαρακτηριστικά των προκαρυωτών

26 Figure 8.8b Genomes 3 (© Garland Science 2007)

27 Στο γονιδίωμα της E. coli ή του Bacillus suptilis υπάρχουν ~600 οπερόνια
Συνήθως, τα γονίδια ενός οπερονίου συχετίζονται λειτουργικά

28 Όμως, δεν είναι πάντα έτσι
Πχ το βακτήριο Aquifex aeolicus περιέχει 6 συνδεδεμένα γονίδια τα οποία κωδικοποιούν: Δύο πρωτεΐνες που εμπλέκονται στον ανασυνδυασμό του DNA (recA και recJ) Ένα ένζυμο που χρησιμοποιείται στην πρωτεϊνοσύνθεση (gatC: υπομονάδα C της αμινοτρανσφεράσης του γλουταμυλο-tRNA) Μια πρωτεΐνη απαραίτητη στην κίνηση (pilU) Ένα ένζυμο που εμπλέκεται στη σύνθεση των νουκλεοτιδίων (cmk: κινάση του κυτιδιλικού) Ένα ένζυμο για σύνθεση λιπιδίων (pgsA: συνθάση του φωσφατιδυλο-γλυκεροφωσφορικού)

29 Bacilllus megaterium Τα μεγαλύτερα γονιδιώματα συνήθως ανήκουν σε αυτόνομα είδη που υπάρχουν στο έδαφος Τα μικρότερα γονιδιώματα ανήκουν σε είδη που είναι υποχρεωτικά παράσιτα.

30

31 Minimal Genome Project
Craig Venter Πειράματα μεταλλαξιγένεσης στο Mycoplasma υπέδειξαν ότι τα απαραίτητα γονίδια είναι Mycoplasma laboratorium: minimal set 382 γονιδίων Για τη «δημιουργία» του Mycoplasma laboratorium είχε υπολογιστεί ότι το κόστος του συνθετικού γονιδιώματος θα ήταν ~US$40 million και ότι θα εργάζονταν 20 ερευνητές για μια δεκαετία. Παρά τις αμφιβολίες, ο Venter συνέλεξε πάνω από $110 million μέσω της εταιρείας Synthetic Genomics, με την αρωγή της Exxon Mobil με $300 million για τη δημιουργία φυκών για παραγωγή ντίζελ. Το Μάιο του 2010 ανακοινώθηκε η δημιουργία του συνθετικού αυτού οργανισμού.

32 Τα προκαρυωτικά γονιδιώματα και η έννοια του είδους
Linneaus (Systema Naturae, 1735): όλα τα μέλη ενός είδους είχαν τα ίδια ή πολύ παρόμοια δομικά γνωρίσματα Robert Koch (1880): η χρήση χρώσεων και βιοχημικών δοκιμασιών κατέδειξε ποικιλία τύπων Είδος: μια ομάδα οργανισμών που μπορούν να διασταυρωθούν και να δώσουν γόνιμους απογόνους Ανταλλαγή γονιδίων Ο φραγμός στη ροή των γονιδίων, που είναι κεντρικής σημασίας στην έννοια του είδους, δεν ισχύει στους προκαρυώτες

33 Η γονιδιωματική ανάλυση των προκαρυωτών περιέπλεξε ακόμα περισσότερο την έννοια του είδους
Δύο στελέχη του Helicobacter pylori: 1.67 Μb: περιέχει 1552 γονίδια 1.64 Mb: περιέχει 1495 γονίδια 1406 υπάρχουν και στα δύο στελέχη 6-9% των γονιδίων είναι μοναδικά Δύο στελέχη E. coli: Κ12, 4.64 Mb. 528 μοναδικά γονίδια. Ο157:Η7, Mb. Επιπλέον 1387 παθογόνα γονίδια διάσπαρτα σε ~200 θέσεις. 12-26% «ιδιαίτερα» γονίδια για το κάθε στέλεχος. ΑΣΥΜΒΙΒΑΣΤΟ ΠΟΣΟΣΤΟ ΜΕ ΤΗΝ ΕΝΝΟΙΑ ΤΟΥ ΕΙΔΟΥΣ ΣΤΟΥΣ ΑΝΩΤΕΡΟΥΣ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΥΣ

34 Η επίδραση της οριζόντιας μεταφοράς γονιδίων στην περιεκτικότητα σε DNA των προκαρυωτικών γονιδιωμάτων. Με μπλε, το μοναδικό DNA για κάθε είδος Με κόκκινο, το DNA που έχει αποκτηθεί με οριζόντια μεταφορά (ο αριθμός υποδηλώνει το ποσοστό) Συχνά η μεταφορά συμβαίνει ανάμεσα σε πολύ διαφορετικά είδη, ακόμη και μεταξύ βακτηρίων και αρχαιοβακτηρίων! Για παράδειγμα, το θερμόφιλο βακτήριο Thermotoga maritima έχει 1877 γονίδια, 451 από τα οποία προέρχονται από αρχαιοβακτήρια.

35 Γονιδιώματα των ευκαρυωτικών οργανιδίων
1950: ασυνήθιστα πρότυπα κληρονομικότητας ορισμένων γονιδίων του Neurospora crassa, Saccharomyces cerevisiae και Chlamydomonas reinhardtii αποδόθηκαν στην ύπαρξη εξωχρωμοσωμικών γονιδίων. Ηλεκτρονικό μικροσκόπιο και βιοχημικές μελέτες πρόσφεραν ενδείξεις ότι μόρια DNA μπορεί να βρίσκονται σε μιτοχόνδρια και χλωροπλάστες Τη δεκαετία του 1960 έγινε αποδεκτή η άποψη της ύπαρξης μιτοχονδριακών και χλωροπλαστικών γονιδιωμάτων

36 Προέλευση γονιδιωμάτων οργανιδίων
Thomas Cavalier-Smith (1970): τα αρχέγονα προγονικά κύτταρα περιβάλλονταν από μια εύπλαστη μεμβράνη, η οποία με τυχαίες εγκολπώσεις προς το εσωτερικό σχημάτισε τα διάφορα κυτταρικά οργανίδια Lynn Margulis (1980): ένας προκαρυωτικός οργανισμός «μόλυνε» το προγονικό αρχαιοκαρυωτικό κύτταρο και εγκαταστάθηκε σ’ αυτό ως συμβιωτικός οργανισμός, προσφέροντάς του νέες λειτουργικές ιδιότητες. Παράλληλα, ο συμβιωτικός οργανισμός «απολάμβανε» οφέλη που προέκυπταν από λειτουργίες του ξενιστή.

37

38 Στήριξη στη θεωρία της ενδοσυμβίωσης πρόσφερε η ανακάλυψη «ενδιάμεσων» καταστάσεων:
Στο πρωτόζωο Cyanophora paradoxa, οι φωτοσυνθετικές δομές (κυανέλλες) διαφέρουν από τους χλωροπλάστες και μοιάζουν με προσληφθέντα κυανοβακτήρια Το γένος Rickettsia (που ζει μέσα σε ευκαρυωτικά κύτταρα) θα μπορούσε να είναι η σύγχρονη εκδοχή των βακτηρίων που έδωσαν τα μιτοχόνδρια

39 Αν τα μιτοχόνδρια και οι χλωροπλάστες υπήρξαν αυτόνομα βακτήρια, τότε πρέπει να συνέβη μεταφορά γονιδίων με κατεύθυνση από το οργανίδιο προς τον πυρήνα. Αυτό αποδείχτηκε τη δεκαετία του ’80, όταν προέκυψαν οι πρώτες αλληλουχίσεις του DNA: το γονιδίωμα των χλωροπλαστών ορισμένων φυτών περιέχει τμήματα DNA τα οποία είναι αντίγραφα τμημάτων του γονιδιώματος των μιτοχονδρίων

40 Φυσικά χαρακτηριστικά
Αρχικά είχε θεωρηθεί ότι όλα τα γονιδιώματα των οργανιδίων ήταν κυκλικά Τα περισσότερα είναι. Όμως: Κυκλικά γονιδιώματα συνυπάρχουν με γραμμικές εκδοχές Επίσης συνυπάρχουν πολλαπλά κυκλικά γονιδιώματα (πχ δινομαστιγωτά) Τα μιτοχονδριακά γονιδιώματα ορισμένων μικροβιακών ευκαρυωτών (πχ Paramecium, Chlamydomonas κλπ) είναι πάντοτε γραμμικά

41 Το μέγεθος του γονιδιώματος των μιτοχονδρίων ποικίλει και δεν συσχετίζεται με την πολυπλοκότητα του οργανισμού.

42 Το ανθρώπινο μιτοχονδριακό γονιδίωμα είναι μικρό και συμπαγές
Το ανθρώπινο μιτοχονδριακό γονιδίωμα είναι μικρό και συμπαγές. Τα γονίδια ATP6 και ATP8 επικαλύπτονται. Figure Genomes 3 (© Garland Science 2007)

43 Στο μιτοχονδριακό γονιδίωμα της ζύμης, τα γονίδια απέχουν περισσότερο μεταξύ τους συγκριτικά με το ανθρώπινο και ορισμένα από αυτά περιέχουν ιντρόνια.

44 Table 8.6 Genomes 3 (© Garland Science 2007)

45 Τα περισσότερα γονιδιώματα χλωροπλαστών διαθέτουν το ίδιο σύνολο των ~200 γονιδίων και επίσης κωδικοποιούν πληροφορίες για μόρια rRNA και tRNA, ριβοσωμικές πρωτεΐνες και πρωτεΐνες που εμπλέκονται στη φωτοσύνθεση

46 Τι να διαβάσετε Brown, Chapter 8