Uspořádání genomu v jádře buňky a jeho možná funkce. Stanislav Kozubek Biofyzikální ústav AV ČR, v.v.i.

Transkript

1 Uspořádání genomu v jádře buňky a jeho možná funkce Stanislav Kozubek Biofyzikální ústav AV ČR, v.v.i.

2 DNA, nukleosomy, chromatin, chromosom a genom Chromosom Genom v jádře Buňka Chromatinové vlákno Nukleosomy DNA

3 Chromosomy-počty Člověk 46 Myš 40 Drosofila melanogaster 8 Mikroskopický červ Caenorhabditis elegans 12 Kvasinky (Sacharomyces cerevisie) 32 Arabidopsis thaliana (rostlina) 10 Žába Xenopus laevis (jižní Afrika) 36 Pes 78 Kuře 78 Pšenice 20 Mravenec Myrmecia pilosula 2 Červ Parascaris equorum 2 Rak Cambarus clarkii 200 Přeslička rolní Equisetum arvense 216

4 Lidské chromosomy obarvené pomocí multicolor FISH

5 Lidské chromosomy obarvené pomocí multicolor FISH

6 Chromosomová teritoria (CT) První experimenty, které vedly k závěru, že chromosomy se nacházejí v jádře v podobě ohraničených domén, byly pokusy T. Cremera v létech Zavedení FISH podstatně urychlilo poznání chromosomů jak v mitóze, tak v interfázi.

7 Chromosomová teritoria se nepřekrývají; ani jejich části

8 Funkční uspořádání genomu v jádře Jadérko Chromatinová vlákna Chromosom Proteinový komplex Jaderné pory Transkripce

9 Náhodný (Gausovský) polymer v jádře buňky (jsou zobrazeny 2 body polymeru R a R ) L L 2 n

10 Střední vzdálenosti mezi genetickými elementy v závislosti na jejich molekulárních vzdálenostech (H. Yokota et al., 1995) Mean squared distances [μm 2 ] Genomic separation [Mbp] Mean squared distances [μm 2 ] Genomic separation [Mbp]

11 A random-walk/giant-loop model Interfázního jádra (Sachs et al., 1995) flexible backbone" straight for visual clarity only "gian" loops"

12 Polární struktura chromosomových teritorií Go-lymphocytes Stimulated lym CT 8 CT 8 <45 o CT 9 CT 9 CT 8 in Go-lymphocytes CT 19 CT 19

13 Porovnání s náhodným n modelem: 3 elementy náhodně generovány ny po rotaci 60 o Side view elements are located in one plane

14 Orientace CT v jádrech j buněk 1) Buněčná jádra rotujeme tak, abychom dostali CT na jednu osu 2) Vypočte se střední poloha CT na této ose Mean position

15 Orientace CT v jádře buňky Distance along y-axis [μm] TP53 RARa cen17 Probability density [x10-2 ] RARA TP-53 cen Distance in % of radius Distance along x-axis [μm] Výše popsaným způsobem dostaneme reálné polohy genetických lokusů vzhledem k CT a také do značné míry vzhledem k jádru. Transformace odstraní fluktuace polohy genetických elementů jež jsou způsobené fluktuacemi CT uvnitř jádra

16 Polohy chromosomů v jádře se mohou lišit Chr. 22 Chr. 8

17 Vzdálenosti genů od středu jádraj ABL, IGH a C-MYC v buňkách HL-60 a v G 0 lymfocytech

18 Úhlové distribuce Rozdělení úhlů mezi spojnicemi střed jádra gen pro homologní dvojice genů. Jeden z genů dvojice leží na ose x, druhý je v ploše obrázku. A ABL Lateral distance [μm] Distance from the center of nucleus [μm]

19 Rozdělen lení úhlů gen-st střed-gen Geny ABL, c-myc, BCR, a centromera C1 v buňkách Go-lymfocytů Angle

20 Struktura chromosomových teritorií Závěry o uspořádání chromosomů v jádře buňky: 1) Vytvářejí teritoria (útvary v prostoru, CT). 2) Velkou úlohu při formování jejich struktury hraje náhoda; struktura CT však není zcela náhodná. 3) Polohu teritoria v jádře buňky ovlivňuje do značné míry náhoda; zcela náhodná však tato poloha a orientace nejsou.

21 Regulace exprese lidského genomu Regulace transkripce na úrovni genetického kódu Regulace na úrovni chromatinu a jádra Úroveň sestřihu, translace, degradace RNA a proteinu

22 Transkripční mapa genomu (Caron et al., 2001)

23 Positions of all chromosomes in nuclei of different cell types Centre to domain distances [%] Lymphocytes Average expression [tags/105 tags]

24 Umístění genetických elementů HSA 17 vzhledem ke středu jádra a jejich umístění na transkripční mapě TP53 cen17 Probability Distance in % of radius Distance in % of radius TP53 ISO-p centromere p13.1 p11.2 RARA Iso-p Distance in % of radius Probability Distance in % of radius RARA q12-q22.1 Probability Iso-q ISO-q q21.3-q Distance in % of radius

25 Umístění genetických elementů HSA 17 a HSA 12 na transkripčních mapách chromosomů TP53 Iso p RARα Iso q Cen17 77, 71, 156 C12, , 140, , 103, 189, , 97, 116 Lukášová et al., 2002 Okumura et al., 2000

26 Vliv genové exprese na strukturu chromosomových teritorií Volpi et al., JCS, 2000

27 Eva Bártová Lenka Stixová Soňa Legartová Veronika Foltánková Jana Poláková Martin Falk Lenka Štefančíková Emilie Lukášová Iva Falková Alena Bačíková

28 Děkuji za pozornost