Genetika populací, Ekologie, Viry. Mgr. Hříbková Hana Biologický ústav LF MU Kamenice 5, Brno 625 00 hribkova@med.muni.cz

Genetika populací, Ekologie, Viry Mgr. Hříbková Hana Biologický ústav LF MU Kamenice 5, Brno 625 00 hribkova@med.muni.cz

Genetika populací základní terminologie Populace = soubor jedinců stejného biologického druhu, žijících v určité geografické oblasti, jedinci se vzájemně kříží a mají plodné potomstvo Všichni jedinci téže populace se podílejí na společném genofondu populace, který tvoří zásobárnu genů (alel) pro vznik dalších generací. Každá populace je z generace na generaci zákonitě geneticky strukturována, závisí na způsobu rozmnožování: - populace autogametické hermafrodité; samooplození, samosprášení u rostlin během generací dochází k homogenizaci populace, nastává změna genotypových frekvencí, převládají homozygoti nad heterozygoty - populace alogametické gonochoristé; inbreeding (homogenizace populace), outbreeding (heterogenita populace se zvyšuje), panmixie (genetická struktura populace se nemění) Genetická struktura populace je určena alelovými a genotypovými frekvencemi Alelová frekvence = relativníčetnost určité alely v dané populaci Genotypová frekvence = relativníčetnost určitého genotypu v populaci Genetika populací studium dědičnosti, stálosti, proměnlivosti genového fondu populace, jak se do genového fondu populace promítají genetické procesy na úrovni jedinců genetika populací kvalitativních znaků genetika populací kvantitativních znaků

Genetika populací Hardy-Weinbergova rovnováha HW zákon vyjadřuje vztah mezi četnostmi genotypů v populaci za podmínek: Godfrey Hardy (1877-1947), anglický matematik Wilhelm Weinberg (1862-1937), německý lékař 1. populace má dostatečnou velikost 2. populace je panmiktická (náhodné křížení jedinců populace) každý jedinec má stejnou pravděpodobnost, že vytvoří potomka s kterýmkoli jedincem druhého pohlaví téže populace při panmixii se genetická struktura populace v jednotlivých generacích nemění populační genetická rovnováha 3. neprobíhá selekce 4. nevznikají mutace 5. nedochází k migraci (vnášení alel nového typu do genového fondu populace prostřednictvím jedinců jiných populací) při dodržení podmínek pro HW, dojde u autosomálních alel hned v následující generaci k binomickému rozloženíčetností alel do genotypů

Genetika populací Hardy-Weinbergova rovnováha při panmixii se genetická struktura populace v jednotlivých generacích nemění HW vyjadřuje vztah mezi četnostmi genotypů v populaci p 2 + 2pq + q 2 = 1 p + q = 1 p = 1 q q = 1 p autosomální gen zastoupený alelami A, a p 2 = (AA) = frekvence dominantních homozygotů q 2 = (aa) = frekvence recesivních homozygotů 2pq =(Aa) = frekvence heterozygotů p = frekvence alely A q = frekvence alely a

1.generace: Fenotypy: Genotypy: AA Aa aa Počet jedinců: 320 160 20 (celkem: 500) Genotypové frekvence: 320:500 160:500 20:500 = 0,64 = 0,32 = 0,04 Počet alel v genofondu: 640 A 160 A + 160 a 40 a (celkem: 1000) Alelové frekvence: 800 : 1000 200: 1000 = 0,8 A = 0,2 a p 2 + 2pq + q 2 = 1 p + q = 1 Hardy-Weinbergova rovnováha ODVOZENÍ autosomální gen zastoupený alelami A, a

Tvorba gamet v první generaci: Vajíčka: A (p = 0,8) a (q = 0,2): Spermie: A (p = 0,8) AA Aa p 2 = 0,64 pq = 0,16 a (q = 0,2) aa aa qp = 0,16 q 2 = 0,04 2. generace: Genotypové frekvence: 0,64 AA 0,32Aa 0,04aa Alelové frekvence: 0,8 A 0,2 a p 2 + 2pq + q 2 = 1 p + q = 1 Hardy-Weinbergova rovnováha ODVOZENÍ autosomální gen zastoupený alelami A, a

Ekologie Biologická věda, která se zabývá vztahem organismů a jejich prostředí (1866, Ernst Haeckel). V širokém smyslu jako ochrana životního prostředí, které je tvořeno souborem ekologických podmínek (abiotické a biotické faktory).

Biocenóza = společenstvo Soubor jedinců populací různých druhů, žijících na určitém stanovišti (biotopu) s obdobnými nároky na (abiotické) prostředí. zoocenóza (společenstvo živočichů) fytocenóza (společenstvo rostlin) společenstvo mikroorganismů různá velikost biocenóz struktura společenstva mezidruhové vztahy mezi jednotlivými populacemi: prospěšné (symbióza) - neutrální - nevýhodné (parazitismus, predace)

Biotop, Nika Biotop = stanoviště - soubor všech biotických i abiotických podmínek, vytvářející prostředí organismu, populace, společenstva. Ekologická nika - zahrnuje nároky populace určitého druhu v ekosystému v závislosti na ekologických faktorech (abiotických, biotických). Prostorová nika nároky druhu na prostor (prostor, který určitý druh v ekosystému zaujímá) Př.: Mlži (datlovky) obývají úzký úsek skalnatého pobřeží pravidelně zaplavovaný příbojem a samy podklad narušují. Potravní nika nároky druhu na potravu

Ekosystém Dynamický systém tvořený živými společenstvy a abiotickým prostředím. Biotické a abiotické složky ekosystému vytvářejí složité vzájemné vztahy a navzájem se ovlivňují. různé velikosti ekosystémů (rašeliniště, tropický deštný les, jezero, umělý ekosystém město) Biosféra Země - hierarchicky nejvyšší (světový) ekosystém je část planety Země, kde se vyskytují formy života, zahrnuje část atmosféry (přibližně do výšky 18 km v oblasti tropů a 10 km v polárních oblastech), hydrosféru a povrch litosféry (do desítek metrů pod povrchem půdy)

Biom Biom představuje dílčí oblast biosféry, charakterizovanou určitým typem biotických a abiotických podmínek Vodní biomy - biom volného oceánu, biom šelfových moří Pevninské biomy Hylaea - tropické deštné lesy Skleraea - tropické a subtropické suché lesy a Lesosavany Silvaea - opadavé a smíšené lesy mírného pásu Tajga - severské a horské jehličnaté lesy Tundra Stepi Pouště a polopouště Litoraea - trvale nebo dočasně zaplavená území

Ekosystém Základními funkcemi ekosystému je koloběh látek (tzv. biogeochemické cykly) a tok energie. Složky ekosystému podílející se na přeměnách energie a hmoty: Prostředí soubor všech abiotických faktorů (sluneční energie, fyzikální a chemické vlastnosti ovzduší, vody a půdy) Producenti autotrofní organismy, tvoří organické látky z látek anorganických v procesu fotosyntézy zelených rostlin Konzumenti heterotrofní organismy (herbivorní, karnivorní, mixotrofní masožr.rostliny), závislé na produktech autotrofních organismů Dekompozitoři saprofytické mikroorganismy využívá živiny z odumřelých organismů

Ekosystém biogeochemické cykly Koloběh vody výměna vody mezi zemským povrchem a atmosférou, hybnou silou je sluneční záření Koloběh uhlíku zdrojem uhlíku je CO2 v ovzduší Země, z atmosféry je CO2 pohlcován zelenými rostlinami při fotosyntéze CO2 uniká do ovzduší při dýchání organismů, rozkladem mrtvé hmoty, při zvětrávání vápenců ke zvyšování CO2 v atmosféře dochází při spalování fosilních paliv (uhlí, nafty) Koloběh dusíku - zdrojem je N2 v atmosféře jen některé organismy jsou schopny vázat volný vzdušný dusík půdní bakterie, při rozkladu mrtvé hmoty uvolňují půdní nitrifikační bakterie anorganické formy dusíku, které mohou přijímat rostliny půdní denitrifikační bakterie rozkládají nitrátový dusík na plynný N2, který se uvolňuje do ovzduší obsah dusíkatých látek v atmosféře zvyšován sopečnou činností, v půdě a povrchové vodě hnojením Koloběh fosforu zdrojem hlavní vrstvy litosféry, rostliny přijímají fosfor z rozpuštěných fosfátů, živočichové potravními řetězci a po jejich uhynutí se fosfor dostává zpět do půdy či vodního prostředí Koloběh kyslíku zdroj kyslíku v atmosféře, z atmosféry proniká do půdy i vody, tvořen v průběhu fotosyntézy autotrofních organismů spotřebovává se dýcháním a rozkladem odumřelých organismů, dále při spalování fosilních paliv v horních vrstvách atmosféry vznikla vrstva ozonu O3, která chrání před účinkem ultrafialového záření

Ekosystém koloběh látek a tok energie Fotosyntéza (fotosyntetická asimilace) je biochemický proces, při kterém se mění přijatá energie světelného záření na energii chemických vazeb. Z jednoduchých anorganických látek (oxidu uhličitého a vody), za účasti slunečního záření a tepla, dochází k syntéze energeticky bohatých organických sloučenin (cukry) a k uvolnění kyslíku. 6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2 probíhá především v chloroplastech zelených rostlin, autotrofní způsob výživy Průběh fotosyntézy: ve světelné fázi barevné pigmenty na thylakoidní membráně chloroplastů pohlcují světlo, z něhož získávají energii pro následné děje, dochází k rozkladu vody a uvolnění kyslíku, který pak využívají i jiné organismy k dýchání biochemické děje v temnostní fázi probíhají ve stromatu chloroplastů, ukládají chemickou energii získanou ve světelné fázi (ve formě NADPH a ATP) fixací CO2 do sacharidů, které dále slouží buď jako zásobárna a zdroj energie, nebo jako stavební složky pro tvorbu složitějších molekul (polysacharidů, aj.)

Ekosystém koloběh látek a tok energie Fotosyntéza světelná fáze na thylakoidní membráně chloroplastů; temnostní fáze probíhá ve stromatu chloroplastů

Ekosystém tok látek a energie Trofické skupiny Zdroj energie Zdroj redukčních ekvivalentů Zdroj uhlíku Název Světlo Foto- Organický -organo- Anorganický -litho- Organický -heterotrof Oxid uhličitý -autotrof Organický -heterotrof Oxid uhličitý -autotrof fotoorganoheterotrof fotoorganoautotrof fotolithoheterotrof fotolithoautotrof Chemické sloučeniny Chemo- Organický -organo- Anorganický -litho- Organický -heterotrof Oxid uhličitý -autotrof Organický -heterotrof Oxid uhličitý -autotrof Chemoorganoheterotrof Chemoorganoautotrof Chemolithoheterotrof Chemolithoautotrof Způsob získávání energie u organismů autotrofie heterotrofie mixotrofie fototrofie chemotrofie litotrofie organotrofie

Vliv člověka na životní prostředí Odlesňování a eroze půdy Znečištění ovzduší - oxidy síry, uhlíku; dusík, karcinogenní látky, toxické kovy skleníkový efekt vyvolán zvýšenou koncentrací CO2 (+H20) při mírném zvýšení CO2 v atmosféře se intenzita fotosyntézy zvyšuje Znečištění půdy odpady, hnojení, postřiky; karcinogenní látky, těžké kovy Znečištění vody toxické látky, oleje, těžké kovy zvýšení nutričních prvků (N, C, P apod.z hnojiv) ve vodě navozuje zvýšený výskyt organismů využívajících tyto prvky (bakterie, sinice, řasy) = eutrofizace vody Radioaktivní zamořování biosféry jaderné výbuchy vznik nukleotidů uranu radioaktivní cesium a hlavně stroncium 90 Sr (rozpadem uranu), se hromadí s přijímanou potravou v organismech, čím vyšší stupeň potravního řetězce (konsumenti, predátoři), tím větší kumulace radiace Změny životního prostředí porušení přirozené rovnováhy Pozn: Ke znečištění přírody přispívají plastové odpady, které neumíme ekologicky likvidovat.

Nebuněčné živé soustavy - viry

Viry nebuněčné živé organismy velikost cca 20 190 nm (izometrické viry), anizometrické viry stovky nm nesplňují všechny podmínky pro buněčné živé soustavy (viz níže) vnitrobuněční paraziti reprodukci viru zajišťuje hostitelská buňka genom viru, obsažený v nukleové kyselině, se replikuje za pomoci enzymatického aparátu hostitelské buňky buněčných ribozomů využívají viry k výrobě virových proteinů Základní charakteristiky buněčných živých soustav: buněčná podstata NK, proteiny, polysacharidy organizovanost otevřené soustavy tok látek, energie, informací autoregulace metabolismus včetně syntézy NK a proteinů autoreprodukce, atd.

Struktura virů virion kompletní jednotliváčástice viru, schopná infikovat hostitelskou buňku genom NK RNA nebo DNA kapsid - proteinový plášť, složen z kapsomer identické bílkovinné podjednotky kapsidu - autoagregací tvoří kvartérní strukturu kapsidu helikální symetrie kapsidu (šroubovitá) ikozaedrální symetrie kapsidu (dvacetistěn) Neobalený virus Obalený virus nukleokapsid komplex virové NK a jejího kapsidu

Struktura virů neobalené viry obalené viry - kapsidy jsou obaleny do modifikované formy jedné z buněčných membrán získaných z hostitelské buňky (většinou cytoplazmatická nebo jaderná membrána) v obalu zastoupeny glykoproteiny (např.hemaglutinin, neuraminidázy)

Rozdělení virů dle hostitele bakteriofágy - viry bakterií (DNA-fágy, RNA-fágy) cyanofágy viry sinic mykofágy viry kvasinek rostlinné viry živočišné viry - viry bezobratlých a viry obratlovců

Rozdělení virů dle NK DNA viry RNA viry Viry s reverzní transkriptázou enzym přepisující genetickou informaci z RNA do DNA molekuly

Reprodukční cyklus virů Vazba virionu (adsorpce) na povrch buňky přes specifické receptory Proniknutí (penetrace) do buňky Uvolnění NK z kapsidu Replikace virové NK Syntéza virových bílkovin Zrání (maturace) virionů Uvolnění virionů z buňky, exocytózou získán obal u obalených virů fáze eklipsy doba od proniknutí viru až do počátku syntézy nových virionů

Virové infekce Latentní infekce bez replikace virového genomu, bez škodlivých důsledků pro hostitelskou buňku Začlenění virového genomu do genomu hostitelské buňky tzv.provirus (virogenie) u bakteriofágů- tzv.profág (lyzogenie, lyzogenní cyklus viru) provirus ovlivňuje funkce hostitelské buňky transformace hostitelské buňky (např.nádorová) Lytická infekce vedoucí k lýze hostitelské buňky - lytický cyklus viru Nelytická infekce hostitelská buňka se po uvolnění virionů uzdraví

Rozmnožování virů

Bakteriofágy (fágy) stavba hlavička, krček, pochva bičíku, bazální ploténka, bičíková vlákna lyzogenie profág - lyzogenní cyklus lytický cyklus

Lyzogenní a lytický cyklus viru

Viry a onemocnění Antibiotika neúčinkují Vakcinace Aplikace látky s obecným protivirovým účinkem - interferony Antivirotika - blokování receptorů pro viry na cílových buňkách nebo inhibice syntézy DNA či RNA viru: Acyklovir nebo zidovudin - léčba HIV amatidin nebo rimantidin - léčba chřipky aplikace při herpesvirových nemocech a hepatitidě B a C Antivirotika

Mezi nejvýznamnější virová onemocněníčlověka patří: AIDS (HIV virus) Hepatitida (Hepatitis virus A, B, C, D, E) Gastroenteritida Hemoragické horečky (virus Ebola, Marburg, ) Hantavirový plicní syndrom (Hantavirus Sin nombre ) Chřipka (Influenza virus) Pravé neštovice (Variola virus) Plané neštovice (Varicella zoster virus = Herpesvirus HHV-3) Klíšťová encefalitida (viry čeledi Flaviridae) Infekční mononukleóza (cytomegalovirus, virus Epstein Barr) Lidské papilomavirové infekce (HPV viry) Příušnice (Rubeolavirus) Opary (Herpes simplex virus) Dětská obrna (Poliovirus) Spalničky (Paramyxovir) SARS (těžký akutní respirační syndrom, druh Coronaviru) Zarděnky (Rubella virus)

Influenza virus (virus chřipky) Genom: ssrna Čeleď: Orthomyxoviridae Onemocnění: horečka, záněty dýchacích cest, svalová bolest, gastroenteritis (=krvavé průjmy), zápal plic Léčba: vakcinace, inhibitory neuraminidázy Influenzavirus A (ptačí a savčí) nejvirulentnější - označení dle H (hemaglutinin) a N (neuraminidase) - oba tyto velké glykoproteiny se nachází na vnější straně virové částice, pandemie - např. H1N1 - Španělská chřipka, 1918-1919 Influenzavirus B (lidský, lachtaní) - běžné epidemie Influenzavirus C (lidský) - lokální epidemie (méně virulentní)

HIV-1 Genom: dva řetězce ssrna, 9genů, reverzní transkriptáza a integráza Čeleď: Retroviridae (rod Lentiviry) Infekce především Th-lymfocytů (buněčná imunita), provirus Přenos: krví, pohlavním stykem, infekce dítěte během porodu Onemocnění: AIDS (Acquired Immune Deficiency Syndrome), primární infekce virem HIV jen u 20% pacientů symptomy podobné chřipce, bez tvorby protilátek proti viru asymptomatická latentní fáze tvorba i možná detekce protilátek proti viru, pokles Th-lymfocytů, inkubační doba až 10let symptomatická fáze propuknutí AIDS, pokles Th i Tclymfocytů, snížení imunity, vzestup počtu virionů v krvi silně virulentní Léčba: analoga nukleosidů, inhibitory reverzní transkriptázy virostatika - lék Viread, objeven v laboratoři dr. Antonína Holého v Ústavu Organické Chemie a Biochemie AV ČR Virus HIV-1 izolovaný 1983 ve střední Africe (Virus HIV-2 izolovaný 1986 v západní Africe; genomy dvou druhů viru HIV jsou identické jen z 50%)

Životní cyklus retroviru

SARS Genom: ssrna Čeleď: Coronaviridae Onemocnění: SARS - Severe Acute Respiratory Syndrome, či také Syndrom Akutního Respiračního Selhání, virové onemocnění dýchacích cest, zápal plic, inkubační doba činí 2 10 dní Přenos: kapénkovou infekcí Léčba: antivirotikum ribavirin

Ostatní nebuněčné infekčníčástice viroidy, virusoidy, priony

Viroidy Objev v roce 1971. Rostlinné patogeny skládající se z velmi krátké kruhové jednořetězcové RNA (250-400 nukleotidů), bez proteinového obalu typického pro viry. Viroidová RNA neobsahuje sekvenci kódující známý protein a nemá funkci mrna. Viroidy se replikují a ukládají v jádru infikované buňky. Infikované rostliny mohou vykazovat deformace růstu, zakrslost, epinastie, žluté skvrny na listech, Popsáno cca 20druhů viroidů. Viroidy jsou obvykle přenášeny semeny a pilem. Příklady infikovaných rostlin brambory, rajčata, chmel, citrusy, avokáda,.

Objev v roce 1981. Virusoidy=satelity Krátké sekvence 300-1500 nukleotidů (ssrna, dsrna, ssdna, dsdna), kružnicová forma, uzavřené v kapsidech některých virů vedle jejich NK. Na rozdíl od viroidů se však virusoidy nemohou replikovat nezávisle, nýbrž vyžadují pomocný virus, na kterém parazitují. Vlastní geny virusoidů kódují proteiny, které se podílejí na patogenitě pomocného viru. Virusoidy se také nazývají satelitní RNA či satelity rostlinných RNA virů. Podobně jako viroidy nekódují žádný protein. Příkladem virusoidu - satelitní RNA nekrózy tabáku či M-satelity kvasinek (4 typy, kódující různé varianty smrtícího toxinu pro jiné kmeny kvasinek).

Priony Prion specifický infekční protein, jde o vadnou forma normálního proteinu PrPC, který je kódovaný strukturním genem hostitelského organismu normální prionový protein PrPC - povrchový membránový glykoprotein v neuronech, leukocytech (gen na 20.chromosomu), konformační změna v infekční isoformu PrPSc - hromadí v buňkách mozku a vyvolává prionové onemocnění Priony se množířetězovou reakcí. Proces přenosu - priony infikovanou potravou. Rezistentní vůči proteázám, tepelné denaturaciči desinfekčním prostředkům U savců priony vyvolávají přenosné spongiformní encefalopatie (TSE). Prionové choroby infekční, dědičné, sporadické Creutzfeldt-Jakobovo onemocnění (CJD, lidé), kuru (lidé) BSE (skot), Scrapie (ovce, kozy)

Priony