Please enable JavaScript.
Coggle requires JavaScript to display documents.
Kwasy nukleinowe, zebrał: dr inż. Adam Kuzdraliński (Kod genetyczny (Cechy…
Kwasy nukleinowe, zebrał: dr inż. Adam Kuzdraliński
DNA
Budowa
Nukleozydem nazywamy cząsteczkę, która składa sie jedynie z zasady azotowej i pentozy. Źródło
-
-
Helisa - struktura drugorzędowa DNA - Zasady azotowe są nierozpuszczalne w wodzie o obojętnym pH, w przeciwieństwie do deoksyrybozy, która rozpuszcza się dobrze. W związku z tym cząsteczki DNA tworzą strukturę wewnątrz której znajdują się elementy nierozpuszczalne w wodzie, a na zewnątrz elementy rozpuszczalne (cukier i reszta fosforanowa). W warunkach fizjologicznych DNA ma postać regularnego heliksu. Podwójną helisę tworzą dwa polinukleotydy skierowane w przeciwnych kierunkach i razem zwinięte. Źródło
Forma B helisy - w komórce DNA występuje głównie w tej formie. Wiadomo jednak, że helisa jest na swój sposób elastyczna i może przyjmować różne kształty. Najważniejsze zmiany konformacji powoduje rotacja wokół wiązania β-N-glikozydowego oraz obrót wokół wiązania między atomami węgla 3' i 4' reszty cukrowej. Poza helisą typu B rozróżniamy również helisy: A, B', C, C', C'', D, E, T. Warto wiedzieć, że wszystkie te formy DNA są prawoskrętne. Znana jest jednak również forma lewoskrętna - jest to helisa Z. Źródło
Na powierzchnii helisy B rozróżniamy dwa rowki: większy i mniejszy. Również helisa A posiada rowki, mają one nieco inne wymiary niż w przypadku formy B. Forma Z charakteryzuje sie obecnością tylko jednego rowka. Źródło
Na dnie rowka białka wiążące DNA rozpoznają sekwencję nukleotydową DNA, ponieważ "wystają tam" grupy chemiczne zasad azotowych. Zmiany konformacji w obrębie DNA mogą zatem byc mechanizmem regulującym ekspresję genów. Źródło
Forma A jest luźniej skręconą prawoskrętną spiralą posiadająca szerszy mniejszy rowek, ale za to węższy i głębszy większy rowek. Konformację taką przyjmuje DNA częściowo odwodnione, nie jest to konformacja występująca w warunkach fizjologicznych komórki. Może ona jednak występować także w komórkach w formie kompleksów z RNA lub enzymami. Forma Z-DNA występuje w przypadku występowania metylowanych nukleozasad, helisa zmienia kierunek skręcenia na lewoskrętny.Źródło
-
Prawoskrętne są formy C-E DNA. Są one obserwowane w bardzo swoistych warunkach doświadczalnych. Według przeprowadzonych badań sądzi się, że formy te nie istnieją in vivo, tylko w warunkach doświadczalnych Źródło
Forma Z zawdzięcza swą nazwę biegnącemu zygzakowato wzdłuż cząsteczki szkieletowi fosfodiestrowemu. Z-DNA jest podwójną, lewoskrętną helisą, która w porównaniu do pozostałych form jest najmniej skręcona. Na jeden skręt w cząsteczce przypada 12 pz (na zwój). Heliks charakteryzuje się najmniejszą znaną średnicą (2 nm), a ponadto występuje tylko jeden rowek. Z-DNA są sekwencjami naprzemiennie powtarzających się deoksynukleotydów purynowych i pirymidynowych, jednakże potrzebne są także odpowiednie warunki stabilizujące cząsteczkę. Wśród nich wymienia się m.in. obecność dużego stężenia soli, wiązanie białek, które są swoiste dla Z-DNA, czy duży stopień ujemnego skręcenia DNA. Obecność formy Z-DNA stwierdzono u muszki owocowej Drosophila melanogaster . Dokonano tego za pomocą przeciwciał, które mają zdolność rozpoznawania, a nastepnie wiązania się do Z-DNA. Źródło
W każdym z łańcuchów ostatni nukleozyd jest fosforylowany grupą fosforanową na grupie 5’-hydroksylowej reszty 2-deoksy-D-rybofuranozowej, jest to tzw. 5’-koniec. Natomiast każdy 3’-koniec stanowi nukleozyd posiadający wolną grupę 3’-hydroksylową w fragmencie cukrowym Źródło
-
-
Komplementarność
Wiązania między parami zasadowymi są wodorowe i tym samym posiadają niższą energię od wiązań kowalencyjnych w łańcuchu fosforanowo-cukrowym. Mimo, że pojedyncze wiązanie wodorowe może być łatwo zerwane w wyniku ruchów termicznych, to równoległe zastosowanie wielu takich wiązań pozwala na utworzenie stabilnego kompleksu dwóch nici. Źródło
Denaturacja helisy Źródło
Rozplątanie nici pod wpływem wysokiej temperatury (zwykle 80-90 stopni C, zależnie od kwaśności środowiska i składu nukleotydów).
-
-
-
DNA jako polimer zbudowany jest z czterech rodzajów monomerów. Kwasy nukleinowe tworzą struktury wysokospolimeryzowane, w których nukleozydy połączone są ze sobą wiązaniami fosfodiestrowymi Źródło
Upakowanie DNA
Podstawową jednostką strukturalną chromosomu jest włókno nukleosomowe - zbudowane z nukleosomów, czyli dwuniciowego DNA nawiniętego na białkowy rdzeń, który składa się z ośmiu białek histonowych (2x H2A, 2x H2B, 2x H3, 2x H4) i umożliwia wygięcie cząsteczki kwasu dezoksyrybonukleinowego oraz neutralizuje jej ujemny ładunek. Na jeden taki oktamer przypada 146 par zasad DNA tworzącego 1,8 zwoju. Znajdujący się poza rdzeniem histon H1 – stabilizuje strukturę włókna. Źródło
-
Nukleosomy powiązane ze sobą odcinkami DNA łącznikowego o długości od 0 do 80 par zasad. W ten sposób powstaje struktura przypominająca paciorki nawinięte na sznurek (ang. beads-on-a-string). Zwija się ona wokół niewidocznej osi tworząc w ten sposób strukturę zwaną solenoidem lub włóknem o średnicy 30 nm, która układa się w pętle budujące chromatydy. W miejscach zwanych MAR (ang. Matrix Associated Regions) pozwijane domeny łączą są z białkowym szkieletem chromosomu. Ten poziom organizacji DNA stabilizowany jest przez białka niehistonowe – głównie topoizomerazę II. Źródło
-
Chromosomy
Chromosomy zbudowane są z dwóch chromatyd siostrzanych połączonych ze sobą centromerem. Zlokalizowany jest on w tzw. przewężeniu pierwotnym, charakteryzującym się mniejszą niż reszta chromosomu średnicą. DNA centromerowy stanowi zaledwie 1% całości jądrowego materiału genetycznego. Budująca go heterochromatyna składa się z tandemowo ułożonych, nietranskrybowanych sekwencji i nazywana jest satelitarnym DNA (satDNA). W pobliżu centromerów znajdują się kinetochory, czyli białkowe struktury do których przyłączają się włókna wrzeciona kariokinetycznego. Przyjmują one głównie postać dyskowatej struktury ulokowanej na powierzchni każdej z chromatyd. U niektórych prymitywnych organizmów aktywność kinetochorowa może być rozproszona na całej długości chromosomów (chromosomy holokinetyczne, homocentryczne). Chromosomy z jednym centromerem nazywa się monokinetycznymi lub inaczej monocentrycznymi. Ich większa liczba występuje rzadko i zakłóca podziały jądra komórkowego. Istnieją również obszary o wtórnej aktywności centromerowej, tzw. neocentromery, które pozbawione są przewężenia pierwotnego. Źródło
Strukturę chromosomów stabilizują telomery. Są one ulokowane na końcach chromatyd i skracają się podczas każdego podziału komórki. DNA telomerowy nie tworzy genów i nie jest zorganizowany w struktury nukleosomowe. Zamiast białek histonowych występują tu specyficzne białka telomerowe tworzące wraz z DNA struktury zwane telosomami. Wykazują one ekstremalny konserwatyzm ewolucyjny. Źródło
Każda komórka posiada chociaż jedną parę chromosomów jąderkotwórczych. Zawierają one wyspecjalizowany obszar zwany NOR (ang. Nucleolar Organizer Region) - odcinek zawierający tandemowo ułożone geny rRNA (18S- 5,8S- 25S) warunkujące transkrypcję 45S prerybosomowego RNA. Podczas anafazy obszary te uczestniczą w tworzeniu jąderka – stąd pochodzi ich nazwa. Geny rRNA są jedynymi genami, które można zlokalizować w genomie na podstawie struktury chromosomu – dzięki obecności przewężenia wtórnego oddzielającego tzw. trabant, czyli satelitę.
Źródło
u człowieka występuje 10 NOR-ów (znajdujących się na ramionach krótkich chromosomów par 13, 14, 15, 21 i 22)
Kompletny zestaw chromosomów komórki somatycznej organizmu to kariotyp. Jest on charakterystyczny dla osobników tego samego gatunku i tej samej płci, a składają się na niego autosomy oraz chromosomy płci, czyli allosomy. U różnych organizmów liczba autosomów jest inna. U diploidów występują one w homologicznych parach, zaś u poliploidów jest ich odpowiednio więcej.
Kariotyp opisywany jest graficznie, w postaci idiogramów, stanowiących wynik badania cytogenetycznego. Przedstawiają one homologiczne pary chromosomów ułożone w kolejności od największego do najmniejszego i z centromerami na jednym poziomie. Chromosomy płci oraz NOR umieszczane są na końcu. Źródło
-
-
-
-
RNA
Budowa
W przypadku RNA zamiast tyminy występuje uracyl (2,4-dioksypirymidyna). W przypadku niektórych rodzajów RNA (np. tRNA) mamy do czynienia z występowaniem tzw. zmodyfikowanych zasad azotowych takich jak rybotymina, dihydrouracyl, pseudouracyl, tiouracyl, 3’- i 5’- metylocytozyna, inozyna, izopentenyloadenina, 7-metyloguanina itd. DNA różni się od RNA obecnością 2’- deoksyrybozy (beta-D-2’-deoksyrybofuranozy) jako cukru Źródło
-
-
Cząsteczki RNA występują w formie jednoniciowej i dwuniciowej. Cząsteczki dwuniciowego RNA (dsRNA) nie mogą tworzyć tak regularnej struktury jak w przypadku B-DNA, ze względu na występowanie grupy hydroksylowej przy 2 atomie węgla rybozy. Zazwyczaj jednak RNA występuje w postaci jednoniciowego (ssRNA), silnie pofałdowanego polinukleotydu zawierającego odcinki dwuniciowe i tworzącego skomplikowane struktury przestrzenne. Fragmenty dwuniciowe przybierają przeważnie strukturę helisy, której długość nie przekracza zazwyczaj kilkudziesięciu par zasad. Źródło
RNA jako materiał genetyczny wirusów: Genetic information is carried in viruses by either RNA or DNA. The genome of a virus can be either single stranded RNA (ssRNA), double stranded RNA (dsRNA), single stranded DNA (ssDNA), double stranded DNA (dsDNA), or a mix of ssDNA and dsDNA. In order to undergo translation, the genome must be converted to (+)RNA, or mRNA.Many ssRNA viruses have genomes that are already (+)RNA, and they can undergo transcription immediately. In replication, a virus-associated RNA polymerase replicates the (+)ssRNA genome to (-)ssRNA, and this is used as a template to make more (+)ssRNA. A (-)ssRNA virus must have its genome replicated to (+)ssRNA, which can now serve as a template for the transcription of proteins. In replication, the (+)ssRNA is used as a template to make more (-)ssRNA. A dsRNA virus must have its genome replicated to (+)ssRNA, which can be used in transcription. RNA polymerase can directly replicate dsRNA. Źródło
Molekuły RNA charakteryzują się dość dużą różnorodnością, jeśli chodzi o ich przestrzenny kształt. Podobnie jak w przypadku białek wyróżnia się pierwszo, drugo i trzeciorzędowe struktury molekuł RNA. Struktura pierwszorzędowa RNA jest zdefiniowana przez sekwencja rybonukleotydów. Źródło
-
-
Rodzaje
mRNA
RNA informacyjny (matrycowy) – mRNA – ma masę cząsteczkową zróżnicowaną, zależnie od liczby przenoszonych informacji i występuje zarówno w jądrze, jak i cytoplazmie; jego skład nukleotydowy jest dopełniający w stosunku do określonej struktury DNA, w kontakcie z którą powstaje, a więc jego funkcja polega na przenoszeniu do miejsc syntezy białka informacji zawartych w DNA. Dotyczą one kolejności dołączanych aminokwasów. Źródło
mRNA występuje w komórce w ilości 2-3%
całego RNA i jest na ogół krótkotrwały. Źródło
U organizmów prokariotycznych informacje w genach zapisane są w sposób ciągły, natomiast u organizmów eukariotycznych geny podzielone są intronami. U Eucaryota jako bezpośredni produkt transkrypcji w jądrze pojawia się pre-mRNA (łącznie z odcinkami odpowiadającymi intronom) a w wyniku procesu dojrzewania (tzw. dojrzewanie lub splicing) odcinki odpowiadające intronom są wycinane i powstaje mRNA, które (przez pory w błonie) opuszcza jądro i wędruje do rybosomów. Źródło
mRNA jest odczytywane zwykle przez kilkanaście rybosomów jednocześnie, w układzie zwanym polirybosomem (polisomem). Źródło
Budowa mRNA Eukaryota
Wszystkie transkrypty mRNA mają niekodujące fragmenty 5’ i 3’ końcowe. 
Źródło
-
-
UTRs are known to play crucial roles in the post-transcriptional regulation of gene expression, including modulation of the transport of mRNAs out of the nucleus and of translation efficiency [3], subcellular localization [4] and stability Źródło
Obróbka mRNA Eukaryota
Czapeczka na końcu 5’
Tworzenie się czapeczki to wieloetapowy proces, który rozpoczyna się w niedługim czasie po zajściu efektywnej inicjacji i oddaleniu się polimerazy od promotora. Pierwszym etapem tego procesu jest dodanie guanozyny do końca 5’ RNA. W drugim etapie następuje przekształcenie końcowej guanozyny w 7-metyloguanozynę. Czapeczka może być istotna dla eksportu mRNA z jądra, ale jej podstawową rolą jest udział w procesie inicjacji translacji. Źródło
Poliadenylacja końca 3’
Praktycznie wszystkie eukariotyczne mRNA mają serię do 250 adenozyn na końcach 3’. Nukleotydy te nie są zakodowane w DNA, ale dodawane do transkryptu przez polimerazę RNA niezależną od matrycy zwaną polimerazą poli(A). Najczęściej poliadenylacja stanowi nieodłączną część procesu terminacji transkrypcji. Rola „ogona” poli(A) nie jest do końca znana. Zakłada się, że może mieć on wpływ na stabilność RNA oraz pełnić funkcje w inicjacji translacji. Źródło
-
-
Redagowanie mRNA
Redagowanie mRNA przebiegające na drodze modyfikacji chemicznych stwarza możliwość zmiany właściwości kodujących transkrypt, prowadząc do odpowiedniej zmiany sekwencji aminokwasowej zakodowanego białka. Źródło
-
The generic structure of a eukaryotic mRNA, illustrating some post-transcriptional regulatory elements that affect gene expression. Abbreviations (from 5' to 3'): UTR, untranslated region; m7G, 7-methyl-guanosine cap; hairpin, hairpin-like secondary structures; uORF, upstream open reading frame; IRES, internal ribosome entry site; CPE, cytoplasmic polyadenylation element; AAUAAA, polyadenylation signal. Źródło
-
Podstawową różnicą pomiędzy mRNA bakteryjnym a eukariotycznym, jest to, że mRNA bakterii nie podlega dojrzewaniu – nie zawiera intronów. Pierwotny transkrypt syntetyzowany przez polimerazę RNA jest od razu dojrzałym mRNA i jeszcze przed zakończeniem transkrypcji rozpoczyna się translacja. Źródło
-
rRNA
rRNA ma największą masę cząsteczkową; występuje w rybosomach, gdzie pełni aktywne funkcje strukturalne, gdyż w połączeniu z określonymi białkami i mRNA stanowi matrycę, na której wytwarzają się łańcuchy polipeptydowe. Źródło
W 1953 roku S. Robinson odkrył istnienie rybosomów, czyli struktur komórkowych uczestniczących w produkcji białek. Ich zawartość w komórce zależy od jej aktywności metabolicznej i może wynosić nawet do 25% całkowitej masy. Źródło
U organizmów prokariotycznych rybosomy tworzą się w cytoplazmie w wyniku prostego gromadzenia się poszczególnych komponentów. Źródło
U Eucaryota synteza rybosomów jest procesem bardziej skomplikowanym i zachodzi w jąderku, gdzie rRNA łączy się z odpowiednimi białkami. W wyniku tych procesów tworzą się kompleksy rRNA-białko, które można nazywać pierwotnymi podjednostkami. Zanim jednak znajdą się one w cytoplazmie, poddawane są kilkustopniowej procedurze dojrzewania. Po jej przejściu, już jako gotowe podjednostki, wędrują do cytoplazmy i dopiero tu łącza się ze sobą tworząc kompletny rybosom. Źródło
-
rRNA występuje w komórce w ilości ok. 80% całego RNA. Źródło
Bakterie syntetyzują trzy rodzaje rRNA, zwane: 5S rRNA, 16S rRNA i 23S rRNA, przy czym nazwy wskazują na wielkość cząstek mierzoną poprzez analizę sedymentacji. Trzy geny tych rRNA są połączone w jednostkę transkrypcyjną, która zwykle występuje w wielu kopiach. Źródło
Aby uwolnić dojrzałe rRNA, prekursorowa cząsteczka RNA musi zostać pocięta. Cięcie przeprowadzają różne rybonukleazy w miejscach wyznaczonych przez regiony dwuniciowe powstałe przez łączenie komplementarnych zasad z różnych części pre-rRNA. Końce powstałe po cięciu są przycinane przez egzonukleazy. Źródło
Rybosomy u Prokaryota zbudowane są z dwóch podjednostek, z których większa (50S) składa się z dwóch rodzajów rRNA, tj. 23S rRNA i 5S rRNA, mniejsza podjednostka (30S) natomiast – z 16S rRNA. Wszystkie trzy rodzaje rRNA kodowane są przez odrębne geny, które znajdują się w dosyć bliskiej od siebie odległości. Fragment obejmujący te geny oraz sekwencje pomiędzy nimi to tzw. operon rrn. Każdy operon rozpoczyna się promotorem, kończy natomiast terminatorem. Źródło
-
U eukariotów istnieje cztery rodzaje rRNA. Jeden z nich, 5S rRNA nie podlega dojrzewaniu, a pozostałe trzy rRNA (5,8S; 18S i 28S) powstają z jednej jednostki transkrypcyjnej jako pre-rRNA, który podlega dojrzewaniu poprzez cięcie i przycinanie końców. Źródło
Każdy rybosom można podzielić na 2 składniki: (1) dużą podjednostkę (u eukariotów zawiera 3 cząsteczki rRNA – 28S; 5,8S i 5S, u prokariotów występują 2 cząsteczki rRNA – 23S i 5S). (2) małą podjednostkę (u obydwu grup zawiera 1 cząsteczkę rRNA: u eukariotów – 18S rRNA, a u prokariotów 16S rRNA). Źródło
-
tRNA
Występujący z reguły w cytoplazmie podstawowej i mający masę cząsteczkową ok. 25 kDa. Jego struktura, zarówno pierwotna jak i wtórna jest dobrze poznana, a funkcja polega na wiązaniu i przenoszeniu zaktywowanych aminokwasów do miejsc biosyntezy białka, czyli rybosomów. Źródło
tRNA występuje w komórce w ilości ok. 15% całego RNA. Źródło
Struktura drugorzędowa tRNA przypomina liść koniczyny. Zawiera kilka regionów zbudowanych z części heliksowej oraz pętli niepołączonych wiązaniami wodorowymi. Wyróżnia się ramię aminokwasowe, dihydrouracylowe, antykodonowe, ramię dodatkowe i ramię TΨC – z charakterystyczną sekwencję zasad: tymina (T), pseudouracyl (Ψ, psi) i cytozyna (C) Źródło
-
Bakterie zawierają 35-40, a eukarioty do 50 rodzajów cząsteczek tRNA. We wszystkich organizmach występuje przynajmniej kilka izoakceptorowych tRNA – są to różniące się od siebie cząsteczki tRNA, które są specyficzne w stosunku do tego samego aminokwasu. Źródło
Syntetazy aminoacylo-tRNA (EC 6.1.1.1-26) katalizują reakcje przyłączania aminokwasu do odpowiedniego tRNA. Produkt tej reakcji, aminoacylo-tRNA, pośredniczy w procesie tłumaczenia informacji zapisanej w postaci sekwencji nukleotydowej na sekwencję aminokwasową. Uważa się, że aaRS są jednymi z pierwszych enzymów jakie pojawiły się na Ziemi. Odzwierciedla się to w ich różnorodności zarówno pod względem wielkości, jak i struktury trzecio- i czwartorzędowej oraz ich zaangażowaniu w szereg różnorodnych procesów komórkowych [1]. aaRS oprócz tego, że pełnią fundamentalną funkcję w translacji, biorą również udział w regulacji transkrypcji, syntezie alarmonów i chlorofilu, dojrzewaniu RNA oraz rozwoju zarodkowym (Ryc. 1). Ich obecność stwierdzono zarówno w cytoplazmie, jak i w jądrze. Zatem zaburzenie funkcji aaRS powoduje zahamowanie nie tylko syntezy białka, ale również innych istotnych dla komórki procesów, co może być przyczyną wielu chorób. aaRS wykorzystywane są obecnie jako markery diagnostyczne wielu schorzeń. W przyszłości, prawdopodobnie, staną się celem działania terapeutyków [2,3]. Źródło
After rRNA the second most common RNA in the cell is transfer RNA. It is also called soluble RNA because it is too small to be precipitated by ultracentrifugation at 100,000 g. Źródło
In addition to the usual bases A, U, G and C, tRNA contain a number of unusual bases, and in this respect differs from mRNA and rRNA. Most of the unusual bases are formed by methylation (addition of -CHa or methyl group to the usual bases), e.g. cytosine and guanine on methylation yield methylcytosine and methyl/guanine, respectively. Precursor tRNA molecules transcribed on the DNA template contains the usual bases. These are then modified to unusual bases. The unusual bases are important because they protect the tRNA molecule against degradation by RNase. This protection is necessary because RNA is found floating freely in the cell. Some of the unusual bases of tRNA are methyl guanine (GMe), dimethylguanine(GMe2), methylcytosine (Me), ribothymine (T), pseudouridine (ψ), dihydrouridine (DHU, H2U, UH2), inosine (I) and methylinosine (IMe, MeI). In general, organisms high in the evolutionary scale contain more modified bases than lower organisms. Źródło
The starting amino acid in eukaryote protein synthesis is methionine, while in prokaryotes it is N-formyl methionine. The tRNA molecule specific for these two amino acids are methionyl tRNA (tRNAmet) and N-formyl- methionyl IRNA (tRNAfmet) respectively. Źródło
These tRNAs are called initiator tRNAs, because they initiate protein synthesis. Initiator tRNAs have certain features which distinguish them from other tRNAs, and the initiator tRNAs of prokaryotes' and eukaryotes also differ. Źródło
-
Molekuły RNA, które powstają w wyniku transkrypcji w niekodujących regionach chromosomów, pełnią różnorodne, bardzo ważne dla funkcjonowania komórki role. Do nowo odkrytych rodzajów molekuł RNA należą np. miRNA, siRNA (antysensowne RNA, interferencyjne RNA) pełniące funkcje regulacyjne w procesach ekspresji genów, snRNA (małe jądrowe RNA) wspomagające wycinanie intronów z transkryptów. Źródło
miRNA (microRNA)
Wszystkie dotychczas poznane miRNA to jednoniciowe cząsteczki o długości około 22 (od 19 do 29) nukleotydów, posiadające resztę fosforanową na 5’ końcu i grupę hydroksylową na 3’ końcu (5-22). Powstają one z dłuższych cząsteczek RNA w procesie dojrzewania przebiegającym w jądrze komórkowym i cytoplazmie (7-10). Źródło
miRNA biorą udział w potranskrypcyjnej regulacji ekspresji genów polegającej na degradacji mRNA lub hamowaniu translacji. Źródło
Obecność miRNA wykazano w różnych wielokomórkowych organizmach eukariotycznych – zarówno roślinnych (jedno- i dwuliściennych), jak i zwierzęcych (u nicieni, owadów, ryb, ptaków i ssaków, w tym także u człowieka), stąd przypuszcza się, że mechanizm regulacji ekspresji genów z udziałem miRNA funkcjonował już u wczesnych eukariontów. Geny kodujące miRNA występują również w genomie wirusowym – w obrębie nici (+)DNA ludzkiego wirusa Epstein-Barr (HSV-4) stwierdzono występowanie pięciu sekwencji, których transkrypty stanowią prekursory sześciu różnych cząsteczek miRNA (15,16). W każdym organizmie może funkcjonować wiele różnych miRNA. Źródło
Nazwy poszczególnych miRNA składają się z przedrostka „miR” oraz numeru identyfikacyjnego, np. miR-7, miR-20, miR-301 (15). Oznaczenia genów tworzone są w podobny sposób, z tym, że pisane są kursywą. Zależnie od tego, czy sekwencja kodująca miRNA występuje w genomie organizmu zwierzęcego czy roślinnego, przedrostek tworzą litery małe (np. mir-124 D. melanogaster) lub duże (np. MIR172 A. thaliana). Jeżeli w danym organizmie identyczne miRNA powstają z różnych prekursorów, do ich nazwy dodaje się po myślniku drugi numer porządkowy (np. miR-218-1 i miR-218-2). Natomiast miRNA, wykazujące niewielkie różnice w sekwencji nukleotydowej, oznaczane są dodatkowo małymi literami alfabetu (np. miR-99a, miR-99b). Źródło
W komórkach ssaków dojrzewanie miRNA przebiega w co najmniej dwóch etapach. Początkowo powstają długie transkrypty (pri-miRNA), których cięcie prowadzi do prekursorów o długości około 70 nukleotydów (pre-miRNA). Do tego momentu RNA pozostaje na terenie nukleoplazmy. Prekursory są następnie eksportowane do cytoplazmy, gdzie nukleaza DICER przecina je, produkując cząsteczki długości 21-23 nukleotydów. Źródło
Schemat przedstawiający biogenezę i zasadę działania miRNA Źródło
Ciekawostka: Zakłada się, że komplet ludzkich miRNA może wpływać na ekspresję nawet jednej trzeciej genów kodujących białka. Źródło
-
-
-
-
Pierwotnie przyjmowano, że funkcje siRNA i miRNA nie zachodzą na siebie. siRNA przypisano rolę w mechanizmach RNAi – specyficznej degradacji homologicznych transkryptów, zaś miRNA miało hamować translację nie wpływając jednak na stabilność transkryptów. Niedawne doniesienia burzą tak ścisły rozdział funkcji między te dwie klasy cząsteczek RNA. Okazuje się, że funkcja, jaką spełniać będzie dany miRNA, zależy w dużej mierze od stopnia jego komplementarności z docelowym transkryptem. Z jednej strony miRNA mogą zachowywać się jak siRNA, kiedy dostępny jest w pełni komplementarny transkrypt. Z drugiej strony miRNA mogłoby hamować translację, wiążąc docelowe transkrypty w procesie o mniejszych wymaganiach względem komplementarności oddziałujących cząsteczek. Źródło
snoRNA: Skrót od small nucleolar RNA (drobne jąderkowe RNA) – uczestniczy w obróbce i chemicznej modyfikacji rRNA. Źródło
Cząsteczki snoRNA (ang. small nucleolar RNA) czyli małe jąderkowe RNA charakteryzują się długością 60–300 nukleotydów i są zlokalizowane w jąderku komórkowym oraz ciałkach Cajala. snoRNA występują zarówno u eukariontów jak i u archea — najprawdopodobniej wyewoluowały więc ponad 2–3 miliardy lat temu [50]. U ludzi małe jąderkowe RNA są zazwyczaj kodowane w intronach. Po reakcji składania mRNA introny są degradowane, a snoRNA, aby uniknąć tego procesu tworzą kompleksy z białkami tworząc snoRNP. Niektóre jąderkowe RNA są transkrybowane jako oddzielne jednostki przez polimerazę II. Źródło
Wyróżniamy dwie rodziny snoRNA różniące się strukturą oraz funkcją: C/D oraz H/ACA. Obie rodziny biorą udział w chemicznej modyfikacji nukleotydów w RNA, zazwyczaj rybosomalnych (rRNA) i to w kluczowych dla funkcji rybosomu regionach, takich jak centrum peptydylotransferazowe czy centrum dekodujące mRNA. snoRNA mogą modyfikować także inne RNA, jak np. snRNA u eukariontów czy tRNA u archebakterii. snoRNA z rodziny C/D kierują metylacją 2’-O–rybozy, dzięki obecności metylotransferazy fibrillariny, natomiast snoRNA z rodziny H/ACA zaangażowane są w pseudourydylację za pomocą syntetazy pseudourudyny - dyskeriny. Źródło
Dla każdej zmodyfikowanej pozycji nukleotydowej w pre-rRNA istnieją odmienne snoRNA, z wyjątkiem kilku miejsc, które znajdują się dostatecznie blisko siebie, aby oddziaływać z pojedynczym snoRNA. Oznacza to, że w jednej komórce musi występować kilkaset różnych snoRNA. Jedynie część snoRNA powstaje w wyniku transkrypcji standardowych genów snoRNA, większość natomiast jest kodowana przez sekwencje znajdujące się w obrębie intronów licznych genów i zostaje uwolniona poprzez cięcie intronów po zakończeniu procesu ich wycinania. System snoRNA ma zastosowanie jedynie w odniesieniu do rRNA eukariotycznego. Modyfikacji bakteryjnego rRNA dokonują enzymy, które bezpośrednio rozpoznają sekwencję i/lub strukturę regionów RNA zawierających nukleotydy, które mają podlegać modyfikacjom. Prawdopodobnie z tego prostego systemu modyfikacji powstał na drodze ewolucji bardziej skomplikowany proces kierowany przez snoRNA (Lafontaine i Tollervey, 1998). Źródło
siRNA i interferencja RNA - publikacja
Ekspresja genów jest złożonym procesem regulowanym m.in przez mechanizm określany jako interferencja RNA (RNAi). Kluczowym składnikiem tego układu regulacyjnego jest dwuniciowy RNA (dsRNA), powodujący degradację homologicznych cząsteczek RNA. Źródło
Cząsteczki RNA indukujące mechanizmy RNAi charakteryzują się specyficzną strukturą oraz specyficznymi właściwościami chemicznymi. Natywne siRNA, będące produktami nukleolitycznej degradacji długiego dsRNA przez rybonukleazę DICER, mają charakterystyczną budowę. Obie nici RNA o długości 21-23 nukleotydów, tworzą dupleks na odcinku 19 nukleotydów, pozostawiając na każdym końcu 3’ po dwa lub więcej niesparowane nukleotydy. Antysensowna nić siRNA tworzy komplementarny dupleks z docelowym mRNA. Modyfikacje w obrębie tej nici siRNA powodują obniżenie wydajności procesu RNAi lub też całkowity zanik tego zjawiska. siRNA posiadają na końcach 3’ wolną grupę hydroksylową, a na końcach 5’ grupę fosforanową. Wprowadzenie modyfikacji końca 5’ przez przyłączenie grupy 3-aminopropylofosforanowej lub grupy O-metylowej nie ogranicza efektywności procesu RNAi, jeśli modyfikacja dotyczy nici sensownej, natomiast modyfikacja nici antysensownej prowadzi do zaniku procesu RNAi. Wskazuje to, że koniec 5’ nici antysensownej siRNA pełni istotną funkcję w procesie RNAi. Sugeruje się, że miejsce hydrolizy mRNA jest zależne od położenia końca 5’ nici antysensownej siRNA, a 5’-terminalna grupa fosforanowa jest „molekularnym punktem odniesienia”, od którego mierzone jest miejsce hydrolizy mRNA (Tuschl i wsp.). Podstawienie 3’-terminalnej grupy hydroksylowej nici sensownej i antysensownej siRNA resztą fluoresceiny, puromycyny czy biotyną, lub też wprowadzenie 3’-terminalnego 2’,3’-dideoksynukleotydu lub grupy 3-aminopropylofosforanowej nie powoduje zahamowania efektu RNAi. Natomiast modyfikacja nici sensownej za pomocą 2’-O,4-C-etyleno-tymidyny i 2-hydroksy-etylofosforanu tymidyny nie wpływa na jakość RNAi, zaś modyfikacja tymi samymi czynnikami nici antysensownej lub obydwu nici powoduje całkowite zahamowanie RNAi. Źródło
Zaproponowano co najmniej dwa mechanizmy, według których może zachodzić proces wyciszania ekspresji genów. Źródło
W pierwszym z nich inicjacja RNAi następuje przez konwersję dwuniciowego RNA do 21-23-nukleotydowych fragmentów za pomocą wielodomenowej rybonukleazy DICER, wywodzącej się z rodziny RNazy III. Produkty hydrolizy – krótkie dupleksy RNA, zwane siRNA, włączone są w kompleks nukleazowy RISC i kierują go do docelowej sekwencji mRNA. Endorybonukleaza obecna w kompleksie RISC wykorzystuje antysensowną nić siRNA do odnalezienia i degradacji komplementarnej sekwencji mRNA, dlatego też siRNA nazywany jest dupleksem kierującym. Nukleolityczne właściwości kompleksu RISC są istotą procesu RNAi. Przyłączenie siRNA aktywuje RISC, który następnie rozpoznaje i degraduje komplementarny mRNA - blokowana jest w ten sposób ekspresja genu. Źródło
Drugi mechanizm RNAi, zaproponowany przez Lipardi i wsp., Sijen i wsp., Nishikura i wsp., polega na tzw. „degradacyjnym PCR”. W mechanizmie tym próbuje się wytłumaczyć katalityczny charakter RNAi u nicienia Caenorhabditis elegans. Stwierdzono, że jedynie kilka cząsteczek dsRNA wystarcza do degradacji mRNA. Inaktywacja ekspresji danego genu u tego nicienia utrzymuje się podczas podziałów komórkowych, przenoszona jest do nietransfekowanych komórek i tkanek, jak również pojawia się w następnym pokoleniu. Polimeraza RNA zależna od RNA (RdRP) na matrycy mRNA syntetyzuje nić komplementarną, tworząc nowy dwuniciowy RNA, rozpoznawany i hydrolizowany przez rybonukleazę DICER. W ten sposób tworzona jest nowa generacja siRNA. Starterem w reakcji polimeryzacji jest antysensowna nić siRNA. W reakcji tej szczególne znaczenie ma grupa hydroksylowa obecna na końcu 3’ nici antysensownej siRNA. Źródło
Obniżenie poziomu białka wywołane przez egzogenne podanie siRNA jest przejściowe, trwa zwykle 5-7 dni po transfekcji. Podanie plazmidów i wywołanie ekspresji RNA wewnątrz komórki powoduje dłuższy efekt wyciszania. Możliwość stabilnej ekspresji siRNA otwiera drogę do zastosowania zjawiska RNAi w terapii genowej, na przykład w leczeniu infekcji wirusowych. Źródło
-
-
snRNA: Skrót od small nuclear RNA (drobne jądrowe RNA) – uczestniczy w różnorakich procesach w obrębie jądra komórkowego np. w procesie wycinania intronów z prekursora mRNA. Źródło
snRNA, ang. small nuclear RNA, niskocząsteczkowy jądrowy kwas rybonukleinowy, jeden z rodzajów kwasów rybonukleinowych; obejmuje kilkanaście odrębnych klas cząsteczek RNA (nazywanych U1, U2 ... itd.) o dł. 90–250 nukleotydów, występujących w znacznych ilościach w jądrze komórkowym; snRNA charakteryzuje się dość wysoką trwałością; tworzy kompleksy ze specyficznymi białkami zw. snRNP (ang. small nuclear ribonucleoproteins ‘małe jądrowe rybonukleoproteiny’) — niektóre rodzaje snRNP odgrywają kluczową rolę w składaniu RNA, odpowiadając za rozpoznanie i zbliżenie do siebie łączonych sekwencji RNA. Źródło
Removal of introns from pre-mRNAs, a process called splicing, is an important step in the expression of eukaryotic genes. Splicing adds an important layer to the spatial and temporal regulation of gene expression, which is essential for the generation of diverse cell types from an identical genome (Chen and Manley 2009). Splicing of most introns is catalyzed by the spliceosome, a macromolecular complex containing five small nuclear ribonucleoproteins (snRNPs) and numerous auxiliary proteins (Will and Luhrmann 2011; Matera and Wang 2014). Two types of spliceosomes coexist in most eukaryotic cells, the major (U2-type) containing U1, U2, U4, U5, and U6 snRNPs and the minor (U12-type) containing U11, U12, U4atac, U5, and U6atac snRNPs. The major spliceosome catalyzes removal of more than 99% of all introns, whereas the minor spliceosome splices less than 1% of introns (Alioto 2007). Źródło
-
Przetwarzanie RNA — niezwykły mechanizm powstawania
nowych klas niekodujących RNA z funkcjonalnych RNA Źródło
Niekodujące cząsteczki RNA (ncRNA) uczestniczą w procesach regulacji praktycznie na wszystkich etapach transmisji informacji genetycznej: od DNA do białka. Szczególnie spektakularne jest zaangażowanie pewnych niekodujących cząsteczek RNA w mechanizmy prowadzące do włączania lub wyłączania ekspresji poszczególnych genów. Źródło
-
-
U wyższych eukariontów niemal cała informacja genetyczna jest transkrybowana na RNA, ale tylko pewna część finalnie ulega translacji [40]. Nasuwa to pewną refleksję dotyczącą funkcji ncRNA, a konkretnie ich zaangażowanie w regulację ekspresji genów. Źródło
-
Synteza kwasu nukleinowego w organizmach żywych jest wynikiem jego polimeryzacji (polimeryzacja DNA lub RNA) z monomerów (trifosforanów nukleotydów) z wykorzystaniem jako matrycy istniejącej nici kwasu. Procesy te są katalizowane przez specyficzne enzymy – wielopodjednostkowe białka o nazwie polimerazy. Polimerazy DNA zależne od DNA syntetyzują nić DNA korzystając z matrycy w postaci DNA. Polimerazy RNA zależne od DNA syntetyzują nić RNA korzystając z matrycy w postaci DNA. Stosunkowo niedawno poznano nową klasę - polimerazy DNA zależne od RNA (tzw. odwrotne transkryptazy), które katalizują syntezę nici DNA korzystając z matrycy w postaci RNA. W organizmach występują zatem trzy sposoby namnażania kwasów nukleinowych mianowicie, polimeryzacja DNA na matrycy DNA zwana replikacją, polimeryzacja RNA na matrycy DNA zwana transkrypcją oraz polimeryzacja DNA na matrycy RNA zwana odwrotną transkrypcją. Źródło
Kwasy nukleinowe oraz ich monomery (nukleotydy, nukleozydy oraz zasady azotowe) absorbują promieniowanie ultrafioletowe (nadfioletowe). Wynika to z obecności pierścieni heterocyklicznych w zasadach azotowych. Jest to podstawą spektrofotometrycznych metod wykrywania i ilościowego oznaczania kwasów nukleinowych. Źródło
Kod genetyczny
Definicja: Kod genetyczny jest to stały i niezmienny sposób, jakim posługuje się każda komórka, aby przetłumaczyć sekwencje nukleotydów na kolejność aminokwasów w białkach. W niezmienionej formie występuje on u wszystkich żywych organizmów, a uniwersalność ta świadczy o ich wspólnym pochodzeniu. Wyjątkiem jest jednak DNA mitochondrialne, w którym niektóre zapisy mają inne znaczenie. Źródło
Informacja genetyczna nie może być zapisana za pomocą pojedynczych liter. Cztery zasady mogą tworzyć jedynie 16 kombinacji dwójkowych, co również nie stanowi optymalnej liczby. W związku z tym kod genetyczny posługuje się trzyliterowymi wyrazami, dającymi łącznie 64 różne warianty. Choć liczba ta znacznie przekracza ilość dostępnych aminokwasów, to pozwala jednak na zakodowanie każdego z nich unikatowym rodzajem zapisu. Źródło
Cechy kodu genetycznego:
Kod genetyczny jest trójkowy. Z 64 możliwych kodonów 61 koduje aminokwasy, natomiast 3 pozostałe są to kodony nonsensowe, czyli kodony stop oznaczające koniec translacji. Są to: UAA - ochre, UAG - amber, UGA - opal. Źródło
Za pośrednictwem RNA triplety określają pozycje poszczególnych aminokwasów w syntetyzowanym łańcuchu polipeptydowym. Kolejność kodonów wyznacza kolejność aminokwasów. Kod jest więc kolinearny. Źródło
Kod genetyczny jest jednoznaczny lub inaczej zdeterminowany, gdyż każda trójka nukleotydów wyznacza jeden, ściśle określony aminokwas.
Jeden aminokwas może być natomiast zapisany za pomocą kilku różnych kodonów. Tą cechę kodu określa się mianem zdegenerowania. Większość synonimów różni się między sobą ostatnią literą tripletu, co minimalizuje szkodliwe skutki mutacji, gdyż umożliwia występowanie zmian składu zasad DNA bez naruszania sekwencji aminokwasowej białka.
Źródło
Ten sam nukleotyd nie jest składnikiem sąsiadujących trójek, ale wchodzi w skład jedynie jednego kodonu i dlatego mówi się, że kod jest niezachodzący.
Źródło
Kod genetyczny jest bezprzecinkowy, ponieważ nie istnieją nukleotydy spełniające rolę znaków przystankowych i oddzielające od siebie poszczególne kodony. Źródło
-
Kod genetyczny. Każda trójka nukleotydów na mRNA wyznacza ściśle określony aminokwas Źródło
-
-