Speciace neboli vznik druhů. KBI/GENE Mgr. Zbyněk Houdek

Transkript

1 Speciace neboli vznik druhů KBI/GENE Mgr. Zbyněk Houdek

2 Co je to druh? Druh skupina org., které mají společné určité znaky. V klasické taxonomii se jedná pouze o fenotypové znaky. V evoluční g. je druh definován na základě sdílení genového fondu. Skupina křížících se org., která si nevyměňuje geny s jinými skupinami org. Každý druh je reprodukčně izolovaný od všech ostatních druhů org. Org. mohou mít různé fenotypové znaky, ale nemusejí být reprodukčně izolovány.

3 Prezygotický izolační mechanismus Tento mechanismus brání org. odlišných skupin vytvářet hybridní potomstvo. Preference stanoviště 2 populace obývající stejnou oblast, ale různá stanoviště - nemusejí se ani setkat. Různé období rozmnožování. Postzygotický izolační mechanizmus naopak brání vzniklému hybridnímu potomstvu předávat geny dále. Tyto mechanismy působí až po vzniku hybridních zygot, např. snížením životnosti hybrida nebo tento jedinec nedosáhne reprodukčního věku.

4 Způsoby speciace Klíčovou úlohu při vzniku druhů hraje rozdělení populace org. na 1 nebo více subpopulací, které se stávají reprodukčně izolované. Izolace subpopulací na základě geografického rozdělení (subpopulce se samy nezávisle geneticky vyvíjejí a po jejich dalším spojení už jsou jedinci neschopní se vzájemně křížit) alopatrická speciace.

5 Sympatrická speciace K vývoji subpopulací dochází i bez geografického oddělení např. na základě ekologické nebo potravní specializace sympatrická speciace. Evoluce reprodukční izolace trvá stovky tisíců let její studium je obtížné a k jejímu odhalení dochází většinou až po vytvoření nových druhů (post factum).

6 Genové inženýrství, biotechnologie a genová terapie

7 Mikroorganismy a biotechnologie Vláknité bakterie (aktinomycety): Streptomyces, Microspora antibiotika. Houby: Aspergillus, Penicillium, Mucor, Rhizopus a kvasinky. Viry: z produkčního hlediska méně významné, ale využití jako vektory při genových manipulacích.

8 Fúze buněk a protoplastů Protože procento přirozeně vzniklých rekombinantů (hybridů) je omezené, tak se užívá indukovaná fůze bb. nebo protoplastů. Fůze protoplastů metodou mikroinjekce mikropipetou vložíme b. obsah nebo protoplast do jiné b. (můžeme vložit DNA, chromozómy, RNA). Podobně si můžeme představit elektroporaci, kdy se pro fůzi bb. používá elektrický proud (vytvoří póry v membráně). Fúzí buněk můžeme získat mikroorganismus, který rychle poroste a bude mít vysokou produkci požadované látky nebo podobné látky. Např. fúzí Streptomyces rimosus (atb. kanamycin) + Streptomyces kanamyceticus (atb. kanamycin) rekombinanta prodující neomycin.

9 Vektory Plazmidové vektory kruhové uzavřené extrachromozomální částice DNA (2-250 genů) v cytoplazmě nebo intergrované do chromozómu. Fágové v. odvozené např. od bakteriofága λ z Escherichia coli nebo z aktinofága θ C31 ze Streptomyces lividans delecí nereplikačních genů a jejich náhradou za stejně velké vnesené geny. Kosmidové v. hybridní vektory mezi fágem λ a plazmidem umožňují klonování velmi dlouhých frgementů DNA (využití při tvorbě genových knihoven).

10 Genové inženýrství Zabývá se vytvářením umělých kombinací genů nebo přípravou pozměněných nebo zcela nových genů a jejich zaváděním do genomu organizmů s cílem změnit nebo doplnit jejich genetickou výbavu. Gen který je takto upravený a přenášený se nazývá transgen transgenní organismus (geneticky modifikovaný org.). Proces vytvářen ení transgenních org.. se pak nazývá transgenoze.

11 Transgenní mikroorganismy Transgeny jsou vnášeny do bakterií pomocí transformace za pomoci chloridu vápenatého a vyhladovění. Tvorba důležitých sloučenin (enzymy, antibiotika, organické kyseliny, aminokyseliny nebo vitamíny, hormony). Např. lidský inzulin nejprve se gen izoluje z dárcovského org.. a pomocí vektoru se přenese do hostitelských bb., kde je produkt vytvářen (bakterie, kvasinky).

12 Transgenní rostliny Pro přenos transgenů do rostlin se často používají bakterie rodu Agrobacterium,, které mají schopnost napadat poraněné rostliny a přenášet do nich gen. informaci. Jedná se především o geny, které zvyšují výnosy nebo vedou k vyšší kvalitě plodů a semen, odolnost vůči škůdcům, virovým, bakteriálním nebo houbovým chorobám. Obiloviny, kukuřice, rýže, sója, zelenina a řepka olejná (výroba bionafty).

13 Transgenní živočichové Transgeny se vnášejí do bb. pěstovaných v kultuře (in( vitro) ) nebo do vajíček a časných zárodků různými postupy: Transfekce, kdy je do buněk vnášena volná DNA za podpory vhodných látek (fosforečnan vápenatý). Elektroporace, kdy se DNA do bb. dostává pomocí el. impulzu o vysokém napětí. Lipofekce využívají, že DNA je nejprve obalena vrstvou syntetických lipidů a tyto částice pak splynou s buněčnou mem. Mikroinjekce je postup častý pro vajíčka a časné zárodky.

14 Transgenní savci Pro přenos transgenů se využívají vektory ( přenašeči ), které jsou odvozeny od živočišných virů nebo mikroinjekce. U savců se využívá přenos DNA právě do vajíček a časných zárodků. Modelovým organismem je myš. Do vajíčka myši je vnesena DNA a následuje kultivace do stádia moruly až blastuly in vitro náhradní matka transgenní myš. Vytvářen ení modelů genetických chorob lidí.

15 Další využití transgenních zvířat Jsou to zvířata s lepšími užitkovými vlastnostmi prasata s nižší ším m obsahem tuku v mase, ovce s výhodnější ším m složen ení vlny nebo drůbe beže e s kvalitnější šími vajíčky. Za perspektivu transgenních zvířat se považuje získávání významných farmakologických látek l z jejich mléka, moči i nebo krve (ovce s lidským srážec ecím m faktorem krve v mléce léčba hemofilie).

16 Klonování živočichů Klon je soubor identických bb. nebo org. nepohlavně odvozených ze společného předka. Separace blastomer: rozdělením vyvíjejícího se velmi časného embrya (2-4 bb.) příjemci (náhradní matky) geneticky shodné klony. Přenos jader: umělé odstranění jádra z původního vajíčka a jeho nahrazení jádrem b. (embryonální, fetální nebo somatické) jiného jedince téhož druhu náhradní matka klon. Klonování tímto postupem bylo provedeno u hmyzu, obojživelníků a savců.

17 Genová terapie Jejím cílem je oprava poruch genetické informace, které jsou příčinou dědičných a nádorových chorob. Z etických důvodů se vnášení genů provádí jen do somatických bb. lidí. Tato léčba se může provádět buď ve vyjmutých bb. pacienta a pak se vrátí zpět (většina případů). Genová terapie je prováděna přímo v těle pacienta.

18 Současná genová terapie Jelikož většina genetických poruch má komplexní charakter, tak je zatím proveditelná pouze u chorob s defektem v 1 genu. Příklady nemocí vhodných pro genovou terapii: fenylketonurie (fyzická i psychická retardace, četnost 1/12000), hemofilie A+B (krvácivost a porucha srážení krve, 1/10 6 u mužů), familiární hypercholesterolemie (předčasná ateroskleróza cév, 1/500), Duchennova svalová distrofie (svalová ochablost, 1/3000 u mužů).

19 Požadavky na úspěšnou genovou terapii in vitro Musí být k dispozici vhodné cílové buňky: Z těla pacienta se dobře vyjmou. in vitro se dobře kultivují. Snadno se s nimi manipuluje. Lze je přenést zpět do těla pacienta ve funkčním stavu. Všechny tyto podmínky splňují právě bb. kostní dřeně a to především nediferencované kmenové bb.

20 Genová terapie nádorů Se zaměřuje na produkci nádorového nekrotického faktoru α, což je protein, který u myší vyvolává úbytek nádorů. Tato forma léčby byla vyzkoušena i 35 pacientek, ale výsledek byl negativní. Pro přenos genů se jako vektory používají upravené retroviry.

21 Hlavní strategie genové terapie Strategie zvýšeného počtu genů se používá u autozomálně recesivních chorob a znamená zavedení několika alel funkčního genu zvýšen ené množstv ství žádané látky. Cílené přímé a nepřímé usmrcení specifických bb., což se používá u léčenl ení nádorů.. Do nádorových n buněk k se zavedou geny, jejichž exprese způsob sobí jejich smrt.

22 Cílená oprava mutace V tomto případě by bylo nejvýhodnější vyměnit poškozenou alelu genu za jeho funkční alelu,, což je v principu možné, ale zatím obtížně proveditelné.

23 Cílená inhibice genové exprese Opět se jedná o léčbu nádorových bb. u nichž se jedná o nevhodnou expresi genu. Zastavení exprese genu na úrovni translace vazbou protismyslného oligonukleotidu nebo specifické protismyslné RNA na mrna cílového genu. Zastavení exprese genu na úrovni translace rybozymem,, který štěpí mrna cílového genu.

24 Perspektivy genové terapie Celosvětově bylo povoleno několik set protokolů v rámci genové terapie a jednalo se především o léčbu rakoviny, monogenních dědičných chorob a prevence infekčních chorob (AIDS). Celkové výsledky dosavadních pokusů prokázaly, že genová terapie i když v posledních letech udělala velký krok vpřed, tak bude nutné překonat ještě mnoho problémů k jejímu hromadnému použití.

25 Substituční terapie Genový produkt (např. hormon) je zaváděn do pacienta z vnějška. Do pacienta jsou vneseny bb., které ho produkují z vhodného dárce (transplantace kostní dřeně). Pak hrozí imunologická reakce příjemce na cizí transplantovaný orgán. K této reakci u genové terapie nedochází.