1. Δομή και λειτουργία χρωμοσωμάτων και γονιδίων

Χαρακτηριστικά γνωρίσματα του DNA:

Η δομή του DNA φέρει τη χημική πληροφορία:μεταβιβάζεται ως γενετική πληροφορία από κύτταρο σε κύτταρο και από γενιά σε γενιά

Διατήρηση και κωδικοποίηση τεράστιων ποσοτήτων πληροφοριών

Συμπληρωματικότητα (ημισυντηρητικός τρόπος αντιγραφής)Η συμπληρωματικότητα προστατεύει από απώλεια πληροφορίας σε περίπτωσηκαταστροφής του DNA

Δυνατότητα επανασύνδεσης των συμπληρωματικών αλυσίδων (επανένωση ήυβριδισμός)

Figure 4-3 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

DNA:ΔεοξυριβόζηΑζωτούχα βάσηΦωσφορική ομάδα

Δεξιόστροφη ελικοειδή δομή

Figure 4-4 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Πουρίνες

Πυριμιδίνες

Figure 4-5 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Ελλάσων αύλακα

Μείζων αύλακα

Οι φωσφοδιεστερικοί δεσμοί 3’-5’συνδεόυν τα διαδοχικά νουκλεοτίδια:

Νουκλεόσωμα:

Η βασική μονάδατης χρωματίνης

Figure 4-23 (part 2 of 2) Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Ιεραρχικά επίπεδα οργάνωσης χρωματίνης:

H1H2AH2BH3H4

2 αντίγραφα

5 κύριοι τύποι ιστονών:Νουκλεόσωμα

Το μιτοχονδριακό χρωμόσωμα

~36 γονίδια~16Kb

Το DNA του ανθρώπινου γονιδιώματος

Μοναδιαίο, μη επαναλαμβανόμενο 75% (~10% του γονιδιώματος κωδικεύει γονίδια)

Επαναλαμβανόμενο, διάσπαρτο 15%(ανάμεσα σε γονίδια. 2 οικογένειες [Alu και L1)

Δορυφορικό DNA 10%(έντονα επαναλαμβανόμενο, κεντρομερή, τελομερή)

Γονίδιο:

Figure 6-8a Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

πρωτεΐνες

Το κεντρικό δόγμα στη βιολογίαΓενικόΕιδικό

Τα γονίδια διακρίνονται βασικά σε 2 κατηγορίες:

• Στα γονίδια που μεταγράφονται σε mRNA και μεταφράζονται στησυνέχεια σε πολυπεπτιδικές αλυσίδες και

• Στα γονίδια που μεταγράφονται και παράγουν tRNA, rRNA και snRNA.

Υπάρχουν 4 είδη μορίων RNA που παράγονταιμε τη μεταγραφή:

Το αγγελιοφόρο RNA(mRNA): μεταφέρουν τηνπληροφορία του DNA γιατην παραγωγή μιαςπολυπεπτιδικής αλυσίδας.

Το μεταφορικό RNA (tRNA):συνδέεται με ένασυγκεκριμένο αμινοξύ και τομεταφέρει στη θέση τηςπρωτεϊνοσύνθεσης.

Το ριβοσωμικό RNA (rRNA):συνδέονται με πρωτεΐνες καισχηματίζουν το ριβόσωμα, έναοργανίδιο απαραίτητο για τηνπραγματοποίηση τηςπρωτεϊνοσύνθεσης.

Το μικρό πυρηνικό RNA(snRNA): μικρά μόρια RNA, ταοποία συνδέονται με πρωτεΐνες. Καταλύουν την ωρίμανση τουmRNA, μια διαδικασία πουγίνεται μόνο στουςευκαρυωτικούς οργανισμούς.

Δομή και οργάνωση γονιδίων

Σημαντικές για την έξοδοαπό το πυρήνα και τη σταθερότητα

του RNA

Ευχρωματίνη: ζώνες R στοκαρυότυπο που βάφονταιλιγότερα έντονα

Που βρίσκονται;

• Ο μηχανισμός της μεταγραφής του DNA είναι οίδιος σε όλους τους οργανισμούς.

• Το ένζυμο που καταλύει τη μεταγραφή είναι ηRNA πολυμεράση.

• Στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς υπάρχουντρία είδη αυτού του ενζύμου. Το είδος πουειδικεύεται στη σύνθεση mRNA λέγεται RNAπολυμεράση II.

• Στον πυρήνα κάθε ανθρώπινου κυττάρουυπάρχουν 40 000 περίπου μόρια RNAπολυμεράσης II.

Μεταγραφή:

Οργάνωση του υποκινητή:

Μεταγραφή

Η RNA πολυμεράση II προσδένεται στον υποκινητή(promoter) με τη βοήθεια μεταγραφικών παραγόντων.

Αμέσως μετά, η RNA πολυμεράση II ξεδιπλώνει τις αλυσίδεςτου DNA και ξεκινά η μεταγραφή.

Η RNA πολυμεράση II τοποθετεί νουκλεοτίδια RNAαπέναντι από τα νουκλεοτίδια της μη κωδικής αλυσίδας τουDNA (αδενίνη- ουρακίλη αντί θυμίνη).

Τα νουκλεοτίδια RNA συνδέονται με φωσφοροδιεστερικούςδεσμούς και η μεταγραφή, όπως και η αντιγραφή, έχει προσανατολισμό 5΄ προς 3΄.

Η μεταγραφή θα σταματήσει στις ειδικέςαλληλουχίες λήξης της μεταγραφής, οι οποίεςεπιτρέπουν την απελευθέρωση του RNA.

2. Επιδιορθωτικοί μηχανισμοί γενετικών βλαβών

Συνέπειες των γενετικών βλαβών

GG

TT

TT

G*G

G

G

Altered DNA metabolism

mutationschromos. aberrations

blocked transcriptionblocked replication

cell cycle delay/arrestcell death

misreplication, aberrant chromos. segregation

mutationschromos. aberrations

misreplication, aberrant chromos. segregation

blocked transcriptionblocked replication

cell cycle delay/arrestcell death

DNA repair systems

Ενδογενείς: ROS, alkylation

Εξωγενείς: UV, radiation, chemicals

2. Περιβαλλοντικές πηγές βλαβώνΈκθεση σε χημικά (e.g. καπνός, τρόφιμα, βιομηχανικά απόβλητα, χημειοθεραπευτικά)

Iοντίζουσα ακτινοβολία (e.g. X-ray, γ-ray)

Έκθεση σε υπεριώδη ακτινοβολία

1. Ενδογενείς πηγές βλαβώνΜεταβολισμός (ελεύθερες ρίζες): η ζωή είναιδεμένη με το Ο2

Κοινές DNA βλάβες- 1

1. Υδρόλυση: A, G2. Απαμίνωση: C U, A Hypoxanthine

Σημείωση: Η κυτοσίνη μπορεί να απαμινωθεί αυθόρμητα και να δώσει ουρακίλη. Δηλαδή, C U μεταλλαγές.Για αυτό τα ευκαρυωτικά κύτταρα πρόσθεσαν ένα CH3 στην ουρακίλη θυμίνη στο DNA.

Κοινές DNA βλάβες- 2

Διμερισμός πυριμιδινών (UV). Συνολικές βλάβες: 104 - 106 βλάβες/μέρα!

• Base Loss (απώλεια βάσης)• Base modification & Deamination (μετατροπή/απαμίνωση)

Chemical Modification (χημική μετατροπή)• Photodamage (φωτοβλάβες)• Inter-strand crosslinks (διακλωνικές διασυνδέσεις)

• DNA-protein crosslinks (DNA-protein διασυνδέσεις)• Strand breakage (θραύση μονόκλωνη/δίκλωνη)

Types of DNA damage

Types DNA Repair

• Photolyase• De-alkylation proteins (not catalytic)

• Base Excision Repair• Nucleotide Excision Repair (GG and TC)

• Recombination Repair• Error-prone Repair• Double strand Break Repair (if time permits)

Cyclobutane Pyrimidine Dimers (CPD) 6-4 PhotoProducts (6-4PP)

UV

T - T5’

5’3’

3’

Διμερή πυριμιδινών

Φωτολυάσες:

• Ενζυματική φωτοαντίδραση• Αποδιμερισμός σε 1 μόνο βήμα• Ειδικότητα στη βλάβη• Δεν υπάρχουν στα θηλαστικά με πλακούντα

Φωτολυάσες

Ορατό φωςεπιδόρθωση

Αποδέσμευση

Οχι στα θυλαστικά μεπλακούντα:

CPD Photolyase

Tasmanian rat kangaroo

Διαγονιδιακά ποντίκια για τη CPD-φωτολυάση

CPDs

Non-CPD lesions

UV

Λιγότερο ερύθημα!Λιγότερη υπερπλασία!

Λιγότεροι όγκοι στα διαγονιδικάποντίκια με CPD φωτολυάση!

Επιδιορθωτικοί μηχανισμοί στα θηλαστικά

Μονοπάτι Βλάβη

global genome NER distorting, bulky

transc/tion-coupled NER transcription-blocking

base excision repair (BER) subtle base modification

homologous recombination double strand break

endjoining double strand break

cross-link repair interstrand cross-links

damagerecognition

excision

DNA synthesis + ligation

HHR23BXPC XPE

DDB2UV UV RNA pol II

CSA

XPA

XAB2UVS

TFIIH

CSB

CSA

TFIIHXPGRPAXPA

XPG

ATPXPB XPD

ERCC1/XPF

RPA

XPGERCC1/XPF

DNA ligaseDNA pol δ/εPCNA, RFC

???

globalgenome

NER

transcription-coupled

NER

helix-unwinding+

damage verification

TTDA

Nucleotide Excision Repair (NER)

Global genome nucleotide excision repair (GG-NER)

RPA

ERCC1XPF

XPGERCC1/XPF XPA

Global genome nucleotide excision repair (GG-NER)

DNA polymerase δ/ε, RFCPCNA and DNA ligase

Global genome nucleotide excision repair (GG-NER)

CSB

RNA polymerase IIRNA

Transcription-coupled nucleotide excision repair (TC-NER)

XPG ERCC1/XPF

RPA

XPA

Transcription-coupled nucleotide excision repair (TC-NER)

DNA polymerase δ/ε, RFCPCNA and DNA ligase

Transcription-coupled nucleotide excision repair (TC-NER)

Damagerecognition

Excision

DNA synthesis + ligation

HHR23BXPC

DDBUV UV RNA pol II

CSA

XPATFIIH

CSB

CSA

ATPXPB XPDRPA

XPGERCC1/XPF

DNA ligaseDNA pol δ/εPCNA, RFC

Helix-unwindingDamage verification

TTDA

Cell death/Senescence (?)

Aging

Mutations

Cancer

GG-NER TC-NER

Nucleotide Excision Repair (NER) - Patients

damagerecognition

excision

DNA synthesis + ligation

HHR23BXPC XPE

DDB2UV UV RNA pol II

CSA

XPA

XAB2UVS

TFIIH

CSB

CSA

TFIIHXPGRPAXPA

XPG

ATPXPB XPD

ERCC1/XPF

RPA

XPGERCC1/XPF

DNA ligaseDNA pol δ/εPCNA, RFC

???

globalgenome

NER

transcription-coupled

NER

helix-unwinding+

damage verification

NER-deficient syndromes a.o.XP, CS, TTD

TTDA

damagerecognition

excision

DNA synthesis + ligation

HHR23B

XPC XPEDDB2

UV UV RNA pol II

CSA

XPA

XAB2UVS

TFIIH

CSB

CSA

TFIIHXPGRPAXPA

XPG

ATPXPB XPD

ERCC1/XPF

RPA

XPGERCC1/XPF

DNA ligaseDNA pol δ/εPCNA, RFC

???

globalgenome

NER

transcription-coupled

NER

M

M

M

M

M

MM

M

mouse mutants

helix-unwinding+

damage verification

M

MMM

Nucleotide Excision Repair (NER) - Mouse mutants

NER-deficient syndromes a.o.XP, CS, TTD

TTDA

- Φωτο (UV) ευαισθησία- Αλλαγές στο δέρμα- Ατροφικό δέρμα- Καρκίνος του δέρματος >2000x↑)- Νευροεκφυλισμός7 γονίδια:

XPA - XPG

Μελαχρωματικήξηροδερμία (XP)

Αυτοσωμική υπολειπόμενη

Cockayne Syndrome (CS)

- Φωτο (UV) ευαισθησία- Αναπτυξιακές διαταραχές- Νευροεκφυλισμός- Εκφυλισμός αμφιβλ/δούς- Καχεξία- ΣτειρότηταΟχι καρκίνος!2 γονίδια: CSA,CSB

7 y3 y7 y

- hotosensitivity- chthyosis- rittle hair and nails- mpaired intelligence

dysmyelination of CNS- ecreased fertility- hort stature- 3 genes involved:

PIBI

DS

XPB, XPD, TTDA

No skin cancer!

T t d TTDrichohio ystrophy ( , )PIBIDSΤριχοθιοδυστροφία (TTD)

- Φωτο (UV) ευαισθησία- Ιχθυωση- Νευροεκφυλισμός- Στειρότητα- μικρό ανάστημαΟχι καρκίνος!3 γονίδια: XPB, XPD, TTDA

- Ιχθύωση

μόνο στο TTD

Συμπεράσματα για τα NER σύνδρομα

1. Μελαγρωματική ξηροδερμία (XP):- αυξημένη εμφάνιση καρκίνου

2. Σύνδρομο Cockayne (CS)/Τριχοθιοδυστροφία (TTD)

- δεν εμφανίζουν καρκίνο- Κλινική εικόνα προγηρίας

ΑλλαΑλλα!!- όλα τα σύνδρομα αφορούν το ίδιο μονοπάτιεπιδιόρθωσης

Μπορούν τα ζωικά μοντέλα να μιμηθούν τουςασθενείς?

Φαινότυπος στα TTD ποντίκια

TTD mouse, 4-5 weeks

Παρόμοια χαρακτηριστικά μεταξύ TTD ασθενή/ποντικού

Γκρίζα μαλλιά στα TTD ποντίκια

wt TTD

Κύφωση

Σκελετικές ανωμαλίες σταστα TTD ποντίκια

Προγηρία στο TTD

Ποντικοί (cohort study) Ασθενείς

- μείωση διάρκειας ζωής - μείωση διάρκειας ζωής

- καχεξία, σαρκοπενία - καχεξία

- πρώιμη στειρότητα (θυληκά) - αναστ. σεξ/κής ωρίμανσης

- Δερματολογικές ανωμαλίες - γηραλαία εμφάνισηHair depigmentation, sebaceous gland hyperplasia,

- σκελετικές ανωμαλίες - σκελετικές ανωμαλίεςkyphosis, osteoporosis, osteosclerosis osteoporosis

- σταδ. νευροεκφυλισμός - σταδ. νευροεκφυλισμός

Και σε οτι αφορά τη προδιάθεση στο καρκίνο?

Παρόμοια χαρακτηριστικά μεταξύ TTD ασθενή/ποντικού

Μείωση νεοπλασιών στα XPDTTD ποντίκια

C57Bl/6 XPDTTD

(n=40) (n=35)

Νεοπλάσματα (αιτία θανάτου) 35% 20%

Αρ. ποντικών με όγκους 75% 54%

Συν. Αριθμός όγκων 42 22

Μ.Ο. αριθμού όγκων/ποντικό 1.1 0.6

- sun (UV) sensitivity- pigmentation abnormalities- dry, atrophic skin- skin cancer (>2000x↑)- accelerated neurological

degeneration

- 7 genes involved:XPA - XPG

Xeroderma Pigmentosum (XP)(predominantly a GG-NER defect)

- sun (UV) sensitivity- growth failure- neurological abnormalities

(dysmyelination)- retinal degeneration- accelerated aging

2 genes: CSA,CSBno skin cancer !

Cockayne Syndrome (CS)(TC-NER defect)

Global Genome Nucleotide Excision Repair

Transcription coupled Nucleotide Excision Repair

GG

TT

TT

G*G

G

G

mutations

blocked transcription & replication

cell cycle arrest & apoptosis

misreplication

καρκίνος Προγηρία

GG-NER TCR, DSB, ICLr

Βλάβες στο NER επάγουν πρώιμη γήρανση ή καρκίνο

X X