Základy Geneti ky
description
Transcript of Základy Geneti ky
Základy Genetiky
Dag LindgrenTomáš Funda
mitochondrieROSTLINNÁ BUŇKA
plastid
aaaaaaaa
aaaaaaaaaaaaaaa
aaaaaaaa
aaaaaaaaaribozómy
aaaaaaaa
aaaaaaaajádro
chromatin (DNA)
aaaaaaaa
Cell
jádro
chromozómyribozómy
aaaaaaaaaaaaaa
aaaaaaaaaaaaaa
mitochondrie
jádro
jádroeeeeeee
Buňka
Chromosome
Buňka
Jádro
Jaderné
ChromozómChromatidy
Telomera
Telomera
Centromera
Nukleotidové bázeHistony
DNA (dvojšroubovice)
Nukl
Chromozómy
Chromozómy
Vyskytují se v sadáchNejčastější jsou diploidní organismy s 2
sadami, vyskytují se tedy v párechGamety (pohlavní buňky) mají pouze 1 sadu
Základní počty chromozómů
Rod / Druh
Betula pendula 14
Populus tremula 19
Salix 19
Picea abies 12
Pinus silvestris 12
Sequoia sempervirens 11
Tilia 41
Taxus 12
Karyotyp
Karyotyp octomilky Drosophilla melanogaster Chromozómy jsou v párech, kromě pohlavních
Člověk
Chromozómy v diploidních buňkách 2n
Celkem 46 (2 sady po 23)
22 párů autozómů (homologických chromozómů) a 1 pár
gonozómů (pohlavních chromozómů)
Samičí jsou homologické (XX)
Samčí jsou nehomologické (XY)
Karyotyp - Člověk
AA
Karyotypy - Larix
Příbuzné druhy mohou mít podobné, i když poněkud odlišné chromozómy. Je možné studovat evoluci karyotypů
Lokus
A lokus
B lokus
Od otce Od matky
DNA
Struktura DNA
Molekula DNA má tvar pravotočivé dvojšroubovice. Obě vlákna, skládající se z řetězce cukr (2-deoxyribóza) a fosfát a dále z připojených nukleotidových bází, jsou vzájemně komplementárně spojena vodíkovými můstky mezi párovými bázemi, a sice adenin (A) s thyminem (T) a guanin (G) s cytosinem (C). A a T jsou spojeny dvěma vodíkovými můstky, zatímco C a G třemi. Na 1 otáčku připadá cca 10 nukleotidových párů.
Haploidní genom člověka obsahuje cca 3,000,000,000 párů bází, které jsou rozděleny mezi 22 párů autozómů a 1 pár gonozómů.
nosná kostra DNA homopolymerní řetězec cukr-fosfát
Páry bází DNA
Na 1 otáčku připadá cca 10 nukleotidových párů
Charakteristiky DNA
a 106 párů bází u haploidní sady (čísla orientační)
Organizmus Velikost genomu a
Počet genů Kódující DNA %
Escherichia coli 4,7 4000 100
Saccharomyces cerevisiae (kvasinka)
12 6000 50
Nicotina tabaccum 7800
Fritilaria davsii 295000
Picea abies 30000 35000 <3
Člověk 3000 50000 <2
Geny
Gen je možné definovat jako úsek DNA (sekvence nukleotidových bází, eventuelně tripletů), které po transkripci a translaci kódují syntézu specifického proteinu nebo RNA.
Geny se skládají z: • kódujících sekvencí (nazývají se exony) • nekódujících sekvencí (introny) • regulační části (promotor, místo počátku transkripce)• koncových sekvencí
Geny mohou mít různou délku (od cca 1000 až po několik set tisíc párů bází)
a
RNAv eukaryotních buňkách se vyskytuje RNA v několika formách:
• mediátorová RNA• transferová RNA• ribozómová RNA
1) TranskripceNejprve je přepsána informace z DNA do m-RNA. Jedno vlákno dvoušroubovice DNA je při transkripci využito jako šablona, podle které RNA-polymerázy (syntetizující enzymy) vytvářejí m-RNA. Tato m-RNA následně přechází z jádra do cytoplazmy. Přitom prochází různými úpravami včetně vystřihání nekódujících sekvencí (intronů) a následného spojení exonů. Kódující m-RNA může být popsána jednotkami 3 nukleotidů, které se nazývají kodony (triplety).
Proteosyntéza = exprese genů
Proces, při kterém dochází k produkci proteinů na základě genetické informace uložené v DNA
Je možné jej rozdělit do 2 dílčích částí:
DNA
transkripce (přepis) matrice DNA do m-RNA
vzniká primární transkript m-RNA, následně podléhá úpravám (zejména vystři-hání nefunkčních intronů)
DNA
přechází z jádra do cytoplazmy
KodonyKodon (triplet) = skupina tří sousedních nukleotidů na mediátorové (informační) RNA, které svým pořadím určují kvalitu AK a její polohu v peptidickém řetězci
tRNATransferové tRNA jsou sestaveny z jednoduchého polynukleotidového řetězce, cca 80 nukleotidů
Svým tvarem připomínají jetelový list
Funkce tRNA je přenos jednotlivých aminokyselin, z nichž se polypeptidy skládají
proces překladu genetické informace z jazyka nukleotidů (kodonů) do pořadí aminokyselin v polypeptidovém řetězci
2) Translace = překlad
Ukončení translace je zakódováno v kodónech UAA, UGA a UAG – po dosažení této sekvence dojde k uvolnění vytvořeného polypeptidu
Molekuly transferové t-RNA se svými antikodony (specifické sekvence 3 nukleotidů) vážou na komplementární kodony na mRNA.
Translace (syntéza proteinů) začíná v místě iniciačního kodónu AUG (tomu odpovídá tRNA nesoucí AK methionin) a dále pokračuje ve smyslu kodónů AK se k sobě vážou za vzniku polypeptidu
probíhá na ribozómech, které se přitom postupně pohybují podél řetězce m-RNA (po jednotlivých kodónech)
Amino acids
GCACUGUUCUGGCAGAG
Phe
LeuAla
AAG
mRNA
tRNA
Trp
ACC
Amino acids
GCACUGUUCUGGCAGAG
Phe
LeuAla
AAG
mRNA
tRNA
Trp
ACC
Amino acids
GCACUGUUCUGGCAGAGGCACUGUUCUGGCAGAG
Phe
LeuAla
AAG
Phe
LeuAla
PhePhe
LeuAla
AAG
mRNAmRNA
tRNA
Trp
ACC
TrpTrp
ACC
GCACUGUUCUGGCAGAG
Phe
LeuAla
AAG
Trp
ACCGCACUGUUCUGGCAGAG
Phe
LeuAla
AAG
Trp
ACCGCACUGUUCUGGCAGAGGCACUGUUCUGGCAGAG
Phe
LeuAla
AAG
Phe
LeuAla
PhePhe
LeuAla
AAG
Trp
ACC
TrpTrp
ACC
GCACUGUUCUGGCAGAG
Phe
LeuAla
AAG
Trp
ACCGCACUGUUCUGGCAGAG
Phe
LeuAla
AAG
Trp
ACCGCACUGUUCUGGCAGAGGCACUGUUCUGGCAGAG
Phe
LeuAla
AAG
Trp
ACC
TrpTrp
ACC
AAG
GCACUGUUCUGGCAGAG
Phe
LeuAla
Trp
ACC
AAG
GCACUGUUCUGGCAGAG
Phe
LeuAla
Trp
ACC
AAG
GCACUGUUCUGGCAGAG
Phe
LeuAla
Trp
ACC
AAG
GCACUGUUCUGGCAGAG
Phe
LeuAla
Trp
ACC
AAGAAG
GCACUGUUCUGGCAGAG
Phe
LeuAla
Trp
ACCGCACUGUUCUGGCAGAGGCACUGUUCUGGCAGAG
Phe
LeuAla
Trp
ACC
Phe
LeuAla
Trp
ACC
TrpTrp
ACC
Exprese genů = Proteosyntéza
Řetězec aminokyselin
Genetický kód
- ribozómy se pohybují podél molekuly m-RNA a čtou její sekvence po 3 nukleotidech najednou (kodon). - kodón na m-RNA se páruje s komplementárním antikodónem na t-RNA - každá AK je specifikována určitým kodónem (nebo více kodóny) na m-RNA - RNA je konstruována ze 4 nukleotidů, existuje 64 možných kodónů (43) - tři z nich specifikují ukončení polypeptidového řetězce (nekódují AK), nazývají se STOP kodóny pak na 61 kodónů připadá 20 různých aminokyselin.
DNA přenáší informaci do m-RNA ve formě kódu definovaného sekvencemi nukleotidových bází.
The Genetic Code 2
Ala: Alanin Cys: Cystein Asp: Asparagová kys.
Glu: Glutamová kys.
Phe: Fenylalanin Gly: Glycin His: Histidin Ile: Isoleucin
Lys: Lysin Leu: Leucin Met: Methionin Asn: Asparagin
Pro: Prolin Gln: Glutamin Arg: Arginin Ser: Serin
Thr: Threonin Val: Valin Trp: Tryptofan Tyr: Tyrosin
A = adenin G = guaninC = cytosin T = thymin U = uracil
Vlastnosti genetického kódu
Tripletový
Základní jednotkou je trojice nukleotidů – triplet, kodón, která při translaci kóduje 1 AK (nebo ukončení translace)
Nepřekrývající se
Záleží na začátku čtení (tj. od kterého nukleotidu se začne, neboť jinak by se změnil smysl informace), výjimka: viry
Univerzální
Smysl čtení tripletů platí pro veškeré živé organizmy
Nadbytečný
Většina z 20 AK je kódována více než 1 tripletem, u různých organizmů a různých typů NK může triplet kódovat odlišné kyseliny
Buněčný cyklusCyklická reprodukce buněk od jednoho dělení ke druhému, zahrnuje 5 fází (včetně G0 – klidové):
G1-fáze:
Nastává po dokončení předešlého dělení a vzniku dceřiných buněk
Probíhá syntéza RNA a proteinů, buňka v této fázi roste
S-fáze (= syntetická)
Probíhá replikace DNA, chromozómy jsou „zdvojeny“ vzniklé sesterské chromatidy jsou spojeny v místě centromery
+ syntéza RNA a proteinů (zejména těch, které tvoří chromatin – histony) jako v G1
G2-fáze
Příprava pro vlastní dělení buňky pokračuje růst, intenzívně se tvoří RNA a proteiny
M-fáze
Vlastní dělení buňky na 2 geneticky identické dceřiné buňkyZahrnuje 4 fáze:
Profáze Metafáze Anafáze Telofáze
Mitózaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa
replikace DNA (S-fáze)
homologické chromozómy
sesterské chromatidy po replikaci aaaaaaa
segregace chromozómůsesterské chromatidy se oddělí
Profáze nastává kondenzace chromozómů
mizí jaderná membrána a jadérko
začíná se tvořit mitotické vřeténko
u pólů buňky se morfologicky zvýrazňuje část centrozómu v podobě 2 centriol
Metafáze
chromozómy jsou maximálně nahuštěné a uspořádané v rovníkové rovině
sesterské chromatidy jsou zřetelně oddělené, ale stále spojené v centromeře
Anafáze
chromatidy (nyní již nové chromozómy) po rozdělení centromery putují k pólům
pohyb je umožněn zkracováním fibril dělícího vřeténka
Telofáze
shlukování chromozómů u pólů
dekondenzace
tvorba jaderné membrány
V rovníkové rovině se objevují mikrofibrily odškrcující nové buňky
Meióza
aaaaaaaaaaaa
homologické chromozómy
sesterské chromatidyi
AAAAA
A
Oddělení homologických chromozómů I
AAAAAAAAaaaaaaaa
sesterské chromatidy nadále spojeny centromerou
Oddělení homologických chromozómů II
Gamety
Gamety
Proces crossing over
Meióza
Proces dělení jádra, při kterém se tvoří haploidní gamety
Dělí se na 2 základní etapy:
1) Heterotypické dělení (= redukční, meióza I)
Profáze I – časově zaujímá 90% Leptotene
chromozómy tvořící klubko začínají kondenzovatZyotene
homologické chromozómy se párují, vytvářejí bivalentyPachytene
nesesterské chromatidy spárovaných chromozómů se překřižují (= crossing over), tj. chromozómy si vymění části chromatid (= rekombinace) Diplotene, diakineze
Crossing over
Metafáze I
chromozómy (zde páry nerozdělených bivalentů) se řadí v rovníkové rovině
Anafáze I
homologické chromozómy s vyměněnými nesesterskými chromatidami se NAHODILE rozchází k pólům (centriolám)
Telofáze I
vznikají 2 dceřiné buňky = gametofyty 2. řádu
2) Homeotypické dělení (meióza II)
do značné míry podobné mitóze
v anafázi II se sesterské chromatidy s rekombinovanými segmenty oddělí
v telofázi II vznikají z gametofytů 2. řádu 2 dceřiné buňky = gamety (n)
Výsledkem celé meiózy je VZNIK 4 HAPLOIDNÍCH GAMET z původní jedné zárodečné buňky
GENETICKÉ DŮSLEDKY MEIÓZY
počet možných kombinací chromozómů ve vzniklých gametách je 2n (u rodu Pinus 4096)
kromě nahodilých kombinací navíc crossing over u nesesterských chromatid
Výsledkem současného působení obou procesů je existence prakticky nekonečné genetické variability (žádní 2 jedinci nejsou u pohlavního rozmnožování identičtí – kromě monozygotických dvojčat)
Rodiče potomstsvo
přesně polovina genetické výbavy od každého z rodičů
průměrně jedna čtvrtina genetické výbavy od prarodičů, množství se může lišit
Oplodnění
haploidní gamety diploidní zygota
Dědičnost na úrovni organizmu
Zakladatel moderní nauky o dědičnosti byl Johann Gregor Mendel:
nejvhodnějším přístupem ke studiu dědičnosti a proměnlivosti znaků je analýza hybridologických experimentů (křížení)
pro studium základních genetických zákonitostí nejprve dědičnost kvalitativních znaků
Křížení = hybridizace
vzájemné oplozování organizmů s různými genotypy, tj. generativní spojení 2 různých gamet
písmenem P se označuje rodičovská generace (parentes)
písmenem F (filius, filia) + indexy generace potomků vzniklých křížením (1., 2., 3., …. filiální generace)
např. P: AA x aa
F1: Aa
F2: AA : 2 Aa : aa
Podvojné založení dědičnosti
Znak je u diploida založen 2 formami genu – alelami (od otce a od matky), které jsou uloženy na příslušných lokusech homologních chromozómů, mohou být dominantní a recesivní
Výjimka: dědičnost znaků vázaných na pohlaví
A lokus
B lokus
Aa
Alely mohou být na homolo-gických chromozómech:
stejné kvality – homozygot v daném znaku
různé kvality – heterozygot v daném znaku
je samosprašný
sledoval pouze alternativní znaky
křížil čisté linie, tj. homozygoty v daných znacích (7 znaků, např. tvar semen, barva květů)
P: AA x aa
F1: Aa
F2: AA : 2Aa : aa
Při studiu dědičnosti Mendel použil hrách setý (Pisum sativum)
Dominantní homozygot Recesivní homozygot
A a
A AA Aa
a Aa aa
heterozygot x heterozygotP: Aa x Aa
A a
A AA Aa
A AA Aa
dominantní homozygot x heterozygotP: AA x Aa
dominantní homozygot x recesivní homozygotP: AA x aa
a a
A Aa Aa
a aa aa
recesivní homozygot x heterozygot
P: aa x Aa
a a
A Aa Aa
A Aa Aa
♀\♂ AB Ab aB ab
AB AABB AABb AaBB AaBb
Ab AABb AAbb AaBb Aabb
aB AaBB AaBb aaBB aaBb
ab AaBb Aabb aaBb aabb
Dihybridní křížení
křížení ve 2 znacích zároveň
P: AABB x aabb
F1: AaBb
F2:
A žlutá semena a zelená semena
B kulatá semena b hranatá semena
Dihybrid tvoří 16 zygotických kombinací, u kterých můžeme zjistit
9 odlišných genotypů
4 odlišné fenotypy
Mendelovy zákony
Byly formulovány na základě uvedených pokusů
Pravidlo o uniformitě hybridů F1 generace a identitě reciprokých křížení
Pravidlo o zákonitém štěpení v potomstvu hybridů F2 – princip segregace
Pravidlo o volné (nezávislé) kombinovatelnosti vloh
Pravidlo o čistotě gamet
Podmínky platnosti Mendelových zákonů
Jen pro monogenní znaky
Jen pro úplnou dominanci alel
Při úplné náhodnosti křížení
Příslušné geny musí sídlit na autozómech, event. na homologických úsecích gonozómů
VZTAHY MEZI ALELAMI 1 GENU
Úplná dominance
dominantní alela svým účinkem převládá a stačí k úplnému projevu znaku (AA i Aa mají stejný fenotypový projev > aa)
Neúplná dominance
dominantní alela u heterozygota plně nepře-krývá svým účinkem alelu recesivní, na fenotypu se projeví obě nestejnou intenzitou
AA > Aa > aa
Superdominance
znak u heterozygota je vyjádřen silněji než u obou homozygotů
toto může být mnohdy výhodné, a sice díky přítomnosti obou alel AA < Aa > aa
Kodominance
u heterozygota dominují obě alely společně, jejich produkty jsou na sobě nezávislé (ve fenotypu se projeví obě alely plným projevem)
GENOVÉ INTERAKCE
jev, kdy 1 znak vzniká spolupůsobením 2 a více genů, a to umístěných na jednom chromozómu nebo na různých
důsledkem genových interakcí je snížení počtu fenotypových tříd (dihybrid 9 : 3 : 3 : 1, zde např. pouze 15 : 1)
Komplementární účinek
patří mezi nejčastější interalelické interakce, k projevu znaku dojde tehdy, je-li přítomna alespoň 1 dominantní alela z každého z obou genů (u dihybrida 9 : 7)
Epistáze
jev nadřazenosti jednoho genového páru nad druhým, jedná se o analogii dominance a recesivity v rámci 2 a více genů
typickým znakem u rostlin i zvířat je zbarvení
dominantní
dominantní alela A jednoho lokusu je nadřazena nad dominantní alelou druhého lokusu B,
tzn. existuje-li alespoň 1 alela A (tedy u AA nebo Aa), pak dominantní alela D se NEMŮŽE PROJEVIT
(12 : 3 : 1)
Pleiotropie
jev, kdy se 1 gen (1 pár alel) podílí svým účinkem na realizaci několika znaků
(např. opakované působení genu během ontogeneze)