Portál:Otázky z biochemie (1. LF UK, VL, ÚLB)/Organizace prokaryontního, eukaryontního a mitochondriálního genomu
Organizace prokaryotního genomu
Genom prokaryot je tvořen zpravidla jedním chromozomem a plazmidy. Eukaryota naproti tomu obsahují větší počet chromozomů – jaderných i mimojaderných (mitochondriálních) – a někdy i plasmidy.
Většina toho, co víme o chromozomech prokaryot bylo získáno ze studií E. coli – jedná se o organismus volby pro podobné výzkumy prokaryot. Chromozom je tvořen dvouvláknovou cirkulární DNA. Prokaryota neobsahují jádro ani jiné membránou ohraničené organely. Slovo "prokaryota" vlastně znamená "před jádrem". Chromozom je uložen ve speciální oblasti, která se nazývá nukleoid.
Genom prokaryot je často výrazně větší než buňka samotná. Jak je tedy možné, že se genetická informace do buňky vejde? Eukaryota řeší tento problém pomocí zabalení DNA kolem histonů. Prokaryota však histony neobsahují (existuje několik výjimek). Prokaryota provádí kompresi své DNA pomocí srolování vlákna do malých rolí (supercoiling). Vlákna se kroutí tak těsně, že se v konečném důsledky smyčky překrývají a tvoří jednu velkou kondenzovanou kouli. Rozlišuje dva druhy sbalení – pozitivní (otočky DNA jsou ve stejném směru jako helix) nebo negativní (DNA je stočena v opačném směru než helix). Většina bakterií během normálního růstu je stočena negativně.
Specifické vlastnosti prokaryot
Prokaryota se nejčastěji rozmnožují asexuálně a jsou monoploidní (existuje vždy pouze jedna kopie genu). Prokaryota často obsahují také několik plasmidů (extrachromozomálně uložená DNA molekula lineární nebo cirkulární povahy). Oproti chromozomální DNA jsou typicky menší a kódují geny, které nejsou nutné k přežití. Často však poskytují svému nositeli určitou výhodu (např.: rezistence na ATB,...). Replikace plasmidů probíhá nezávisle na replikaci chromozomů.
Vzhledem k potřebě prokaryot vměstnat veškeré své geny do jednoho chromozomu, nezbývá na nekódující sekvence příliš mnoho místa. Ačkoliv u eukaryot je podíl nekódujících úseků DNA kolem 98 %, tak u prokaryot je to jen 12 %.
Chromozomy prokaryot
- většina prokaryot obsahuje jeden cirkulární chromozom
- chromozomy jsou uloženy v nukleoidu, do kterého se vejdou díky srolování DNA vlákna a vazbě na některé proteiny
- DNA komunikující s cytoplasmou umožňuje přímě napojení transkripce a translace
- obsahují pouze jednu kopii genu (monoploidní)
- neesenciální geny bývají uloženy v plasmidech mimo chromozom
- genom prokaryot je velmi kompaktní – obsahuji velmi málo nekódujících sekvencí DNA
Organizace eukariotního genomu
V buněčných jádrech eukaryot je určitý počet chromosomů, z nichž každý obsahuje jedinou molekulu DNA. DNA v lidském chromosomu obsahuje průměrně 108 až 3.108 párů bází, je 2 nm široká a řádově centimetry dlouhá. Extrémní tvar molekuly vyžaduje řadu mechanismů k tomu, aby nebyla poškozena a aby určité úseky byly v daném čase přístupny biochemickým interakcím. DNA je zákonitě svinuta a chráněna.
Je známá primární struktura DNA (sekvence nukleotidů) a sekundární struktura DNA (dvoušroubovice). O stupeň vyšší strukturou je nukleosomový řetězec. V pravidelných intervalech se v něm dvoušroubovice DNA ovine dvěma otáčkami, tj. úsekem asi 140 párů bazí, kolem proteinového jádra, tvořeného oktamérem histonů.
Histony
Podrobnější informace naleznete na stránce Histony.Histony jsou bazické proteiny, neboť obsahují hodně argininu a lysinu. Elektroforézou lze rozlišit 5 typů těchto bílkovin – viz tabulka:
| Přehled typů histonů | |||
|---|---|---|---|
| Histon | Poměr Lys/Arg | Počet aminokyselin | Molekulová hmotnost |
| H1 | 20,0 | 215 | 21 000 |
| H2A | 1,2 | 129 | 14 500 |
| H2B | 2,5 | 125 | 13 800 |
| H3 | 0,72 | 135 | 15 300 |
| H4 | 0,79 | 102 | 11 300 |
Zmíněný histonový oktamer obsahuje po dvou molekulách H2A, H2B, H3 a H4 a spolu s navinutou DNA tvoří nukleosom o průměru 10 nm. Na elektronoptickém snímku DNA s nukleosomy (polynukleosom) připomíná „korálky na niti“. Jde o 10 nm silné chromatinové vlákno.
Primární struktura histonů je v evoluci velice konzervativně zachovávána. H4 z klíčku bobu se od analogického histonu z hovězího thymu liší dokonce jen dvěma konzervativními záměnami aminokyselin: Ile za Val v pozici 60 a Arg za Lys v pozici 77. Z toho vyplývá, že histony mají spíše strukturní význam než nějakou specifickou regulační úlohu v expresi genetické informace.
Histony H1 se k nukleosomům připojují zevně, nejsou součástí oktameru. Na každý nukleosom připadá jedna molekula H1. Zřejmě má význam v dalším svinování nukleosomového řetězce do závitů vyššího řádu, solenoidu. Jedna otáčka obsahuje 8–10 nukleosomů. Solenoid je vlastně chromatinové vlákno o průměru 30 nm. Největší lidský chromosom obsahuje asi 4000 solenoidů.
V interfázi se aktivnější část chromosomu nachází v některé z popsaných spiralizací (tzv. euchromatin). Heterochromatin a chromosomy v metafázi obsahují struktury vyššího řádu než solenoid.
Organizace mitochondriálního genomu
Mitochondrie jsou semiautonomní organely eukaryotních buněk. Původ mitochondrií se odvozuje od symbiózy Archebakterií (Prokaryota) s eukaryotními buňkami. Během evoluce Archebakterie ztratily schopnost samostatně existovat a naopak pro existenci eukaryotní buňky se jejich přítomnost stala nezbytnou. Jedním z argumentů této tzv. endosymbiotické teorie je analogie v uchovávání genetické informace v mitochondriích (a chloroplastech) na jedné straně a v prokaryotech na straně druhé.
Mitochondriální DNA
Mitochondriální DNA (mtDNA) je cirkulární (kruhová) dsDNA. Netvoří komplex s bílkovinami a nemá telomery. Mitochondrie obsahuje ve své matrix desítky kopií molekul mtDNA, které kódují syntézu některých složek této buněčné organely.
Molekula lidské mitochondriální DNA se skládá z 16 569 párů bazí. Kóduje biosyntézu 2 rRNA pro mitochondriální ribosomy, 22 typů tRNA a sérii mRNA pro syntézu proteinů (obsahuje 13 genů kódujících proteiny) − tří podjednotek cytochromoxidázy, 1–2 podjednotky F1-ATPázy, 7 podjednotek NADH-CoQ reduktázy a cytochrom b. Pomocí specifické mitochondriální RNA polymerázy (POLRMT, kódována jaderným genomem) se nepřerušeně transkribují dvě dlouhé, polycistronické molekuly RNA, jedna podle těžkého řetězce (12mRNA, 2 rRNA, 14 tRNA), jedna podle lehkého řetězce (1 mRNA, 8 tRNA), které jsou následně štěpeny na finální RNA.
Genetický kód není vždy identický s genetickým kódem jaderné DNA. Většina mitochondriálních proteinů je kódována jadernými geny a do mitochondrií jsou transportovány z cytoplasmy. Mezi mitochondriálním genomem (mtDNA) a jaderným genomem (gDNA) tedy existuje určitá míra interakcí. Např. množství molekul mtDNA je kontrolováno alespoň jedním jaderným genem. mtDNA má zásadní úlohu při zajišťování buněčného dýchání; většina polypeptidů potřebných pro oxidativní fosforylaci je kódována geny jaderné DNA. Mitochondriální genom je nositelem mimojaderné dědičnosti. Znaky kódované mtDNA jsou děděny výhradně od matky (oocyt obsahuje asi 100 000 molekul mtDNA), jedná se o tzv. matroklinní dědičnost.
Mitochondriální DNA obsahuje jednu významnou "nekódující" sekvenci, takzvanou D-smyčku (z angl. "displacement loop" neboli D-loop), což je krátký úsek mtDNA, ve kterém je těžký řetězec vytěsňován fragmentem DNA (u savců okolo 1100 nukleotidů), komplementárním k řetězci lehkému (a v tomto úseku má tedy mitochondrie třířetězcovou DNA). Zde je počátek replikace tzv. těžkého řetězce (označovaného jako H z heavy), zmiňovaný fragment funguje jako primer pro začátek replikace. Počátek replikace lehkého řetězce (L z light) je umístěn mimo D-kličku, asi ve 2/3 mtDNA.
Také rostlinné chloroplasty mají vlastní DNA kódující syntézu jejich rRNA, tRNA a podjednotky enzymů a regulační proteiny.
