Molekulární základy dědičnosti

Molekulární základy dědičnosti

Nukleové kyseliny

· 1953 Watson a Crick objevili strukturu DNA (deoxyribonukleová kyselina)

· DNA

– polymer nukleotidů – důležitá je jejich sekvence

– každý nukleotid je složený ze tří komponent:
• dusíkaté báze
• cukru (deoxyribosy)
• fosfátové skupiny

– molekula dvoušroubovice složena ze dvou řetězců
• komplementární: páry dusíkatých bází si odpovídají
• antiparalelní: 5‘-------3‘
3‘-------5‘

– každý pár bází tvoří různý počet vodíkových můstků:
• Adenin + Thymin tvoří dva vodíkové můstky

• Cytosin + Guanin tvoří tři vodíkové můstky

– aždý řetězec může být templátem (předlohou) v replikaci DNA

· RNA

– liší se od DNA tím, že mají ribosu místo deoxyribosy a bázi uracil místo thyminu

– řetězce RNA bývají kratší než DNA

– většina RNA je jednořetězcových

– mediátorová RNA (mRNA): vzniká transkripcí genů a slouží jako matrice, podle které jsou syntetizovány proteiny

– ribosomální RNA (rRNA): součástí ribozomů (rRNA + proteiny), malá a velká podjednotka, na kterých probíhá proteosyntéza

– transferové RNA (tRNA): jeden malý řetězec RNA ve tvaru trojlístku, které přinášejí k ribozomům aminokyseliny (aminokyseliny jsou řazeny podle kodonů mRNA a ribozomy je spojují peptidickou vazbou do proteinů)

Genetika

· genetika je věda o dědičnosti a proměnlivosti organismů (organismy se mění i podle prostředí)

· dědičnost je schopnost přenášet na potomky některé znaky a vlastnosti – zachování druhu

· proměnlivost je schopnost měnit geny a tedy i znaky organismu vlivem vnějšího prostředí – adaptace na něj

· dědičnost a proměnlivost umožňují evoluci organismů

Přenos genetické informace mezi jedinci

· veškerá genetická informace je uložená v DNA (pouze u RNA-virů v RNA)

· jedná se o zprávu umožňující buňce a organismu realizaci určitého znaku v konkrétní formě – řídí vývoj mnoha různých typů a znaků organismů

· základní dogma molekulární biologie

– přenos genetické informace je jedině možný z nukleové kyseliny do nukleové kyseliny nebo z nukleové kyseliny do proteinu, ale její zpětný přenos z proteinu do nukleové kyseliny možný není

– ústřední dogma molekulární biologie definoval Crick roku 1957/58

· primární struktura DNA zůstává nezměněna po celý život buňky

· v průběhu každého buněčného cyklu se DNA replikuje, takže vznikají nové shodné molekuly, mitózou pak každá dceřiná buňka (2n) jednu molekulu získá – dochází přenosu totožných informací přes generace buněk

· stejná genetická informace se samozřejmě dostává i do meiózou vytvořených gamet (1n), probíhá tak přenos genetické informace přes generace organismů rozmnožujících se pohlavně

· u nepohlavně se rozmnožujících organismů jsou potomci geneticky totožní s rodičem

· pohlavní rozmnožování zajišťuje proměnlivost jedinců druhu, což je z evolučního hlediska výhodnější

· při vývoj pohlavních buněk dochází v meióze k:

– segregaci (rozdělení): každá buňka má sice úplnou chromozomovou sadu, ale odlišnou od ostatních

– kombinaci chromozomů: každé dvě pohlavní buňky dají dohromady jiné dvě sady chromozomů

– rekombinace chromozómů: v profázi I může dojít ke crossing-overu – k sobě těsně přiložené chromozomy si vyměňují část nesesterských chromatid

Gen

· jednotka genetické informace, jedná se o polynukleotidový řetězec, který kóduje další řetězce nebo struktury

· jednotka odpovědná za vznik dědičné vlastnosti

· pořadím svých nukleotidů určují geny pořadí aminokyselin v proteinu nebo nukleotidů v RNA, vznikající transkripcí

– geny pro RNA
• úsek DNA řetězce, přepisovaný do primární struktury RNA
• kódují tRNA nebo rRNA, tj. funkční produkt transkripce, který nepodléhá translaci

– regulátorové geny

• úsek DNA případně RNA (u RNA virů)
• regulace při řízení syntézy strukturních genů – jedná se o úsek genu, který je schopen na sebe navázat určitý protein (přitáhne ho a naváže), který pak buďto spouští nebo naopak utlumuje syntézu strukturního genu
• např. represory jsou proteiny, které při svém navázání zastavují transkripci

– strukturní geny

• informace pro syntézu polypeptidu či bílkoviny
• nejprve tedy dojde k jejímu vyjádření v mRNA a následně translací ke vzniku proteinu

· každá genetická informace je v primární struktuře dané molekuly DNA zapsána genetickým kódem

· jedná se o sekvenci nepřekrývajících se tripletů bází – kodónů

· kodóny v DNA a v jejím transkriptu v RNA jsou navzájem komplementární

· každý kodon nese informaci pro zařazení jedné aminokyseliny do syntetizovaného peptidového řetězce při translaci

· čtyři báze mnou vytvořit celkem 64 různých trojic – 61 kóduje 20 aminokyselin + 3 stopkodóny (UAA, UAG, UGA)

· nikdy nelze z produktu (peptidu) vyčíst původní strukturu RNA, resp. DNA, která jej kódovala

Genová exprese

· u strukturního genu expresí rozumíme jeho vyjádření v primární struktuře a funkci proteinu

· u genu pro funkční RNA expresi rozumíme jeho vyjádřením v primární struktuře a funkci RNA neurčené ke translaci

· u regulační oblasti expresí rozumíme vyjádření její genetické informace ve schopnosti vázat specifické proteiny a touto vazbou regulovat expresi strukturních genů

· obecně tedy exprese genu probíhá transkripcí a translací

· v eukaryotních buňkách jsou kódující sekvence, zvané exony, často přerušovány nekódujícími sekvencemi, introny

· transkripcí vzniká tzv. primární transktipt hnRNA, který obsahuje všechny části genu, jeho exony i introny

· součástí exprese genu jsou posttranskripční úpravy, kde se z přepisu původního genu utváří jednotlivé typy RNA

· má-li vzniknout tRNA nebo rRNA, dochází ke štěpení původního transkriptu (hnRNA) na jednotlivé úseky, které tvoří řečené molekuly

· má-li dojít ke vzniku mRNA, musí se z hnRNA vystříhat introny a následně spojit exony v jeden řetězec mRNA

· nakonec je mRNA v post transkripčních procesech opatřena guanosinovou čepičkou na 5‘ konci a polyadeninovým ocáskem na 3‘ konci

· v prokaryotických buňkách se introny nevyskytují a sestřih ani jiné úpravy mRNA neprobíhají

Chomozomy a genom

· genom je soubor všech genů jedné buňky

· prokaryotní buňka

– genom je tvořen jedinou velkou dvoušroubovicovitou molekulou DNA uzavřenou do kruhu (nejsou histony)+ i zde existuje mimogenomová DNA v podobě kruhových plazmidů

– prokaryotní buňky mohou nést velmi rozmanité geny – pro rezistenci svých hostitelských buněk na antibiotika, pro jejich schopnost vyvolávat konjugaci, pro rozmanité metabolické funkce apod.

– obecně jsou zde geny pro přídavné znaky významné za mimořádných situací

– často jsou prokaryotní buňky využívány jako přenašeči cizorodých genů v genovém inženýrství

· eukaryotní buňka

– genom je uložen v buněčném jádře v podobě chromozomů

– pouze malá část genů je extrachromosomálních a mimojaderných – mitochondriální nebo plastidová DNA

– v každé chromatidě je jedno vlákno dvojšroubovice DNA

– chromozomy se tvoří až těsně před dělením

– při dělení se sesterské chromatidy, vzniklé replikací oddělují od sebe

– chromozomy mají různé podoby – podle místa kde se nachází centromera (souží k upevnění k mikrotubulům dělícího vřeténka při mitóze) – pro každý chromozom je ale podoba charakteristická

– centromera dělí chromozom na dvě ramena
• metacentrický: centromera uprostřed
• submetacentrický: centromera je posunuta ke kraji – kratší rameno p + delší rameno q (většina lidských chromozomů)
• akrocentrický: centromera téměř na konci
• telocentrický: centromera na úplném konci

– jinak chromozomy tvoří kromě DNA také histony a vzniká tak pokročilejší struktura DNA (viz. buňka)

– globulin je protein tvořící ochranu nukleohistonového systému

· v první fázi mitózy (profáze a částečně metafáze) je chromatin dehydratován a jeho nukleohistonová vlákna se více než 100krát zkrátí – kondenzace chromatinu (chromozomy jsou viditelné)

· z profáze vychází každý chromozom se zdvojenou nukleohistonovou strukturou – dvě těsně přiložené sesterské chromatidy (každá nese jednu molekulu DNA) dočasně spojené nezdvojenou centromerou

· v metafázi se zdvojí centromera (nyní kompletní chromozom) a chromatida je jejím prostřednictvím připojena k mikrotubulu dělícího vřeténka

· v anafázi se dvojice sesterských chromozomů (chromatida + centromera) rozchází k opačným pólům buňky

· obě dceřiné buňky dostávají tytéž chromozomy – nepohlavní rozmnožování

· rozlišujeme dva typy chromozomů

– autozomy: nepohlavní chromozom (v lidské tělové buňce 22 párů)

– gonozomy: pohlavní chromozomy (v lidské tělové buňce 1 pár)

· somatické (tělové) buňky eukaryotních buněk jsou vždy diploidní (2n) – mají v jádrech dvě totožné sady chromozomů (každý chromozom se skládá z jedné chromatidy a jedné centromery)

· počet a tvar chromozomů ve všech tělových buňkách je vždy stejný, pro daný druh konstantní a charakteristický

· chromozomy jedné sady jsou rozlišné (člověk – 23 různých chromozomů)

· gameta má v důsledku meiózy jen jednu sadu rozlišných chromozomů – haploidní (1n)

· všechny chromozomy v diploidní somatické buňce jsou párové

– homologické: chromozomy téhož páru jsou shodné

– heterologické: chromozomy téhož párů jsou navzájem různé (gonozomy X a Y)

· barvicí a molekulárně genetické metody umožňují mikroskopicky velmi přesně analyzovat chromozomové sady každého druhu

· lze tak sestavit karyotyp – soubor všech chromozomů v jádře buňky

· karyogram je individuální obraz (fotka) chromozomů každého jedince (z něj lze studovat odchylky od standardního druhového obrazu – pozadí specifických dědičných poruch)

Vazba genů

· z rodičů se na potomky přenášejí celé chromozomy, takže i celé jejich specifické soustav alel

· vazbová skupina genů – všechny alely jsou uloženy v jednom chromozomu

· geny lokalizované v témž chromozomu (tudíž i v témž homologizovaném chromozomovém páru) jsou spolu vázány

· každému genu je vyhrazeno specifické místo v pořadí genů zcela určitého chromozomu – genový lokus

– dva homologické chromozomy v diploidní buňce obsahují tytéž lokusy

– v obou může být daný gen přítomen ve stejných nebo různých alelách (podle rodičů)

– alela je konkrétní forma genu, kódující konkrétní plnění genu (alela pro modré oči)

· u všech živočichů s odděleným pohlavím (gonochoristé) je pohlaví určeno dědičně, je dáno dvojicí pohlavních chromozomů – gonozomů (X a Y)

· na rozdíl od autozomu je gonozom tělové buňky dokonale párový jen u jednoho pohlaví (XX), u druhého pohlaví jej do páru doplňuje jiný chromozom (XY)

– pohlaví XX je homogametické – všechny vytvořené gamety budou totožné (samé X)

– pohlaví XY je heterogametické – vzniká 1:1 gamet s chromozomem X nebo Y

· podle toho, které z obou pohlaví je homogametické a které heterogametické se rozlišují dva typy chromozomového určení

– drosophila

• Samičí pohlaví je homogametické a samčí heterogamické (hmyz, savci + některé ryby a plazi; dvoudomé rostliny)
• patří sem i skupiny kde je heterogamické samčí pohlaví určeno X0 (včely, ploštice)

– abraxas

• samičí pohlaví je heterogamické (ptáci, motýli + někteří obojživelníci)

· Y je obvykle podstatně menší než X a nese méně genových lokusů

· oplozením vzniká se stejnou pravděpodobností zygota XY i XX

– geny na homologické části podmiňují znaky neúplně pohlavně vázané

– geny na heterologické části podmiňují znaky vázané na pohlaví

– heterologická část chromozomu Y nemá párovou alelu – organismus je pro ně hemizygotní = jedinec pouze s jednou alelou sledovaného genu

· chromozomy X a Y mají shodnou homologickou část a rozlišnou heterologickou část

· existují i druhy, kde je pohlaví určeno interakcí několika autozomů (lumčíkovití)

· významná je krátká oblast SRY (sex-determining region) na ramenu Yp – její primární produkt je oním chemickým signálem, který odstartuje v embryonálním vývinu diferenciaci varlat

· geny v heterologické oblasti gonozomu Y se vyskytují jen u heterogamického pohlaví (u člověka jen u mužů), takže se dědí patroklinně (typ Drosophila) nebo matroklinně (typ Abraxas) – z rodiče XY na všechny potomky XY

· takové geny jsou monoploidní a vždy dominantní

· gonozomální dědičnost je dědičnost genů lokalizovaných v heterologické oblasti gonozomu X

Genetická proměnlivost

· proměnlivost organismů vyplývá jak z působení genetické informace, tak z vlivů vnějšího prostředí

· podstata modifikace znaků je vždy metabolická – určitý faktor prostředí způsobí, že v síti alternativních řetězců metabolických dějů proběhnou jen některé

· modifikace znaku trvá jen tak dlouho, dokud na organismus působí dané prostředí

· nové alely vznikají z dosavadních mutacemi – změna v DNA

– genové mutace – v genech
• standartní alela může být změněna v jinou zásahem v některém místě celé své délky
• změna může být různě rozsáhlá
• proměňuje se sacharid nebo fosfát nukleotidu, ne báze
• jedná se o bodové změny, které mohou vést rozsáhlé posunové mutaci (změní translaci tripletů – jsou posunuté), jeli bod těsně před koncem řetězce, nemusí to hrát roli
• ze struktury proteinu vyplývá jeho funkce – fenotypové efekty
• mutace může zasáhnout i regulační sekvenci – změna genové exprese
• nejzávažnější jsou mutace protoonkogenů (regulace buněčného růstu a dělení) – z těch vznikají onkogeny – nádorová transformace příslušné buňky

– chromozomová mutace (strukturní aberace chromozomu) – změna DNA je tak hluboká, že se odrazí ve změně struktury celého chromozomu

• výsledkem drastického poškození DNA
• spojena se změnou pořadí nebo počtu genů v chromozomu
• zlom chromozomu = vyvolávající moment

– delece: chromozom je zkrácen – zbyde fragment s centromerou (druhý fragment je při dalším dělení ztracen)

– intersticiální delece: jedno rameno chromozomu je postiženo současně dvěma zlomy – určitá část je vyštípnuta

– inverze: jako intersticiální delece, akorát vyštípnutá část je vsazena zpět opačně

– chromozomový prstenec: vznik spojením obou konců DNA odlomeného fragmentu

– translokace: odlomená část chromozomu určitého páru se připojí k jinému páru chromozomu (může dojít i k vzájemné translokaci – chromozomové páry si části vymění navzájem)
• často překážkou normálního průběhu meiózy (gamety mají omezenou schopnost oplodnění)
• celkem časté, ale zygoty rychle odumírají nebo charakteristická dědičná choroba novorozence

– genomová mutace (numerická aberace chromozomu)

• týká se sady chromozomů; všechny geny a chromozomy zůstávají stejné, jen jejich počet se mění (více nebo méně než 2n)

• polyploidie: znásobený počet úplných chromozomových sad (3n, 4n, 5n,…); u řady rostlin běžná; působí potíže při párování chromozomů na začátku meiózy (vznik nefunkčních gamet)

• aneuploidie: je zvýšen nebo snížen jen počet určitých chromozomů sady (2n+1,…); projevuje se vážnou chorobou

· existují i náhodné, neprogramované změny – mají příčinu, ale vznikají spontánně

– trvalé změny

– mohou být přenosné na další generace – při postihu gamety

– ve většině případů znamenají ztrátu či patologickou změnu určité genové funkce

– mohou postihovat geny všech typů – rozmanité důsledky

– jaderné mutace: nejvýznamější

– mimojaderné mutace: dochází k nim v mimojaderných útvarech (plazmidech, mitochondriích, plastidech)

– somatické mutace: mutace proběhne v somatické (diploidní) buňce; postihuje pouze buněčné potomstvo

– gametické mutace: mutace proběhne v haploidní gametě; postihuje dceřiné organismy

· mutace alel mohou být recesivní nebo dominantní (jen vzácně) oproti nemutovaným alelám

– vitální mutace: umožňují přežití organismu

– letální mutace: neslučitelné se životem

· standardní alela daného genu může být mutována v alelu mutovanou a později znovu mutována opačným směrem zpět v standartní alelu – reverze mutace (velmi zřídka)

– spontánní: nevíme, co mutaci způsobilo
• vznikají v různých genech s různou, ale pro daný gen konstantní frekvencí

– indukovaná – mutace je záměrně vyvolaná
• šlechtitelské a výzkumné účely

• za pomoci mutagenních činitelů – rentegnové a radioaktivní záření, tepelný šok, ultrazvuk, alkylační činidla (dimethylsulfát), silná oxidační činidla (peroxidy), deaminující činidla (dusitany), interkalační činidla (vsouvají se mezi páry bází v DNA), nitrosloučeniny, azobarviva apod.

• existuje spousta epigenetických mutagenů – látek, které DNA nepoškozují přímo, ale narušují funkci enzymů potřebných k reparaci či replikaci DNA (arsen, nikl, mangan nebo antibiotika)

• promutageny – sami o sobě neaktivní, ale v buňkách na přímé mutageny metabolizují

• stále vyšší koncentrací mutagenů nás obklopují emise z energetiky, výfukové plyny apod., je nutno toto mutagenní a karcinogenní působení omezovat na minimum

· podmíněné mutace se projeví se pouze za určitých vnějších podmínek (tepelně citlivé mutace)

· organismus se před mutacemi do určité míry chrání už i dvoušroubovicovou strukturou DNA

– reparace mutací: zasáhne-li poškození jen jeden řetězec, buněčné opravné mechanismy to napraví

– pro syntézu nového párového řetězce je jako matrice využit nepoškozený řetězec (správná sekvence místo sekvence mutací poškozené)

· mutace mají kromě evolučního významu, také význam patologický

· způsobují mnoho neléčitelných geneticky dědičných chorob

– molekulární: většina se dědí autozomálně recesivně; molekuly nezbytné látky chybějí nebo jsou syntetizovány v abnormální formě

• cystická fibróza: na 7. Chromozomu; výměšky žláz pohlcují chloridové ionty a ucpávají vývody; plíce jsou přeměněné na měchýřky – dýchací poruchy

• Huntingtonova choroba

– numerické aberace chromozomů: mnoho i málo chromozomů škodí

• Downův syndrom: trizomie 21. autozomu; fyzické a psychické abnormality; riziko u těhotných žen nad 30 let

• Edwardsův syndrom: trizomie 18. autozomu; novorozenci do roku umírají

· moderní metody genetiky přinesly genovou analýzu, takže se dá předem zjistit pravděpodobnost narození postiženého dítěte nebo přímo dokázat, zda je zárodek zdravý