Biologie 4, 2015/2016, I. Literák. pralesnička drobná Dendrobates pumilio Kostarika, 2004 GEN PROTEIN



Podobné dokumenty
B5, 2007/2008, I. Literák

Biologie 4, 2014/2015, I. Literák. pralesnička drobná Dendrobates pumilio Kostarika, 2004 GEN PROTEIN

Proteiny Genová exprese Doc. MVDr. Eva Bártová, Ph.D.

TRANSLACE - SYNTÉZA BÍLKOVIN

Exprese genetického kódu Centrální dogma molekulární biologie DNA RNA proteinu transkripce DNA mrna translace proteosyntéza

Exprese genetické informace

Molekulární základy dědičnosti. Ústřední dogma molekulární biologie Struktura DNA a RNA

2. Z následujících tvrzení, týkajících se prokaryotické buňky, vyberte správné:

Základy molekulární biologie KBC/MBIOZ

19.b - Metabolismus nukleových kyselin a proteosyntéza

Exprese genetické informace

Bílkoviny a rostlinná buňka

AUG STOP AAAA S S. eukaryontní gen v genomové DNA. promotor exon 1 exon 2 exon 3 exon 4. kódující oblast. introny

Molekulárn. rní. biologie Struktura DNA a RNA

Základy molekulární a buněčné biologie. Přípravný kurz Komb.forma studia oboru Všeobecná sestra

Centrální dogma molekulární biologie

7. Regulace genové exprese, diferenciace buněk a epigenetika

Syntéza a postranskripční úpravy RNA

jedné aminokyseliny v molekule jednoho z polypeptidů hemoglobinu

Inovace studia molekulární a buněčné biologie

6) Transkripce. Bakteriální RNA-polymeráza katalyzuje transkripci všech uvedených typů primárních transkriptů (na rozdíl od eukaryot).

Základy molekulární biologie KBC/MBIOZ

Struktura a funkce nukleových kyselin

DUM č. 11 v sadě. 37. Bi-2 Cytologie, molekulární biologie a genetika

Genetika. Genetika. Nauka o dědid. dičnosti a proměnlivosti. molekulárn. rní buněk organismů populací

NUKLEOVÉ KYSELINY. Základ života

Úvod do studia biologie. Základy molekulární genetiky

Garant předmětu GEN: prof. Ing. Jindřich Čítek, CSc. Garant předmětu GEN1: prof. Ing. Václav Řehout, CSc.

Molekulární biologie. 4. Transkripce

DUM č. 10 v sadě. 37. Bi-2 Cytologie, molekulární biologie a genetika

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti. Vztah struktury a funkce nukleových kyselin. Replikace, transkripce

-nukleové kyseliny jsou makromolekulární látky, jejichž základní stavební jednotkou je nukleotid každý nukleotid vzniká spojením:

Nukleové kyseliny. Nukleové kyseliny. Genetická informace. Gen a genom. Složení nukleových kyselin. Centrální dogma molekulární biologie

Propojení výuky oborů Molekulární a buněčné biologie a Ochrany a tvorby životního prostředí. Reg. č.: CZ.1.07/2.2.00/

Odvětví genetiky zkoumající strukturu a funkci genů na molekulární úrovni

Rich Jorgensen a kolegové vložili gen produkující pigment do petunií (použili silný promotor)

Úvod do studia biologie. Základy molekulární genetiky

Nukleové kyseliny. DeoxyriboNucleic li Acid

MOLEKULÁRNÍ ZÁKLADY DĚDIČNOSTI

přepis genetické informace z DNA do RNA, při které DNA slouží jako matrice pro syntézu RNA. Reakci katalyzuje RNA-polymeráza (transkriptáza)

Typy nukleových kyselin. deoxyribonukleová (DNA); ribonukleová (RNA).

Otázky ke zkoušce z Biologie (MSP, FVHE, FVL) a ke zkoušce z Biologie a mol. biol. metod (BSP, FVHE), 2018/2019

Molekulární genetika (Molekulární základy dědičnosti)

Genetický kód. Jakmile vznikne funkční mrna, informace v ní obsažená může být ihned použita pro syntézu proteinu.

Inovace studia molekulární a buněčné biologie

Translace (druhý krok genové exprese)

Struktura a organizace genomů

DUM č. 3 v sadě. 37. Bi-2 Cytologie, molekulární biologie a genetika

Schéma průběhu transkripce

"Učení nás bude více bavit aneb moderní výuka oboru lesnictví prostřednictvím ICT ". Základy genetiky, základní pojmy

Molekulární základy dědičnosti

Nukleové kyseliny (polynukleotidy) Nukleové kyseliny a nadmolekulové komplexy polynukleotidů buněčných struktur

Nukleové kyseliny a nadmolekulové komplexy polynukleotidů buněčných struktur

ve srovnání s eukaryoty (životnost v řádu hodin) u prokaryot kratší (životnost v řádu minut) na životnost / stabilitu molekuly mají vliv

EPIGENETIKA reverzibilních změn funkce genů, Epigenetické faktory ovlivňují fenotyp bez změny genotypu. Epigenetická

Inovace studia molekulární a buněčné biologie

Molekulární základy dědičnosti

Molekulární genetika: Základní stavební jednotkou nukleových kyselin jsou nukleotidy, které jsou tvořeny

Molekulární základ dědičnosti

1. Téma : Genetika shrnutí Název DUMu : VY_32_INOVACE_29_SPSOA_BIO_1_CHAM 2. Vypracovala : Hana Chamulová 3. Vytvořeno v projektu EU peníze středním

Inovace studia molekulární a buněčné biologie

Genetika zvířat - MENDELU

Základní pojmy obecné genetiky, kvalitativní a kvantitativní znaky, vztahy mezi geny

Bakteriální transpozony

REGULACE TRANSLACE. Regulace translace INICIACE TRANSLACE. 1. Translační aparát ribosomální podjednotky. 2. translace- iniciace

Přednáška kurzu Bi4010 Základy molekulární biologie, 2016/17 Transkripce DNA a sestřih


Virtuální svět genetiky 1. Translace

Chromosomy a karyotyp člověka

Molekulární mechanismy řídící expresi proteinů

Eva Benešová. Genetika

Struktura a funkce biomakromolekul

Nukleové kyseliny Replikace Transkripce, RNA processing Translace

Transpozony - mobilní genetické elementy

Nukleové kyseliny Replikace Transkripce translace

Molekulární a buněčná biologie, genetika a virologie

GENETIKA dědičností heredita proměnlivostí variabilitu Dědičnost - heredita podobnými znaky genetickou informací Proměnlivost - variabilita

Inovace studia molekulární a buněčné biologie

Nukleové kyseliny Replikace Transkripce translace

Struktura a funkce biomakromolekul KBC/BPOL

Globální pohled na průběh replikace dsdna

O původu života na Zemi Václav Pačes

TEST: GENETIKA, MOLEKULÁRNÍ BIOLOGIE

RIGORÓZNÍ OTÁZKY - BIOLOGIE ČLOVĚKA

Biosyntéza a metabolismus bílkovin

MOLEKULÁRNÍ BIOLOGIE PROKARYOT

Inovace studia molekulární a buněčné biologie

b) Jak se změní sekvence aminokyselin v polypeptidu, pokud dojde v pozici 23 k záměně bázového páru GC za TA (bodová mutace) a s jakými následky?

Buněčný cyklus. Replikace DNA a dělení buňky

Těsně před infarktem. Jak předpovědět infarkt pomocí informatických metod. Jan Kalina, Marie Tomečková

Sylabus témat ke zkoušce z lékařské biologie a genetiky. Struktura, reprodukce a rekombinace virů (DNA viry, RNA viry), význam v medicíně

Molekulárn. rní genetika

Genetika - maturitní otázka z biologie (2)

Propojení výuky oborů Molekulární a buněčné biologie a Ochrany a tvorby životního prostředí. Reg. č.: CZ.1.07/2.2.00/

Struktura a funkce biomakromolekul KBC/BPOL

Funkční specializace dnes: nukleové kyseliny uchovávají genet. informaci bílkoviny mají strukturní a katalytickou fci

Přenos genetické informace: Centrální dogma. Odstranění intronů sestřihem RNA

Transkript:

Biologie 4, 2015/2016, I. Literák pralesnička drobná Dendrobates pumilio Kostarika, 2004 GEN PROTEIN

>10 LET JE ZNÁM LIDSKÝ GENOM 2000 Bill Clinton, Tony Blair: ukončení hrubého sekvenování lidského genomu (= známo pořadí nukleotidů 83 % lidského genomu) 2001 genom člověka publikován Human Genome Project: Nature Celera: Science 2003 (Nature, 2004): dokončení kompletního genomu 2010 známo pořadí 93 % nukleotidů, 100 % kódujících oblastí, odolávají některé repetitivní sekvence, centromery, telomery geny kódující proteiny 20 000 geny kódující RNA několik (málo) tisíc? počtu modifikací jednotlivých genů (alternativní sestřih) 2 lidé sdílejí 99,5 % genetické informace, v 0,5 % se navzájem liší Project ENCODE: do RNA se přepisuje i cca 75 % negenové DNA, hlavně regulační oblasti před i za genem a z obou řetězců DNA Projekty osobního genomu, 2012 Ion Torrent Systems: genom člověka za 2 hod/1000 USD

PAMĚŤOVÝ SYSTÉM BUŇKY BUNĚČNÁ PAMĚŤ PAMĚŤ - zaznamenání, uchování a předání informace (kniha, flash disk, DNA, lidský mozek) DĚDIČNOST = schopnost předávat soubor informací ve sledu po sobě jdoucích generací (buněk, mnohobuněčných organismů) BUNĚČNÁ PAMĚŤ (vnitřní paměť buňky) - zpracovává informaci pro - udržování buňky (struktura a funkce) - reprodukci - u jednobuněčných - u mnohobuněčných + informace o vývoji, funkci a chování celého jedince

NUTNÉ VLASTNOSTI BUNĚČNÉ PAMĚTI 1. velká kapacita 2. dlouhodobost 3. stabilita 4. snadná dostupnost a transformovatelnost do konkrétní vlastnosti buňky 5. zdvojitelnost (pro 2 dceřiné buňky) 6. schopnost doplňování (evoluce) TYPY - informace genová (genetická) nesená genofory hlavní médium... NK exprese genetické informace = kódování, vyzvedávání a vyjadřování (exprimace) do konkrétních vlastností - informace negenová (epigenetická) - část vnitřní informace buňky zprostředkovaná jinak ovlivňuje vyjádření genů (metylace DNA, acetylace histonů, sbalování chromatinu) UNIVERZÁLNOST GENETICKÉ INFORMACE každá genetická informace je zapsána v primární struktuře NK - DNA (většinou), RNA (RNA viry)

GEN MENDEL (1865) - diskrétní elementy odpovědné za vytvoření znaků JOHANSSEN (1909) - gen = jednotka dědičnosti MORGAN (1911) - geny jsou lokalizovány na lokusech chromozomů BEAGLE, TATUM (1941) - jeden gen - jeden protein (enzym) WATSON, CRICK (1953) - gen je část molekuly DNA kódující jeden protein GEN = úsek polynukleotidového řetězce obsahující genetickou informaci pro strukturu polypeptidu jako translačního produktu (gen strukturní) nebo informaci pro strukturu RNA, která nepodléhá translaci (geny pro rrna a trna) GENY STRUKTURNÍ: informace o primární struktuře polypeptidu (bílkovině strukturní, enzymové, signální) - složené: z exonů (kódující sekvence genů) z intronů (nekódující sekvence genů) primární transkript podléhá posttranskripčnímu sestřihu mrna, která se na ribosomu překládá do molekuly polypeptidu (eukaryota) -jednoduché: přepisují se celé bez sestřihu (prokaryota) GENY PRO RNA: (rrna, trna, )

NEGENOVÁ DNA: REGULAČNÍ OBLASTI (regulační sekvence) - úseky molekuly NK, které nesou informaci pro navázání specifických proteinů např. signalizace zahájení nebo ukončení transkripce (na DNA) TRANSPOZONY, RETROELEMENTY = endogenní retroviry, SINE, LINE, u člověka 42 % DNA, REPETITIVNÍ DNA (mikrosatelity, minisatelity) PROKARYOTA - jen malá část DNA je negenová EUKARYOTA - větší část DNA je negenová (u savců 90 %) GENOM soubor všech molekul DNA v buňce (genová i negenová DNA) GENOFORY: CHROMOZOMY PLAZMIDY

Některé známé kompletní GENOMY VIRY A PROKARYOTA ORGANISMUS POČET BAZÍ (Mb) POČET GENŮ bakteriofág X174 (1977) 5386 b ssdna 10 FPV (fowlpoxvirus) (2000) 0.288 dsdna min. 65 Haemophilus influenzae (1995) 4.6 1 743 Mycoplasma genitalium 0.58 516 Escherichia coli 4.6 2 350

ORGANISMUS Některé známé kompletní GENOMY EUKARYOTA Nejmenší známý eukaryotický genom: POČET BAZÍ (Mb) POČET GENŮ Encephalitozoon intestinalis (mikrosporidie, spájivá houba) Modelové organismy: 2.25 Saccharomyces cerevisiae 13 6 420 Arabidopsis thaliana 100 25 498 Caenorhabditis elegans 100 19 099 Drosophila melanogaster 180 13 601 Homo sapiens 3 000 20 000 Největší známý eukaryotický genom: Paris japonica vraní oko japonské, rostlina Větší než lidský také např.: 149 000 jmelí bílé, pšenice setá, bahník východoafrický,

Francis Collins (vedoucí projektu Human Genome Project: Máme v rukou návod na člověka, který dosud vlastnil jen bůh Tom Shakespeare (University of Newcastle): Člověk má 51 % genů shodných s kvasinkami a 98 % se šimpanzem. Genetika není to, co z nás dělá lidskou bytost Marek Vácha (genetik a teolog): Genom je jako klaviatura, na kterou může zkušený pianista zahrát různé skladby. Vtip není v rozdílném uspořádání kláves, ale v tom, ve kterých tkáních, ve kterou chvíli a jak moc se přepisují

EXPRESE GENETICKÉ INFORMACE F. CRICK: DNA RNA PROTEIN CENTRÁLNÍ DOGMA MOLEKULÁRNÍ BIOLOGIE 1. stupeň DNA RNA TRANSKRIPCE - na základě komplementarity bazí vznikají RNA kopie (transkripty) - postranskripční úprava 2. stupeň RNA PROTEIN TRANSLACE - nukleotidy AK - postranslační úprava přesná regulace (!!!): KVALITATIVNÍ KVANTITATIVNÍ ČASOVÁ

Od DNA k proteinu Espero Publishing, s.r.o.

TRANSKRIPCE transkripční jednotka = definovaný úsek DNA pro transkripci složení: - promotor - sekvence DNA (40 bp) pro navázání RNA-polymerázy (prostřednictvím proteinu sigma faktor) - sekvence strukturního genu (strukturních genů) - terminátor 1. INICIACE - po navázání RNA-polymerázy na promotor se rozvinou oba řetězce DNA - od místa startu (1. přístupného nukleotidu) na matricovém vláknu se přiřazují RNA nukleotidy, začíná syntéza RNA - po dosažení délky 9 nukleotidů se odštěpuje sigma faktor prokaryota eukaryota RNA-polymeráza vazby RNA-polymerázy na promotor Bacteria - 1 typ Archea - mnoho typů prostá 3 typy (I, II, III) vyžaduje transkripční faktory TF (regulační proteiny TFIID, TFIIB se váží na TATA box součást promotoru s 25 bp)

2. ELONGACE - RNA-polymeráza se posunuje podél molekuly DNA - vzniká vlákno RNA v orientaci 5 3 3. TERMINACE terminátor - sekvence DNA, po jejíž transkripci se RNA zdvojí (zdvojení je signál pro oddělení RNA polymerázy od DNA) jiná možnost terminace - vazba rho faktoru (specifický protein) na molekulu RNA REVERZNÍ TRANSKRIPCE... RNA DNA pomocí reverzní transkriptázy (RNA- závislé DNA-polymerázy) u retrovirů

DNA je transkribována enzymem RNA-polymerázou

směry transkripce genů v krátkém úseku bakteriálního chromosomu

POSTTRANSKRIPČNÍ ÚPRAVA RNA (RNA PROCESSING) mrna prokaryota - přímo translace eukaryota: pre-mrna (hnrna heterologní nukleární RNA) mrna 1. navázání 7-metylguanozinu na 5 konec (vznik tzv. čepičky) 2. polyadenylace (připojení 100-200 adenosinnukleotidů) na 3 konec (vznik tzv. polya přívěsku) důvody 1. a 2.: - ochrana před účinkem nukleáz - nutné pro rozpoznání ribozomem - umožňuje přechod z jádra do cytoplazmy 3. splicing ponechání exonů (kódujících sekvencí k exprimování) průměrný gen má asi 1000 nukleotidů vystřižení intronů (často delších než exony) [ ribozym endonukleáza P] 4. RNA silencing (RNAi, sirna, mirna)

rrna syntéza v jadérku 70-80 % RNA pre-rrna rrna prokaryonta - 3 druhy rrna (pro ribosomální podjednotky) eukaryonta - 4 druhy rrna (pro ribosomální podjednotky) trna syntéza v jadérku pre-trna trna 1. odstranění zaváděcí sekvence 2. chemické modifikace (metylace) bazí 3. vystřižení intronů 4. přidání trojice nukleotidů CCA (u všech funkčních molekul trna)

TRANSLACE (PROTEOSYNTÉZA) = překlad z jazyka nukleotidů (4-písmenná abeceda) do jazyka AK (21-písmenná abeceda) - v cytoplazmě, - na ribosomech GENETICKÝ KÓD 1966 - Nirenberg, Khoran, Ochoa (1968 - Nobelova cena) kombinace tří nukleotidů kóduje 1 AK 64 variant (61 je využito pro AK) tripletový kód triplet nukleotidů v mrna... kodon (5 3 ) genetický kód je univerzální (stejný u všech organismů) je nepřekryvný (5 3 ) je degenerovaný, redundantní

Degenerovaný genetický kód Genetický kód je degenerovaný, resp. redundantní, což znamená, že dva či více kodónů může kódovat jednu a tutéž aminokyselinu. Degenerované kodóny se obvykle liší ve své třetí pozici, viz kodony GAA a GAG, které oba kódují glutamin. Tato degenerace genetického kódu umožňuje existenci tzv. tichých mutací. Degenerovanost genetického kódu a z ní plynoucí existence tichých mutací značně zvyšuje toleranci substitučních mutací v degenerovaných kodonech. Např. kodony kódující alanin (GCG, GCA, GCU, GCC) mohou po libosti mutovat na své třetí pozici, aniž by došlo k záměně aminokyseliny, kterou kódují. Naproti tomu aminokyselina histidin je kódována pouze dvěma kodony, takže bez změny aminokyseliny je pouze jedna z možných tří mutací na třetí pozici.

PROTEOSYNTETICKÝ APARÁT mrna ribosomy - místa syntézy proteinů trna - řadí AK podle tripletů volné AK ATP, GTP (zdroje energie) řada enzymů a tzv. pomocných faktorů mrna prokaryota - nese informaci pro několik polypeptidů (polycistronická RNA) operon = skupina genů přepisovaných do 1 molekuly RNA eukaryota - nese informaci 1 genu

RIBOSOMY tělíska z rrna a bílkoviny (1:1) v cytoplazmě prokaryotních i eukaryotních buněk v matrix mitochondrií a stromatu chloroplastů - volné - vázané na membrány (ER, vnější membrána jaderného obalu) v buňce 10 4-10 5 ribosomů velikost ribozomů v Svedbergových sedimentačních jednotkách prokaryota (+ mitochondrie a chloroplasty) Celý ribosom 70 80 Větší podjednotka 50 60 Menší podjednotka 30 40 eukaryota 4 specifická vazebná místa: - místo pro vazbu mrna - A (aminoacyl) místo vazba trna s AK (aminoacyl-trna) - P (peptidyl) místo (vazba peptidyl-trna) - E (exit) místo (místo, kde t-rna opouští ribosom) polysom - řetízek ribosomů, na nichž probíhá translace proteinů (prokaryota i eukaryota)

komponenty eukaryontního ribosomu

RIBOZOMY VELIKOST VE SVEDBERGOVÝCH SEDIMENTAČNÍCH JEDNOTKÁCH S celý ribozom LSU rdna SSU rdna EUKARYOTA 80 60 28 5.8 5 40 18 PROKARYOTA 70 50 23 5 30 16 CHLOROPLASTY 70 50 23 5 4.5 30 16 MITOCHONDRIE 60 45 16 35 12

vazebná místa pro RNA na ribosomu

polyribosom

trna rameno antikodonové rameno aminokyselinové vazbu trna a AK zajištuje specifická aminoacyl-trna-syntetáza 20 syntetáz pro 20 AK (21. AK selenocystein vzniká kotranslační modifikací až po navázání AK na trna) energie uvolněná rozštěpením této vazby se použije k tvorbě peptidové vazby nového polypeptidu Izoakceptorové t-rna - stejná AK/jiný antikodon

PRŮBĚH TRANSLACE 1. INICIACE - připojení iniciačních faktorů na menší podjednotku ribosomu - vazba iniciační trna (trna f-met formylmethionin -eubakterie, trnamet methionin archea, eukaryota) na menší podjednotku ribosomu - vazba mrna na menší podjednotku ribosomu - připojení větší podjednotky ribosomu tj. vznik translačního komplexu energie z GTP (GTP GDP) 2. ELONGACE - na startovací kodon mrna se váže antikodon trna a další trna (A místo P místo E místo, tzv. translokace) nutné elongační faktory (EF-Tu, EF-Ts, EF-G) + energie z GTP spojování AK je katalyzováno peptidyltransferázovou aktivitou 23S rrna (RNA s enzymovou aktivitou, ribozym)

3. TERMINACE - elongace končí dosažením stop kodonu: UAA, UAG, UGA stop kodony - nejsou rozeznávány trna - jsou rozeznávány proteiny (uvolňovací faktory, terminační faktory), které se na tyto stop kodony váží - oddělení polypeptidu - rozpad translačního komplexu

POSTTRANSLAČNÍ MODIFIKACE PROTEINŮ k zajištění biologické funkčnosti polypeptidů postranslační modifikace kotranslační (začínající již během translace) modifikace - deformylace (odstranění formylové skupiny z methioninu) - odštěpení AK - vyštěpení peptidů - chemické modifikace AK (metylace, fosforylace) - tvorba disulfidových můstků - připojení cukerných zbytků (glykoproteiny) - odstranění signálních sekvencí řada postranslačních modifikací se uskutečňuje specifickými enzymy (peptidázy, deformylázy,...) tj. produkty jiných strukturních genů vznik SEK., TERC. a KVART. STRUKTURY - spontánně - asistovanou autoagregací pomocí chaperonových proteinů (chaperonů), které se vážou na některé funkční skupiny vznikajících proteinů a nedovolí vznik nežádoucích vazeb (např. HSP heat shock proteins)

REGULACE GENOVÉ EXPRESE důvody pro regulaci genové exprese genové produkty - proteiny - jsou pro buňku potřebné: - v určité koncentraci - v určitém čase - na určitém místě A. PROKARYOTA B. EUKARYOTA

A. PROKARYOTA GENY KONSTITUTIVNÍ - produkce konstitutivních (trvale potřebných) proteinů - bez regulace GENY ADAPTIVNÍ - produkce adaptivních proteinů regulace na úrovni transkripce (geny zapínány a vypínány) katabolické enzymy - indukce substrátem anabolické enzymy - represe konečným produktem OPERONOVÉ GENY- skupina genů řízených promotorem a operátorem operátor je sekvence nukleotidů, na kterou se váže represor (protein kódovaný regulačním genem) tj. alosterický protein represor zastavuje transkripci genu, po jeho uvolnění transkripce probíhá Nedávné objevy: mrna může vázat různé nízkomolekulární látky (aptamerová funkce) a regulavat genovou expresi - s ribozymovým zprostředkovatelem (regulace enzymovou aktivitou ribozymu - bez ribozymového zprostředkovatele (regulace změnou konformace mrna)

B. EUKARYOTA mnohem složitější regulační mechanismy na více úrovních 1. regulace na úrovni genomu - dekondenzace a kondenzace chromozomů EPIGENETICKÁ - acetylace (a deacetylace) histonů AKTIVACE - metylace (a demetylace) DNA (geny s metylovanými nukleotidy INHIBICE - přestavba genomu pomocí transpozonů (zkopírování určitých sekvencí a jejich včlenění do určitých lokusů, např. spuštění odlišných diferenciačních programů - amplifikace určitých úseků genomu - genově specifické regulátory diferencující mezi transkripcí a replikací 2. regulace na úrovni transkripce - působení transkripčních faktorů: TFIID, TFIIB (vazba na promotorové části sekvence inr, TATA box) zesilovače transkripce - enhancery tlumiče transkripce - silencery

EPIGENETIKA studuje chemické modifikace specifických genů a s nimi sdružených proteinů histonů tyto epigenetické modifikace mohou určovat, jak se informace obsažená v genech bude vyvolávat a používat buňkami termín epigenetika zavedl v 40. letech 20. století britský embryolog Conrad Waddington pro popis interakcí mezi geny a genovými produkty, které řídí vývoj a dávají vzniknout fenotypu (pozorovatelným projevům) epigenetické procesy určují kdy, nebo zda vůbec se bude daný gen v buňce či organismu exprimován (regulují genovou expresi). EPIGENETICKÉ MODIFIKACE představují určitou stabilní změnu v aktivitě genové exprese, přičemž informace může být předána dceřiné buňce, epigenetické modifikace tak dávají buňkám a např. i celému organismu paměť - dědivost nabytých zkušeností

1 Derivatizace DNA, tj. přidávání a odstraňování určitých molekul: metylace, hydroxymetylace, glykozylace apod. metylace vede k inhibici exprese genu Je-li DNA modifikována, vážou se na ni jiné regulátory. Regulátory pak určí, zda a jak se bude přiléhající úsek transkribovat, což se nakonec projeví na jiném chování buňky. 2 Derivatizace proteinové složky nukleozomů histonů. Často mnohočetnou derivatizaci tzv. epimutace těchto proteinů. acetylace metylace ubiquitinace (se zapojením proteasomů nebo bez zapojení proteasomů) sumoylace (SUMO - small ubiquitin-related modifier) fosforylace biotinilace Zapojení proteinů/enzymů writers (připojují epigenetické značky), readers (rozpoznávají epigenetické značky a způsobují reakci buňky na tyto značky) a erasers (odstraňují epigenetické značky) 3 Účinky specifických nekódujících RNA

1 3 2

GENOMOVÝ IMPRINTING (rodičovský imprinting) U kvalitativních znaků obvykle platí pravidlo reciprocity (pro projevy genu není významné, zda alela pochází od otce nebo od matky) VÝJIMKY: geny vázané na pohlaví (sex-linked genes) bílé oči octomilek (gen pro barvu očí vázán na X chromozom) geny leží na mitochondriích a chloroplastech (maternální dědičnost) genomový imprinting Týká se genů na autosomech v jádře, homologních alel - některé alely jsou jinak modifikovány (metylovány/ nemetylovány) v samčí gametě a jinak v samičí gametě - k metylaci dochází během gametogeneze poruchy metylace mohou vyústit v jinou aktivitu alely v jiné projevy genu (metylace je spojena s inaktivací alely)

teoreticky: měl by být stejný výsledek, když se v zygotě uplatní 2 alely od otce nebo 2 alely od matky prakticky: experiment u myší s chromozomem 11 2 chromozom od samce obrovské mládě 2 chromozom od matky abnormálně malé mládě Neuplatní-li se z nějakého důvodu obě alely genu, mohou být u potomků jiné znaky, než podle Mendelových pravidel. Výsledek závisí na tom, zda se uplatní alela od matky nebo otce.

Př.: Projevy mikrodelece segmentu 15q11.2-q12 u člověka (mikrodelece části chromozomu 15) Frekvence 1/25000 Uplatní-li se chromozom (nedeletovaná část) 15 od matky: Prader-Willi Syndrome mentální retardace, obezita, malé ruce a nohy Uplatní-li se chromozom (nedeletovaná část) 15 od otce: Angelman Syndrome mentální retardace, velká ústa, rudé tváře, nesmyslný smích, tiky

MEZEK kůň oslice velikost a pracovitost po matce podobný oslu MUL(A) osel klisna velikost a pracovitost po matce podobný koni

LIGER lev tygřice obrovská kočkovitá šelma TIGON tygr lvice velikost odpovídající rodičům

Regulace prostřednictvím RNA (RNAi, sirna, mirna) RNA SILENCING 90. léta 20. st. shutting down genes (= SILENCERs) = tlumicí postranskripční geny (PTGS) houby, rostliny, živočichové RNAi RNA interference = proces sekvenčně specifického umlčování genů pomocí homologní dsrna (nekódující úseky z 21-23 nukleotidů) sirna (short interferring RNA) - malé interferující duplexy uplatňují se v obranném procesu proti transkripci cizorodé RNA (evolučně starobylý obranný mechanismus proti virům a transpozonům) mirna (microrna) uplatňují se v regulaci běžné genové výbavy buňky (platí odhadem pro 1/3 lidských genů)

EFEKT: degradace mrna, tj. ukončení genové aktivity knockdown efekt obvykle: ds DNA ss mrna translace s si(mi)rna: ds DNA ss mrna + komplementární si(mi)rna s nukleázou (RISC komplex) degradace mrna blokace translace výhledově velké terapeutické využití: ovlivnění genetických chorob, kontrola virových infekcí: specifická dsrna se dá se vyrobit in vitro a použít in vivo 2004 - poprvé využití v PRAXI: spinocerebelární ataxie myší je vyvolávaná toxinem produkovaným mutovanou alelou genu SCA1, nemocná myš byla vyléčena umlčením mutovaného genu po podání specifické sirna

RNA - SILENCING dsrna DICER = specifická RNA endonukleáza sirna RISC (RNA-induced silencing complex) = sirna + endonukleáza RISC degraduje mrna

NEDÁVNÉ OBJEVY další krátké RNA pirna (Piwi-interacting RNA) snorna (small nucleolar RNA) dlouhé nekódující RNA lncrna (long non-coding RNA, 200 nukleotidů) (u savců desítky až tisíce,? funkce) cirkulární cirkulární RNA (mir-7) váže na sebe mirna, sirna (má regulační a ochrannou funkci)

3. regulace na úrovni postranskripčních modifikací - alternativní sestřih RNA (např. produkce IgM) 4. regulace na úrovni translokace - přechod mrna z jádra do cytoplazmy 5. regulace na úrovni translace - působení iniciačních translačních faktorů 6. postranslační regulace - modulace chemické modifikace proteinů - modulace proteolýzy PROTEASOMY - komplexy proteáz, které degradují bílkoviny (s pomocí ATP jako zdroje energie) molekulární značka - rozeznávající komplex specifických enzymů připojí k bílkovině v místě lyzinu malý protein - ubikvitin (terč pro proteasomy)

UBIKVITINACE proces degradace nepotřebných, nadbytečných, poškozených bílkovin v buňce princip: na bílkovinu, která má být zničena, jsou navázány min. 4 molekuly UBIKVITINU a tím je cílová bílkovina předurčena k likvidaci v PROTEASOMU - probíhá aktivně (za spotřeby ATP), rychle, účinně a regulovaně UBIKVITIN je aktivován enzymem E1(UBA, ubikvitin aktivující) AKTIVOVANÝ UBIKVITIN je připojen enzymem E2 (UBC, ubikvitin konjugující) na cílovou bílkovinu enzym E3 (ubikvitin-ligáza) připojí min. další 3 ubikvitiny E1 1 typ E2 10 typů Degradace bílkoviny v PROTEASOMU: - proteázy odštěpí ubikvitiny pro další použití - proteázy štěpí bílkoviny na krátké úseky AK pro další použití E3 stovky typů zajišťují specifitu PROTEASOMY u všech organismů UBIKVITINACE jen u eukaryot

3 CESTY DEGRADACE PROTEINŮ V BUŇCE 1. v lysozomu po vchlípení membrány 3. v proteasomu 2. v lysozomu po transportu s pomocí chaperonů

INHIBITORY PROTEAZOMU objeveny v 90. létech 20. st. různá struktura, síla účinku a specifita (hl. přes inhibici nukleárního faktoru kappa B) potenciální využití v medicíně: - léčba nádorů (potlačit růst nádorů, neničit zdravé buňky) - regulace zánětlivých procesů - léčba negativní proteinové bilance (průvodní jev řady patologických stavů) KONTROLA SPRÁVNÉHO OZNAČENÍ při nesprávném označení se mohou uplatnit DUB deubikvitinizující enzymy (uchrání protein před destrukcí)

TRANSKRIPTOSOM multienzymový komplex zajišťující transkripci SPLICEOSOM multienzymový komplex zajišťující posttranskripční sestřih snrnp small nuclear ribonucleoprotein particles umožňují vystřižení intronu = ribozymová ribonukleáza P PROCESOM komplex v jádře zajišťující vyzrávání rrna

Geny mohou být exprimovány s různou účinností Espero Publishing, s.r.o.

Bakteriální a eukaryontní gen Espero Publishing, s.r.o.

Struktura dvou lidských genů ukazující uspořádání exonů a intronů Espero Publishing, s.r.o.

Alternativní sestřih α-tropomyosinového genu u krys

Souhrn procesů vedoucích od genu k proteinu Espero Publishing, s.r.o.