Genetika chromosomální a molekulární základy dědičnosti

Transkript

1 Biologie I enetika chromosomální a molekulární základy dědičnosti Meioza, gamety, rozmnožování Mendelovská dědičnost Chromosomální základy dědičnosti Centrální dogma molekulární biologie

2 Dědičnost Přenos vlastností/predispozic rodičovského organismu na potomky Přenos DN s geny (chromosomální i extrachromosomální) en = základní jednotka dědičnosti, na chromosomu umístněn v lokusu Rozmnožování proces tvorby potomstva (zde ve smyslu celých organismů) Nepohlavní (vegetativní, asexuální) = klony (genetické kopie) např.: 100 µm rodičovský jedinec moeba dělící se mitoticky pupen Mnohobuněčný nezmar (Hydra) množící se pučením (pupen: mitosy, masa buněk se vyvijí v nového jedince oddělení) Pohlavní (generativní, sexuální) Potomek nese [jedinečnou] kombinaci genů získaných od obou rodičů

3 daptováno z Campbell, Reece: Biology 6 th edition Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings Pohlavní rozmnožování a dědičnost v důsledku náhodné kombinace genů (chromosomů rodičů) při oplození se potomek vzhledem liší od rodičů i sourozenců Homo sapiens sapiens centromera sesterské chromatidy pár homologních chromosomů Somatická buňka rodiče: 46 chromosomů (diploidní; 2n) 2 gonosomy (pohlavní chr.) 44 autosomů (22 párů) Karyotyp soubor chromosomů, rozlišitelné podle tvaru a proužkování (uspořádaný a graficky znázorněný = karyogram) zde muž (46, XY) metafázní chromosomy izolované z leukocytů po barvení (proužky) gameta otec 22 autosomů + gonosom (haploidní; n) gameta matka 22 autosomů + gonosom (haploidní; n) Potomek: 46 chromosomů (2n) 2 gonosomy (pohlavní chr.) 22 párů autosomů

4 daptováno z Campbell, Reece: Biology 6 th edition Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings Pohlavní rozmnožování a dědičnost Rozmnožovací cyklus živočichů Barvy Haploidní stav (gamety = pohlavní buňky ) Diploidní stav n gameta n gameta 2. pohlaví n MEIOZ OPLOZENÍ splynutí gamet (syngamie, oplození) za vzniku diploidní zygoty Diploidní mnohobuněčný potomek 2n 2n zygota mitoza mitozy, dělení diferenciace

5 Pohlavní rozmnožování a dědičnost Časový nástup meiozy se v životních cyklech různých organismů může lišit: mitoza haploidní mnohobuněčný organismus gamety mitoza meioza oplození Většina hub, někteří prvoci a řasy hlenka (Dictiostelium) zygota haploidní mnohobuněčný organismus (gametofyt) mitoza mitoza spory gamety meioza oplození zygota mitoza diploidní mnohobuněčný organismus (sporofyt) Rostliny a některé řasy daptováno z Campbell, Reece: Biology 6 th edition Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings

6 daptováno z Johnson R.: Biology, 5 th edition 1999; The Mcraw-Hill Comp., Inc. MEIOZ tvorba haploidních buněk rozdělením diplodních pár homologních chromosomů diploidní buňka 2n replikace pár replikovaných homologních chromosomů meiozu předchází replikace chromosomů sesterské chromatidy 2n MEIOZ redukční dělení (redukce počtu chromosomů a separace sesterských chromatid) chromosomy chromatidy n buňky s 1 replikovaným chromosomem separace chromatid n 1 pár homologních chromosomů = 2 možnosti... výsledkem jsou buňky nesoucí jednu sadu původních homologních autosomů (+ gonosom)

7 Meioza I daptováno z Johnson R.: Biology, 5 th edition 1999; The Mcraw-Hill Comp., Inc páry homologních chromosomů = 4 možnosti páry homologních chromosomů homologní páry (není znázorněna replikace) 8 možností meiozy (ne všechny realizovány, 1 meioza = max. 4 buňky/gamety k použití) párů chromosomů = možnosti... Počet možností při haploidním čísle n chromosomů je 2 n. 1. Chromosomy/chromatidy se rozchází nezávisle 2. Oplození je nahodilé (sejde se vždy 1 kombinace každého rodiče) 2 zdroje genetické variability potomků a v meioze je variabilita umocněna ještě dalším způsobem

8 MEIOZ detailnější pohled na dvě po sobě jdoucí dělení Meiozu předchází meiotická interfáze s replikací chromosomů a zdvojením centrosomu Každé dělení během meiosy pak probíhá ve 4 fázích (podobně jako mitoza) 1. profáze 2. metafáze 3. anafáze 4. telofáze První dělení: meioza I (tzv. heterotypické dělení určité odlišnosti od mitozy složitější v profázi) Druhé dělení: meioza II (tzv. homeotypické dělení obdoba mitozy) interkineze období mezi meiozou I a meiozou II

9 1. Profáze I přehled Meioza I Kondenzace chromosomů Mizí jadérka Vznikají kinetochory Párování homologních chromosomů a vznik synapsí (těsný podélný kontakt) Později chromosomové páry patrné jako tetrády (4 prokřížené chromatidy) V překříženích výměna homologických částí nesesterských chromatid (crossing-over) Místo překřížení = chiazma, v tetrádě obvykle několik chiazmat Prodlužování mikrotubulů Oddalování centrosomů (=dělícího vřeténko) Rozpad jaderného obalu Napojování mikrotubulů na kinetochory chiazmata sesterské chromatidy PROFÁZE I centrosom dělící vřeténko tetráda páry homologních chromosomů s vyměněnými úseky nesesterských chromatid daptováno z Campbell, Reece: Biology 6 th edition Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings

10 1. Profáze I může představova více než 90% času trvání meiozy Meioza I 5 stádií: i) Leptotene chromosomy přichyceny k jadernému obalu; homologní poblíž a silně kondenzují ii) Zygotene synapse: tvorba proteinového synaptonemálního komplexu mezi homologními chromosomy Dvojice paralelních chromosomů = bivalent iii) Pachytene homologické části partnerských chromosomů drženy naproti sobě, rozbalení DN, crossing-over iv) Diplotene synaptonemální komplex se rozpadá (chiazmata přetrvávají), chromosomy dekondenzují a jsou transkričně aktivní partnerské homologní chromosomy synapse protilehlé nesesterské chromatidy crossing-over synaptonemální komplex sesterské chromatidy chromosomu chromatidy homologního chromosomu centromera v) Diakineze chromosomy opět kondenzují chiasmata (místa crossing-over) daptováno z Johnson R.: Biology, 5 th edition 1999; The Mcraw-Hill Comp., Inc.

11 2. Metafáze I Kinetochorové mikrotubuly jednoho pólu dělícího vřeténka napojeny k jednomu chromosomu z páru (na jednu stranu centromery) chiazmata se posouvají ke koncům chromosomů = terminální chiazmata (umožňuje oddálení centromer a usnadňuje správné napojení mikrotubulů) Tetrády seřazeny v metafázní destičce Meioza I PROFÁZE I METFÁZE I NFÁZE I centromera (s kinetochorem) astrosféra (živočišná buňka) chiazmata nekinetochorové mikrotubuly napojené kinetochorové mikrotubuly metafázní destička daptováno z Campbell, Reece: Biology 6 th edition Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings

12 3. nafáze I Meioza I Separace homologních chromosomů (zanikají tetrády) Každý chromosom (dvě sesterské chromatidy) transportován k opačnému pólu PROFÁZE I METFÁZE I sesterské chromatidy (zůstávají spojeny) NFÁZE I I homologní chromosomy daptováno z Campbell, Reece: Biology 6 th edition Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings

13 Meiosis I TELOFÁZE I a CYTOKINEZE Meioza I Chromosomy pokračují v rozestupu a dosahují pólů Každý chromosom je stále tvořen dvěmi sesterským chromatidami U některých druhů dekondenzace chromosomů, tvrba jádra i jadérka Cytokineze obvykle probíhá souřasně a tvoří se dvě haplodní buňky Zivočišné buňky: zaškrcení Rostlinné buňky: fragmosplast Žádný z chromosomů se již nereplikuje 3. zdroj genetické variability potomků 3. Crossing-over mohl vyměnit části chromatid = sesterské chromatidy již nejsou geneticky identické Meioza II zaškrcení Meioza II daptováno z Campbell, Reece: Biology 6 th edition Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings

14 Meioza II je velmi podobná mitoze Tvorba dělího aparátu Chromosomy (dvě sesterské chromatidy) kondenzované Sesterské chromatidy odděleny a transportovány k pólům TELOFÁZE I CYTOKINEZE PROFÁZE II METFÁZE II NFÁZE II TELOFÁZE II zaškrcení separace sesterských chromatid Chromosomy (chromatidy) na opačných pólech Rozpad dělícího aparátu, tvoří se jádra Chromosomy despiralizují + jadérka CYTOKINEZE Všechny sesterské chromatidy správně napojeny na kinetochorové mikrotubuly Sesterské chromatidy na metafázní destičce Výsledek 4 dceřinné buňky geneticky odlišné mezi sebou a i od mateřské buňky daptováno z Campbell, Reece: Biology 6 th edition Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings

15 Mendelelovská dědičnost daptováno z Campbell, Reece: Biology 6 th edition Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings regor Johann Mendel (*1822 in Hynčice 1884 in Brno) mnich (od 1843) a později opat (od 1868) v augistiánském kláštěře sv. Tomáše v Brně od r se zbýval křížením hrachu (Pisum sativum), dostupný v řadě odrůd 1865 práce Versuche über Pflanzen-Hybride vcelku bez povšimnutí, znovu objevena 1900 Hugo de Vries (NL) Erich von Tschermak () Carl Correns (D) Křížil čisté (homozygotní) linie (P, F 0 ); takové křížení označováno hybridizace Křížil hybridy F 1 (1. filiální generace) F 2, v níž byl poměr forem znaku z P = 3:1

16 důležité termíny: enom kompletní genetický materiál daného organismu lely alternativní formy téhož genu (dvě alely v diploidním organismu) Homozygot pár identických alel (čistá linie) Heterozygot dvě rozdílné alely jednoho genu alela pro fialové květy lokus pro barvu květu alela pro bílé květy pár homologních chromosomů daptováno z Campbell, Reece: Biology 6 th edition Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings enotyp soubor všech alel v organismu Fenotyp fyzické a fyziologické rysy (znaky) organismu

17 Mendelův model dědičnosti pro dvě alely jednoho genu Mendelelovská dědičnost homozygotní P vzhled: genotyp: gamety: homozygotní linie nesoucí dominantní alelu (P), která se na rozdíl od recesivní alely (p) projeví ( dominantní je funční ) hybridizace generace F 1 vzhled: genotyp: gamety: generace F 2 samičí F 1 samčí F 1 1. Zákon o uniformitě generace F 1 při vzájemném křížení dvou homozygotů jsou potomci genotypově i fenotypově jednotní křížení tzv. monohybridů (jedinců u kterých sledujeme 1 znak) 2. Zákon o jednoduchých štěpných poměrech v F 2 při křížení heterozygotů F 1 může být potomkovi předána každá ze dvou alel se stejnou pravděpodobností nezávislá segregace alel daptováno z Campbell, Reece: Biology 6 th edition Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings fenotypový štěpný poměr 3:1

18 Punnettův čtverec spemie daptováno z Johnson R.: Biology, 5 th edition 1999; The Mcraw-Hill Comp., Inc. Punnettův čtverec Mendelelovská dědičnost Heterozygotní rodiče s nepřirostlým lalůčkem (determinováno dominantní alelou E) Rodiče Ee Ee amety: možnost E = ½ možnost e = ½ E vajíčka e E Šance zdědit genotypy EE Ee EE =½ ½=¼ Ee =½ ½=¼ e ee =½ ½=¼ Ee potomci e e ee =½ ½=¼ Pravděpodobnost u novorozence 75% nepřirostlý a 25% přirostlý lalůček (3:1) lely E = nepřirostlý lalůček e = přirostlý lalůček 3 1 Fenotypy nepřirostlý lalůček přirostlý lalůček

19 rodokmen Testovací (zpětné) křížení odhalení genotypu křížením s homozygotem v recesivním stavu v případě lalůčků raději Mendelelovská dědičnost Rozbor rodokmenu hybrid F 1 homozygot P dominantní fenotyp; neznámý genotyp (možno PP nebo Pp) recesivní fenotyp; známý genotyp pp pro možnost PP bude fenotyp fialový květ pro možnost Pp 50% fialový květ 50% bílý květ přirostlý lalůček nepřirostlý lalůček pro analýzu rizik u nemocí děděných jako jednoduché mendelovské znaky daptováno z Campbell, Reece: Biology 6 th edition Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings

20 daptováno z Campbell, Reece: Biology 6 th edition Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings neúplná dominance homozygotní P červená C R C R gamety bílá C W C W C R : alela barva červená C w : alela barva bílá generace F 1 růžová C R C W jen 1 alela C R gamety samičí F 1 samčí F 1 generace F 2 genotyp F 1 se projeví v F 2 Štepný poměr 1:2:1 (není třeba zpětné křížení)

21 daptováno z Campbell, Reece: Biology 6 th edition Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings 3. Zákon o čistotě a plné kombinovatelnosti vloh vlohy pro znaky a vlastnosti se přenášejí z generace na generaci v čisté formě a vzájemně se nemísí (nezávislá segregace alel) sledujeme 2 znaky současně (oba s možností dominance): Mendelelovská dědičnost křížení tzv. dihybridů (sledujeme 2 znaky) homozygotní P gamety gamety generace F 1 samičí F 1 samčí F 1 generace F 2 štěpný poměr 3:1 jako u jednoho znaku nebyl pozorován žluté, kulaté zelené, kulaté žluté, scvrklé alely segregují nezávisle zelené, scvrklé fenotypový štěpný poměr 9:3:3:1 (zpětné křížení s yyrr poměr 1:1:1:1)

22 Mendelelovská dědičnost štěpný poměr platí, pokud jsou geny na různých chromosomech B B b a dihybrid abb B a B b a a b a b b B B metafáze I dvě možnosti uspořádání chromosomů B B a a b b b b a a B B metafáze II B a b a b b b a B a B B ab b ab možné gamety alely mendelovsky rozděleny daptováno z Campbell, Reece: Biology 6 th edition Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings

23 Chromosomální základ dědičnosti Drosophila melanogaster sameček samička homozygotní P XY XX vajíčka spermie Thomas Hunt Morgan ( ) generace F 1 divoký typ mutant Fenotypy po křížení F 1 všichni červené oči F 2 červené:bílé = 3:1 (štěpný poměr odpovídá mendelovské dědíčnosti) LE: bílé oči pouze u samečků znak vázaný na chromosom X generace F 2 vajíčka spermie daptováno z Campbell, Reece: Biology 6 th edition Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings

24 Vazba vloh / genů na libovolném chromosomu další Morganův experiment: homozygotní P divoký typ šedé tělo, normální křídla dihybrid F 1 šedé tělo, normální křídla ZPĚTNÉ KŘÍŽENÍ dvojitý mutant černé tělo, zakrnělá křídla dvojitý mutant černé tělo, zakrnělá křídla Znaky: barva těla a vývoj křídel lely: b + : normální šedé tělo b : černé tělo (black) vg + : normální křídla vg : zakrnělá (vestingal) křídla rodiče v zpětném křížení fenotyp tělo / křídla šedé / normální černé / zakrnělá šedé / zakrnělá černé / normální potomstvo po zpětném křížení většina potomků nebo očekávání: nezávyslá segregace rodičovský fen. rekombinovaný fen. Převahu rodičovských fenotypů vysvětluje vazba genů na jednom chromosomu. SKUTEČNOST: ale proč pak není poměr 1:1:0:0? daptováno z Campbell, Reece: Biology 6 th edition Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings

25 ZPĚTNÉ KŘÍŽENÍ dihybrid F 1 šedé tělo, normální křídla replikace dvojitý mutant černé tělo, zakrnělá křídla Rekombinantní fenotypy jsou důsledkem crossing-over 83% 17% { { Fenotypy (tělo - křídla): 1. gray normal šedé normální 2. Black vestingal černé zakrnělá 3. ray vestingal šedé zakrnělá 4. Black normal černý normální gamety potomci křížení vajíčko spermie MEIOZ I a crossing-over MEIOZ II separace chromatid rodičovský fenotyp rekombinantní chromosomy rekombinovaný fenotyp vajíčko MEIOZ I a II crossing-over neutrální spermie Frekvence rekombinace (391 / 2300) x 100 = 17% daptováno z Campbell, Reece: Biology 6 th edition Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings

26 Morganovy zákony 1. eny jsou lineárně uspořádány v chromosomech. 2. eny jednoho chromosomu tvoří vazebnou skupinu. Počet vazebných skupin = počet párů homologních chromosomů 3. Mezi geny homologického páru chromosomů může probíhat genová výměna prostřednictvím crossing-over. Frekvence crossing over je přímo úměrná vzdálenosti genů. chromosom frekvence rekombinace případ třech genů na chromosomu II b, vg a cn (cinnabar, rumělka) fenotyp cn: světlejší oči než Frekvence rekombinací: 9% pro cn a b 9,5% pro cn a vg 17% b a vg divoký typ daptováno z Campbell, Reece: Biology 6 th edition Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings Vzdálenější geny větší šance, že mezi nimi proběhne crossing-over

27 Mendelelovská dědičnost štěpný poměr platí, pokud jsou geny na různých chromosomech a jedním genem je determinován jeden fenotyp neovlivněný prostředím B b a dihybrid abb B a B b a a b a b b B B metafáze I dvě možnosti uspořádání chromosomů B B a a b b b b a a B B metafáze II B B a b a b b b a B a B B ab b ab možné gamety alely mendelovsky rozděleny daptováno z Campbell, Reece: Biology 6 th edition Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings

28 Pleiotropie en ovlivní více než jeden fenotypový znak jedince Případ fenylketourie: - gen pro fenylalanin hydroxylasu na autosomu - mutace = recesivní alela; autosomálně recesivní onemocnění - porucha přeměny aminokyseliny fenylalaninu na tyrosin Fenotypové projevy: - mentální retardace, epileptické záchvaty - bledá pleť, modré oči, světlé vlasy (nedostatek tyrosinu pro tvorbu melaninu) - časté ekzémy a vyrážky Kodominance vícealelové systémy vs 2n Případ dědičnosti krevních skupin: 3 alely pro dědičnost krevních skupin: lela I - antigen na povrchu erythrocytů - protilátky proti B v séru (anti-b) lela I B - antigen B na povrchu erythrocytů - protilátky proti v séru (anti-) lela i - erythrocyt bez antigenu nebo B - v séru protilátky proti i B - 6 možných genotypů - fenotypy krevní skupina, B, B nebo 0 I a I B jsou vůči sobě kodominantní I a I B jsou vůči alele i dominantní krevní skupina genotypy sérum erythrocyty po přidání séra krevních skupin ve sloupci daptováno z Campbell, Reece: Biology 6 th edition Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings

29 Polygenní dědičnost Účinky více genů na jednu fenotypovou vlastnost Fenotyp je dán součtem účinků genů (aditivní, kumulativní efekt) Pozn. pro znaky, měnící se v populaci plynule = znaky kvantitativní vělikost těla, barva kůže (rozdíl proti kvalitativním znakům = diskrétní znaky např. krevní skupina) Vliv prostředí na fenotyp norma reakce = různost fenotypů, které mohou vzniknout z jediného genotypu vlivem vnějšího prostředí norma reakce nulová např. krevní skupiny, barva květu hrachu norma reakce nenulová např. barva květu hortenzie zásaditá půda kyselá enové interakce Na sledovaném kvalitativním znaku se podílí více než jeden gen lely dominantní a recesivní

30 daptováno z Campbell, Reece: Biology 6 th edition Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings Mendelelovská dědičnost homozygotní P gamety gamety generace F 1 samičí F 1 samčí F 1 generace F 2 štěpný poměr 3:1 jako u jednoho znaku nebyl pozorován žluté, kulaté zelené, kulaté žluté, scvrklé alely segregují nezávisle zelené, scvrklé fenotypový štěpný poměr 9:3:3:1 (zpětné křížení s yyrr poměr 1:1:1:1)

31 enové interakce interakce bez změny štěpných poměrů 9:3:3:1 reciproká interakce oba geny se projevují samostatně, interakce až na úrovni fenotypu x x Barva plodu papriky: lely: R červený pigment NO r červený pigment NE Cl rozklad chlorofylu NO cl rozklad chlorofylu NE (pomlčky v obr. = jakákoliv alela) objevují se fenotypy, které nebyly u rodičovských rostlin (P1 nebo P2) (pomlčka = jakákoliv alelu) výsledek zpětného křížení s rrclcl je 1:1:1:1 Převzato z Nečásek a kol. Obecná genetika. SPN Praha 1979

32 enové interakce dominantní epistaze dominantní alela epistatického genu potlačí projev hypostatického genu (obdoba dominance) Barva květů jiřiny: lely: Y žlutý pigment NO I pigment slonová kost NO y a i pigment NE štěpný poměr v F 2 12:3:1 přítomnost žlutého pigmentu překryje barvu slonové kosti výsledek zpětného křížení s yyii je 2:1:1 Převzato z Nečásek a kol. Obecná genetika. SPN Praha 1979

33 enové interakce recesivní epistaze gen v homozygotně recesivní stavu potlačí/neumožní projev alely druhého genu Barva květů šalvěje: lely: P / p červený pigment NO / NE / a methylace červeného pigmentu = fialová NO / NE štěpný poměr v F 2 9:3:4 výsledek zpětného křížení s ppaa je 1:1:2 Převzato z Nečásek a kol. Obecná genetika. SPN Praha 1979

34 enové interakce komplementarita alespoň jedna dominantní alela obou genů Barva květů hrachoru: lely: C a R červený pigment NO produkt C je stále bezbarvý štěpný poměr v F 2 9:7 výsledek zpětného křížení s ccrr je 1:3 Převzato z Nečásek a kol. Obecná genetika. SPN Praha 1979

35 enové interakce inhibice dominantní alela inhibitoru zamezí projevu druhého genu (inhibitor sám jiný projev nemá) Barva peří kura domácího: lely: C / c červený melanin NO / NE I / i inhibice depozice melaninu v keratinu peří NO / NE štěpný poměr v F 2 13:3 výsledek zpětného křížení s ccii je 3:1 Převzato z Nečásek a kol. Obecná genetika. SPN Praha 1979

36 enové interakce duplicita (nekumulativní) dva geny téhož účinku a postačuje jedna dominantní alela Tvar šešule kokošky patuší tobolky: lely: T1 nebo T2 zajistí normální tvar t1 a t2 v homozygotně recesivním stavu špičatý tvar štěpný poměr v F 2 15:1 výsledek zpětného křížení s ccii je 3:1 Převzato z Nečásek a kol. Obecná genetika. SPN Praha 1979

37 Polygenní dědičnost Zjednodušený model polygenní dědičnosti barvy kůže: 3 geny: - alely, B, C tmavá kůže (v obr. černé tečky bez rozlišení alel) - alely a, b, c světlá kůže - vztah neúplné dominance například zbarvení abbcc = Bbcc (v obr. bílé tečky bez rozlišení alel) barvu kůže ovlivní i vlivy prostředí ( spojitá ausova křivka) daptováno z Campbell, Reece: Biology 6 th edition Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings

38 + rrn & trn Centrální dogma molekulární biologie 5' 3' replikace C C C C DN T C C T 3' 5' transkripce templátový řetězev (pro transkriptci) 5' 3' mrn C C C C translace codon 1 codon 2 codon 3 O O O N C C N C N C C polypeptid R 1 R 2 R 3 Serin sparagin Prolin

39 P P P P P P Replikace je semikonzervativní Každý řetězec původní dvojšroubovice slouží jako templát (matrice) pro syntézu nového komplementárního vlákna DN polymerasa připojí další nukleotid na 3 uhlík (-OH) ribosy 1 nukleotidu předchozího. O OH 4 C C H H 1 H H C C 3 2 OH H 5 konec C T C 3 konec templátový řetězec C lagging strand 2 5 konec nový řetězec 7 6 P P P P P 3 konec 4 DN ligasa 5 3 leading strand primer RN DN se rozbalí a dojde k oddělení vláken Nový řetězec syntetizován na základě komplementarity bazí 3 Replikaci katalyzuje DN polymerasa Okazakiho fragment (v počátku replikace vyžaduje primer RN poskytující 3 OH ribosy) původní řetězec (templát) DN polymerasa 3 DN polymerasa helikasa rozbaluje dsdn = replikační vidlice původní DN 5 3 Nerozbalené dvojšroubovice DN oblast probíhající replikace T C C T T C C T Nové řetězce jsou syntetizovány jako Vedoucí řetězec (leading strand): kontinuální molekula Opožďující se řetězec (lagging s.): diskontinuální syntéza krátkých DN (Okazakiho fragmenty); pro dokončení celého vlákna - degradace primerů RN, dosyntetizování DN a spojení (ligace) 5' T C T C C T T C oblast dokončené replikace C T 3' C T C T T T C nový řetězec C původní řetězec

40 Replikace: Prokaryota versus Eukaryota jeden počátek replikace na cirkulárním chromosomu jedna replikační bublina rostoucí oběma směry mnoho počátků replikace na lineárním chromosomu replikační vidlice rostou oběma směry a tvoří replikační bublinu po setkání vidlic/bublin jsou nové řetězce kovalentně spojeny počátek replikace replikační vidlice parentální řetězec replikace probíhá oběma směry nový řetězec replikace ukončena replikační bublina 2 nové duplexy DN

41 Transkripce 5' enetická informace je přepsána (transkribována) do sekvence RN Přepis začíná sestavením komplexu RN polymerasy na promotoru genu a oddělením vláken DN (promotor: specifická sekvence před přepisovanou oblastí) Přepis končí terminací transkripce (specifické sekvence nebo proteinové faktory) Transkripce genu není nahodilá - konstitutivní stálá (housekeeping geny) nebo může netemplátový řetezec DN C C T T 3 ' C C T C T C templátový řetězec DN RN polymerasa RN (transcript) 5' - podléhat indukci - podléhat represi 3' RN může být dále procesována (upravena)

42 Transkripce do sekvence mrn: Prokaryota mrn je v podstatě připravena na translaci bez prav možnost kontinuální polycistronní mrn: transkripce operonu (tandemně uspořádané kódující sekvence několika proteinů pod kontrolou jednoho promotoru) versus Eukaryota Pre-mRN obsahuje kódující sekvence (exony) a intervenující nekódující sekvence (introny) Transkript je dále vybaven nekódovanými nukleotidy (na 3 konci nukletidem tvořícím čepičku a na 5 konci je modifikován polyadenylací Introny jsou vystřiženy (sestřih RN, splicing) a exony spojeny v kontinuální kódující řetězec introns occuring in between exons are to be excised through RN splicing Se střih probíhá v jádře, katalyzován nukleoproteinovým komplexem (spliceosomem) DN exon exon intron intron transkripce exon exon exon exon pre-mrn 5' intron intron 3' exon exon exon 5' 3' čepička intron intron poly- spliceosome exon exon exon 5' 3' čepička poly- jádro intron RN sestřih pre-mrn 5' mrn 3' čepička poly- cytoplasma jaderný pór

43 Translace na ribosomu prerekvizity: ribosomy, mrn, trn, energie, aminokyseliny a info o jejich pozici mrn 5' amino kyselina 3 antikodon 5 kodon vodíkové můstky molekula trn má 2 vazebná místa: 3' báze 3. báze U C báze U C UUU fenylalanin UUC fenylalanin UU leucin UU leucin CUU leucin CUC leucin CU leucin CU leucin UU isoleucin UC isoleucin U isoleucin U (start) methionin UU valin UC valin U valin U valin antikodon (H-vazby, komplementarita) místo pro vazbu aminokyseliny (kovaletní vazba) UCU serin UCC serin UC serin UC serin CCU prolin CCC prolin CC prolin CC prolin CU threonin CC threonin C threonin C threonin CU alanin CC alanin C alanin C alanin UU tyrosin UC tyrosin U stop U stop CU histidin CC histidin C glutamin C glutamin U asparagin C asparagin lysin lysin U aspartát C aspartát glutamát glutamát UU cystein UU cystein U stop U tryptofan CU arginin CC arginine C arginin C arginin U serin C serin arginin arginin U glycin C glycin glycin glycin U C U C U C U C kodon tvořen 3 bázemi 64 možných kombinací: 3 kodony jako info pro STOP translaci 61 jako info o identitě připojované aminokyseliny

44 5' methionin Met trn mrn místo E místo P místo 3 stádia translace sp la Trp Val lu U U U terminační (uvolňovací) faktory 5' stop codon 3' malá velká podjednotka ribosomu 3' Met U C U Ribosom přeložil mrn až po STOP není trn váží se terminační faktory 3 Malá podjednotka ribosomu váže mrn; iniciační trn (pro Met) se váže na iniciační Kodon U. 5' 3' start kodon Připojuje se velká ribosomální podjednotka; iniciační trn vázána v místě P; místo připraveno pro vazbu další trn. 5 Uvolňovací faktor štěpí vazbu mezi polypeptidem a poslední trn protein uvolněn. 1. Iniciace (první kodon obvykle U) 3. Terminace 2. Elongace Met peptidová vazba Ser la Trp Val asp C U antikodon Met trn Ser la Trp Val sp Met Ser la Trp Val sp Met další peptidová vazba Ser la Trp Val sp Thr C U U C 3 6 C U U C U C 3 C U U C U C 6 3 U C U C C C Dvě trns jsou na 3 4 Do místa přichází ribosomu současně Tvoří se trn aminokyselina (místo P a ) peptidová vazba Posun mrn a prázdná trn opouští ribosom z místa E (uvolněno místo )

45 enová exprese u eukaryot