Genetika chromosomální a molekulární základy dědičnosti

Biologie I

Genetika – chromosomální a molekulární základy dědičnosti ► Meioza, gamety, rozmnožování ► Mendelovská dědičnost ► Chromosomální základy dědičnosti ► Centrální dogma molekulární biologie

Dědičnost ► Přenos vlastností/predispozic rodičovského organismu na potomky ► Přenos DNA s geny (chromosomální i extrachromosomální) ► Gen = základní jednotka dědičnosti, na chromosomu umístněn v lokusu

Rozmnožování

proces tvorby potomstva

(zde ve smyslu celých organismů)

► Nepohlavní (vegetativní, asexuální) = klony (genetické kopie) např.:

100 µm

Amoeba dělící se mitoticky

rodičovský jedinec

pupen

Mnohobuněčný nezmar (Hydra) množící se pučením (pupen: mitosy, masa buněk se vyvijí v nového jedince → oddělení)

► Pohlavní (generativní, sexuální) Potomek nese [jedinečnou] kombinaci genů získaných od obou rodičů

Pohlavní rozmnožování a dědičnost v důsledku náhodné kombinace genů (chromosomů rodičů) při oplození se potomek vzhledem liší od rodičů i sourozenců

Adaptováno z Campbell, Reece: Biology 6th edition © Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings

Homo sapiens sapiens centromera sesterské chromatidy pár homologních chromosomů

Karyotyp – soubor chromosomů, rozlišitelné podle tvaru a proužkování

Somatická buňka rodiče: • 46 chromosomů (diploidní; 2n) • 2 gonosomy (pohlavní chr.) • 44 autosomů (22 párů) gameta otec

gameta matka

22 autosomů + gonosom

22 autosomů + gonosom

(haploidní; n)

(haploidní; n)

(uspořádaný a graficky znázorněný = karyogram) zde muž (46, XY) metafázní chromosomy izolované z leukocytů po barvení (proužky)

Potomek: 46 chromosomů (2n) 2 gonosomy (pohlavní chr.) 22 párů autosomů

Pohlavní rozmnožování a dědičnost

Rozmnožovací cyklus živočichů


Barvy Haploidní stav (gamety = pohlavní buňky ) Diploidní stav

n

gameta

n

gameta 2. pohlaví

n MEIOZA

Diploidní mnohobuněčný potomek

2n

OPLOZENÍ

2n mitoza

mitozy, dělení diferenciace

zygota

splynutí gamet (syngamie, oplození) za vzniku diploidní zygoty

Pohlavní rozmnožování a dědičnost

haploidní mnohobuněčný organismus

► Časový nástup meiozy se v životních cyklech různých organismů může lišit:

mitoza

mitoza

gamety

oplození

meioza

hlenka (Dictiostelium) zygota

Většina hub, někteří prvoci a řasy haploidní mnohobuněčný organismus (gametofyt) mitoza

mitoza gamety spory

meioza

oplození

zygota mitoza diploidní mnohobuněčný organismus (sporofyt)

Rostliny a některé řasy Adaptováno z Campbell, Reece: Biology 6th edition © Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings

MEIOZA – tvorba haploidních buněk rozdělením diplodních pár homologních chromosomů diploidní buňka

2n

pár replikovaných homologních chromosomů

meiozu předchází replikace chromosomů

sesterské chromatidy

2n MEIOZA redukční dělení (redukce počtu chromosomů a separace sesterských chromatid)

chromosomy

n buňky s 1 replikovaným chromosomem chromatidy

separace chromatid

n 1 pár homologních chromosomů = 2 možnosti...

výsledkem jsou buňky nesoucí jednu sadu původních homologních autosomů (+ gonosom)

Adaptováno z Johnson R.: Biology, 5th edition 1999; © The McGraw-Hill Comp., Inc.

replikace

Meioza I

... 3 páry homologních chromosomů homologní páry (není znázorněna replikace)

8 možností meiozy (ne všechny realizovány, 1 meioza = max. 4 buňky/gamety k použití)

... 23 párů chromosomů = 8 388 608 možnosti...

► Počet možností při haploidním čísle n chromosomů je 2n.

► 1. Chromosomy/chromatidy se rozchází nezávisle ► 2. Oplození je nahodilé (sejde se vždy 1 kombinace každého rodiče) 2 zdroje genetické variability potomků a v meioze je variabilita umocněna ještě dalším způsobem


... 2 páry homologních chromosomů = 4 možnosti...

MEIOZA – detailnější pohled na dvě po sobě jdoucí dělení ► Meiozu předchází meiotická interfáze

s replikací chromosomů a zdvojením centrosomu ► Každé dělení během meiosy pak probíhá ve 4 fázích (podobně jako mitoza)

1. profáze 2. metafáze 3. anafáze 4. telofáze ► První dělení: meioza I (tzv. heterotypické dělení – určité odlišnosti od mitozy – složitější v profázi) ► Druhé dělení: meioza II (tzv. homeotypické dělení – obdoba mitozy) ● interkineze – období mezi meiozou I a meiozou II

Meioza I

1. Profáze I – přehled PROFÁZE I chiazmata

• Párování homologních chromosomů

centrosom dělící vřeténko

a vznik synapsí (těsný podélný kontakt)

• Později chromosomové páry patrné

jako tetrády (4 prokřížené chromatidy)

• V překříženích výměna homologických částí nesesterských chromatid (crossing-over) • Místo překřížení = chiazma, v tetrádě obvykle několik chiazmat • Prodlužování mikrotubulů • Oddalování centrosomů (=dělícího vřeténko) • Rozpad jaderného obalu • Napojování mikrotubulů na kinetochory

sesterské chromatidy

tetráda

páry homologních chromosomů s vyměněnými úseky nesesterských chromatid


• Kondenzace chromosomů • Mizí jadérka • Vznikají kinetochory

1. Profáze I

Meioza I

– může představova více než 90% času trvání meiozy

5 stádií:

partnerské homologní chromosomy synaptonemální komplex

i) Leptotene – chromosomy přichyceny

k jadernému obalu; homologní poblíž a silně kondenzují ii) Zygotene – synapse: tvorba proteinového synaptonemálního komplexu mezi homologními chromosomy Dvojice paralelních chromosomů = bivalent iii) Pachytene – homologické části partnerských chromosomů „drženy“ naproti sobě, rozbalení DNA, crossing-over

iv) Diplotene – synaptonemální komplex se rozpadá (chiazmata přetrvávají), chromosomy dekondenzují a jsou transkričně aktivní v) Diakineze – chromosomy opět kondenzují

sesterské chromatidy chromosomu

synapse

protilehlé nesesterské chromatidy

chromatidy homologního chromosomu

centromera

crossing-over

chiasmata (místa crossing-over)


Meioza I

2. Metafáze I • Kinetochorové mikrotubuly jednoho pólu dělícího vřeténka napojeny k jednomu chromosomu z páru (na jednu stranu centromery)

• chiazmata se posouvají ke koncům chromosomů = terminální chiazmata (umožňuje oddálení centromer a usnadňuje správné napojení mikrotubulů)

•Tetrády seřazeny v metafázní destičce PROFÁZE I

METAFÁZE I astrosféra centromera (živočišná buňka) (s kinetochorem)

napojené kinetochorové mikrotubuly

chiazmata

metafázní destička


nekinetochorové mikrotubuly

ANAFÁZE I

Meioza I

3. Anafáze I • Separace homologních chromosomů (zanikají tetrády) • Každý chromosom (dvě sesterské chromatidy) transportován k opačnému pólu

PROFÁZE I

ANAFÁZE ANAFÁZEI I

METAFÁZE I sesterské chromatidy (zůstávají spojeny)


homologní chromosomy

Meioza I

Meiosis I

TELOFÁZE I a CYTOKINEZE

•

Chromosomy pokračují v rozestupu a dosahují pólů

•

Každý chromosom je stále tvořen dvěmi sesterským chromatidami

•

U některých druhů dekondenzace chromosomů, tvrba jádra i jadérka

•

Cytokineze obvykle probíhá souřasně a tvoří se dvě haplodní buňky Zivočišné buňky: zaškrcení

Žádný z chromosomů se již nereplikuje

Meioza II

zaškrcení

3. zdroj genetické variability potomků

► 3. Crossing-over mohl vyměnit části chromatid = sesterské chromatidy již nejsou geneticky identické

Meioza II


Rostlinné buňky: fragmosplast

Meioza II

je velmi podobná mitoze

• Tvorba dělího aparátu • Chromosomy (dvě sesterské chromatidy) kondenzované TELOFÁZE I A CYTOKINEZE

PROFÁZE II

zaškrcení

• Sesterské chromatidy odděleny a transportovány k pólům

METAFÁZE II

ANAFÁZE II

separace sesterských chromatid

TELOFÁZE II • Chromosomy (chromatidy) na opačných pólech • Rozpad dělícího aparátu, tvoří se jádra • Chromosomy despiralizují + jadérka A CYTOKINEZE

• Všechny sesterské chromatidy správně napojeny na kinetochorové mikrotubuly • Sesterské chromatidy na metafázní destičce Adaptováno z Campbell, Reece: Biology 6th edition © Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings

Výsledek 4 dceřinné buňky geneticky odlišné mezi sebou a i od mateřské buňky

Mendelelovská dědičnost


Gregor Johann Mendel (*1822 in Hynčice – †1884 in Brno) ● mnich (od 1843) a později opat

(od 1868) v augistiánském kláštěře sv. Tomáše v Brně ● od r. 1957 se zbýval křížením

hrachu (Pisum sativum), dostupný v řadě odrůd ● 1865 práce

Versuche über Pflanzen-Hybride vcelku bez povšimnutí, znovu objevena 1900 Hugo de Vries (NL) Erich von Tschermak (A) Carl Correns (D)

► Křížil čisté (homozygotní) linie (P, F0); takové křížení označováno hybridizace ► Křížil hybridy F1 (1. filiální generace) → F2, v níž byl poměr forem znaku z P = 3:1

důležité termíny:

Genom – kompletní genetický materiál daného organismu Alely – alternativní formy téhož genu (dvě alely v diploidním organismu) Homozygot – pár identických alel (čistá linie) Heterozygot – dvě rozdílné alely jednoho genu alela pro fialové květy

pár homologních chromosomů

alela pro bílé květy

Genotyp – soubor všech alel v organismu Fenotyp – fyzické a fyziologické rysy (znaky) organismu


lokus pro barvu květu


Mendelův model dědičnosti pro dvě alely jednoho genu homozygotní linie nesoucí dominantní alelu (P), která se na rozdíl od recesivní alely (p) projeví

homozygotní P

(„dominantní je funční“)

vzhled: genotyp: gamety:

hybridizace 1. Zákon o uniformitě generace F1 při vzájemném křížení dvou homozygotů jsou potomci genotypově i fenotypově jednotní

generace F1 vzhled: genotyp: gamety:

křížení tzv. monohybridů (jedinců u kterých sledujeme 1 znak) samičí F1

samčí F1

generace F2

2. Zákon o jednoduchých štěpných poměrech v F2 při křížení heterozygotů F1 může být potomkovi předána každá ze dvou alel se stejnou pravděpodobností nezávislá segregace alel

→ fenotypový štěpný poměr 3:1 Adaptováno z Campbell, Reece: Biology publishing as Benjamin Cummings

6th

edition © Pearson Education, Inc,


Punnettův čtverec ● Heterozygotní rodiče s nepřirostlým lalůčkem

Rodiče

(determinováno dominantní alelou E) Ee

Ee =½×½=¼ eE

=½×½=¼

e

E EE

Ee

Ee

ee

e potomci

ee =½×½=¼ ● Pravděpodobnost u novorozence 75% nepřirostlý a 25% přirostlý lalůček (3:1)

Alely E = nepřirostlý lalůček e = přirostlý lalůček

Fenotypy 3 1

nepřirostlý lalůček přirostlý lalůček


EE =½×½=¼

E

spemie

● Šance zdědit genotypy

vajíčka

Punnettův čtverec

● Gamety: možnost E = ½ možnost e = ½

Ee


Testovací (zpětné) křížení v případě lalůčků raději

odhalení genotypu křížením s homozygotem v recesivním stavu

homozygot P

dominantní fenotyp; neznámý genotyp (možno PP nebo Pp)

recesivní fenotyp; známý genotyp pp

pro možnost PP bude fenotyp fialový květ

pro možnost Pp 50% fialový květ 50% bílý květ

rodokmen

hybrid F1

Rozbor rodokmenu

přirostlý lalůček

nepřirostlý lalůček

pro analýzu rizik u nemocí děděných jako jednoduché mendelovské znaky


► neúplná dominance


homozygotní P bílá CW C W

červená CRCR

CR: alela barva červená Cw: alela barva bílá

gamety

růžová CRCW

generace F1

jen 1 alela CR

gamety

samičí F1 generace F2

samčí F1

genotyp F1 se projeví v F2 Štepný poměr 1:2:1 (není třeba zpětné křížení)

3. Zákon o čistotě a plné kombinovatelnosti vloh vlohy pro znaky a vlastnosti se přenášejí z generace na generaci v čisté formě a vzájemně se nemísí (nezávislá segregace alel)


sledujeme 2 znaky současně (oba s možností dominance):


křížení tzv. dihybridů (sledujeme 2 znaky)

homozygotní P

gamety

gamety

generace F1

samičí F1

samčí F1

generace F2

žluté, kulaté

štěpný poměr 3:1 jako u jednoho znaku nebyl pozorován

zelené, kulaté žluté, scvrklé zelené, scvrklé

alely segregují nezávisle

→ fenotypový štěpný poměr 9:3:3:1 (zpětné křížení s yyrr poměr 1:1:1:1)


► štěpný poměr platí, pokud jsou geny na různých chromosomech A B

Aa

a

B

Bb

b

A

B

B

AB A

B

a a

a

b

b

b ab a b

A

a B b

A A

A

b

b

b Ab A

dihybrid AaBb

A

Aa

a

b

bB

B

b

a

a

B

B

a B aB a B

metafáze I dvě možnosti uspořádání chromosomů

možné gamety metafáze II

alely mendelovsky rozděleny


A

A

Chromosomální základ dědičnosti

homozygotní P

Drosophila melanogaster sameček

XY

samička

XX

Thomas Hunt Morgan (1866 – 1945)

vajíčka

spermie

generace F1

divoký typ

mutant

vajíčka

spermie

Fenotypy po křížení F1 … všichni červené oči F2 … červené:bílé = 3:1

(štěpný poměr odpovídá mendelovské dědíčnosti)

ALE: bílé oči pouze u samečků → → znak vázaný na chromosom X

generace F2


Vazba vloh / genů

na libovolném chromosomu

další Morganův experiment:

Znaky: barva těla a vývoj křídel

homozygotní P divoký typ šedé tělo, normální křídla

dvojitý mutant černé tělo, zakrnělá křídla

ZPĚTNÉ KŘÍŽENÍ

dihybrid F1 šedé tělo, normální křídla


Alely: b+ : normální šedé tělo b : černé tělo (black) vg+ : normální křídla vg : zakrnělá (vestingal) křídla

rodiče v zpětném křížení fenotyp tělo / křídla

šedé / normální

černé / zakrnělá

šedé / zakrnělá

černé / normální

většina potomků

potomstvo po zpětném křížení

očekávání: nezávyslá segregace rodičovský fen. SKUTEČNOST:

rekombinovaný fen.

nebo

► Převahu rodičovských fenotypů vysvětluje vazba genů na jednom chromosomu. ale proč pak není poměr 1:1:0:0?


ZPĚTNÉ KŘÍŽENÍ


dihybrid F1 šedé tělo, normální křídla replikace

Rekombinantní fenotypy jsou důsledkem crossing-over

MEIOZA I a II crossing-over neutrální MEIOZA II separace chromatid

rekombinantní chromosomy

vajíčko

spermie

gamety

83%

17%

{ {

Fenotypy (tělo - křídla): 1. gray – normal šedé – normální 2. Black – vestingal černé – zakrnělá

vajíčko

Frekvence rekombinace

potomci křížení spermie

(391 / 2300) x 100 = 17%

3. Gray – vestingal šedé – zakrnělá 4. Black – normal černý– normální

rodičovský fenotyp

rekombinovaný fenotyp


MEIOZA I a crossing-over

Morganovy zákony 1. Geny jsou lineárně uspořádány v chromosomech. 2. Geny jednoho chromosomu tvoří vazebnou skupinu. Počet vazebných skupin = počet párů homologních chromosomů 3. Mezi geny homologického páru chromosomů může probíhat genová výměna prostřednictvím crossing-over. Frekvence crossing over je přímo úměrná vzdálenosti genů. frekvence rekombinace

chromosom


případ třech genů na chromosomu II b, vg a cn (cinnabar, rumělka) fenotyp cn: světlejší oči než divoký typ

Frekvence rekombinací: 9% pro cn a b 9,5% pro cn a vg 17% b a vg Vzdálenější geny – větší šance, že mezi nimi proběhne crossing-over


► štěpný poměr platí, pokud jsou geny na různých chromosomech ► a jedním genem je determinován jeden fenotyp neovlivněný prostředím B

A

Aa

a

B

Bb

b

A

A

B

B

AB A

B

a

a

a

b

b

b ab a b

A

a B

b

A A

A

b

b

b Ab A

dihybrid AaBb

A

Aa

a

b

bB

B

b

a

a

B

B

a B aB a B

metafáze I dvě možnosti uspořádání chromosomů

možné gamety metafáze II

alely mendelovsky rozděleny


A

Pleiotropie

•

Gen ovlivní více než jeden fenotypový znak jedince

Případ fenylketourie: - gen pro fenylalanin hydroxylasu na autosomu - mutace = recesivní alela; autosomálně recesivní onemocnění - porucha přeměny aminokyseliny fenylalaninu na tyrosin

Fenotypové projevy: - mentální retardace, epileptické záchvaty - bledá pleť, modré oči, světlé vlasy (nedostatek tyrosinu pro tvorbu melaninu) - časté ekzémy a vyrážky

Kodominance – vícealelové systémy vs 2n Případ dědičnosti krevních skupin: 3 alely pro dědičnost krevních skupin: Alela

IA

- antigen A na povrchu erythrocytů - protilátky proti B v séru (anti-B)

• •

IA a IB jsou vůči sobě kodominantní IA a IB jsou vůči alele i dominantní krevní skupina

genotypy

sérum

erythrocyty po přidání séra krevních skupin ve sloupci

Alela IB - antigen B na povrchu erythrocytů - protilátky proti A v séru (anti-A) Alela i - erythrocyt bez antigenu A nebo B - v séru protilátky proti A i B - 6 možných genotypů - fenotypy krevní skupina A, B, AB nebo 0 Adaptováno z Campbell, Reece: Biology 6th edition © Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings

Polygenní dědičnost • •

Účinky více genů na jednu fenotypovou vlastnost Fenotyp je dán součtem účinků genů (aditivní, kumulativní efekt) Pozn. pro znaky, měnící se v populaci plynule = znaky kvantitativní – vělikost těla, barva kůže (rozdíl proti kvalitativním znakům = diskrétní znaky – např. krevní skupina)

Vliv prostředí na fenotyp norma reakce = různost fenotypů, které mohou vzniknout z jediného genotypu vlivem vnějšího prostředí norma reakce nulová – např. krevní skupiny, barva květu hrachu norma reakce nenulová – např. barva květu hortenzie

zásaditá

kyselá půda

Genové interakce • •

Na sledovaném kvalitativním znaku se podílí více než jeden gen Alely dominantní a recesivní



homozygotní P

gamety

gamety

generace F1

samičí F1

samčí F1

generace F2

žluté, kulaté

štěpný poměr 3:1 jako u jednoho znaku nebyl pozorován

zelené, kulaté žluté, scvrklé zelené, scvrklé

alely segregují nezávisle

→ fenotypový štěpný poměr 9:3:3:1 (zpětné křížení s yyrr poměr 1:1:1:1)

Genové interakce

► interakce bez změny štěpných poměrů 9:3:3:1 – reciproká interakce oba geny se projevují samostatně, interakce až na úrovni fenotypu x

x

Barva plodu papriky: Alely:

R – červený pigment ANO r – červený pigment NE Cl – rozklad chlorofylu ANO cl – rozklad chlorofylu NE (pomlčky v obr. = jakákoliv alela)

objevují se fenotypy, které nebyly u rodičovských rostlin (P1 nebo P2) (pomlčka = jakákoliv alelu)

výsledek zpětného křížení s rrclcl je 1:1:1:1 Převzato z Nečásek a kol. Obecná genetika. SPN Praha 1979

Genové interakce

► dominantní epistaze – dominantní alela epistatického genu potlačí projev hypostatického genu (obdoba dominance) Barva květů jiřiny: Alely:

Y – žlutý pigment ANO I – pigment ‘slonová kost’ ANO y a i – pigment NE

štěpný poměr v F2 12:3:1 přítomnost žlutého pigmentu překryje barvu slonové kosti

výsledek zpětného křížení s yyii je 2:1:1 Převzato z Nečásek a kol. Obecná genetika. SPN Praha 1979

Genové interakce

► recesivní epistaze – gen v homozygotně recesivní stavu potlačí/neumožní projev alely druhého genu Barva květů šalvěje: Alely:

P / p – červený pigment ANO / NE A / a – methylace červeného pigmentu = fialová ANO / NE

štěpný poměr v F2 9:3:4

výsledek zpětného křížení s ppaa je 1:1:2 Převzato z Nečásek a kol. Obecná genetika. SPN Praha 1979

Genové interakce

► komplementarita – alespoň jedna dominantní alela obou genů

Barva květů hrachoru: Alely:

C a R – červený pigment ANO produkt C je stále bezbarvý

štěpný poměr v F2 9:7

výsledek zpětného křížení s ccrr je 1:3 Převzato z Nečásek a kol. Obecná genetika. SPN Praha 1979

Genové interakce

► inhibice – dominantní alela “inhibitoru” zamezí projevu druhého genu (inhibitor sám jiný projev nemá) Barva peří kura domácího: Alely:

C / c – červený melanin ANO / NE I / i – inhibice depozice melaninu v keratinu peří ANO / NE


výsledek zpětného křížení s ccii je 3:1 Převzato z Nečásek a kol. Obecná genetika. SPN Praha 1979

Genové interakce

► duplicita (nekumulativní) – dva geny téhož účinku a postačuje jedna dominantní alela Tvar šešule kokošky patuší tobolky: Alely:

T1 nebo T2 – zajistí normální tvar t1 a t2 v homozygotně recesivním stavu – špičatý tvar


výsledek zpětného křížení s ccii je 3:1 Převzato z Nečásek a kol. Obecná genetika. SPN Praha 1979

Polygenní dědičnost Zjednodušený model polygenní dědičnosti barvy kůže:

(v obr. černé tečky bez rozlišení alel)

- alely a, b, c – světlá kůže (v obr. bílé tečky bez rozlišení alel)

- vztah neúplné dominance například zbarvení AaBbCc = AABbcc

barvu kůže ovlivní i vlivy prostředí (→spojitá Gausova křivka)


3 geny: - alely A, B, C – tmavá kůže

Centrální dogma molekulární biologie 5'

3'

replikace

A

G

G

G

A

C

C

C

C

DNA

T

C

G

C

T

G

G

G

G

3'

5'

templátový řetězev (pro transkriptci)

transkripce

5'

+ rRNA & tRNA

mRNA

3'

A

G

G

codon 1

translace

A

C

R1 Serin

C

C

codon 2 O

N

polypeptid

G

C

C

R2 Asparagin

C

codon 3 O

O N

C

N

C

R3 Prolin

C

5'

Replikace je semikonzervativní Nerozbalené dvojšroubovice DNA

Každý řetězec původní dvojšroubovice slouží jako templát (matrice) pro syntézu nového komplementárního vlákna

OH

H

2

5 konec

G G

oblast probíhající replikace

A A T C C A

A G G

G G T T C

A T

G

C T A A

G T

oblast dokončené replikace

C A A T C A A

G T T A

G T

A C

nový řetězec

G C

G A

původní řetězec

DNA polymerasa

P P

P

A G A T A

C A

● Replikaci katalyzuje

P

T C

C

● DNA se rozbalí a dojde k oddělení vláken ● Nový řetězec syntetizován na základě komplementarity bazí

DNA polymerasa připojí O OH na 3’ další nukleotid 4 C C1 1 H H uhlík (-OH) ribosy H H C C nukleotidu 3 2 předchozího.

3'

G C G C G A T A

G

(v počátku replikace vyžaduje primer RNA poskytující 3’OH ribosy)

C

3 konec P P

C

G

5

P P

T

A

P

C

G

původní řetězec (templát)

P

3 konec templátový řetězec

Nové řetězce jsou syntetizovány jako Vedoucí řetězec (leading strand): kontinuální molekula

3

5 konec

P

4

leading strand

DNA polymerasa

nový řetězec

primer RNA

3

helikasa rozbaluje dsDNA = replikační vidlice

6

5 3

5

3

5

7

DNA ligasa

lagging strand

Okazakiho fragment

DNA polymerasa

původní DNA

3

Opožďující se řetězec (lagging s.): diskontinuální syntéza krátkých DNA (Okazakiho fragmenty); pro dokončení celého vlákna - degradace primerů RNA, dosyntetizování DNA a spojení (ligace)

Replikace: Prokaryota ● jeden počátek replikace na cirkulárním chromosomu

počátek replikace

replikace ukončena

● jedna „replikační bublina“ rostoucí oběma směry replikace probíhá oběma směry

versus Eukaryota ● mnoho počátků replikace na lineárním chromosomu ● replikační vidlice rostou oběma směry a tvoří replikační bublinu ● po setkání vidlic/bublin jsou nové řetězce kovalentně spojeny

replikační vidlice

replikační bublina

parentální řetězec 2 nové duplexy DNA nový řetězec

Transkripce ● Genetická informace je přepsána (transkribována) do sekvence RNA ● Přepis začíná sestavením komplexu RNA polymerasy na promotoru genu a oddělením vláken DNA (promotor: specifická sekvence před přepisovanou oblastí) ● Přepis končí terminací transkripce (specifické sekvence nebo proteinové faktory) ● Transkripce genu není nahodilá

- konstitutivní – stálá (housekeeping geny) nebo může

- podléhat indukci - podléhat represi

5' C G

C netemplátový řetezec DNA

A T A T

templátový řetězec DNA 3 ' A

G

C

G

G

C

RNA polymerasa

A G

RNA (transcript) C A T C G T A

5'

3'

RNA může být dále procesována (upravena)

Transkripce do sekvence mRNA: Prokaryota ● mRNA je v podstatě připravena na translaci bez prav ● možnost kontinuální polycistronní mRNA: transkripce operonu (tandemně uspořádané kódující sekvence několika proteinů pod kontrolou jednoho promotoru) versus Eukaryota ● Pre-mRNA obsahuje kódující sekvence (exony) a intervenující nekódující sekvence (introny) ● Transkript je dále vybaven nekódovanými nukleotidy (na 3‘ konci nukletidem tvořícím „čepičku“ a na 5’ konci je modifikován polyadenylací

exon DNA

pre-mRNA 5'

exon

exon

exon

intron

exon 5' čepička

intron

● Se střih probíhá v jádře, katalyzován nukleoproteinovým komplexem (spliceosomem)

exon

intron

exon

3'

exon 3' poly-A

intron

spliceosome exon

exon

exon

3' poly-A

5' čepička sestřih pre-mRNA

● Introny jsou vystřiženy (sestřih RNA, splicing) a exony spojeny v kontinuální kódující řetězec introns occuring in between exons are to be excised through RNA splicing

exon

intron intron transkripce

intron RNA 5' čepička

mRNA

jaderný pór jádro cytoplasma

3' poly-A

Translace na ribosomu ● prerekvizity: ribosomy, mRNA, tRNA, energie, aminokyseliny a info o jejich pozici 1. báze

amino kyselina 3

U

5 vodíkové můstky

C

A

antikodon mRNA G

5'

3' kodon

2. báze C

UUU fenylalanin

UCU serin

UAU tyrosin

UGU cystein

U

UUC fenylalanin

UAC tyrosin

UGU cystein

C

UUA leucin

UCC serin UCA serin

UAA stop

UGA stop

A

UUG leucin

UCG serin

UAG stop

UGG tryptofan

G

CUU leucin

CCU prolin

CAU histidin

CGU arginin

U

CUC leucin

CCC prolin

CAC histidin

CGC arginine

C

CUA leucin

CCA prolin

CAA glutamin

CGA arginin

A

CUG leucin

CCG prolin

CAG glutamin

CGG arginin

G

AUU isoleucin

ACU threonin

AAU asparagin

AGU serin

U

AUC isoleucin

ACC threonin

AAC asparagin

AGC serin

C

AUA isoleucin

ACA threonin

AAA lysin

AGA arginin

A

AUG (start) methionin

ACG threonin

AAG lysin

AGG arginin

G

GUU valin

GCU alanin

GAU aspartát

GGU glycin

U

GUC valin

GCC alanin

GAC aspartát

GGC glycin

C

GUA valin

GCA alanin

GAA glutamát

GGA glycin

A

GUG valin

GCG alanin

GAG glutamát

GGG glycin

G

molekula tRNA má 2 vazebná místa: ● antikodon (H-vazby, komplementarita) ● místo pro vazbu aminokyseliny (kovaletní vazba)

A

G

3. báze

U

● kodon tvořen 3 bázemi ● 64 možných kombinací: ● 3 kodony jako info pro STOP translaci ● 61 jako info o identitě připojované aminokyseliny

3 stádia translace

methionin Met

Ala Trp Val Glu

místo P tRNA mRNA

místo E

terminační (uvolňovací) faktory

Asp

místo A UU AA UGA

5'

stop codon

5' Met

3'

Ribosom přeložil mRNA až po STOP – není tRNA váží se terminační faktory

malá velká podjednotka ribosomu

UAC A UG 5'

Malá podjednotka ribosomu váže mRNA; iniciační tRNA (pro Met) se váže na iniciační Kodon AUG.

3'

3 3'

start kodon

5 Připojuje se velká ribosomální podjednotka; iniciační tRNA vázána v místě P; místo A připraveno pro vazbu další tRNA.

Uvolňovací faktor štěpí vazbu mezi polypeptidem a poslední tRNA – protein uvolněn.

3. Terminace

1. Iniciace (první kodon obvykle AUG) 2. Elongace Met

Ser Ala Trp Val

Met

asp

peptidová vazba

Met

tRNA CUG

antikodon

Ser Ala Trp Val

2 Dvě tRNAs jsou na ribosomu současně (místo P a A)

další peptidová vazba

3

Tvoří se peptidová vazba

Trp Val

C U G G UA G A C A C C

3

6

Ala

Asp

C A U C U G GU A G A C

3

3 6 1 Do místa A přichází tRNA–aminokyselina

Val Asp

Asp

Thr

Ser

Ala Trp

C A U C U G GU A G A C

C A U G U A G A C

Met

Ser

6

4 Posun mRNA a “prázdná” tRNA opouští ribosom z místa E (uvolněno místo A)

3

Genová exprese u eukaryot

Genetika chromosomální a molekulární základy dědičnosti

Recommend Documents