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)