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