gen - odcinek DNA nios cy informacj o budowie jednego ... · jąca brak ekspresji genu Pitx1w...

gen - odcinek DNA niosący informację o budowie jednego polipeptydu (czasem rodziny blisko spokrewnionych polipeptydów tzw. izoform) lub jednego rodzaju funkcjonalnego RNA (rRNA, tRNA, snRNA, snoRNA,...)

Pericuesta i in. 2006 Reprod Biol & Endocrinol 4:5

sformułowanie jednej spójnej definicji molekularnej genu nie jest proste ze względu na istnienie:sekwencji regulatorowychczasem oddalonych o tysiące pzod kontrolowanego genu

sformułowanie jednej spójnej definicji molekularnej genu nie jest proste ze względu na istnienie:

5’ i 3’ UTRów (ang.untranslated region),intronów (genów podzielonych),

Pojedynczy gen, który podlega alternatywnemu składaniu eksonówmoże kodowaćrodzinę blisko spokrewnionych peptydów.


5’ i 3’ UTRów, intronów (genów podzielonych), alternatywnego składania mRNA


sekwencji regulatorowych 5’ i 3’ UTRów, intronów (genów podzielonych), alternatywnego składania mRNA, zjawiska transsplicingu, genów zachodzących na siebie, genów w genach, genów złożonych ze segmentów i wymagających

rearanżacji by powstał gen funkcjonalny

GENY w rozwoju Drosophila

kaskada genów czynników transkrypcyjnych:

geny efektu matczynego

geny zygotyczne:

geny ubytku

geny reguły parzystej

geny polarności segmentów

geny homeotyczne

LIFE: The Science of Biology, Purves et al, 1998

determinująosie ciała

determinujapowstawanie dużych obszarów zarodka

determinująpowstawanie parasegmentów

GENY w rozwoju Drosophila

mutacje genów homeotycznych

WT mutacjaAntennapedia

Photographs by F. R. Turner, Indiana University

mutacja Bithorax

from page 78 of Shakingthe Tree: Readingsfram Naturein theHistory ofLife editedby Henry Geea

http://evolution-textbook.org/content/free/figures/11_EVOW_Art/12_EVOW_CH11.jpg

geny HOX • są wysoce konserwowane, istotne dla rozwoju,

występują od stawonogów do kręgowców

• zawierają homeobox – 180 pz region kodujący domenę białka tzw. homeodomenę odpowiedzialnąza wiązanie DNA – kodują czynniki transkrypcyjnetypu HTH regulujące aktywność genów, ich mutacje powodują zaburzenia rozwoju

przykładyprokariotycznych białek HTH

aktywatorrepresor

operonu lac


http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL3530/DB_Ch15/BIOL2900_EvoDevo.htmla

geny HOX

• są wysoce konserwowane, istotne dla rozwoju, występują od stawonogów do kręgowców

• zawierają homeobox – 180 pz region kodujący domenębiałka tzw. homeodomenę odpowiedzialną za wiązanie DNA – kodują czynniki transkrypcyjne typu HTH regulujące aktywność genów, ich mutacje powodują zaburzenia rozwoju

• kontrolują pozycję kończyn i innych struktur wzdłuż długiej osi ciała, dzielą zarodek na pola, z których rozwiną sięspecyficzne struktury

• w ludzkim genomie jest 39 genów HOX (liczba wskazuje na ich istotność) w 4 grupach sprzężeń (HoxA, B, C, D)

• przestrzenno-czasowa kolejność ekspresji genów homeotycznych koreluje z ich ułożeniem w chromosomie –zjawisko kolinearności

kolinearność genów homeotycznych

i determinowanych przez nie struktur

na wzdłużnej osi ciała

Copyright © 1994 Lydia Kibiuk

Confocal image of septuple in situ hybridization exhibitingthe spatial expression of Hox gene transcripts in a developing Drosophila embryo. Stage 11 germbandextended embryo (anterior to the left) is stained for labial (lab), Deformed (Dfd), Sex combs reduced (Scr), Antennapedia (Antp), Ultrabithorax (Ubx), abdominal-A(abd-A), Abdominal-B (Abd-B). Their orthologousrelationships to vertebrate Hox homology groups areindicated below each gene.http://scienceblogs.com/pharyngula/2006/09/hox_complexity.php

wrodzone zaburzenia spowodowane mutacjami genów HOX

zespół ręczno-stopowo-genitalny - mutacja nonsens genu HOXA13 (peptyd skrócony o 20AA traci zdolność wiązania DNA) – zaburzenia rozwoju palców rąk i nóg oraz genitaliów

aniridia (brak tęczówki) – mutacje genu PAX6

zespół Riegera - nieprawidłowy rozwój przedniej komory gałki ocznej i zębów – mutacja PITX2

polisyndaktylia – mutacja HOXD13

zespół Waardenburg typu I i III (wrodzona głuchota i zaburzenia pigmentacji) – mutacje PAX3

http://evolution-textbook.org/content/free/figures/11_EVOW_Art/33_EVOW_CH11.jpghttp://evolution-textbook.org/content/free/figures/11_EVOW_Art/34_EVOW_CH11.jpg

Evolutionary history of Hox clusters in the vertebratelineage

A) Structure of the amphioxus andmammalian Hox clusters, anddeduced cluster structureinferred for the last commonancestor of Cephalochordates andVertebrates. Hox paralogousgroup 14 genes were lost in thelineage leading to mammals, andthe two amphioxus Evx genesarose from a tandem duplicationevent in the amphioxus lineage.

B) Duplications and losses of poste-rior Hox and Evx genes in thevertebrate lineage. The consensus cluster is shown for selectedvertebrate lineages. A single duplication event (Hox13/Hox14) needs to be assumed in thevertebrate stem lineage. Furtherduplications in the cephalo-chordate lineage and gene lossesin actinopterygian fishes andmammalians results in the actualgene content of the clusters.Minguillón et al. 2005 Int. J. Biol. Sci. 2005 1: 19-23

Copyright ©2004 by the National Academy of Sciences

Mapa doliny Matanuska-Susitna na Alasce oraz trawione trypsyną i barwione czerwienią Alizarin nieopancerzone cierniki z populacji z BootLake(A),BearPawLake (B) i Whale Lake (C) freshwater ich morski wędrowny opancerzony przodek Rabbit Slough (D)Cresko et al. (2004) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 101, 6050-6055


Reprezentatywne fenotypy rodzicielskie całkowicie uzbrojonych (A) i słabo uzbrojonych cierników (B) i ich mieszańców pokolenia F1 (C) i F2 (D-G) Cresko et al. (2004) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 101, 6050-6055


Fig. 5. Positions of Alaskan Mendelian lateral plate (Mendelian

Lateral Plate Locus) and pelvic (Mendelian Pelvic Locus) loci on the

stickleback linkage map (22)Cresko WA et al. (2004) Proc. Natl. Acad.

Sci. USA 101, 6050-6055http://evolution-textbook.org/content/free/figures/11_EVOW_Art/21_EVOW_CH11.jpg

a, Inactivation of Pitx1 in laboratory mice causes a marked decrease in size of hindlimbs but not forelimbs (modified from refs 25, 27), and greater reduction on the right than left side. b, Sticklebacksshow similar Pitx1-linked selective reduction and asymmetry in hindlimbs. c, Null mutations in Pitx1 in mice disrupt multiple functions and lead to neonatal lethality. In contrast, regulatory mutations in modular cis-acting regulatory elements of sticklebacks could produce major morphological changes in particular body regions without disrupting functions in other tissues. Shapiro et al. 2004 Nature 428, 717-723

Przyczyną redukcji pasa miednicowego u cier-ników słodkowodnych jest mutacja jednego z enhancerów (szare kółka) genu Pitx1 powodu-jąca brak ekspresji genu Pitx1 w zawiązkach płetwy odbytowej w okresie embrionalnym. Płetwy odbytowe, u cierników przekształcone w kolce, są strukturami homologicznymi z tyl-nymi kończynami innych kręgowców. Gen Pitx1warunkuje różnice strukturalne pomiędzy przednimi i tylnymi kończynami kręgowców. U formy słodkowodnej zauważalna jest asymetria zredukowanych kolców, kolec po lewej stronie jest nieco większy. Spowodowane jest to efek-tem genu Pitx2, którego produkt jest zbliżony do białka Pitx1. W odróżnieniu od Pitx1 gen Pitx2ulega ekspresji tylko w lewej części ciała, normalnie warunkując asymetryczne położenie narządów, na przykład serca po lewej stronie. U cierników słodkowodnych, jego słaby efekt powoduje silniejsze rozwinięcie kolców po lewej stronie ciała. http://pl.wikipedia.org/wiki/Ciernik

Several biologists, including Sean Carroll of the University ofWisconsin suggest that "changes in the cis-regulatory systems ofgenes" are more significant than "changes in gene number orprotein function".

Carroll 2000 Cell 101: 577–580

CHROMATIN STRUCTURE playsa critical role in the regulationof transcription. Drosophila GAGA factor directs chromatin remodelingto its binding sites. We show herethat Drosophila FACT, a heterodimerof dSPT16 and dSSRP1, is associatedwith GAGA factor through its dSSRP1 subunit, binds to nucleosome andfacilitates GAGA factor-directedchromatin remodeling. Moreover, genetic interactions betweenTrithorax-like encoding GAGA factorand spt16 implicate the GAGA factor-FACT complex in expression of Hoxgenes Ultrabithorax, Sex combsreduced and Abdominal-B. Chromatinimmunoprecipitation experimentsindicated presence of the GAGA factor-FACT complex in theregulatory regions of Ultrabithoraxand Abdominal-B. These data illustrate a crucial role of FACT in the modulation of chromatinstructure for regulation of geneexpression. http://www.nig.ac.jp/hot/2003/hirose0307.html

Expression of Hox genes and its maintenance on specific regions govern body plans ofmulticellular organisms. Defect in the GAGA-dFACT complex compromises maintenance of theexpression of Hox genes such as Ubx and Abd-B, and results in homeotic transformations fromhaltere to wing and A6 to A5 segment.

Diagram of the D. melanogaster BX-C showing Hox genes (arrows) Ultrabithorax (Ubx), abdominal-A (abd-A), and Abdominal-B (Abd-B), as well as a sampling of noncoding RNAsthat derive from the intergenic regions. The intergenic regions bxd, iab-4, and iab-7 aretranscribed and are known to be involved in proper segment-specific expression of theBX-C Hox genes (interactions with supporting evidence are shown as solid lines). Theability of these regions to affect activation states of the Hox genes is dependent on specific DNA binding sites within these regions and on ASH1 binding to noncodingtranscripts such as RNAs from the bxd region, as well as on regulators possibly bindingto other BX-C transcripts (dotted lines). (B) Depictions of the mouse Hoxa and Hoxbclusters. Indicated as hairpins are miRNAs miR-10a, miR-196a-1, and miR-196b along withverified (solid lines) and predicted (dotted lines) interactions with Hox target genes. Also indicated is the position of Hoxa11 antisense transcripts (a11-AS).Lemons & McGinnis 2006 Genomic Evolution of Hox gene clusters Science 313: 1918-1922

ncRNA typu miRNA

(B) Illustration with examples of thediversity of body morphologiesproduced by the expansion of bilaterialanimals. An artist’s conception of thehypothetical last common ancestor ofall bilateral animals containing muscletissue (red), a dispersed ‘‘central’’ ner-vous system (yellow), blood pumpingorgan (blue), as well as sensory organsand feeding appendages. This ancestorgave rise to all of the extant animals ofthe three major bilaterian clades(deuterostomes, ecdysozoans, andlophotrochozoans), which was accompanied by the expansion, diversification, and sometimessimplification, of Hox gene clusters.Lemons & McGinnis 2006 Genomic Evolution ofHox gene clusters Science 313: 1918-1922

Davidson at al. 2006 Gene regulatory networks and theevolution of animal body plans gene Science 311: 796-800

gene regulatory network GRN

gen - odcinek DNA nios cy informacj o budowie jednego ... · jąca brak ekspresji genu Pitx1w...

Documents

Transcript of gen - odcinek DNA nios cy informacj o budowie jednego ... · jąca brak ekspresji genu Pitx1w...