Förändringar i genomet -mutationer och rekombination

Molekylärbiologi, T3 Ht-11

Biomedicinska analytikerprogrammetKarolinska Institutet

Annica Nordvall Bodell

Kunskapsmål för detta avsnitt

Från kursplan:

• på ett övergripande sätt förklara de mekanismer som ligger bakom förändringar i genomet och dra slutsatser av vad detta kan få för konsekvenser för celler och individer

Lite mer utförligt:•Olika typer av mutationer och hur de benämns

•Hur DNA-skador kan uppstå och hur dessa skador kan ge upphov till mutationer

•Vilka konsekvenser mutationer kan få för celler och individer

•Vilka reparationssystem som är viktiga för våra celler, samt principen för hur dessa fungerar

•Varför mutationer är vanligare i mitokondrie-DNA

•Terminologi (nonsense- missense- silent-mutationer, substitution, deletion, insertion/addition, transition/transversion, frameshift m.m.)

•Huvudtyperna av rekombination; homolog, platsspecifik och transposition

•Principerna för respektive rekombination.

•Exempel på var och när dessa typer av rekombination sker.

•Att rekombination kan användas inom gentekniken.

Vad är en mutation?

Olika typer av mutationer• Små mutationer

– De flesta mutationer är små mutationer– Punktmutationer – Transition/Transversion

– Frameshift mutationer – Insertion/deletion

• Strukturella kromosomförändringar– Deletioner ( DE / )

– Duplikationer– Translokationer– Inversioner

• Numeriska förändringar– Aneuploidier– Polyploidier

Olika typer av punktmutationer

Olika typer av punktmutationer forts.

Hur uppstår en mutation?

Ex på anledningar till spontana skador

• Replikationsmisstag

• Deaminering av baser– Ex C U , Cmet T

• Depurinering/depyrimidering– Ca 10 000 AP-sites / dag och human cell

Spontana skador på DNA

Deaminering

Depurinering

Ex på kemiska faktorer som kan inducera DNA-skada

• Interkalerande ämnen– Ex EtBr – DNA sträcks ut, extra nt kan sättas in

• Ämnen som ändrar basers struktur och förmåga att baspara korrekt– Ex alkylering, epoxider, DNA addukter

Interkalerande ämnen

Examples of DNA base Damage

Induced by Chemicals

Benzo-(a)pyrene

Strålning som kan orsaka DNA-skada

• Joniserande strålning (röntgen, gamma)

Strängbrott, Crosslinking, Basförluster

• UV-strålningframförallt pyrimidindimerer

(Tymindimerer)

Damage by UV-radiation

Reparationsmekanismer

• De flesta DNA-skador repareras innan de ger upphov till mutationer

• Om reparation ej skett innan skadat DNA replikeras kan mutation uppstå

• Reparationsmekanismer kan delas upp i– Direct repair– Excision repair– Error prone repair– Recombinational repair

Direct repair of ss break in DNA

DNA ligase + ATP

Direct repair of O6-

Methylguanine

6.20

Excision repair

Base-Excision Repair (BER)

6.21

Nucleotide-Excision Repair

(NER)

Videolänk

6.22

Mismatch Repair

Error prone repair (E.coli)

Repair of double strand break

Recombinational repair

Varför rekombination?

• Rekombination innebär omlagring i genomet till skillnad från mutationer som introducerar ny information i genomet

• Viktigt för – Variabilitet– Reparation– Immunförsvaret

Olika typer av rekombination

• Homolog/generell rekombination

• Platsspecifik rekombination

• Transposition

Homolog rekombination

• Kräver längre homologa sekvenser för rekombination

• Sker reciprokt – ömsesidigt utbyte

• Sker tex vid– Meiosen (spermatogenes och oogenes)– Recombination repair– Omlagring av repetitiva sekvenser– Mellan homologa bakteriekromosomer

Homolog rekombination under meiosen

The Cell 16.34

Första steget i homolog rekombinationenligt Holliday modellen

The Cell 6.30

Mest studerad i E.coli

1. Rec BCD särar på DNA strängen och introducerar nick

2. Rec A binder ssDNA och underlättar rekombination

Branch migration

3. Ruv A,B,C möjliggör ”branch migration” och klyver de överkorsade strängarna

Isomerisering och upplösning av Holliday modellen

videolänk

Översikt homolog

rekombination

http://www.nature.com/nrm/journal/v2/n6/images/nrm0601_433a_i1.gif

Rekombinationen initieras förmodligen av ds brott i en av strängarna

Vad blir resultatet av homolog rekombination

• vid equal cross over?

• vid unequal crossover?

Unequal cross over

Platsspecifik rekombination

•Sker vid specifika sekvenser – ofta korta homologa sekvenser

•Medieras av proteiner som binder till de specifika sekvenserna

•Mest studerat är lambdas integrering i E.coil kromosomen

•Ex. i humana celler ; Ig-genernas rearrangering

Rearrangering av antikropps-gener

VDJ-rekombination

The Cell 6.40

Transposition

• Förflyttning av transposoner (transposabla element) kräver ingen sekvenshomologi

• DNA transposoner förflyttar sig som DNA (vanligt i bakterier, har tidigare under evolutionen även skett i humana genomet)

• Retrotransposoner förflyttar sig via en RNA kopia (vanligt i högre eukaryoter)

Transposition av DNA-tranposon i bakterier

Modell för retrotransposition i eukaryoter

Hur kan rekombination utnyttjas inom gentekniken – några exempel

• Transgena djur– Slumpmässigt införande av ny gen– Utslagning av en specifik gen (”knock

out”)– Utbyte av en gen mot en annan

(”knock in”)

• Genterapi?

Vad kan förändringar i genomet innebära

• för en gen?

• för en cell?

• för en individ?

Transgena möss – slumpmässig integrering av ny gen i kromosom

Specifik integrering (tex ”knock out möss”) kräver att man kan screena

odlade ES-celler