10/2/2009

1

Organizarea materialului Organizarea materialului genetic la eucariotegenetic la eucariote

ADN eucariotic

Este localizat:

• În nucleu

• În mitocondrii

ADN eucarioticADN nuclear:

• Molecule lungi liniare;

• Sub formă de cromatină ↔ cromozomi;

• Doar 10% este ADN genic, restul ADN –necodant;

• Activitatea genelor nucleare depinde de:– Momentul ontogenetic;

– Tipul celulei

!!! Necesitatea unui mecanism de păstrare a MG !!! Necesitatea unui mecanism de păstrare a MG pentru o activitate optimă în spaţiu şi timppentru o activitate optimă în spaţiu şi timp

Nucleul• Anvelopa nucleară:

– membrana nucleară externă

– membrana nucleară internă

– spaţiul perinuclear

– lamina nucleară

– complexul porului nuclear

• Cromatina– eucromatina

– heterocromatina

• Nucleolii

• Carioplasma– partea labilă

– nucleoscheletul

Nucleul• Păstrează ~ 98% din MG celular;

• Asigură compactizarea funcţională a ADN:

– eucromatina – MG activ pentru transcripţie;

– heterocromatina – MG inactiv pentru transcripţie.

• Controlul activităţii celulei prin expresia diferenţiată a genelor:

– transcripţia şi processingul ARN;

• Controlul diviziunii celulare şi transmiterii IG de la cel la cel:

– replicarea ADN şi mitoza

• Biogeneza ribozomilor

10/2/2009

2

CROMATINA CROMOZOMII

• Cromatina – materialul genetic parţial compactizat în timpul interfazei celulei;

• Cromozomul – materialul genetic maximal compactizat în timpul mitozei.

• Compoziţia chimică:

– 30% ADN + 40% proteine histone + 25% proteine nehistone + 5% ARN

profaza

telofaza

10/2/2009

3

Cromatina = cromozomul

ADN cromozomial – ce deţine, păstrează, transmite şi realizează IG;

• Molecule lungi liniare;

• Molecule heterogene:– Secvenţe codificatoare (gene):

• Active - transcrise;

• Neactive - netranscrise.

– Secvenţe necodificatoare:• Structurale – telomerii, centromerii, sateliţii;

• Reglatoare

Cromatina = cromozomiiProteine histone:• Globulare• Bazice, bogate în Liz şi Arg;• Există 5 clase: H1, H2A, H2B, H3, H4 • Funcţia:

– compactizarea ADN – nivelul nucleosomic– reglarea nespecifică a expresiei genice

Tipul

histonelor

Amonoacizii

reprezentativi

Nr.

aminoaciziConfiguraţia proteinei

H1 Liz 215 NH2 COOH

H2A Leu, Liz 129 NH2 COOH

H2B Ser, Pro, Liz 125 NH2 COOH

H3 Arg, Cis 135 NH2 COOH

H4 Arg, Liz 102 NH2 COOH

Proteinele histone

ADN + histone = nucleosom

a. Miezul nucleosomic:

2H2A

2H2B

2H3

2H4

b. 200p.n. ADN nucleosomic

c. H1 – stabilizeazăcomplexul DNP

octamer

histonic

10/2/2009

4

Proteine nehistone• Proteine extrem de heterogene;

• Enzime nucleare:

– p/u replicare (primaza, ADN-pol., ADN-ligaza);

– p/u reparaţie (endonucleaze, ADN-pol);

– p/u transcripţie (ARN-pol, factori transcripţie);

– p/u processing-ul ARN (ribozime);

– p/u biogeneza ribozomilor (P. ribozomale)

• Proteine situs specifice (SAP, zinc-finger P);

• Proteinele scafoldului – axului cromozomial

HelixHelix--TurnTurn--HelixHelix

Zinc fingerZinc finger

ARN cromozomial

• Reprezentat de transcripţi primari

• Reprezentaţi de microARN – componenţi ai enzimelor nucleare.

Nucleul în diferite etape ale ciclului celular

10/2/2009

5

Nivele de compactizare a MG

• I nivel – nucleosomic = filament de cromatină;

• II nivel – solenoid = fibra de cromatină;

• III nivel – bucle

• IV nivel – cromosomului metafazic

Nivele de compactizare a MG se deosebesc prin:

- gradul de scurtare a firului de ADN;

- grosimea f. de cromatină;

- mecanism de formare;

- grad de activitate transcripţională;

- perioada ciclului celular.

I nivel - filamentul de cromatină:

• Filamentul polinucleozomic de 11nm;

• Gradul de compactizare – x6 ori;

• Mecanismul de formare:

– interacţiunea ADN- cu proteinele histone bazice+

• Transcripţia ADN este posibilă.

Modificarea histonelor: • metilarea H3 (Lys4) – expresie activă a genei

• metilarea H3 (Lys9) – atenuarea transcripţiei

• acetilarea histonelor – relaxarea cromatinei, facilitarea transcripţiei

• dezacetilarea histonelor – condensarea cromatinei, inactivarea transcripţiei

• fosforilarea H1 – supracondensarea cromatinei

• defosforilarea H1 – decondensarea cromatinei

II nivel – solenoidul

• Fibra de cromatină de 30 nm;

• Gradul de condensare – x40 ori;

• Mecanismul de formare:

– Fosforilarea H1 superspiralizarea filamentului polinucleosomic – câte 6 nucleosomi per spiră;

• Transcripţia ADN-ului este blocată.

10/2/2009

6

Solenoid

Filamentul de cromatină

Solenoid Solenoid –– 30 nm30 nm

Fibra nucleosomicăFibra nucleosomică

–– 110 nm0 nm

III nivel - bucle

• Buclele pot fi mari sau mici, relaxate sau compacte, 300nm grosime;

• Grad de compactizare – x600-1000 ori;

• Mecanism de formare:– Ancorarea fibrei de cromatină de 30nm la axa

proteică – scaffold;

– interacţiune specifică SAR – scaffold

• Transcripţia genelor este blocată

!!! SAR (MAR) - (Scaffold /Matrix Associated Region) – situsuri specifice de ADN responsabile de ancorarea fibrei de cromatină la scaffold - axul proteic cromozomial;

!!! scaffoldul - axul proteic cromozomial – proteine situs specifice ce interacţionează cu:

- fibra de cromatină;

- lamininele laminei fibrosa de pe suprafaţa internă a anvelopei nucleare.

10/2/2009

7

IV nivel –cromozom metafazic

• Grad maximal de compactizare – x10000ori;

• Grosimea cromatidei ~700nm;

• Mecanismul de formare:– Fosforilarea lamininei --- disocierea anvelopei nucleare;

– Fosforilarea totală a H1 – condensarea cromatinei, plierea buclelor în jurul axului cromozomial.

• Transcripţia este blocată

2 nm

11 nm

30 nm

300 nm

700 nm

1400 nm

• Centromer = constricţie primară

• Telomer

Centromerul

10/2/2009

8

Centromerul participă la unirea cromatidelor-surori după ţie

Centromerul

• Secvenţe de ADN repetitiv, bogate în perechi A/T

• Heterocromatină constitutivă

• Histona H3 este substituită cu CENP-A

• Asigură unirea cromatidelor surori până în anafaza diviziunii celulare (P. coezina)

• Asigură ataşarea kinetocorilor

• Intervine în interacţiunea cu fusul de diviziune

Telomerul

Telomerul

• Secvenţe de nucleotide bogate în G/C repetate în tandem (la H. sapiens - TTAGGG) cu lungimea de 3-20 kb

• Formează bucle la capetele cromozomilor (P TFR1, TFR2)

• Previne scurtarea cromozomilor în timpul replicaţiei

• Previne fuzionarea cromozomilor (individualizează cromozomii)

• Asigură rezistenţă la atacul exonucleazelor

10/2/2009

9

Perioadele ciclului celular şi nivelul de organizare a MG

• Interfaza:

– Perioada G1 presintetică;

– Perioada S – sintetică;

– Perioada G2 – postsintetică;

• Mitoza:

– Profaza

– Metafaza

– Anafaza

– Telofaza

Nivel I

Nivel II

Nivel III

Nivel IV

Clasificarea funcţională a cromatinei:

• Eucromatina:- segmente de cromatină active transcripţional;

- conţine ADN codant.

• Heterocromatina:– segmente de cromatină inactive transcripţional,

– conţine ADN necodant;

– conţine ADN codant netranscris în momentul dat sau celula dată;

– poate fi constitutivă şi facultativă.

Heterocromatina• Constitutivă:

– Conţine secvenţe de ADN necodificatoare, repititive;

– Reprezintă regiunile centromerice, telomerice, ale sateliţilor, spaţiatori ai genelor.

• Facultativă:– Conţine secvenţe de ADN codant, dar inactive;

– Se poate transforma în eucromatină;

– Poate fi autosomală şi sexuală;

– Intervine în:» Diferenţierea celulară;

» Diferenţierea sexuală;

» Reglarea ontogenezei

Reprezentarea aceluiaşi fragment de cromozom în diferite celule (A, B, C).

E – eucromatina,

Hc – heterocromatina constitutivă,

Hf – heterocromatina facultativă

Nucleolul –regiunea nucleară responsabilă de biogeneza

ribozomilor:

• transcripţia genelor ribozomale cu sinteza ARNr precursor (45S);

• Processingul ARNr 45S cu formarea a trei fracţii de ARNr: 5,8S + 18S + 28S;

• Asamblarea complexelor RNP:– ARNr 18 S + 33 proteine ribozomale = 40S –

subunitatea ribosomală mică;

– ARNr 28 S + ARNr 5,8 S + ARNr 5 S + 49 proteine ribozomale = 60S – subunitatea ribozomală mare

10/2/2009

10

TTPP +1+1 18S18S 5,8S5,8S 28S28S

TranscripţieTranscripţie

Processing (autosplicing)Processing (autosplicing)

18S18S 5,8S5,8S 28S28S

ADNADN

proARNrproARNr

ARNrARNr

Etapele expresiei genelor de clasa IEtapele expresiei genelor de clasa I

Asamblarea 40S şi 60SAsamblarea 40S şi 60S

18S + 33 proteine = 40S18S + 33 proteine = 40S 28S + 5,8S +28S + 5,8S + 5S5S + 49 proteine = 60S+ 49 proteine = 60S

Structura nucleolului:Structura nucleolului:• Organizatorul nuclelolar – secvenţe de ADN cu

gene p/u ARNr;

• ARNr: transcripţi primari 45S; ARNr 5S, ARNr 5,8S, ARNr 18S, ARNr 28S;

• Proteine ribozomale;

• Proteinele aparatului de sinteză a ARNr;

• RNP 40S şi 60S.

InterfazaInterfaza

ProfazaProfazaPrometafazaPrometafaza

MetafazaMetafaza

AnafazaAnafaza

TelofazaTelofaza