3. Genomik
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Zwei Genome in einer Zelle 10a. Genom des Zellkerns Genom des Mitochondriums Chloroplastgenom bei Pflanzen! 10b. das mitochondriale Genom 16,569 Nukleotiden 10c. Das mitochondriale Genom Lynn Margulis Mitochondrion: ging hervor vor 1.5x109 Jahren aus einem lila Bacterium sp.: Endosymbiosis Säuger Mitochondrion: - Die meisten Gene gingen verloren oder befinden sich jetzt im Genom. Was über blieb: - 13 Polypeptide (Alles Enzyme zur oxydativen Phosphorylisation) Gene - 12S and 16S rRNA Gene, 22 tRNA Gene : - Ringförmig Mitochondriale DNA: mehrere tausend Kopien/Zelle • Abweichungen vom Universal Code: Codon Aminosäure regulär - Ohne Introne - bakterielloid Ribosom - eigene tRNAs - binarische Teilung Aminosäure in Mitochondrion UGA Stop Trp (Säuger, Insekten, Hefe, Pilze) AGA Arg Stop (Säuger, Insekten) ACG Arg stop (Säuger) AUA Ile Met (Säuger, Insekten, Hefe, ) CUN Leu Thr (Hefe,) CGG Arg Trp (Mäuse) Anmerkung: Es gibt ebenfalls Alterationen in den genom DNAs einiger Species (Prokaryoten und Eukaryoten) Chromatin Genom Programme 11. Automatischer Sequencer Verwandten des Menschen: Chimpanse, Orangutan Modellorganismen in der Wissenschaft: E. coli, Hefe, C. elegans, Fruchtfliege, Arabidop Maus Pathogene und ihre Vektoren: Viren, Bacterien, Plasm. malariae + Malaria mosquito Agric. Tiere und Pflanzen: Weizen, Hühner, Kuh, Schwein Haustiere: Hund Others: Archaebakterien, Amoeba, Wallabi kangaroo, usw.. Human Genom Project 12. Plan: $3 Milliarden Project - 15 Jahre 1990 James Watson (NIH, resignierte; Genomteilen mehrerer Individuelle 1992 Francis Collins (NIH) International Consortium: USA, China, USA, Japan, Deutschl., Frankr. Rennen 1998 Craig Venter (Celera Genomics): Genom aus 5 Individuellen Human Genom Project 13. Menschliches Genom: 2001: unvollständige Version (90%) 2004: Vollständige Version (99%) Die fehlenden 1%: sind repetitive Sequenzen nahe des Centromers Craig Venter Francis Collins Genom einer einzelen Person 14. Craig Venter – 2007 September Wissenschaft und Gesellschaft von Vater Narzism von Mutter 1. Zwischen den mütterlichen und väterlichen Chromosomen mehr als 4 Millionen Unterschied: - Single Nukleotid - Deletionen, Insertionen 2. Unterschiedliche Anzahl von Kopien der Genen auf den homologen Chromosomen Nicht 0,1%, aber 0,5% der Differenz zwischen den Menschen! Diplod Genome der Rassen James Watson (europäer): Ein Mann von Han Pop.(asiäner): 2007 -2008 Ein Mann von Yoruba Pop. (afrikaner):2008 15. Human Variom Project Richard Cotton 16a. Seit 2006 Sammeln von variablen Sequenzen von verschiedenen Individuen Primärer Fokus : Die medizinische Anwendung Die Zukunft: Individuelle auf Genom basierte Medizin 22. 1000 Genom Project 16b. (seit 2008) Teilnehmer: • • • • • Wellcome Trust Sanger Institute Beijing Genomics Institute National Human Genome Research Institute National Institutes of Health Budget: 30-50 Million $ • Ziel: - Analyse von Variationen zwischen Individuen (SNPs) • 8,2 Milliarde neue Basenpaaren/Tag (!) 16c. Der Süd-Afrika Projekt Human Genom Project 17. Die Hoffnung: Knacken wir die Nukleotidsequenz der DNA verstehen wir wie das genetische Material operiert , erlangen wir das Verständnis Krankheiten zu heilen Die Einschränkung der Hoffnung 1. Genfunktion kann nicht von der Genstruktur abgeleitet werden 2. Genetische Krankheiten machen nur einen Teil aller Krankheiten aus 3. Wir kennen nur die Mutationen in den kodierenden Regionen - monogene Krankheiten: 2% - polygene Krankheiten: 98% - wir kennen nicht alle beteiligten Gene 4. Wir kennen nicht die Signifikanz von Mutationen in den regulierenden Regionen eines Genes 5. Die Gene – Einfluss der Umwelt nicht ganz verstanden Human Genom 18a. – 3,2 GB (3,2 Milliard Basenpaaren Grosse Duplikationen Verschiedene Heterochromatin Eigene Sequenzen LINEs Introns Exons Transposon: springende Gene, mobile genetische Elemente Im engeren Sinn: Retrotransposon ist selbst beweglich, Retroposon: nur mit Hilfe den Produkten anderer Elemente Human Genom Sequenzen mit Genen verbunden 1,1% 36% 63% Intergenische Sequenzen 1152 MB Kodierende Sequenzen 48 MB 2000 MB 18b. Kodierende Sequenzen Natur vs. Edukation 19. Herr Craig Venter 5 Typen von Atomen: C, H, O, N, P -Aber ausreichend um das menschliche -Gehirn zu kodieren! ! Wir haben zu wenige Gene, deswegen: „genetische Determinismus, Die Idee, ein Person wird durch Ihr Genom kontrolliert, war ein Irrtum” Gene des Menschen Expression, Replikation, Aufrechterhaltung des Genoms Signalprozesse Verschiedene andere Aktivitäten (immunologische, strukturelle) 10-12,000 Gene; die Funktion der restlichen 10k Gene ist unbekannt !! 20. 21. Konservative Gene: erfüllen grundlegende Funktionen der Zelle: metabolische Enzyme, Zytoskelet - regulierende Gene : Hox Gene, Elemente der Signaltransduktionsbahnen Schnell entwickelnde Gene: -Maus: Sex, Immunabwehr, Geruchus -Mensch: Sex, Immunabwehr, (Geruchverwandte Gene werden abgebaut) 21. Konservative Gene: erfüllen grundlegende Funktionen der Zelle: metabolische Enzyme, Zytoskelet - regulierende Gene : Hox Gene, Elemente der Signaltransduktionsbahnen Schnell entwickelnde Gene: -Maus: Sex, Immunabwehr, Geruchus -Mensch: Sex, Immunabwehr, (Geruchverwandte Gene werden abgebaut) Debette Was ist wichtiger in der Evolution: Die Veränderungen der Gen-Funktion oder der Genregulierung? Was ist ein Gen? 22a. 1 Gen – 1 Enzym Hypothese 1941 Neurospora crassa Enzym 1 Enzym 2 Enzym 3 Enzym 4 Enzym 5 Genmutation: Wenn das Enzym 5 nicht funktioniert: Sammelt sich Substrat E an => Das Produkt von F wird nicht produziert Problemen: (1) ein Protein kann aus verschiedenen Geneinheiten produziert werden (zB. Hämoglobin aus 4) (2) Nicht jede Proteine sind auch Enzyme Was ist ein Gen? – 22b. 1 Cistron, 1 Polypeptid Hypothese T4 Phag 1955 Seymour Benzer Mutation-Rekombination Experimente wurde gemacht um die Struktur der Phagen-Gene zu erkunden: Ergebniss: die funktionelle Einheit des genetischen Materials ist Cistron und kodiert ein Polypeptid Was ist ein Gen? – 22c. 1 Gen, 1 Polypeptid Hypothese Das Konzept der Cistron gang aus der Mode: Wieder das Genkonzept benutzen wir Alternative Promoterbenutzung, Capping, Splicing, Polyadenilation Problemen: (1) Wegen der alternativen Prozessen sind die Grenzen der Gene nicht eindeutig (2) Nicht jede Gene kodieren Proteine (zB: RNA Gene) Das Konzept heutzutage 1 Gen und mehrere Proteine Mit neue DNA Sequenzierungstechniken wird das Konzept in eine neue Beleuchtung gestellt Struktur der Gene Promoter DNA exon intron exon intron exon intron exon Transkription Pre-mRNA Splicing mRNA Translation Polypeptid reifes Protein Post-Translationelle Modifitierung 23a. Struktur der Gene Aminosäuer kodierende Teile der Exon E3 E1 pre-mRNA I1 E2 I2 5’-UTR 3’-UTR AUG Stop E3 E1 mRNA E2 5’-UTR Kodierende Sequenz 3’-UTR AUG Stop (ORF) ORF: open reading frame; offener Leserahmen polyA Signal polyA Schwanz 23b. Untersuchung von Genen 24. Untersuchung eines Gens 1. Klassische (Mendelsche) Genetik:1. Hälfte des XX. Jahrh. 2. Molekulare Genetik: 2. Hälfte des XX. Jahrh. Untersuchung eines Genoms 3. Genomik: 1. Hälfte des XXI. Jahrh. Automatische Sequenzer a. Strukturelle Genomik b. Funktionelle und Integratives Genomik– - postgenomische Aera MicroarrayScanner Genom Annotation Ist der Prozess vom Anhänger biologischer Information und Sequenzen (g.a. bezieht sich normalerweise auf Gene , kann aber auf jede Sequenz angewandt werden) Strukturelle Annotation: Identifikation einer Sequenz - Lokalisation auf dem Chromosom - Identifikationen auf Exons und Introns -Lokalization von regulierenden Regionen -Funktionelle Annotation: Anhängen eine Funktion an einer Sequenz -- biochemisch -- Andere biologische Funktionen --Teilnahme in der Regulierung und Interaktion --- Expression (wann, in welcher Zellen, wie viel?) Biologische & in silico Untersuchungen 25. 26. % Prokaryont Einzellige Pflanzen/ Wirbellose Pilze Chordatiere Wirbeltiere Mensch 27. Menschliches Genom Sequenzen mit Genen verbunden 1,1% 36% 62,5% Sequenzen mit Genen verbunden Kodierende Sequenzen Pseudogene Nichtkodierende Sequenzen Genfragmente 10,5% Introns 24% UTRs 1,5% Intergene Sequenzen Introns und UTRs E3 E1 pre-mRNA I1 E2 5’-UTR AUG I2 3’-UTR Stop polyA Signal UTR: regulation von Translation und Halbwertszeit von mRNA Intron (mögliche Rollen): 1. Genetischer Abfall 2. Regulation: (a) Es kann cis-Elemente enthalten, oder (b) es reguliert RNA 3. In Alternative Splicing kann es als Exon dienen UTR: untranslatierter Bereich ,engl. Untranslated Region) 28. Pseudogene & Genfragmente Genfragmente Genetischer Abfall Fossile im genetischen Friedhof Pseudogene Typen: . Intron-enthaltend: chromosomale Segmentduplikation 1 2. Intronlos: reverse Transkription, danach Reinsertion Funktion 1. 1. In manchen Fällen Regulation des originalen Gens durch antisense Interaction 2. Genetischer Abfall Pseudo = falsch, unecht 29. Menschliches Genom 30. Intergene Sequenzen 1,1% Kodierende Sequenzen 36% Nichtkodierende Sequenzen 63% Sequenzen mit Genen verbunden Intergene Sequenzen 52% 11% Repetitive Sequenzen andere Transposons Retroposons 41% DNA Transposons 3% Simple Repeats Grosse Repeats 3% 5% Entdeckung des Transpons (springende Gene) 1951: Das Genom ist in Bewegung wegen der DNA Transposons 1983 31. Klassifikation von Transposone - I 32. Ausgerissene eigene Elemente Fremde Eindringlinge 1. Retroviren SINEs - Alu Sequenzen 300 bp ……...aatggcgtattat………. - andereSINEs 2. Degenerierte Retroviren 3. DNA Transposone IR IR Transposase Infektion eines Retroviruses 33. Virus RNA 1. Freie Vírus Envelope / Hülle 2. Adhesion + Fusion Kapsid 3. Eintreten 4. Reverse Transkription 5. Integration 6. Transkription 7. Einbau 8. Austreten 9. Virion Stabile Retrovirus Insertion in das GenoStabileRetrovirusInsertionindasGenom Hautzelle Neuron Pigmentzelle Spermium Oozyta 34. Retroviren müssen in die Keimbahn des Wirtsgenoms insertiert werden In Embryo oder in Erwachsenen Keimbahnzelle Ektoderma Zygot Blastula Gastrula Mesoderm Herzzelle Muskelzelle Endoderm Blutkörperzelle Tubulare Zelle Glattmuskelzelle alveolare Zelle pankreatische Zelle Schildrüsezelle Koala Retroviren Kolonisierung heutzutage bei Menschen waren mehrere unabhängige Invasionen stattgefunden –aber zB. HIV ist nicht sicher, dass es Teil unseres Genoms wird). Dieses Prozess findet sich heutzutage bei Koalabär statt (eine Endogenisierung durch Koala Retrovirus). X. 35. Klassen der Transposons -II I. Klasse: Retrotransposons LTR 1. LTR Transposons 2. Nicht-LTR Transposons - 2a. LINEs - 2b. SINEs II. Klasse: DNA Transposons IR IR Transposase IR: inverted repeat, (invertierte Wiederholung) LTR: long terminal repeat, (lange terminale Wiederholung) LTR Transposons gag CP LTR pol NC Pr RT env Endogene Retroviren: sie haben alle Gene aber Mutant RNaseH Int Kapsid Nukleokapsid Protease Ribonuklease H Hülle Reverse Transkriptase Integrase gag CP Pr RT RNase LTR 1% 7% pol NC 35. H Int I. Klasse Retrotransposon: autonom Retroposon: nicht autonom LTR Retro-Transposone (Retrovirus ähnliche) 8% Transposons gag CP LTR pol NC Pr RT env Endogene Retrovirus: sie haben alle Gene aber Mutant RNaseH Int Kapsid Nukleokapsid Protease Ribonuklease H Hülle Reverse transkriptase Integrase gag CP Pr RT gag? RNase 1% LTR Retro-Transposone (Retrovirus ähnliche) 8% H Int Nicht-LTR Retroposone pol RT LTR 7% pol NC 35. RNse H polyA LINEs (long interspersed nuclear elements) A B polyA I. Klasse Retrotransposon: autonom Retroposon: nicht autonom SINEs (short interspersed nuclear elements) 33% Transposons gag CP LTR pol Pr RT NC env Endogene Retrovirus: sie haben alle Gene aber Mutant Rnase H Int Kapsid Nukleokapsid Protease Ribonuklease H Hülle LTR Reverse Transkriptase Integrase gag CP Pr RT gag? A IR RNase H Int B LTR Retro-Transposone (Retrovírus ähnliche Elemente) 8% Nicht-LTR Retroposone pol RT 1% 7% pol NC 35. RNase H polyA LINEs 33% polyA I. Klasse SINEs IR Transposase II. Klasse IR: inverted repeat, umgekehrte, invertierte Wiederholung Retroransposon: autonom Retroposon: nicht autonom DNA Transposone 3% 35. Nicht-LTR Retrotransposone LTR Retrotransposone DNA Transposon (850,000 LINE, 1500,000 SINE) 20% LINE Endogene Retroviruse und Retrovirus-ähnliche Elemente (mehr als 20 Familien; 450,000 Kopien) degenerierte Retrovíren 3% 8% 13% SINE Kolonisieren das Genom durch horizontalen Gen-Transfer Vektor unbekannt 1. Alu: veränderte 7SL RNA „Gen” (11%) 2. MIR, MIR-3: stammen ab von tRNA 3. SINE-R: degenerierte Retrovíren „Copy and paste” LTR: long terminal repeat: LINE: long interspersed nuclear elements: SINE: short interspersed nuclear elements: „cut and paste” lange terminale Wiederholung (lange, eingestreute Kernsequenzelemente, bis 6000 Bp (kurze, eingestreute Kernsequenzelemente, bis 600 Bp LTR Retrotransposone 36a. HERV: human endogene Retroviren gag CP pol NC Pr RT LTR Kapsid Nukleokapsid Protease env RNáz H Int Ribonuklease H Hülle LTR Reverse Transkriptase Integrase LTR retrotransposons machen 8% des Genoms aus , aber nur 1% hat eine Struktur ähnlich dem Retrovirus, der rest ist degeneriert. Alle sind mutant: sind sind nicht in der Lage infektiöse Viren zu formen aber , können sich bewegen durch Enzyme anderer Elemente. Neue Entdeckung: HERVs sind aktiv ! LTR Retrotransposon Gag: capsid (Strukturelement) Pol: polymerase: Reverse Transkriptase, Integrase, Protease, RNase H Env: Envelope(Hülle)/ (Strukturelement) LTR (long terminal repeat): Promoter in diesem Fall gag MaLR 36b. Wild-typ Retrovirus Human endogenous retroviruses …und ihre Fossile einzelnes LTR Die Wirkung von endogenen Retroviren auf die Genexpression Ein zelluläres Gen 1. Kein Effekt 2. Transkription vom LTR 3. andere Splissen Polymorphism Zell-spezifische Ackivation/Inhibition 4. Die Aktivität von LTR kann moduliert werden HERV: human endogenous retroviruses Methylation 36c. Nicht-LTR Retrotransposons LTR gag CP pol NC Pr gag? RT RNase H A B LTR RT RNase H Int pol polyA 37. LTR Retro-Transposons polyA LINEs „autonom” Transposon SINE Nicht-autonom Transposons LINEs DNA gag? pol polyA RT RNase H ORF1 promoter ORF2 IRES 38a. RNA RT RNase H polyA 21% des menschlichen Genoms(850,000), 17% L1 (500,000), 10,000 vollen Länge (6,1 kb), wie auch immer nur 50-100 von ihnen sind Funktionsfähig (zB Herv-K und L1) - Nur manche Teile des Rests können springen (zB Herv-K und L1 ) mit der Hilfe von Enzymen, die anderen sind Pseudogene. - LINE Mobilisation in Keim- und Somatischer Zelllinien polyA Signal Gene Protein ORF1 ORF2 LINE-1 p40 Endonuklease Reverse Transkriptase LINE: long interspersed nuclear elements: (lange, eingestreute Kernsequenzelemente) SINE: short interspersed nuclear elements: (kurze, eingestreute Kernsequenzelemente ) IRES: internal ribosome entry site: (interne ribosomale Eintrittsstelle ) LINE-1 Vermehrung springende Gene Kopieren perfekt 5’-gelöscht 5’-gelöscht + invertiert 38b. Formation von Pseudogenen 39a. Der Effekt von LINE-1 auf das Genom Gene Intronloses Pseudogen Geninaktivation Der Effekt von LINE-1 auf das Genom Insertion Ins Exon Ins Intron Ins Intron *: Stop Codon L1 mRNS 39b. Der Effekt von LINE-1 auf das Genom: Transduktion Exon von Gene „A” mRNA Das poly-A Signal von LINE ist schwach →read-through von benachbartem Gen „B” Gene Insertion von einem Stueck von LINE und das Exon von Gen „A” zu Gen„B” oder nur das Exon von Gen„A” Bemerkungen: 1.LINE-1 nimmt im allgemein nicht ein komplettes Exon, sonder nur einen DNA-Stück 2.Das Prozess findet sich in körperlichen Zellen statt, aber in L1 Keimzellen ist es sehr aktiv - nicht vererblich, aber meistens verursacht Tumoren 3. Das Transdution hat eine selektive Vorteil, wenn es sich in Keimzellen findet statt oder zufällig in einer kleinen Population - verursachend "Exon-shuffling" 39c. SINEs A - 13% des Genoms, 11% Alu Sequenzen; nicht-Protein kodierend - AluI Restriktions-Enzyme Erkennungsstelle Die durchscnittliche SINE Wiederholungseinheit 100 - 400 bp B polyA ALU 40. (Alu: 300 bp: 280 bp + pol III promoter) Mehr als 1Millione Kopien, das “erfolgreichste” Transposon im Menschen - Vorfahre: SRP (signal recognition particle; ribonucleoprotein) + RNA Komponente (7SL RNA) SRP Ursprüngliche Funktion von SRP: Nach der Verbindung mit Signalsequenzen der Proteinen führte die Proteine nach Membrane zB: ER Alu domän S Domän Link Monomer Link Monomer recht Monomer Recht monomer -MIR und MIR-3 sind Retroposon Familien: stammen von tRNA , -SINE-R: hat Retrovirus Ursprung Die Hyperparasite Alu Sequenzen 41a. Alu Sequenz-verbundene Krankheiten - Brustkrebs (auch bei Männern) - Ewing Sarcoma - familiäre Hypercholesterolemie - Hemophylia - Neurofibromatosis - Diabetes mellitus typ II 41b. DNA Transposons 42. - Infektionsmechanismus ist nicht verstanden, was könnte der Vektor sein ? Transposase löst das Springen aus: „cut and paste” Mechanismus – Wie vervielfältigen sie sich? -Mehr als 60 Familien!: Charlie, Mariner, Tigger, THE1, usw. -Die Mariner Familie gleicht den Insekten Transposons: wahrscheinlich aber kein Horizontaler Gene-Transfer IR Transposase IR: inverted repeat : umgekehrte Wiederholung IR 43. Verteidigungsmechanismus gegen Transposons im Wirtsgenom 1. Heterochromatinisation (Methylation) -> Inhibition der Transkription 2. RNA Interferenz -> inhibition der Transkription & Translation 3. Lokal Erhöhung der Mutationsrate -> Inaktivation des Transposons 4. DNA- und Hystonmethylations Enzymen werden rekruitiert Vorteile für das Wirtsgenom durch Transposons 44. 1.Variabilität von Genen die Antikörper und T-Zell Rezeptoren kodieren 2. Genomplastizität Tandem Repeats genom DNA 45. konsekutive identisch oder nahezu identisch (degenerierte) Wiederholungseinheiten Variabilität in der Länge von: (1) Wiederholungseinheit und (2) dem kompletten Repeat Satellit DNA (Makro)satelliten:1 – mehrere hundert kilobasen (kb) Wiederholungen: um Zentromer und konstitutives Heterochromatin - Telomer: 15 kb: TTAGGG hexamer – Telomerase bindet an die Enden des chromosoms - Satellit 2 and 3: GGAAT - Alpha Satellite: 171 bp Einheiten Minisatelliten: (VNTR*, STR*): sind kürzer als Macrosatelliten. Genetische Marker (paternal test, descent); Verbunden mit verschiedenen Krankheiten, z.B. Diabet Mikrosatelliten : klein 1-5 basenpaare Wiederholungen: bis zu mehreren hundert Wiederholunge CA/TG Wiederholungen 0.5% des Genoms– keine bekannte Funtktion Trinucleotid Wiederholungen CAA (Gln), ACA (ala): Neurodegenerative Krankheiten; beim Hund in Transkriptionsfaktoren-> STR: short tandem repeats; VNTR: variable number of tandem repeats Andere intergenische sequenzen 1. Unkenntlich degradierte Transposons, Pseudogene 2. Regulierende Regionen: promoter, Enhancer, silencer 3. Andere 46.
