A DNS szerkezete és replikációja

Általános Genetika

A DNS szerkezete és replikációja

• A kettőshélix felfedezése előtt hogyan bizonyították kísérletesen, hogy az örökítőanyag a DNS ?

• Milyen korábbi adatok, ismeretek alapján hozták létre a kettős hélix modellt?

• Hogyan adódik a DNS replikáció mechanizmusa a kettős hélix szerkezetből?

• Milyen szabályszerűségek szerint történik az extranukleáris genetikai állományban tárolt információ áramlása ?

• Milyen speciális mechanizmus felelős a kromoszómavégek replikációjáért és milyen egészségügyi következménye van, ha ez a folyamat valamilyen okból nem működik megfelelően ?

A mai óra kulcskérdései

2

Munkájukat a következő előzményekre alapozhatták:

- Az egyes tulajdonságokat öröklődő részecskék (gének) alakítják ki (Mendel)

- A gének fehérjék szerkezetét befolyásolják,egy gén ~ egy enzim.

(Beadle és Tatum)

- A gének kromoszómákon vannak (Bridges)

- A kromoszómák DNS-ből és fehérjékből állnak - Az örökítőanyag a DNS

Az örökítőanyag - a DNS - szerkezetét és működésmódját

1953-ban írta le James Watson és Francis Crick

A DNS örökítőanyag mivoltának bizonyítéka I.

A transzformáció felfedezése (Frederick Griffith 1928)

A Streptococcus pneumoniae virulens, S törzsével beoltott egerek tüdőgyulladásban elpusztulnak, az R törzzsel beoltottak túlélnek

S törzs R törzs

4

A transzformáció felfedezése

A hővel kezelt S törzs nem pusztítja el az egereket

Griffith kísérlete, 1928

A hővel elölt S baktériumok és az élő nem-virulens R baktériumok keverékével beoltott egerek elpusztulnak

Az utolsó kísérlet döglött egereiből élő S baktériumok tenyészthetők ki Az elölt baktériumok anyagából valami az R baktériumokat S-é alakította át (transzformálta)

A transzformáló anyag a DNS

O. Avery, C.M. Mac Leod és M. McCarty kísérlete, 1944

Az S sejtek komponensei közül egyedül a DNS az, amelyet elroncsolva az R sejtek nem alakíthatóak S formává, így az egér túléli a kezelést. Tehát a DNS a transzformáló anyag.

Ez a kísérlet igazolta először, hogy a gének DNS-ből állnak

6

A DNS örökítőanyag mivoltának bizonyítéka II.

( Hershey-Chase kísérlet, 1952)

35S jelölt fehérje

32P jelölt DNS

A radioaktivitás a baktériumokban észlelhető,

majd a következő fág generációban is megjelenik

A radioaktivitás a

leváló üres fág fejekben észlelhető

A Hershey-Chase kísérlet igazolta, hogy a fágok örökítő anyaga a DNS, nem pedig a fehérje

A kísérlet kétféleképpen előkészített T2 fágot használt. Az egyik esetén a fehérje burkot radioaktív kénnel (

S) jelölték. A kén nem fordul elő a DNS-ben

A másik esetben radioaktív foszforral (

P) a DNS-t jelölték. A foszfor nem fordul elő a fehérjében

Közvetlenül a fágfertőzés után a fágokat keveréssel és centrifugálással elválasztották a baktériumoktól

Csak a

P injektálódott az E.coli -ba, jelezve, hogy a DNS az új fágok létrejöttéhez szükséges anyag

A DNS örökítőanyag mivoltának bizonyítéka II.

( Hershey-Chase kísérlet, 1952)

8

Néhány vírusnak RNS az örökítő anyaga

Ennek bizonyítása dohány mozaik vírussal:

1., Az RNS-ről eltávolították a fehérje burkot.

2., Az egyik törzsből tisztított RNS-t

egy másik törzsből tisztított fehérjeburokkal keverték össze.

3., A „hibrid” vírussal levelet fertőztek.

4., A levélből kinyert vírusok az RNS-t adó törzs tulajdonságait hordozták.

Mit kell „tudnia” a genetikai anyagnak?

1., Rendelkeznie kell az információ tárolásának és működtetésének képességével

2., Képesnek kell lennnie ezen információt pontosan megkétszerezni és változatlan formában továbbadni

3., Rendelkeznie kell a változékonyság képességével

A DNS ismert kémiai szerkezete túlságosan egyszerű felépítésűnek tűnt ahhoz, hogy a fenti feladatoknak megfelelhessen

10

A DNS szerkezete

Mit tudtunk róla régen és ma?

A kettős hélix modell előzményei

Watson és Crick

kettős hélix modellje Watson és

Crick

kettős hélix modellje A DNS kémiai

összetevői A DNS kémiai

összetevői

A DNS röntgen diffrakciós

képe A DNS röntgen diffrakciós

képe Chargaff-

szabályok Chargaff- szabályok

12

A DNS kémiai összetevői

A DNS kémiai összetevői

A DNS kémiai felépítésének alapegysége a nukleotid.

A nukleotid foszfátot, dezoxiribóz cukrot és négy szerves bázisból egyet tartalmaz.

A négy bázis az adenin, a guanin, a citozin és a timin.

A cukor és a bázis alkotta egység a nukleozid: dezoxiadenozin, dezoxiguanozin, dezoxicitidin, dezoxitimidin.

A nukleotidok teljes kémiai neve: rövidítése dezoxiadenozin 5’-monofoszfát, dAMP - A dezoxiguanozin 5’-monofoszfát, dGMP - G dezoxicitidin 5’-monofoszfát, dCMP - C dezoxitimidin 5’-monofoszfát, dTMP - T

14

Kölönböző élőlényekből kivonható DNS összetételének vizsgálata érdekes törvényszerűségeket tárt fel. A törvényszerűségeket Erwin Chargaff ismerte fel:

1. Az élőlényekből származó DNS-ekben a pirimidin nukleotidok (T + C) mennyisége egyenlő a purin (A + G) nukleotidok mennyiségével

2. A T mennyisége egyenlő az A-val, és C mennyisége egyenlő G-vel

Azonban A + T és C + G mennyiségek nem feltétlenül egyenlők, azok aránya jellemző az élőlényre amiből a DNS származik

A Chargaff szabályok

Példák a Chargaff szabályokra

16

A DNS röntgen diffrakciós képe

(R.Franklin és M.Wilkins, 1953)

A DNS (B forma) röntgen diffrakciós képe

(R.Franklin és M.Wilkins, 1953)

A röntgen diffrakcióval kapott adatok azt jelezték, hogy

- a molekula fonálszerű

- a fonál két párhuzamos szerkezetből áll - egyenletes átmérőjű

- spirál alakú

A DNS térszerkezetét Watson és Crick oldotta meg l953-ban

A modell kidolgozása során merészen összeillesztették a röntgen diffrakciós adatokat, a Chragaff szabályokat és a DNS és alkotórészeiről felhalmozódott kémiai ismereteket olymódon, hogy a modell eleget tehessen az örökítőanyag által

támasztott követelményeknek

A DNS kettős spirál

20

A DNS elsődleges szerkezete: foszfodiészter kötés

5’ foszfát vég

3’ OH vég

OH

-O

P O

O

-O

P O

O

H H

A modellben a víztaszító bázisok belül, a cukor és foszfát csoportok kívül

helyezkednek el

Minden bázispár egy purint, (A vagy G) és egy pirimidint, (T vagy C) tartalmaz

Az A-T párt 2, a G-C párt 3 hidrogénhíd stabilizálja

A két szál komplementer

(meghatározza és kiegészíti egymást)

Az antiparallel irányultságot a cukor 5 3’ iránya adja

A DNS elsődleges szerkezete: polinukleotid lánc

22

Lehetséges bázis párosodás a kettős spirálban

Csak a purin - pirimidin párosodás felel meg a DNS szál röntgennel meghatározott átmérőjének

Ugyancsak ez a kombináció felel meg Chargaff első szabályának

A DNS másodlagos szerkezete:

kettős spirál (szalag modell)

A pálcák a bázispárokat képviselik

A szalagok a két antiparallel lánc cukorfoszfát gerincét képviselik

A méretek angström-ben (1Å = 0,1 nm) mutatják a távolságokat

A spirál 10 bázisonként fordul csaknem pontosan 360

-ot

24

A létra modellen jól látszik, hogy a bázispárok létrafokként

helyzkednek el a szerkezet belsejében

A cukor gyűrű síkja majdnem merőleges a bázisok síkjára

A víztaszító bázisok szoros egymásra fekvése a víz

kiszorítása által erősen stabilizálja a szerkezetet

A hidrofil cukor-foszfát gerinc kölcsönhat a sejt vízmolekuláival

A DNS kettős spirál létra modellje

Jól látszik, hogy a víztaszító bázisok szorosan egymásra fekszenek ami erősen stabilizálja a szerkezetet

A három dimenziós szerkezet jól szemlélteti az egymással ellentétes oldalon futó kis és a nagy barázdát

A DNS-kötő fehérjék csak a barázdákban kapcsolódhatnak a bázisokhoz

A DNS kettős spirál térkitöltő modellje

n ag y á ro k ki s ár o k

26

A DNS többféle másodlagos szerkezetet vehet fel

A B Z

Az élőlényekben és vizes oldatban a „B” forma a leggyakoribb, ebben a bázisok síkja majdnem merőleges a cukor-

foszfát gerincre

Dehidrált körülmények között egy tömörebb „A”

forma jön létre, melyben a bázisok síkja megdől Hosszú GCGCGC....

ismétlődések a Z formát vehetik fel, amely

balmenetes, zegzugos lefutású és megnyúlt

A DNS replikációja prokariótákban

28

A replikációval szembeni követelmények:

1., Sokszor: Egyetlen ember egyedfejlődése több millió sejtosztódást igényel 2., Gyorsan: 1000 nukleotid/másodperc

(1000 nukleotid/perc sebesség mellett egy E. coli 10⁶ bp méretű genomja 3 napig replikálódna! – sejtciklusa 20 perc)

3., Pontosan: A genom másolásánál csupán 1/ 100 000 000 (10^-8)

replikációs hiba történik, melynek 99%-át a javító rendszer utólagosan kijavítja.

Az átlagos mutációs ráta a replikáció végeztével 10^-10

Vagyis a 10⁹ bp genom-méretű emberi sejt átlagos osztódása során 0-1 új mutáció keletkezik replikációs hiba folytán

A DNS replikáció jóslata

A DNS kettős spirál szerkezetéből közvetlenül adódik a megkettőződés mikéntje

A bázispárosodás szigorú törvényéből az következik, hogy amennyiben a kettős spirál két szála zipzárként kettéválik, mindkét szál mintaként (templátként) szolgálhat egy új szál szintéziséhez, melynek során az eredeti szállal és

egymással megegyező szerkezetek jönnek létre

Ezzel magyarázatot nyer a az örökítőanyag pontos átadódása a sejtosztódás során

A genetikai kódot a nukleotid sorrend adhatja

"It has not escaped our notice that the specific pairing we have

postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic material." (Watson és Crick 1953, Nature cikk utolsó mondata)

30

kisebb sűrűségű CsCl

nagyobb sűrűségű CsCl

Egyenletes sűrűségű CsCl oldat

DNS oldat

10

x g gravitációs erő

A centrifugálás során a DNS a fajsúlyának megfelelő sávban gyűlik össze

A cézium klorid (CsCl) sűrűség grádiens ultracentrifugálás elve

DNS

A szemikonzervatív replikáció bizonyítása:

A Meselson-Stahl kísérlet ⁽¹⁹⁵⁸⁾

A több generáción keresztül 15N táptalajon tartott baktériumokból származó DNS nehéz sávot ad céziumklorid gradiens centrifugálással. A normál (14N) táptalajon nevelt

baktériumok DNS-e pedig könnyű sávot ad. Ha a 15N-en tartott sejteket átteszik könnyű táptalajra, az első nemzedékben köztes, a második után könnyű és köztes sáv figyelhető meg a grádiensben.

32

A Meselson-Stahl kísérlet értelmezése

A Meselson-Stahl kísérletben kapott eredmények csak szemikonzervatív DNS replikációval értelmezhetők

egyetlen átmeneti sáv

az első nemzedékben egy köztes és egy könnyű sáv a második nemzedékben

egyetlen nehéz sáv a kiindulási

nemzedékben

Egy sejtgeneráció hosszan triciált (³H) timidint tartalmazó tápoldatban

tartott sejtek a radioaktív

nukleotidot beépítik az új láncba, amit a kromoszómák autoradiogramja

(fényképe) is jelez

Ezután nem-radioaktív timidint tartalmazó tápoldatba áttéve egy újabb replikáció után az

autoradiogramon csak az egyik testvér kromatida jelölődik

(Minden pont egy radioatív részecske útját jelzi a fotón)

A DNS replikáció magasabb rendűekben is szemikonzervatív

Herbert Taylor 1958 – bab gyökércsúcs sejtek

az események DNS szintű ábrázolása:

34

Az E. coli DNS replikációjának első fotója

Replikálódó E.coli

táptalajhoz ³H timidint adva a DNS-be beépült radioaktivitás a hibrid szálak autoradiogramján kimutatható

A következő replikációs ciklus során a képződő új kettős spirál mindkét szála radioaktívan jelölt lesz

Cirkuláris DNS kétirányú replikációja

kezdőpont

A széttekeredő szálak mindkét villájában folyamatos a DNS szintézise, amíg a gyűrű megkettőződése be nem fejeződik

36

A replikációs kezdőpont (origó)

A replikációnak kitüntetett kezdőpontja (origója) van

az E.coli egyetlen replikációs origója, az oriC, 245 nukleotidpár hosszú

A replikáció iránya, a replikációs villa

5’ 3’

Az új szál mindig 5’ 3’

irányban szintetizálódik A replikációs villában az egyik szál a villa irányában, a másik attól távolodó irányban íródik

Vezető szál (folytonos átírás)

Elmaradó szál

(szakaszos átírás) Elsőként átíródott

darab

2. 3.

Szemidiszkontinuus replikáció

38

A replikáció az origótól mindkét irányban halad

Az origótól két irányba haladó DNS replikáció összesen négy újonnan szintetizálódó szálat jelent, két folytonos (vezető) és két elmaradó

szálat

villa villa

origó

Autoradiográfiás (³H-timidin pulzusjelölés) kísérletekkel kimutatták, hogy a legtöbb

eukarióta és prokarióta DNS replikációja kétirányú. Az egyirányú replikációra is van példa (pl. a colE1 plazmid)

A DNS replikáció enzimei

40

A DNS polimerázok működése

A DNS polimerázok az egyes szálú DNS templátra (minta) azt

kiegészítő (komplementer) szálat szintetizálnak a rendelkezésre álló nukleotid trifoszfátokból. A szálat azonban elkezdeni nem tudják, csak hosszabbítani. A kezdéshez egy rövid kezdő (primer) szakaszra van szükségük.

templát (= minta DNS egyesszál) primer

(= kezdő) új szál

dCTP dATP

dGTP dTTP

DNS Polimeráz

A DNS szintézis kezdése (priming)

A DNS szintézist egy rövid RNS primer szintézise előzi meg, melyet az RNS polimeráz (primáz) készít.

A szintézis iránya az egyik szálon a villa felé mutat, a másik szálon a villától távolodik.

RNS primer

RNS primer PRIMÁZ

szintézis irány

42

RNS primer

DNS Polimeráz III templát

(minta)

új DNS szál

DNS Polimeráz I

A DNS polimeráz III (pol III) végzi a replikációs szintézist

 több, mint 10 különböző alegység együttműködése

 5’ ->3’ polimeráz aktivitás  százszor gyorsabban szintetizál, mint a DNS polimeráz I

 beépített 3’->5’ exonukleáz aktivitás és nagy processzivitás

a DNS polimeráz I (pol I vagy Kornberg enzim) elemészti az RNS primereket és befejezi az elmaradó szál szintézisét. Nem lehet a replikáció fő enzime

 5’ ->3’ polimeráz aktivitás  új nukleotidok beépítése

 3’->5’ exonukleáz aktivitás  a hibásan beépített nukleotid eltávolítása

 5’ ->3’ exonukleáz aktivitás  hibajavítás és az RNS primerek eltávolítása

Az E.coli DNS replikációjában két polimeráz vesz részt

A Polimeráz III enzim hibajavítása

A pol III ε (epszilon) alegysége végzi annak ellenőrzését, hogy nem történt-e hiba a szintézis során. A hibásan beépített (rosszul párosodó) nukleotidokat azonnal kivágja. A kivágás visszalépést igényel, ezért

annak iránya 3’ 5’

szintézis iránya 5’ 3’ kivágás iránya 3’ 5’

44

Az elmaradó szál szintézise

régi szál

vezető szál elmaradó szál

a villa mozgása

Az elmaradó szál szintézise:

régi szál RNS primer

új DNS Okazaki fragment

ligálás

1., 2.,

3., 4.,

A vezető szál szintézise folytonos Az elmaradó szálon:

1., A primáz RNS templátokat szintetizál.

2., A DNS polimeráz III DNS-t szintetizál a primer folytatásaként

3., A DNS polimeráz I eltávolítja az előtte lévő RNS darabot és befejezi a láncot 4., A DNS ligáz összekapcsolja a különálló DNS darabokat

A replikáció az Okazaki fragmentekkel és a ligázzal

A ligáz működése:

ligáz + ATP

46

A szintézist egyetlen polIII dimer végzi

Az elmaradó szál templátjának kihurkolódása lehetővé teszi, hogy a replikációs villához kapcsolódó pol III holoenzim-dimer mindkét utódszálat a villa irányában szintetizálhassa

vezető szál

elmaradó szál

pol III dimer

A szintézis segítői: helikázok és topoizomerázok

A kettős hélix széttekerését a helikázok végzik a hidrogén hidak bontásával

Ahogy a replikációs villában szétválnak a szülői szálak, a villa túloldalán lévő DNS szakasz pozitív irányban túltekeredik. A topoizomeráz oldja fel a feszültséget olymódon mint egy forgó-láncszem. Az egyik szálat elvágja, azt a másik szál körül

„kipörgeti”, majd a vágást vissza-ligálja.

helikáz topoizomeráz

48

A topoizomerázok

A topoizomerázok a kettős szálú DNS csavarodottságát befolyásolják

A replikációnál működő DNS topoizomeráz neve giráz, amely negatív irányban csavarja a DNS-t.

A pozitív irányban megcsavarodott DNS így kilazulhat

A giráz a laza DNS-t ATP felhasználásával

képes negatív irányban tovább is csavarni

A DNS replikáció enzimei

topoizomeráz

50

A replikáció pontossága

A szintézis során 10

-10

nukleotidonként történik egy hibás beépülés.

Ez igen magas mutációs rátát eredményezne

A polimeráz III enzim saját hibajavító rendszerrel rendelkezik, és a

hibás beépülések 99%-át azonnal kijavítja, így csak 10

nukleotidonként marad egy hiba

A replikáció utáni javítórendszer ennek 99%-át is kijavítja. Így adódik a végső pontosság, ami 10

nukleotidonként egy hiba

(Ez az emberi genom esetén egyetlen hibát jelent egy replikáció során)

Több vírus és episzóma „gördülő gyűrű”

( rolling circle ) módon replikálódik

1., Az egyik szál pontszerűen bevágódik (nick)

2., Az ép szálat templátként használva a polimeráz a

törött szál 3’ végéhez új nukleotidokat épít körbe-körbe, miközben leszorítja az előtte lévő régi szálat

3., A leszoruló egyes szál kettős szállá egészül ki

4., A lineáris kettős szál méretre darabolódik és gyűrűkké zárul

5’

konkatemer

52

Az eukarióta kromoszóma sok replikációs origót tartalmaz

Egy diploid sejt

H timidin beépülésének képe a szintézis fázis elején

Drosophila politén kromoszóma

H timidin beépülésének képe a szintézis

fázis elején. A radioaktív jelek replikációs origókat jelölnek.

Az extranukleáris genetikai állomány és öröklődés

cpDNS

mtDNS

54

Az extranukleáris genom jellemzői

• cirkuláris

• nukleáris genomtól és sejtciklustól független replikáció

• az átírást végző DNS-polimeráz a magban kódolt, DE organellumspecifikus

• kópiaszám >1 (cpDNS és mtDNS esetében is)

változó, fajonként nagy eltérések lehetnek

• általában anyai uniparentális öröklődés, de léteznek kivételek

Az anyai öröklődés

1909 Carl Correns kísérlete csodatölcsérrel

zöld fehér zöld

Fenotípust kizárólagosan az anyai szülő határozza meg

• kloroplaszt gének öröklődésével magyarázható

• NEM azonos az anyai hatással!!!

(pl.csigaház tekeredésének iránya)

heteroplazmia

56

heteroplazmia

Telomerek

Cirkuláris DNS

Lineáris DNS – végreplikációs probléma

58

A végreplikációs probléma

Minden DNS replikáció során 50-100 bp szakasz elvész, fogy a DNS Primer: 10-12 nt > nemcsak ennek eltávolítása miatt?

60

A kromoszómák végeit a telomerek védik, aminek

fenntartását a telomeráz enzim végzi

A telomer sapkaként védi a kromoszómák végeit

Görög: telos (vég) + meros (rész)

62

A telomerek feladata

1. A szabad DNS vég védelme a lebomlástól

2. A replikációs rövidülés megakadályozása

Tetrahymena thermophila

(egysejtű protozoa)

A Tetrahymena telomer DNS szakasza megvédi a mesterséges kromoszómákat Élesztő sejtekben. A telomer szakaszban egy rövid szekvencia ismétlődik sokszorosan.

64

Telomer emberben

-TTAGGG- szekvencia ismétlődik körülbelül 2500-szor (sejt/szövet függő) Telomer kötő fehérjék kapcsolódnak hozzá (védelem) + DNS-szál visszahurkolódik

Egy átlagos testi sejtben a telomer minden sejtosztódás során rövidül  sejt életkor becslés Kivételek: ivarsejtek, őssejtek (és rákos sejtek!)

Ha túl rövid:

-telomer-kötő fehérjék nem tudnak kapcsolódni - visszahajlás (loop) nem tud kialakulni

- a kromoszómák végei „ragadóssá” válnak – kromoszóma átrendeződésekhez vezet - normálisan leáll a sejtosztódás (replikatív szeneszcencia), beindul az apoptózis

66

A telomer a kor előrehaladtával rövidül

Magzat tüdő Újszülött bőr (nő) Felnőtt bőr (férfi) Felnőtt bőr (férfi) Felnőtt bőr (nő) Felnőtt bőr (nő)

A donor kora és a telomer hossza közt szignifikáns az összefüggés

Oxidatív stressz hatására a telomer-vesztés ötszöröse lehet a normálisnak (500 bp x 4 osztódás = 2000 bp)

ribonukleo-protein (saját RNS templátról DNS-t szintetizál)

1. Katalítikus alegység (hTERT – human telomeráz reverz transzkriptáz) - transzkripcionálisan represszált a testi sejtekben (lsd. kivételek)

2. RNS alegység (hTERC human telomeráz RNS komponens) - templátja a telomer ismétlések szintézisének

- fajok közti erős konzerváltság a másodlagos szerkezetben

a TELOMERÁZ enzim fenntartja a telomerek hosszúságát

A Tetrahymena telomer szintézis modell

68

A telomer szintézisét a TELOMERÁZ enzim végzi

Egy normális sejt 60-70 osztódásra képes

A kromoszóma végéről egy szakasz minden osztódás során elvész A genetikailag nem stabil sejt normális esetben elpusztul

A rákos sejtek nem pusztulnak el, tovább osztódnak és még több hibát halmoznak fel, képesek

“halhatatlanná” tenni magukat

pl. a HeLa sejtvonal (Henrietta Lacks, 1951-ben izolálták)

Ezt a telomeráz enzim reaktivációjával magyarázzák

A rákos sejtek korlátlan számú osztódásra képesek

70

A rákos sejtekben a telomeráz enzim re-aktiválódik

ALT- alternative leghtening of telomeres

a daganatok kis hányadában NINCS megemelkedett telomeráz aktivitás – más mechanizmus is (?) még tisztázatlan

A telomereknek fontos szerepük van a rák, az öregedés és néhány örökletes betegség kialakulásában

Werner szindróma

- Autoszomális recesszív

- WRN génben mutáció (helikáz) - fokozott telomer vesztés

72

Daganatterápia telomeráz-gátlással?

szelektív, mert a normális szövetekben telomeráz-aktivitás alig van de! hatásuk az őssejtekre (?)

ALT-mechanizmus

„áttérve” erre a daganatsejtek rezisztensekké válhatnak

74