Молекулярная биология Лекция 11 Разнообразие реализации природных молекул

Молекулярная биология Лекция 11. Разнообразие реализации природных молекул. Скоблов Михаил Юрьевич

Часть 1. Межвидовое разнообразие

Человек и шимпанзе

Человек и шимпанзе Поэтому мы не можем с ними скрещиваться! Но раньше то генетика была не известна, поэтому….

Человек и шимпанзе

Человек и шимпанзе генетически схожи на 98, 7% • Митохондриальные гены накапливают мутации в 5– 10 раз быстрее, чем ядерные. • Поэтому митохондриальные гены человека и шимпанзе различаются на 9%, а ядерные — примерно на 1, 2%.

Человек и шимпанзе

Человек и шимпанзе • Был исследован уровень экспрессии 21 тысячи генов в сердце, почках, печени, семенниках и мозге у 6 людей и 5 шимпанзе. • Оказалось, что различия в уровне экспрессии положительно коррелируют с уровнем молекулярной дивергенции: если сравниваемые гены имеют большое различие по уровню экспрессии (expression divergence, ось Y на графике), то они сильно отличаются и по своей нуклеотидной последовательности (Ka/Ki, ось X на графике). • Меньше всего изменились гены, экспрессирующиеся в ткани мозга (черный квадрат) и далее по возрастающей: в сердце (красный), почках (зеленый), печени (синий) и семенниках (голубой).

Выравнивание последовательностей ДНК

Выравнивание последовательностей белка

Сравнительная геномика • Анализ отдельных последовательностей • Изучение их времени появления, консервативности, эволюционного давления

Эволюционная биология • Построение филогенетических деревьев • Изучение видообразование

Эволюционная биология

Часть 2. Внутривидовое разнообразие

Разнообразие природных молекул • Полиморфизм ДНК (SNP и CNV) • Эпигенетика • Редактирование РНК • Альтернативный сплайсинг • Посттрансляционные модификации белков

Полиморфизм ДНК Разница между геномами 1 нуклеотид из 1000 1 нуклеотид из 100 1 нуклеотид из 5

Однонуклеотидный полиморфизм • Однонуклеотидный полиморфизм (Single nucleotide polymorphism - SNP) — отличия последовательности ДНК размером в один нуклеотид в геноме представителей одного вида. • В геномах разных людей в среднем различается 1 из 300 пар нуклеотидов

Однонуклеотидный полиморфизм • SNP в кодирующей области гена способны изменить аминокислотную последовательность белкового продукта гена. • SNP в некодирующей области гена, расположенные в регуляторных последовательностей гена, могут менять уровень экспрессии генов, их локализацию, время жизни.

Проект 1000 геномов • Цель – секвенирование геномов здоровых людей из популяций East Asian, South Asian, African, European , Americas.

Проект 1000 геномов • Результат – секвенирование геномов 1092 здоровых людей относящихся к 14 популяциям в Европе, Африке, Восточной Азии, Северной и Южной Америках.

Проект 1000 геномов • 38 миллионов единичных нуклеотидных замен • 1, 4 миллиона инсерций/делеций • 14 тысяч крупных делеций Следующий этап проекта предполагает секвенирование геномов 3000 человек

Проект 1000 геномов • Геномы неродственных индивидуумов отличаются на 0, 5 -1% друг от друга • Каждый индивидуум несет в себе аллели LOF (lost of function) примерно для 300 генов (при этом 15 -30% из них ассоциированы с различными заболеваниями)

Гены транскрибируются на разном уровне у разных людей • Следующий этап проекта 1000 геномов – оценить вариабельность экспрессии генов здоровых людей из популяций East Asian, South Asian, African, European , Americas. Для м. РНК было найдено от 263 до 4, 379 генов с дифференциальной экспрессией между популяционными парами Для mi. RNA было найдено 60 генов с дифференциальной экспрессией между популяционными парами.

Полногеномный поиск ассоциаций (Genome-wide Association Study) • Мощный метод идентификации взаимосвязи между полиморфными вариантами генома и фенотипическими признаками • Цели: • идентификация генетических факторов риска, чтобы дать обоснованный прогноз о предрасположенности к заболеваниям; • выявление биологических основ восприимчивости к болезни для разработки новых стратегий профилактики и лечения

Полногеномный поиск ассоциаций Этапы: 1. Формирование выборки для сравнения из пациентов со схожими клиническими признаками и здоровых лиц Больные Здоровые 2. ДНК-образцы обоих групп секвенируются 3. Путем биоинформатического анализа определяются полиморфизмы, которые наиболее характерны для больных, по сравнению со здоровыми

Полногеномный поиск ассоциаций • Исследовались гены ответственные за развитие сердечнососудистых заболеваний • SNP в гене RASIP 1 (rs 2287921, p = 1. 61× 10− 25) на хромосоме 19 q 13 был идентифицирован, как наиболее значимый для развития патологии сосудистой стенки rs 2287921

Полногеномный поиск ассоциаций Данный подход важен для персонализированной медицины в следующих аспектах: • Скрининг и определение рисков заболевания для конкретного пациента • Разработка программ профилактики заболевания для конкретного пациента учитывая особенности его генома • Определение программы лечения заболевания у конкретного пациента

Вариация числа копий • Вариация числа копий (Copy number variation - CNV) — вид генетического полиморфизма, к которому относят различия индивидуальных геномов по числу копий хромосомных сегментов размером от 1 тыс. до нескольких млн. пар оснований. • CNV возникают в результате несбалансированных хромосомных перестроек, таких как делеции и дупликации. • Результатом вариации может явиться снижение или повышение числа копий определенного гена, и, следовательно, пониженная или повышенная экспрессия продукта гена — белка или некодирующей РНК

Фармакогенетика изучает генетические особенности пациента, влияющие на фармакологический ответ.

Посттранскрипционные модификации РНК • Метилирование атома азота N 6 аденозина РНК. • Было найдено 7676 генов имеющих такую модификацию. • Функция неизвестна Comprehensive analysis of m. RNA methylation reveals enrichment in 3' UTRs and near stop codons. Meyer KD, Saletore Y, Zumbo P, Elemento O, Mason CE, Jaffrey SR. Cell. 2012 Jun 22; 149(7): 1635 -46.

Посттранскрипционные модификации РНК • Найдено, что белки, содержащие YTH-домен, связываются с метилированной РНК в цитоплазме; • Связывание белка YTHDF 2 с РНК приводит к ингибированию её трансляции и уменьшению её стабильности в клетке; • Белок YTHDF 2 состоит из двух функциональных мотивов: • C-концевой YTH домен связывается с метилированной РНК • N-концевой P/Q/N-богатый мотив связывается с цитоплазматическими белками, осуществляющими деградацию РНК (P body) N 6 -methyladenosine-dependent regulation of messenger RNA stability. Wang X, Lu Z, Gomez A, Hon GC, Yue Y, Han D, Fu Y, Parisien M, Dai Q, Jia G, Ren B, Pan T, He C. Nature. 2014 Jan 2; 505(7481): 117 -20

Редактирование РНК • Редактирование РНК — молекулярно-биологический процесс, в ходе которого информация, содержащаяся в молекуле РНК изменяется путём химической модификации оснований. • В настоящее время показано редактирование транспортных РНК, рибосомных РНК и матричных РНК эукариот • Редактирование РНК в клетках прокариот не описано. • Разнообразие механизмов редактирования РНК включает в себя модификацию нуклеозидов, например, дезаминирование цитидина (С) в уридин (U) и аденозина (A) в инозин, а также вставки нуклеотидов без матрицы

Редактирование РНК • Было проанализировано 27 геномных сиквенсов и соответсвующих сиквенсов РНК • Зарегистрировано 102000 потенциально возможных случаев редактирования, что соответсвует 97% всех транскриптов. • Большинство замен - это замена аденина на инозин и замена цитозина на урацил.

Посттрансляционные модификации белков • Посттрансляционная модификация — это ковалентная химическая модификация белка после его синтеза на рибосоме. • На сегодняшний день известно более двухсот вариантов посттрансляционной модификации белков, и, по всей видимости, модификациям подвергается подавляющее большинство белков • Один и тот же белок может подвергаться нескольким различным модификациям. • Посттрансляционные модификации оказывают различные эффекты на белки: регулируют продолжительность их существования в клетке, ферментативную активность, взаимодействия с другими белками. В ряде случаев посттрансляционные модификации являются обязательным этапом созревания белка, в противном случае он оказывается функционально неактивным. • Посттрансляционные модификации могут быть как широко распространёнными, так и редкими, вплоть до уникальных. • Гликозилирование является одной из наиболее часто встречающихся модификаций — считается, что около половины белков человека гликозилировано. • К редким модификациям относят тирозинирование/детирозинирование и полиглицилирование тубулина.

Посттрансляционные модификации белков • гликозилирование • N-гликозилирование • O-гликозилирование • гидроксилирование • ацетилирование • метилирование • γ-карбоксилирование • O-сульфонирование • фосфорилирование • йодирование • окисление • гликирование • образование дисульфидных связей • деиминирование • карбомоилирование • дезамидирование