Humangenomets uppbyggnad, icke-kodande DNA och repetitiva sekvenser

Question 1

Vilken är teorin om mitokondriens ursprung?

Answer 1

Det kommer från en eukaryotliknande cell som intog en bakteriecell och började leva i symbios med varandra.

Question 2

Hur ser mitokondriegenomet ut?

Answer 2

Det är en cirkulär dubbelsträngad DNA-molekyl som är 16569. Det kodar för tRNA och rRNA för en egen translationsprocess för vissa proteiner. Geninnehållet är också mer tätpackat utan introner. Vissa gener transkriberas även genom polycystronisk transkritioni vilket innebär att flera gener transkriberas som ett långt transkript för att därefter klyvas till individuella produkter. Dessutom kan gener överlappa varandra och de olika proteinerna som kodas särskiljs endas utefter vilken läsram som används.

Question 3

Varför ärvs mitokondrie-DNAt från modern?

Answer 3

Spermier innehåller ett fåtal mitokondrier som brytsner i samband med fertilisering.

Question 4

Hur många gener kodar mitokondriegenomet för och hur många ger upphov till RNA?

Answer 4

37 gener, varav 24 ger upphov till tRNA eller rRNA. 13 subenheter till ETK kodas av mitokondrien

Question 5

Var finns majoriteten av de gener som kodar för protein i mitokondrien?

Answer 5

I kärngenomet även om vissa proteiner kodas i mitokondriegenomet.

Question 6

Varför är det bättre att koda proteiner i kärngenomet istället för mitokondriegenomet?

Answer 6

• Har en backup
• Bättre lagringssystem
• Bättre packning
• Bättre mutationsreparation

Lagringen är över lag säkrare i kärnan.

Question 7

Hur ser skillnaden mellan mitokondrie- och kärngenomet ut utifrån de olika delarna som bygger upp DNA?

Answer 7

• Proteinkodande gener: 1.1 vs 66%
• RNA-gener och regulatoriska sekvenser: 4 vs 32%
• Transposonbaserade repeats: 45 vs 0%
• Heterokromatin: 6.5 vs 0%
• Andra sekvenser: 44 vs 2%

Question 8

Vad är det diploida genomet?

Answer 8

Den dubbla uppsättningen av arvsmassa - kopior av varje kromosom

Question 9

Vad är det haploida genomet?

Answer 9

De kromosomer som bara finns i en kopia.

Question 10

Hur långa är kromosomer?

Answer 10

40-250 miljoner baspar långa och i snitt 5cm lång

Question 11

Vad är telomerer?

Answer 11

En region repeterat DNA på ändarna av kromosomerna som skyddar kromosomen från att brytas ner och förlora information.

Question 12

Vilken sekvens har telomererna?

Answer 12

TTAGGG repeterat många gånger.

Question 13

Hur långa är telomerer?

Answer 13

Längden varierar mellan arter medn är flera tusen baser lång hos människan. Telomeren blir kortare varje gång cellen delar sig då replikation inte kan gå enda ut till ändarna på DNA-sekvensen. i och med detta uppstår en naturlig begränsning på hur mycket cellen kan dela sig - vilket har lett till diskussioner rörande telomerens roll vid åldrande och livstid.

Question 14

Vad är telomeras?

Answer 14

Det är ett aktivt enzym i könsceller och stamceller och kan förlänga telomerer och därmed göra att DNA:t kan replikeras många fler gånger. I många cancerformer där det finns en ohämmad tillväxt finns ofta mutationer i telomeras som aktiverar den och gör att cellen kan delas utan att riskera att DNA går förlorad.

Question 15

Vad gör centromerern?

Answer 15

Avdelar p-armen från q-armen och är viktig för separationen av systerkromatider efter replikation. Dess placering gör även att man kan dela in kromosomerna i olika klasser.

Question 16

Vad består centromeren av?

Answer 16

En viss typ av repeterade DNA-sekvenser som kallas satellit-DNA

Question 17

Vad kallas de olika klasserna som kromosomer kan delas in i beroende på centromerplaceringen?

Answer 17

• Metacentrisk om den är i mitten
• Submetacentrisk om man får en halvlång kort arm
• Acrocentrisk om man i princip inte får någon p-arm

Question 18

Hur är nomenklaturen för olika karyotyper?

Answer 18

Det fungerar som adresslappar för kromosomerna, baserade på bandningsmönsterenligt följande:
Np/qxx.x

N - kromosomens numrering
p eller q - beroende på vilken arm det rör sig om
xx - vilket band
.x - vilket subband

Question 19

Hur kan kromosomrubbningar beskrivas med nomenklatur för karyotyper?

Answer 19

Tanslokation:
46,XX,t(8;14)(q24;q32)
Kvinnan med 46 kromosomer och en translokation mellan 8q24 och 14q32

Inversion:
46,XY,inv(11)(p11p15)

Deletion:
46,XY del(4)(p16.3)

Question 20

Hur ser den genetiska uppbyggnaden ut av de kodande sekvenserna?

Answer 20

• Endast 1.1-1.5% är kodande sekvenser
• Gener kan ligga på båda strängarna och överlappa varandra
• Små gener förekommer inom introner till andra gener
• Kan vara på samma ställe i DNA-sekvensen men läses av i olika riktningar.
• Vissa kan vara så korta som ett exon

Question 21

Varför är den mänskliga genomuppbyggnaden med kortare exon och längre intron fördelaktig?

Answer 21

Det ger mer utrymmer för komplex reglering av genuttryck eller komplexa splicingprocesser.

Question 22

Vad är duplicerade regioner i DNA:t?

Answer 22

Sekvenser som är större än 1kb som finns i två eller fler kopior med över 90% sekvensidentitet. Dessa utgör cirka 5% av humana genomet. De uppstår genom segmental duplikation.

Question 23

Var finns duplicerade regioner framförallt?

Answer 23

I telomerer och centromerer

Question 24

Vad kan vara nackdelen med duplicerade regioner?

Answer 24

Det kan leda till att icke-systerkromatider parar ihop sig och det blir fel i meiotisk överlappning.

Question 25

Vad är pseudogener?

Answer 25

Gener som inte längre fungerar men man ser att det är en kopia av en annan existerande gen.

Question 26

Vilka klasser finns det av pseudogener?

Answer 26

• Processade (ca 8000)
• Icke-processade (ca 4000)
• Inaktiverade gener (ett fåtal)

Question 27

Hur uppstår icke-processade pseudogener?

Answer 27

En hel genregion genomgår duplikation så att det först är två kopior av genen som är aktiva. Om det då är evolutionärt bara en kopia som ska fungera kommer kommer ena kopian att samla på sig mutationer så att antingen ett stopkodon uppkommer eller att promotorregionen påverkas så att genen inte längre uttrycks som den ska. Efter duplikation finns det ofta ingen selektiv fördel att ha det högre uttrycket av genen som uppkommer.

Question 28

Hur uppstår processade pseudogener?

Answer 28

En gen kommer att genomgå transkription varpå mRNA bildar cDNA via reverstranskriptas. Denna kommer att integreras i arvsmassa på en ny plats. Vi kommer då alltså att ha en processad gen som redan genomgått splicing och sådant. Det gör att genen inte har någon promotor eller intron så kan oftast inte uttryckas allt utan finns bara i genomet som en rest av mRNA. Då finns det inget selektivt tryck att den ska förbli samma utan den börjar då ansamla mutationer.

Question 29

Vilka öden kan duplicerade gener möta?

Answer 29

• Retention - om det visar sig vara fördelaktigt med mer genuttryck kommer båda generna att bli kvar och öka gendosen.
• Pseudogenisation - alltså att den ena ansamlar mutationer
• Neofunktionalisation - den ena genen kommer efter initial duplikation ansamla förändringar på så sätt att den får en ny funktion. Detta kan vara att den antingen uttrycks i en ny vävnad eller börjar binda något annat protein och finns då kvar i cellen.
• Subfunktionalisation - De ursprungliga funktionerna hos genen delas upp på de båda generna som bildas. Det kan exempelvis vara så att generna blir specifika för olika organ.

Question 30

Vad är transposala element?

Answer 30

Sekvenser som kan kopiera sig själva och flytta sig i genomet.

Question 31

Hur stor del av genomet upptar olika repetitiva element?

Answer 31

Cirka 42%

Question 32

Vilka är de olika klasserna av transbosomer?

Answer 32

• Long interspersed nuclear elements (LINEs)

• 20000-40000 kopior i genomet
• Cirka 21% av genomsekvensen

•Short interspersed nuclear elements (SINEs)

• ALU repeats
• 1500000 kopior
• Cirka 13% av genomsekvensen

•Long terminal repeat transposable element (LTR)
- Cirka 8% av genomet

Question 33

Vilket förhållande har arvsmassan till olika repetitiva element?

Answer 33

Arvsmassan har under ett evolutionärt perspektiv lärt sig att leva med och fungera genom dem. Arvsmassan har många mekanismer för att förhindra att de kopierar sig mer - exempelvis genom att packa kromatin, metylera och så vidare.

Question 34

Hur styrs regleringen av transkription?

Answer 34

Genom inbindning av genreglerande proteiner till DNA. Dessa kan dels ha en aktiverande roll (activator proteins) dels en inhiberande roll (repressor proteins).

Question 35

Vad gör activator proteins?

Answer 35

Hjälper till att rekrytera preinitieringskomplexet. Denna kan ligga så långt från genen som en megabas. Den fungerar genom en konformationsändring i DNA vilket gör att den kommer i kontakt med promotorn och kan då, genom activatorn som är bunden till enhancer, binda till mediator vilken innehåller många av proteinerna i preinitieringskomplexet och rekryterar denna till promotorn.

Question 36

Vad är en enhancer?

Answer 36

Ett DNA-element som ökar transkriptionen av en gen när det bindet. Den kan ligga mycket långt ifrån genen de reglerar. Vissa gener kan även ha många olika enhancers som antingen fungerar i synergi med varandra eller i olika celltyper. Utöver preinitieringskomplexet rekryterar de även kromatinmodifierande enzym - HAT och SWI/SNF där det sistnämnda är öppnar upp kromatinet.

Question 37

Vad är en enhanceosome?

Answer 37

Enhancor med bundna activator proteins.

Question 38

Hur kan activator binding göra DNA tillgängligt?

Answer 38

Det kan attrahera olika kromatinremoduleringskomplex som framförallt reglerar hur långt linker-DNA är och hur tight nukleosomerna binder till varandra.

Question 39

Hur sker initiering av transkription?

Answer 39

1. En initial inbindning av activator till packat kromatin
2. Kromatinremoduleringskomplex binder in
3. Kromatin får en mer öppen struktur
4. Modifiering av histoner genom histonmodifieringsenzym
5. Dessa steg möjliggör inbindning av ytterligare aktiverande proteiner
6. Pre-initieringskomplexet formas vid promotorn
7. Rearrangemang av proteiner i pre-initieringskomplexet
8. Transkription initieras

Question 40

Vad är insulatorelement?

Answer 40

Element som blockerar effekten av omgivande positiva/negativa DNA-element. De skapar på så sätt oberoende funktionella domäner i DNA-sekvensen som kan innehålla en eller flera gener. Detta på grund av att enhancer kan teoretiskt påverka gener på båda sidor om sig och insulator kan då styra vilken/vilka gener som enhancern ska påverka. Kromosomen kan då delas upp i transkriptionsreglerade områden där gener i samma område är ofta är transkriptionellt aktiva på samma sätt.

Question 41

Vad är TADs?

Answer 41

Topologically associated domains. Det är gränser i genen som binder till kärnmembranet och bildar en gräns mellan olika regioner i DNA:t.

Question 42

Vad är ncRNA?

Answer 42

non-coding RNA, vilka är viktiga för reglering av mRNA och av genuttryck.

Question 43

Vad gör microRNA?

Answer 43

Styr post-transkriptionell reglering av vissa mRNA som genom vissa processer inte ska translateras. Det finns över 1000 microRNA som reglerar 60% av alla gener och har viss ospecificitet vilket gör att de kan reglera uttryck på många olika gener.

Det kommer alltså att reglera mängden mRNA vilket kan vara fördelaktigt om mycket mRNA är tillverkat men sedan ges signaler om att det är något fel på molekylen.

Question 44

Hur bildas miRNA?

Answer 44

1. Transkriberas av RNApol II och bildar pri-miRNA spm jar en karaktäristisk sekundärstruktur
2. RNaset drosha verkar på de dubbelsträngade delarna av RNA.
3. Drosha binder tillsammans med proteinet DGCR8 och klyver bort ändarna på pri-miRNA.
4. Pre-miRNA bildas som är dubbelsträngad men den komplementära parningen är inte perfekt.
5. Pre-miRNA transporteras ut till cytoplasman med exportin 5.
6. Ute i cytoplasman binds pre-miRNA av TAR Binding Protein (TRBP) och RNAset Dicer.
7. Dicer klyver pre-miRNA så “öglan” försvinner för att bilda ett dubbelsträngat miRNA - 21-23 baser långa med 2 oparade nukleotider på varje ände. Det kommer att innehålla många mismatches i miRNA.
8. Ena strängen används sedan för att bilda ett RNA-Induced Silencing Complex (RISC)

Question 45

Hur reglerar miRNA mRNA?

Answer 45

• Argonaut bildar tillsammans med miRNA RISC.
• RISC binder sedan till 3’-UTR mRNA
• En svag bindning leder till translationell inhibering och till slut till degradering av mRNAt
• En bra komplementär bindning av miRNA i ett RISC leder till klyvning av mRNA. Denna process - så kallad slicing - genomförs av speciella endonukleaser vilket leder till att mRNA går av på mitten och resulterar i två fria ändar som blir mål för nukleaser. Det leder till en snabb degradering av mRNAt.

Question 46

Vad är P bodies och vad gör de?

Answer 46

Det är specifika områden i cytoplasman där RNA bryts ner. mRNA med bundna RISC associeras med dessa (cytoplasmatic RNA processing bodies). De innehåller enzym som kan ta av 5’-cap från mRNA - kallat decapping enzymes) och 5’-3’-exonukleaser som bryter ner RNA.