Evoluce, rod Homo, Historie objevů, Genové inženýrství
Mgr. Hříbková Hana Biologický ústav LF MU Kamenice 5, Brno 625 00
[email protected]
Evoluční biologie •
Evoluce – pozvolný vývoj
•
Biologická evoluce – v čase probíhající proces kumulace postupných změn ve vlastnostech populací organizmů založený na změnách jejich genofondu – nutná genetická variabilita populací (zdroj - mutace, rekombinace) – nutný evoluční mechanizmus – přirozený výběr (zvýhodnění jedinců) a postupná adaptace na abiotické a biotické podmínky
•
Úrovně biologické evoluce: – mikroevoluce - změny v populacích téhož druhu – speciace - štěpení vývojových linií vedoucí ke vzniku nových druhů – makroevoluce - vznik vývojových linií zahrnujících více druhů, vznik taxonů vyšších než druh
•
Evoluční biologie - vědní obor zabývající se biologickou evolucí organismů a mechanismy, které se při ní uplatňují od úrovně molekulární až po úroveň společenstev
•
zakladatelem Evoluční biologie - Charles Darwin (darwinizmus)
Evoluční biologie •
Fylogeneze = fylogenetický vývoj historický vývoj druhů organizmů
•
Fylogenetika – snaha o třídění organismů do systému a objasnění vzájemné příbuznosti druhů (genetická příbuznost jaderné DNA, morfologická příbuznost)
•
grafické znázornění vzájemných vztahů mezi skupinami organismů pocházejícího z jednoho předka - fylogenetické stromy
•
Metody stanovení dat: – nejužívanější: stáří sedimentů (např. buněčné fosilie), geologické vrstvy složení, odpovídající flora, fauna – měření podílu radioizotopů - poločas rozpadu 14C na 12C je 5 730 let, uranu 235U je 713 milionů let, draslíku 40K je 1,3 mld. let ...
Fylogenetický strom na základě průzkumu rRNA
Evoluční biologie • •
stáří sluneční soustavy 11-12 mld.let vznik Země asi před 4,5 mld. let – anorganické látky, původní prebiotická atmosféra měla redukční charakter z CO2, N2, H2, H20, bez volného kyslíku
•
před 4 mld.let tvořeny abiogenní cestou organické látky i biopolymery – akumulace sloučenin a jejich ohraničení do tzv. koacervátů (I.A.OPARIN)
•
před 3,5 mld. let (4-3,7) - vznik života na buněčné úrovni - nejstarší organismy - tzv. progenoti (hypotéza - genom z DNA, replikace, transkripce, translace, reprodukce, vnější biomembrána) –
nejjednodušší formy života – RNA má 3funkce – mRNA, funkci genoforu, funkci replikační autokatalýza RNA bez přítomnosti enzymů
• • • •
před 2,5 mld. let - sinice (aerobní fotosyntéza)→ první kyslík před 1,5 mld. let - první eukaryonti diverzifikace jednobuněčných eukaryot před 0,5 mld.let- vznik mnohobuněčných organismů
•
Otázky a hypotézy související se vznikem života: – NK předcházely proteinům či naopak? – RNA předchází DNA? – existence autokatalytické RNA ve funkci ribozymu – autoreplikace (všechny základní složky NK a proteinů lze připravit abiotickou cestou bez proteinů ve funkci enzymů ) – za evolučně prvotní jsou považovány buňky prokaryontní (anaerobní fotosyntéza v prebiotické atmosféře – aerobní fotosyntéza před 2,5 mld.let)
Evoluční biologie endosymbiotická teorie původu mitochondrií a chloroplastů - před 2-1,2mld.let – – –
současná chemoheterotrofní buňka – endosymbióza aerobní bakteriální buňky (protomitchondrie) s anaerobní buňkou eukaryotickou fotoautotrofní eukaryotická buňka – endosymbióza eukaryotické prabuňky (již s mitochondrií) s oxygenní fotosyntetizující bakteriální buňkou (protochloroplast) důkazy, že značná část fototrofních eukaryotických buněk vznikla spojením dvou eukaryotických buněk sekundární endosymbióza - spojení heterotrof. eukar.buňky s fototrofním eukaryotickým symbiontem (pokud zachováno jeho jádro - nukleomorf)
Evoluční teorie Teorie vzniku života na Zemi: • hypotézy idealistické (kreacionismus, vychází z náboženství) • hypotézy materialistické Příklady teorií vzniku života na Zemi: •
teorie samoplození = spontánní abiogeneze – zastáncem např. Aristoteles, názor přetrvává do 19.stol., vyšší živočichové mohli vznikat z neživé hmoty
•
extraterestrický původ – teorie panspermie - S.A.Arrhenius (1859 – 1927)
•
teorie diluvianistů (diluvium = potopa) - přelom 17.-18. stol. – pevnina se několikrát potopila, je možné sestavit chronologickou řadu organismů mezi potopami
•
teorie kataklyzmat – přelom 18. a 19.stol.- po potopě došlo ke zničení všech organismů a byly Bohem vytvořeny nové a lepší organismy
•
teorie evoluční abiogeneze - A.I.Oparin (1894 – 1980) – proces vzniku života rozdělen do 2 fází – chemická evoluce (vznik prvních organických látek) a biologická evoluce (vznik prvních živých soustav) – předpokládá vznik života postupným vývojem z neživé hmoty přímo na Zemi, teorie koacervátů (shluky bílkovin, příp.NK)
Evoluční teorie Carl Linné (1707 – 1778) – 1735 dílo Soustava přírody (Systema naturae) – publikoval zde systém třídění organismů a podvojnou nomenklaturu, organismy byly seřazeny od nejjednodušších k nejsložitějším – vytvořil pojem druh : „Druhů je tolik, kolik jich na počátku světa stvořila nekonečná bytost.“ – organismy se již dále po stvoření nevyvíjely a rovněž počet druhů zůstával konstantní J. B. Lamarck (1744 - 1829) – připouštěl stvoření života Bohem, ovšem to byl podle něho jediný zásah Boha do přírody, život se dále vyvíjel podle přírodních zákonů, počet druhů a vlastnosti organismů se tedy mohly měnit (lamarckismus) – hlavní myšlenkou je představa postupného vývoje druhů, „přírodě“ byla přisuzována snaha po pokroku – 1802 - termín biologie, 1809 dílo Zoologická filozofie o vývoji přírody Charles Darwin (1809 - 1882) - evoluční teorie vzniku a vývoje života (darwinizmus) - hypotéza přírodního výběru a transformace druhů pocházejícího ze společného předka – populace je variabilní, má neomezenou kapacitu růstu, potravních zdrojů – geneticky zvýhodnění jedinci plodí více potomků – díky přírodnímu výběru se druhy adaptují prostředí – 1859 - „O původu druhů přírodním výběrem“ – 1871 - „O původu člověka“
Charles Darwin
Evoluce – geologické éry Prvohory
Druhohory
Homo habilis čas v milionech let
Evoluce rodu HOMO
Evoluce člověka •
• •
1 společný předek antropoidních opic a člověka, původ z východní Afriky PROPLIOPITHECUS (=AEGYPTOPITHECUS) – před 30 - 35 mil.let PROCONSUL (20 - 22 mil., AFRIKA) – první předchůdce hominidů od blízkého rodu PROCONSULA se postupně odštěpily větve směrem k orangutanovi (před 13 mil.let), ke gorile (před 8 mil.let), poté k šimpanzovi a člověku (před 6mil.let)
•
Zařazení člověka: Říše: živočichové (Animalia) Kmen: strunatci (Chordata) Podkmen: obratlovci (Vertebrata) Třída: savci (Mammalia) Řád: primáti (Primates) Čeleď: hominidi (Hominidae) Rod: člověk (Homo)
Čeleď HOMINIDAE Rody: RAMAPITHECUS, AUSTRALOPITHECUS, HOMO RAMAPITHECUS: – – – – – –
před 14 - 12 mil.let Afrika, Evropa, Asie výška 100-110cm mozkovna 350 cm3 převážně kvadruped strava rostlinná, zuby hominoidní
Čeleď HOMINIDAE Rody: RAMAPITHECUS, AUSTRALOPITHECUS, HOMO AUSTRALOPITHECUS: - před 4 – 1 mil.let - asi 8 druhů - A. afarensis, A. africanus, A. robustus, A. boisei -
nálezy v Africe - výška 115-150 cm - mozkovna 450 – 490 cm3, rýhování mozku - biped, výrazně vzpřímený - všežravec, lovci - používání primitivních nástrojů - nejznámější forma Australopithecus afarensis AL 288-1 tzv. "Lucy", stáří skeletu asi 3,2 mil.let (Etiopie)
Čeleď HOMINIDAE Rody: RAMAPITHECUS, AUSTRALOPITHECUS, HOMO Rod HOMO: – vývojoví předchůdci – Homo habilis, Homo erectus, „archaický“ typ Homo sapiens, Homo sapiens neanderthalensis, Homo sapiens sapiens – 1 prapředek původem z Afriky – vývoj rodu HOMO (od Homo habilis) - před 2,5 mil.let – existence dnešního Homo sapiens sapiens trvá 35 000let – vymezení rodu HOMO (odlišení od hominidů či lidoopů): • velikost mozkovny přes 700 cm3 • umístění obličejové části více pod klenbu lební • prominující nos • tenká dolní čelist, zuby • lehká stavba skeletu, tenké kosti, redukovaná svalová hmota
Čeleď HOMINIDAE Rody: RAMAPITHECUS, AUSTRALOPITHECUS, HOMO
•
hominizace - specializační proces postupných tělesných a sociálních změn od primátů k člověku, je provázen změnami v následujících tělesných znacích: – rozšíření a zploštění hrudníku a změna pletence ramenního, umožňující rotaci paže – dolní končetina a pánev - zahrnuje adaptační znaky končetiny i pánve k bipední lokomoci a k udržení vzpřímeného těla, důležitý je poměr délek dlouhých kostí končetiny (velmi dlouhá kost stehenní), nožní klenba a rozšíření kostí pánevních – lebka a ruka - tento komplex odlišil rod Homo od rodu Australopithecus, zvětšování kapacity mozkovny (objem mozkovny nad 750 cm3), další změny na lebce (vznik brady, ústup nadočnicových oblouků); ruka se vyznačuje jemností pohybů (práce), vzpřímením těla byla ruka uvolněna k práci, práce ruky vedla ke kvantitativnímu i kvalitativnímu rozvoji mozku
•
sapientace – proces vývoje člověka navazující na hominizaci, provázený rozvojem mozku, myšlení a psychiky, vzniku řeči a zdokonalování ruky – proces vedoucí k vytvoření soudobého typu člověka Homo sapiens sapiens
Homo habilis • • • • •
období před 2,5-1,6 mil.let východní Afrika mozkovna 450 -750 cm3 výška 120-150 cm, vzpřímený biped (podle postavení skeletu lebky, klenby nohy, ruky) vyráběl nástroje, lovil ve stepi, lidský intelekt…
Homo erectus •
Pithecantropus erect. - Indonésie
• • • •
primit. forma - před 1,8 - 0,8 mil.let východní Afrika, Asie mozkovna 950 cm3, archaická lebka výška cca 155 - 160cm, vyspělá kostra
•
vyspěl. forma (heidelbergensis) – před 700 - 400 tis.let, gracilnější, menší, mozkovna 1100 cm3
• • • •
člověk jeskynní, žil v tlupách, znal oheň neartikulovaný projev výroba nástrojů ze dřeva, bambusu kočovní lovci a sběrači – smíšená strava
Homo sapiens •
„archaický“ Homo sapiens – nálezy Afrika, Evropa, před 250-100 tis.let
•
druh Homo NEANDERTHALENSIS (pračlověk) – před 150-100 tis.let, střední paleolit, Evropa, Irák, Izrael, výška 150-170 cm, mozkovna 1450 cm3 (1200 – 1750 cm3), kulty a rituály, tlupy, oheň, nástroje –
•
převládá představa, že není přímou vývojovou větví dnešního člověka, časově a patrně i geneticky se překrýval s mladšími formami Homo sapiens
druh Homo SAPIENS sapiens (CroMagnon, Francie, člověk předvěký) – před 40-25 tis.let, svrchní paleolit, 1500 cm3 (1 200 – 1 700 cm3), Evropa, Izrael – koexistence H.N. a H.S.S cca 60 000 let, artikulovaná řeč, anatomicky jako čl. současný, tvorba rytin, sošek, nástěnné malby, před 10 000 lety vznik zemědělství
Historie biologických objevů
Historie biologických objevů Buněčná teorie 1628 – W. Harwey – objev krevního oběhu – základy fyziologie, v roce 1651 odmítl teorii samoplození („vše živé z vajíčka“) 1668 - Anthony Leeuwenhoek – mikroskopie - krevní kapiláry, 1677 pozoroval pohyb spermií, 1683 popis tyčinkovitých a kulovitých bakterií 1828 - K.E.Baer – zakládá embryologii
Mathias J. Schleiden
Mathias J.Schleiden (1804-1881) - postuloval v r. 1838
buněčnou představu (teorii) - rostlinné organismy jsou vybudovány celé z buněk (mínil především buněčnou stěnu) Theodor Schwann (1804-1882) - v r.1839 rozšířil buněčnou
teorii na živočichy Thomas Schwann
Historie biologických objevů Buněčná teorie Jan Evangelista Purkyně (1787– 1869) – v r. 1858 – vyslovuje, že podstata budování rostlinného (a zvířecího) organismu je trojí: tekutá, vláknitá a „zrnitá“ – přiznává zásluhu o celistvostní pohled (= BUNĚČNÁ TEORIE ) Schwanovi – rozvíjel cytologii a histologii – první práce o buněčné podstatě kolem r. 1825 (jádra ve vajíčku), řasinky, popis buňky chrupavkové, gangliové (P. buňky v mozečku, P. vlákna v srdci) – založil časopis Živa (1853)
R.Virchow (1821-1902): „OMNIS CELLULA E CELLULA“ Každá buňka vzniká jen z buňky.
Historie biologických objevů Mikrobiologie Louis Pasteur (1822 - 1895) – francouzský lékař, biolog, chemik • položil základy mikrobiologie a imunologie • objev procesu kvašení u mikroorganismů a vypracoval metodu tepelné sterilizace • vyvrácení teorie samoplození • 1885 – očkování proti vzteklině Robert Koch (1843 – 1910) - německý lékař a mikrobiolog • zakladatel mikrobiologie • objev původců tuberkulózy (Mycobacterium tuberculosis) a cholery (Vibrio cholera) • 1905 - Nobelova cena
Historie biologických objevů Mikrobiologie Alexander Fleming (1881 - 1955) - skotský bakteriolog - 1928 - objev penicilinu (antibiotikum) z plísně Penicillium notatum, princip účinku na bakteriální stěnu - 1945 - Nobelova cena
Historie biologických objevů Základy genetiky J.G.Mendel (1822 – 1884) • zakladatel genetiky, dědičnost předávána „diskretními elementy“ • 1854 - 1865 základní experimenty • 1865 - přednáška, 2 práce vycházejí 1866 tiskem • • •
1. M.zákon o jednotnosti (uniformitě) první generace kříženců 2. M.zákon o náhodné segregaci alel do gamet a jejich kombinaci ve druhé generaci kříženců 3. M. zákon o volné kombinovatelnosti alel různých alelových párů
W. Johannsen (1857 – 1927) • zavedl termíny gen (1909), genotyp, fenotyp G.H.Hardy (1877 – 1947) a W.Weinberg (1862-1937) • 1908 vyslovili zákon genetické rovnováhy populace (H.-W. zákon p2+2pq+q2 =1)
J.G.Mendel
Historie biologických objevů Virologie a jiné • 1966 – P.Rous – NC za objev prvního známého retroviru • 1969 – M.Delbruck, A.D.Hershey, S.E. Luria – NC za objevy molekulární biologie bakteriofága • 1975 – D.Baltimore, R.Dulbeco, H.M.Temin – NC za objev reverzní transkriptázy (1970) • 1989 – M.Bishop, H.Varmus – NC za molekulární analýzu retrovirových provirů a za výzkum funkce onkogenu • 1953 - F. Sanger - objev struktury bílkovinné molekuly (insulin) • 1997 - S.B.Prusiner – NC za objev prionů
Historie biologických objevů Molekulární biologie •
1933 - T.H. Morgan – NC funkce chromosomů při studiu dědičnosti
•
1944 - O.Avery, C. MacLeod, M. McCarty – DNA určuje dědičné vlastnosti
•
1953 – J.D. Watson, F.H. Crick , M.H.F. Wilkins - popsali strukturu DNA, NC v 1962
• •
1968 – M.W. Nirenberg a G.Khorana – NC za vyřešení genetického kódu 1968 – R.Holley – NC za objev struktury tRNA
• •
1989 – T.Cech a S.Altman – NC za objev autokatalytické RNA …….
•
1997 – naklonování ovce Dolly
•
2001 - rozluštění 93% lidského genomu, kompletní genom publikován v r. 2003 projekt HUGO („Human Genom Organization) – člověk má cca 20-25 000 genů (počet zjištěných a předpokládaných genů je cca 39 000); rozsah lidského genomu cca 3x109 bp
Genové inženýrství
- příprava umělých kombinací genů a jejich zavádění do genomu organizmů s cílem rekonstruovat jejich genetickou výbavu
Klonování DNA Příprava rekombinantních molekul DNA Zakládání genových knihoven Mutageneze in vitro Příprava transgenních organizmů (GMO) Genová terapie Klonování živočichů
Genové inženýrství Klonování DNA •
klon DNA – soubor identických molekul, fragmentů DNA, např. metodou PCR či množením rekombinantních molekul DNA v hostitelské buňce
•
využití: – – – –
•
izolace genů, jejich studium struktury a funkce genetická analýza genomů exprese cizích genů v nepříbuzných hostitelích a zisk jejich produktů příprava látek využitelných ve zdravotnictví, průmyslu a farmacii
Klonování DNA - základní kroky: –
příprava rekombinantní molekuly DNA, její přenos do hostitelské buňky (přes klonovací vektory), selekce klonů buněk obsahující rekombinantní DNA
Genové inženýrství Konstrukce lidské genomové knihovny
Související pojmy •
Transdukce – přenos genetické informace z buňky donorové do buňky recipientní pomocí virových partikulí –
–
Bakteriální transdukce - přenos 1-2 genů z jedné buňky bakteriální do druhé pomocí viru (u bakterií prostřednictvím bakteriofágu). Při infekci buňky dochází ke včlenění buněčných genů do virového genomu na úkor ztráty části virové informace. Změněný virus při další infekci přenáší získané genetické informace do nové buňky, jejíž genetickou konstituci již trvale ovlivní. Retrovirová transdukce – přenos genu hostitelské buňky prostřednictvím retroviru do jiné hostitelské buňky, v níž se tento gen, jako součást virového genomu, integruje do genomu hostitelské buňky a projeví se v jejím fenotypu.
•
Genetická transformace - změna genetické informace buňky vzniklá přenosem molekuly DNA
•
Bakteriální transformace: – –
•
přenos izolované molekuly DNA (většinou 1-2geny) z donorové bakteriální buňky do recipientní bez jejich přímého kontaktu, jde o aktivní průnik molekuly DNA přes BS bakterií do cytoplazmy, izolovaná DNA se rekombinuje s molekulou DNA recipientní buňky, vnesená genetická informace se projeví ve fenotypu nebo přenos rekombinantní DNA do buňky recipientní, v jejímž fenotypu se vnesená genetická informace projeví (např. bakteriální buňky produkující lidský inzulin)
Transfekce obecně – přenos volné, izolované DNA do recipientních buněk – –
např. přenos cizorodé izolované DNA do kultivovaných živočišných či lidských buněk, jde o přímý přenos genů např. kalcium-fosfátovou precipitací Transfekce ve virologii – umělá infekce bakteriální buňky nebo jejího protoplastu izolovanou fágovou, popř. virovou nukleovou kys. (DNA nebo RNA), jejímž výsledkem je umělý přenos genetické informace, vyjádřený zpravidla tvorbou virových částic (lytický cyklus)
Genové inženýrství Mutageneze in vitro • • • • • • •
změna vlastností organizmů navozena cílenou mutací v genech cílem – příprava proteinů s novými vlastnostmi gen se klonuje v rekombinantním vektoru in vivo (E.coli) izolace rekombinantních molekul DNA a jejich mutagenizace in vitro chemicky či enzymaticky (přesně definované mutace v podobě např. substitucí, delecí nukleotidů) přenos molekul DNA po mutagenezi transformací do E.coli vyhledání klonů E.coli obsahující mutace stanovení fenotypového projevu mutovaného genu
Genové inženýrství Příprava transgenních organizmů •
transgen – cizorodý gen přenesený do hostitelského organizmu za účelem genetické modifikace
•
transgenní organizmus (GMO) – genom GMO obsahuje stabilně začleněný transgen
•
transgenoze – postupy, kterými se do organismů vnášejí cizorodé geny z nepříbuzných organismů
•
využití: – – – – – –
zvýšení výnosů a nutriční hodnotu plodin (obiloviny, kukuřice, rýže..), produkci hospodářských zvířat zlepšit kvalitu, trvanlivost potravin GMO k produkci farmakologicky aktivní látky nové typy léčiv – vyšší účinnost bez nežádoucích účinků př. GMO – bakteriální buňky produkující lidský inzulin pro léčbu diabetu Př. GMO - transgenní ovce pro produkci lidského faktoru pro srážení krve – léčba hemofilie
Genové inženýrství Genová terapie •
v buňkách pacientů - oprava poruch genetické informace nahrazením defektních genů funkčními alelami
• •
genová terapie in vitro genová terapie in vivo
•
principy genové terapie: – – – –
•
zvýšení počtu kopií genu cílené usmrcení specifických buněk cílená oprava mutace cílené potlačení genové exprese
léčba některých dědičných či nádorových onemocnění: – – – –
vrozené vady metabolismu (fenylketonurie, hemofilie, cystická fibroza) komplexní genetické choroby (rakovina, hypertenze, diabetes) získané genetické vady – virové nemoci (EBV, HBV, HIV) neurologické choroby a mozkové nádory
Genové inženýrství Klonování živočichů •
klon buněk či organizmů soubor identických buněk či organizmů pocházejících ze společného předka; genom klonů se shoduje s genomem předka
•
klony živočichů vytvářeny: – –
•
separace blastomer (např. jednovaječná dvojčata) klonování založené na přenosu jader in vitro (1997 – ovce Dolly)
využití: – – –
klonování ohrožených druhů živočichů užitkových zvířat příprava tkání, orgánů z nepoškozeného organizmu pro léčbu závažného onemocnění jedince
