skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov kordiš dušan

78
Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan Odsek za biokemijo in molekularno biologijo, IJS, Ljubljana

Upload: meadow

Post on 11-Jan-2016

59 views

Category:

Documents


0 download

DESCRIPTION

Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan Odsek za biokemijo in molekularno biologijo, IJS, Ljubljana. Nekodirajoča DNA zavzema pretežni del genomov pri eukariontih. Genomska arhitektura. Chromosome organization. Evolucija kromosomov. - PowerPoint PPT Presentation

TRANSCRIPT

Page 1: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov

Kordiš DušanOdsek za biokemijo in molekularno biologijo, IJS, Ljubljana

Page 2: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

Nekodirajoča DNA zavzema pretežni del genomov pri eukariontih

Page 3: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

Human Genome At Glance

Page 4: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

Genomska arhitektura

Page 5: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan
Page 6: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

Chromosome organization

Page 7: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

Human Chromosome Y:Organization of Genes and DNA Elements

Heterochromatin *

*Centromere

Euchromatin

Page 8: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

Evolucija kromosomov

Page 9: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

2

• Coding sequence gene not continuous

Eukaryote gene structure

Page 10: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

Fig 18-8

Page 11: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan
Page 12: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan
Page 13: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan
Page 14: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

9

Intergenicregions(junk)

Introns (junk)Exons

1.5%1.5%

The genome is empty.The genome is empty.

Page 15: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

19

Junk DNAJunk DNAJunk can sometimes be useful:Junk can sometimes be useful:

•• spare parts (spare parts (modulesmodules))

•• motif donors (motif donors (exon exon shufflingshuffling))

•• molds (molds (gene conversiongene conversion))

Page 16: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

7

C-value paradox: ComplexityC-value paradox: Complexitydoes not correlate withdoes not correlate withgenome size.genome size.

3.4 10 9 bpHomo sapiens Amoeba dubia

6.7 1011 bp

Page 17: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan
Page 18: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

The forces affecting genome size evolution

Page 19: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

6

K-value paradox: ComplexityK-value paradox: Complexitydoes not correlate withdoes not correlate withchromosome number.chromosome number.

46 250

Ophioglossum reticulatumHomo sapiens Lysandra atlantica

1260

Page 20: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

8

N-value paradox: ComplexityN-value paradox: Complexitydoes not correlate with genedoes not correlate with genenumber.number.

~31,000 genes~31,000 genes ~26,000 genes~26,000 genes ~50,000 genes~50,000 genes

Page 21: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

Velikosti genomov in število genov pri

prokariontih in eukariontih

Page 22: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

Funkcionalna evolucija nekodirajoče DNA

Page 23: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

Human vs. Chimpanzee

• A difference every 100 bases.• A new transposon every 50000 bases• Two chromosome in one species fused

compared to the other.

Page 24: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

Human vs. Mouse

• In general 40% of bases have changed.• In functional regions only 15% of bases have

changed.• Looking for conserved regions between human

and mouse helps identify functional parts ofhuman genome.

Page 25: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan
Page 26: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

Deletion of a conserved noncoding sequence selectively reduces expression of cytokine genes over a long distance

Page 27: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

Percent identity plots comparing human and other sequences at three loci (CNS:red, exons:blue, introns:yellow)

Page 28: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

Cis-regulatorna evolucija

gradual, stepwise accumulation of sites that impart quantitatively greater Hox influence over gene regulation

Page 29: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

Important regulatory inventions leading to the crown group bilaterians

Page 30: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

Cis-regulatory logic during development

Page 31: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

Introni: izvor, evolucija in vloga v genomu

Page 32: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan
Page 33: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

• What are introns?

Stretches of DNA that are transcribed intoRNA, then spliced out during RNA processing.

Contain functional elements such as splicingsignals, regulatory promoters, and other genes.

Evolve very rapidly in size and content.

Constitute 26%, 11%, and 24% of thenematode, fly, and human genomes.

What forces drive the evolution of intron size?

Page 34: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

I ntrons are transcribed

Precursor RNA (dotted)hybridized with DNA (red)

Mature mRNA (dotted)hybridized with DNA (red)

I nton Size - 10 to 100,000 nt

I ntrons vary in size and number

Page 35: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

Gene numbers do not increase as much as expected with complexity:

- worm and fly gene numbers (12-14,000) are only about twice those of yeast (6,000) and P. aeruginosa (5,500)- mammalian (human, mouse) gene numbers (~30,000) are only about twice those of invertebrates.

The complexity problem

This suggests that:- animals have a relatively stable core proteome, whose components are multitasked in differentiation and development- variations in phenotype occurs mainly by variation in the control architecture (unlike prokaryotes)

Phenotypic variation in mammals is primarily associated with noncodingregions:- only ~10,000 out of ~3,000,000 polymorphisms between individual humans (0.3%) occur in protein coding sequences- only 1% of genes are different between humans and mice.

98% of transcriptional output in humans is noncoding RNA

Page 36: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan
Page 37: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

Transpozicijski elementi

Page 38: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

B. McClintock: odkritje transpozicijskih elementov/dinamični genom

Page 39: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan
Page 40: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan
Page 41: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

Four classes of parasitic DNA elements arefound interspersed throughout the human genome

Retrotransposons

Transposons

1.

2.

3.

4.

Page 42: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

Kakšen % genoma zavzemajo TE

Page 43: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

Spremembe sesalskih genomov po retrotranspoziciji L1 elementov

Page 44: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

Do LINEs Mediate Genomic Plasticity ?

12.5%13.1%SINEs

8.3%8.3%LTRs

45.3%20.4%LINEs

Breakpoints(245 Mb)

Whole Genome(3300 Mb)

Page 45: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

Kakšen vpliv ima načina razmnoževanja

na preživetje TE

nespolno

spolno

Page 46: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

Povezava ekologije in velikosti genoma: dinamika genoma na populacijskem nivoju

Page 47: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

Kako lahko Alu elementi poškodujejo človeški genom ?

Homologna rekombinacija med Alu elementi

Page 48: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan
Page 49: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan
Page 50: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

Fig 18-11

Page 51: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

Mechanisms of genome expansion in the grass genomes

Page 52: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

Mechanisms leading to genome contraction

Page 53: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan
Page 54: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

Genome organization and gene distribution in cereal genomes

Page 55: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

Model for evolution of gene-containing regions in cereal genomes

Page 56: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

Genome defense and regulation by small RNAs

Page 57: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan
Page 58: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

RNA interferenca

Page 59: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

MicroRNA (miRNA)

Page 60: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

Epigenetsko utišanje transpozicijskih elementov

Page 61: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

Model of the origin and potential functions of

microRNAs

Page 62: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

Model delovanja RNAi

Page 63: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

How RNAi initiates chromatin silencing

Page 64: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

Chromatin remodeling, transcriptional activity and heterochromatin

Page 65: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

Epigenetsko reprogramiranje med gametogenezo

Page 66: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

chromatin remodeling and demethylation during

(a) normal fertilization and

(b) during cloning by nuclear transfer.

Page 67: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

epigenetics as process inducing differentiated cellular states

Chromatin as a template of genetic inheritance

Page 68: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

Central role for RNAi in genome maintenance: RNAi responds not only to exogenous nucleic acids but also to endogenous DNA parasites

Page 69: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

Uporaba RNA interference v funkcionalni genomiki in medicini

Page 70: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

Potencialna uporaba RNAi pri sesalcih

Page 71: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan
Page 72: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan
Page 73: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

RNA interferenca in zdravljenje raka

Page 74: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

(a) A viral vector delivers a gene encoding a small interfering RNA (siRNA) to silence the mutant allele of a cancer-causing gene. The vector encodes a short RNA hairpin, which is processed in the cytoplasm by the ribonuclease Dicer into the siRNA.

(b) The siRNA acts as a sequence-specific guide for the RNA-induced silencing complex (RISC) to target cleavage of the mRNA from a specific gene, in this case, the mutant allele of an oncogene.

Page 75: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

The genetic flow and mRNA processing, indicating possible strategies for gene regulation

Page 76: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

HIV infection and replication have been targeted by RNA interference (RNAi) (red).

preventing HIV entry and subsequent replication: RNAi has also been used to suppress CD4 expression in host cells (blue).

Page 77: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

Inhibicija HIV replikacije z RNAi

Page 78: Skrivnostni svet nekodirajočih delov evkariontskih genomov Kordiš Dušan

Future possibilities for therapy treatments using RNAi vectors