Základní pojmy molekulární genetiky • genetická informace, gen, genetický kód • Struktura a informační obsah genomů O prokaryotický genom eukaryotický virový genom O eukaryotický genom (jaderný, mitochondriový, chloroplastový) O Základní pojmy molekulární genetiky • Gen = Informační a funkční jednotka obsahující genetickou informaci o primární struktuře funkční molekuly translačního produktu (proteinu) nebo funkční molekuly produktů transkripce RNA (tRNA, rRNA, snRNA a dalších RNA) nepodléhajících translaci • Genetická informace = informace primárně obsažená v nukleo-tidové sekvenci DNA (genomové RNA) • Genetický kód = systém pravidel, podle kterých jednotlivé kodony určují na ribozomu zařazení standardních aminokyselin do poly-peptidu • Genom = všechny molekuly DNA nebo RNA (u RNA virů) živé soustavy, které se vyznačují replikací a dědí se na potomstvo • Genotyp = genetická konstituce organismu reprezentovaná souborem alel (tj. konkrétních variant genů) a sekvencí jeho genomu • Fenotyp = soubor znaků a vlastností, kterými se v daném prostředí projevuje daný organismus Způsoby přenosu genetické informace DNA (chromozom, genofor) S' GAACTC 3' Replikace uchování genetické informace genová represe 1. Transkripce (přepis) mRNA 2. Translace (překlad) S' GAACUC 3' PROTEIN (strukturní složky, enzymy) Funkce (struktura, metabolismus) I Glu-Leu S' GAACTC 3' DNA I (přenos na potomstvo) MUTACE změna ľ genetické informace 1 S' GAACCC 3' I Glu-Pro 1 Změna funkce proteinu Značení řetězců nukleových kyselin podle jejich funkce dsDNA 5' -► 3' kódující (pozitivní) [nepřepisující se] antikódující (negativní) (-DNA) [přepisující se] I transkripce 5'------------------------------3' mRNA 5' GATC 3 3' CTAG 5 I 5' GAUC 3' RNA v genomu virů • pozitivní (+) = překládá se do virových proteinů (plní funkci mRNA) • negativní (-) = nepřekládá se, slouží k replikaci (regulační funkce) Ústřední dogma molekulární biologie přenos genetické informace je možný z NK do NK nebo z NK do proteinu, ale není možný z proteinu do proteinu nebo z proteinu do NK F.H.C. Crick - 1958 DNA t replikace i DNA transkripce -1 RNA í translace 4-- zpětná protein i—//— transkripce 1 replikace i 1 RNA Způsoby vyjádření genetické informace • informace o primární struktuře proteinů u • informace o primární struktuře RNA (u DNA sekvencí) nebo DNA ( u RNA sekvencí) • informace, určující navázání proteinů na sekvence NK (regulační funkce) Konkrétní formy genů Geny strukturní = přepisuji se do molekul mRNA, které se překládají kóduji polypeptid (translační produkt) O strukturní gen jednoduchý, neobsahující introny O strukturní gen složený, tvořený exony a introny Geny pro funkční typy RNA = přepisují se do molekul RNA, které se nepřekládají (tRNA, rRNA, snRNA a dalších funkčních t\/m i\ Vztah mezi geny a jejich produkty 5' ATG_TAG__31 STRUKTURNÍ GEN GEN PRO FUNKČNÍ RNA REGULAČNÍ OBLAST DNA (genomová) 3'TAC | ATC | ^ 5I transkripce transkripce interakce s proteiny AUG_mRNA _UAG tRNA nebo rRNA 5" I 3' _[ tra n s lace DNA-VIRY, PROKARYOTA, EUKARYOTA primární struktura polypeptidu (proteinu) AUG_UAG_ I STRUKTURNÍ GEN | REGULAČNÍ OBLAST 5' I íf translace interakce s proteiny primární struktura polypeptidu (proteinu) 3' RNA-VIRY RNA (genomová) U RNA-virů neexistují geny pro tRNA nebo rRNA. Rozdíl mezi jednoduchým složeným strukturním genem Rozdíl mezi jednoduchým a složeným strukturním genem spočívá v tom, že složený gen je sestaven z intronů a exonů a jeho primární transkript podléhá sestřihu, kdežto jednoduchý gen neobsahuje ani introny ani exony a jeho primární transkript nepodléhá sestřihu. jednoduchý strukturní gen transkripce primární transkript mRNA (prokaryota) i translace primární struktura polypeptidu (proteinu) složený strukturní gen I transkripce primární transkript hnRNA (eukaryota) sestřih ▼ mRNA translace primární struktura polypeptidu (proteinu) Schéma posttranskripční úpravy sestřihem exon složený gen posttranskripční úprava zeny gen ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ l transkripce _J__ sestřih * ■ mRNA primární transkript (preRNA, hnRNA) Při sestřihu se z primárního transkriptu vyštěpí přepis intronu a spojí se přepisy exonů Srovnání bakteriálního a eukaryontního strukturního genu Organizace genů na chromozomu obratlovců Velikost vybraných genů člověka (v kbp), velikost mRNA a počty intronů Gene Size mRNA Size Number of Introns ß-Globin 1.5 0.6 2 Insulin 1.7 0.4 2 Protein kinase C 11 1.4 7 Albumin 25 2.1 14 Catalase 34 1.6 12 LDL receptor 45 5.5 17 Factor VIII 186 9 25 Thyroglobulin 300 8.7 36 Dystrophin* more than 17 more than 2000 50 Překlad ge etické i for ace Standardní genetický kód (na úrovni RNA) History of the names of the stop codons First, the amber codon was named following experiments in the Benzer's lab at Caltech. In searching for a mutation that would allow a type of phage mutant to grow, Seymour Benzer said that whoever identified the mutation would get to name it after themself (in some versions of the story, it would be named after the discoverer's mother). The graduate student who isolated the mutation was a young man named Harris Bernstein, whose name "Bernstein" in German means "amber". Thus, the UAG codon, known as a nonsense codon (later known as a stop codon), was named the amber codon. Later, the other two stop codons were called "ochre" (UAA) and "opal" (UGA) (sometimes called, "umber") to maintain the color metaphor. What happened to the graduate student? He became a famous molecular biologist. Kodony 1. : iisi u U C A G Phe ber Tyr Cys Phe Ser Tyr Cys Leu Ser i ^ N (SC) Trp Leu Ser N (PL) ' G c Leu Pro His Arg Leu Pro His Arg :;-L,;CV:'. Leu Pro Gin Arg A Leu Pro Gin Arg G A G tie i hr Asn Ser U He Thr Asn Ser C Thr Lys Arg A Met (I) . Thr Lys Arg G Val Ala Asp Gly ■ U Val Ala Asp Gly Val Ala Glu Gly A Val Ala I Glu Gly G N = nesmyslný kodon, I = iniciační kodon. 1.2.3 = pořadí nukleotidů v kodonu. Kodonové rodiny jsou vyznačeny modře, 1 sady červene. Základní vlastnosti genetického kódu • je tripletový (třípísmenový) • obsahuje 64 kodonů je degenerovaný - jedna aminokyselina může být kódována více kodony 61 kodonů má smysl (kódují aminokyseliny) většina kodonů je synonymních (tj. odlišné kodony kódují stejnou aminokyselinu) synonymní kodony jsou zařazeny do yj na kodonových mdin a dvoukodonových sad Charakteristika standardního genetického kódu 8 kodonových rodin 8 dvoukodonových sad UC 5 dvoukodonových sad AG 1 iniciační a bifunkční kodon AUG 3 terminační kodony 32 kodonů 16 kodonů 10 kodonů 1 kodon 3 kodony 1 kodon Ile AUA 1 kodon Trp UGG tj. tj. 1 kodon 1 kodon celkem 64 kodonů Genetický kód 64 kodonů (tripletů), 61 se smyslem, 3 beze smyslu (2 bifunkční) AGA UUA AGC GCA AGG UUG AGU CGA GGA CUA CCA UCA ACA GUA GCC CGC GGC AUA CUC CCC UCC ACC GUC UAA GCG CG G GAC AAC UGC GAA CAA GGG CAC AUC CUG AAA UUC CCG UCG ACG UAC GUG UAG GCU CG U GAU AAU UGU GAG CAG GGU CAU AUU CUU AAG AU G uuu CCU UCU ACU UGG UAU GUU UGA Ala Arg Asp Asn Cys Stu Gin G Iv His kle Leu Lys Met Phe Pro Ser Thr Trp Tyr Val stop A R D N C E Q G H 1 L K M F P S T W Y V Stop kodony (terminační kodony, kodony beze smyslu): UAA = ochre, UAG = amber (bifunkční), UGA = opal (bifunkční) AUG = kodon pro Met a iniciační kodon (bifunkční) UGA -UAG - selenocystein (21 standardní aminokyselina) pyrrolyzin (22 standardní aminokyselina) Čtení kodonů Čtení kodonů (tripletů) závisí na tom, u kterého nukleotidu stanovíme počátek čtení. ATGATGATGATG i ATGATGATGAT i TGATGATGA TG—§ čtecí rámce i i GATGATGATť ORF = open reading frame = otevřený čtecí rámec dsDNA 5' ATCGTCTTGAAGTGCGTGTTAG 3 3' TAGCAGAACTTCACGCACAATC 5 Struktura genomů • Prokaryotický genom O chromozom (nukleoid) O plazmidy • Eukaryotický genom O soubor chromozomů O mitochondrie O chloroplasty (u rostlin) O plazmidy • + proviry, transpozony • nDNA = jaderná, ds lineární • • mtDNA = mitochondriová, ds kružnicová nebo lineární ctDNA = chloroplastová, ds kružnicová • virový genom = DNA (ds, ss) nebo RNA (ds, ss) Živé soustavy Tři domény organizmů (16S RNA a 18S RNA) o Bakterie (Bacteria) o Archea (Archea) viry o Eukarya (Eukarya) • buněčné O O • nebuněčné O viry O viroidy ěčné jednobuněčné I mnohobuněčné Všechny způsoby přenosu genetické informace. Mají všechny složky translačního systému. (aa-tRNA-syntetázy, tRNA, ribozomy) Jsou v translaci závislé na hostitelských buňkách. Viry = živé soustavy schopné reprodukce v závislosti na translačním systému hostitelských buněk. prokaryotický typ buňky jádro bez jaderné membrány nedělí se mitoticky DNA kružnicová (většinou) nebo lineární eukaryotický typ buňky jádro obaleno jadernou membránou dělí se mitoticky chromozomy = chromatin (proteiny + DNA) Univerzálni fylogenetický strom Mitochondrie Purpurové bakterie Chloroplasty Sinice \ Zelené n bakterie / Grampozitivní bakterie Flavobakterie nesirné e Methanobacterium Methanococcus Thermoproteus Pyrodictiu \ Entaméby | Hlenky| Živočichové Houby BAKTERIE Aquifex UNIVERZÁI LNÍ PŘEDEK ^^^^^^ Extrémní halofilové TUKARYA Giardia Rostliny Mastigophora Microsporidia Velikost genomu jednotlivých skupin organismů kvetoucí rostliny ptáci savci plazi obojživelníci kostnaté ryby chrupavčité ryby ostnokožci korýši hmyz měkkýši červi houby řasy bakterie mykoplazmata vir v 10 .....Šf4 * 5 10 10 10 10 10 DNA content (bp) 10 10 i! 10 Velikost genomu se udává v počtech párů bází: bp = pár bází nt = nukleotid kbp = 1000 bp Mbp = 1000 kbp Gbp = 1000 Mbp 1 bp = 660 D 1 mm DNA = 3 Mbp Paradox hodnoty C - velikost genomu neodpovídá vývojovému postavení (celkové komplexitě) organismů TABLE 4.01 Genome Sizes Počet genů a velikost geno mu u zástupců jednotlivých skupin organismů Number Amount Number of Organism of Genes of DNA (bp) Chromosomes Viruses Bacteriophage MS2 4 3,000 1 (ssRNA)* Tobacco Mosaic Virus 4 6,400 1 (ssRNA)* <Í>X174 bacteriophage 11 5,387 1 (ssDNA) Influenza 12 13,500 8 (ssRNA) T4 bacteriophage 200 165,000 1 Poxvirus 300 187,000 1 Bacteriophage G Ó80 498,000 1 Prokaryotes Mitochondrion (human) 37 16,569 1 Mitochondrion (Arabidopsis) 57 366,923 1 Chloroplast (Arabidopsis) 128 154,478 1 Nanoarchaeum equitans 550 490,000 1 Mycoplasma genitalium 480 580,000 1 Mefhanococcus 1,500 1.7Mbp 1 Escherichia coli 4,000 4.6 Mbp 1 Myxococcus 9,000 9.5 Mbp 1 Eukaryotes [haploid genome) Encephalitozoon 2,000 2.5 Mbp 11 Saccharomyces 5,700 12.5 Mbp 16 Caenorhabditis 19,000 100 Mbp 6 Drosophila 12,000 140 Mbp 5 Homo sapiens 25,000 3,300 Mbp 23 Arabidopsis 25,000 115 Mbp 5 Oryza sativa (Rice) 45,000 430 Mbp 12 *ssRNA = single stranded RNA; ssDNA = single stranded DNA; all other genomes consist of double stranded DNA. Účinnost sekvenování DNA a historie analýzy DNA významné objevy ve vývoji sekvenování účinnost bptosobafrok I 15 ODO | [ nm [ 1DD0OO 1 000 ooo 150 000 000 I 1668 | 1977 1979 I 1900 I 1986 účinnost bp/pffstrojfrok f 1990 T I 1995 19% 199S 1MŮ 2001 | 2-r:± Míescher; objev DNA Avery: d jhaz, že DNA je „genetický materiál" Watson & Crick- objev struktury DNA jako dvojité éroubovice Hol ley: určení sekvence tRNA*'" kvasinek - K sekvenováni RNA byEy použity metody specifického enzymatického Iráven i RMA a chromatografie, což vyžadovalo vel ká množství analyzovaného vzoíku. '■'•> i Sequenced X cohesive end DNA * Primed synthesis concept sná 2-Q electrophoresis were used; samples were labeled and less material was required. Sanger: Developed dideoxy termination sequencing procedure; Gilbert; Developed chemical degradation sequencing protocol ♦ Chain termination and chemical degradation concepts were developed* Polyacrylamide gel electrophoresis was used Id separate DNA tracis. Goad: Proposed GeiBank prototype Messing: Developed M13 cloning vectors * Cloning system was applied. Hood: Developed partially automated sequencing system * Sequencing reactions mere optimized. ■Assorted sequencing strategies were applied and computer assisled-data handling was started Watson: Human genome project initiated Venter: First bacterial genomes sequenced * Automated fluorescent sequencing instruments and robotic operations were applied to me process. ♦ PGR sequencing concept was introduced. International consortium of scientists: First eukaryotic genome-yeast-seq uenced * Collaborations between teams of scientists. PericinE Inner, Inc.: Developed 96-capillary sequencer ♦ Fully automated 96-capillary electrophoresis sequencing system becomes available to research laboratories. Complete sequence of the Caenorhabditis eiegans genome Complete sequence of the eu chromatic portion of the Drosophiia meianogaster genome: Complete sequence of the Arabidopsis thaliana genome International Human Genome Sequencing Consortium and Calera Genomics scientists: First drafts of the sequence of the human genome published International Rice Genome Sequencing Project and Syngenta scientists: First drafts of the genomic sequences of two rice subspecies; Mouse Genome Sequencing Consortium: First draft of the sequence of the mouse genome Rat Genome Sequencing Project Consortium: First draft of the sequence of the rat genome; International Human Gene Sequencing Consortium; Nearly complete (93% of euchromatln) sequence of the human genome Časový průběh sekvencování genomů 1084 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 Přehled kompletně sekvenovaných genomů (2GG8) Projekty sekvencování genomů modelových organismů Escherichia coli (4.6 Mb) - bakterie, prokaryotický organismus • známá struktura genomu, regulace a funkce genů • dobře prostudovány biochemické dráhy Saccharomyces cerevisiae (14 Mb) - kvasinka, jednobuněčný eukaryotický organismus • známá struktura genomu, regulací a funkce genů mitóza a meióza probíhá itó eióza • proDír • velký počet dobře definovaných mutant • vysoká frekvence homologní rekombinace - snadné záměny alel Caenorhabditis elegans (100 Mb) - jednoduchý mnohobuněčný organismus (hlístice, červ) • obsahuje 959 buněk, jejichž vývojové linie jsou známy • detailně prostudovaný nervový systém (302 neuronů a jejich spojení) • modelový organismus vývojové biologie (procesy diferenciace) Projekty sekvencování genomů modelových organismů Drosophila melanogaster (165 Mb) - zástupce hmyzu • objekt klasické genetiky • dobře prostudována struktura genů, jejich regulace a funkce • řada dobře definovaných mutant. kce ř dobře Fugu rubripes (400 Mb) - ryba model genomu obratlovců nízká proporce repetitivních sekvencí vysoká proporce exonů relativně krátké geny ve srovnání s lidskými homologními geny (vhodný pro identifikaci lidských kódujících genů) Projekty sekvencování genomů modelových organismů Arabidopsis thaliana (100 Mb) - kvetoucí rostlina neobvykle malý genom nízký počet chromozomů nízká proporce retitivních sekvencí vysoký počet semen (10 000) během krátké gen Mus musculus - myš, savec (3000 Mb) geneticky nejlépe prostudovaný savec vhodný experimentální model genetická křížení vazba genů podobná jako u člověka možnost přípravy transgenních myší • • pro studium mutací a s genetickými modifikacemi model studia genové exprese a funkce genů. Prokaryotický genom Složky Bakteriální chromozom (nukleoid) O O O O Bakteriál Plazmidy Mobilní elementy (inzerční sekvence, transpozony) Profágy STRUKTURA PROKARYOTICKYCH GENOMU Mozaikový charakter Endochromozomy (1,2) Přídatné genetické elementy (A-H) - Plazmidy (H, F) - Profágy a defektní profágy (B, D, E, G) - Genomické ostrovy (A, C) - IS-elementy, transpozony, integrony (I) Vysoká dynamika a plasticita Variabilní složka genomu - adaptace na prostředí TOPOLOGIE PROKARYOTICKEHO GENOMU Replikony \ CHROMOZOM - kružnicový - lineární PLAZMIDY - kružnicové lineární DRUH CHROMOZOMY PLAZMIDY KRUŽNICOVÉ LINEÁRNI KRUZNICOVE LINEÁRNI Escherichia coli 1 (4,6 Mb) několik Bacillus cereus 1(5 Mb) -1 (2,4 Mb) < 4.....-..... .—0 . několik (2,6 Mb) Vibrio cholerae 2 (2,9+1,1 Mb) Borrelia burgdorferi 1 (0,9Mb) 9 (kb) 12 (kb) Agrobacterium tumefaciens 1 (2,8 Mb) 1 (2,1 Mb) 2 (0,75 Mb) Streptomyces lividans 1 (8 Mb) M--► 1 (50 kb) Prokaryota s lineárním chromozomem • Streptomyces (ambofaciens, lividans) 10 Mb • Borrelia burgdorferi (B. hermsii) 0.95 Mb O + lineární plazmidy • Coxiella burnetii 2,1 Mb • Paracoccus denitrificans - tři molekuly DNA O 2; 1,1; 0,64 Mb, dvě jsou lineární • Agrobacterium tumefaciens Velikost génom u prokaryot Genetická organizace prokaryotického genomu • velmi kompaktní genom s malými mezerami mezi geny • většina genomu je obsazena strukturními geny • malá část (10 %) je tvořena nekódující DNA • operonové uspořádání genů (většinou funkčně příbuzné) operonové uspořádaní genu (většinou funkci pořadí genU není u prokaryot konzervováno Velikost a genový obsah vybraných prokaryotických genomů druh velikost genomu v párech nukleotidů předpovězený počet genů Archaea Archaeoglobusfulgidus 2 178 400 2 486 Methanosarcina acetworans 5 751492 4 721 Nanoarchaeum equitans 490 885 582 Pyrococcusfuriosus 1908 256 2 228 Sulfolobus solfataricus 2 992 245 3 033 Thermoplasma volcanium 1 584 804 1 548 Eubacteria Bacillus subtilis 4 214 630 4 225 Bordetella parapertussis 4 773 551 4 467 Bradyrhi^obium japonicum 9 105 828 8 373 Buchnera aphidkola 615 980 550 Chlamydia pneumoniae kmenAR39 1 229 853 1167 Escherichia coli kmen Kl 2 MG1655 4 639 675 4 467 Escherichia coli kmen Ol 57 EDL933 5 528 970 5 463 Haemophilus influenzae Rd KW20 1830138 1789 Legionella pneumophila kmen Paris 3 503 610 3136 Mycobacterium tuberculosis kmen CDC 4 403 837 4 293 Mycobacterium genitalium 580 076 525 Neisseria meningitidis Z 2 451 2184 406 2 208 Pseudomonas syringae kmen DC3000 6 397 126 5 660 Rickettsia typhi 1 111 496 919 Salmonella typhimurmm 4 857 432 4 622 Staphylococcus aureus kmen MW2 2 820 462 2 712 Streptomyces coelicolor 8 667 507 7 912 Ureaplasma parum AI"CC 700970 751 719 653 Yersiniapestis kmen KIM 4 600 755 4 240 Údaje jsou převzaty z webové stránky NCßl Chttp://vvw.ncbi.nlm.riih.gov/Genomes/), kveten 2008. Počet genů u prokaryot je proporcionální velikosti jejich genomu - paradox hodnoty C u nich neplatí Organizmus T. pallidum B. burgdorferi H. pylori A. fulgidus B. subtilis M. tuberculosis E. coli Velikost genomu (Mbp) Počet ORF 1.14 1.44 1.66 2.18 4.20 4.41 4.60 1 gen ~ 1 kbp Klasifikace 4288 genů E. coli podle jejich funkce Struktura chromozomu E. coli HLP, HU-proteiny, enzymy a faktory účastnící se replikace a transkripce Charakteristika plazmidů dsDNA - kružnicová nebo lineární, velikost: 1-1000 kb Základní typy plazmidů: • kryptické - funkce neznámá • epizomální - reverzibilní intergace do chromozomu hostitele • konjugativní - schopné přenosu konjugací • mobilizovatelné - přenositelné za přítomnosti konjugativního plazmidu Příklady plazmidů: • F-plazmidy (fertilitní faktor, konjugativní) O zodpovědné za konjugaci • R-plazmidy (R-faktory) O zodpovědné za rezistenci k antibiotikům • kolicinogenní (Col-plazmidy) O tvorba proteinů s antibiotikovým charakterem (Enterobacteriaceae, aj.) • Ti-plazmidy (tumory indukující) O tvorba nádorů u dvouděložných rostlin (Agrobacterium tumefaciens) • plazmidy odbourávající organické sloučeniny (Pseudomonas) • plazmidy podílející se na fixaci vzdušného dusíku (Rhizobium). • Plazmidy používané jako vektory pro přenos DNA (pBR322, pUC) Eukaryotický typ buněk • Jádro je ohraničeno od cytoplazmy membránou • Dělení buněk probíhá mitózou nebo meiózou • Genetický materiál tvoří chromatin • Buněčná stěna je odlišná od prokaryotické nebo chybí • Buňka obsahuje organely: mitochondrie, chloroplasty, cytoplazmatické retikulum, Golgiho aparát, lysozomy Přenosy genetické informace u eukaryot probíhají principiálně stejně jako u prokaryot Složky eukaryotického genomu • jaderný genom - lineární chromozomy v různém počtu • mitochondriový genom - kružnicové nebo lineární genofory • chloroplastový genom (rostliny) - kružnicové genofory • plazmidy (velmi vzácně) - kružnicové genofory Chromatin = genetický materiál eukaryotické buňky 30 % NK (DNA + RNA) + 70 % proteinů Základní formy organizace chromatinu chromatinová síť v interfázi vláken jednotlivé chromozomy při mitóze euchromatin (transkripčně aktivní) (méně kondenzovaný, slabě barvitelný chromatin (méně kondenzovaný, slabě barvitelný bazickými barvivy) ^ heteroterochromatin (transkripčně inaktivní konstitutivní faku ltativní centroméra + teloméra dočasně netranskribované geny, změny během ontogenetického vývoje Struktura mitotických chromozomů ii tm C ■ i ■ _ DD D Tandem repeats Centromere-associated tandem repeats Telomeric and sub-telomeric repeats Dispersed TyUcopia retroelements and microsatellites LINEs Single and low-copy sequences including genes 3 Funkční složky eukaryotických chromozomů • centromera - zajišťuje segregaci chromozomu do dceřinných buněk při mitóze (meióze) • telomera - koncová oblast - její struktura zajišťuje dokončení replikace lineárního chromozomu Typické telomerové repetice: OTTGGGG - Tetrahymena OTTAGGG - člověk • počátky replikace (ori) Úrovně kondenzace chromatinu krátký úsek /v\ /Y\ /v\ /v\ /Y\ / J dvojsroubovice DNA úplný mitotický Chromosom Každá molekula DNA je zabalena do mitotického chromozomu tak, že je 50 000krát kratší než v rozvinuté formě Nukleozómová struktura DNA spojníková DNA jádrové h i stony nukfeosomu „korálková" forma chromatinu nukleáza štěpí spojníkovou DNA nukleosom obsahuje 200 nukleotidových párů DNA uvolněná částice jádra nukleosomu T 11 nm 1 disociace ve vysoké koncentraci soli oktamerní histonové jádro I disociace dvoušroubovice DNA ze 146 nukleotidových párů I I í i Op A«3 f Ý f haplotyp 1 G G C T haplotyp 2 A A C T haplotyp 3 G A T T haplotyp 4 G A C C Typy DNA-sekvencí v lidském genomu Statistické údaje o lidském genomu Celková velikost genomu 3289 Mb Chromozomy - největší 279 Mb - nejmenší 45 Mb X 163 Mb Y 51 Mb Frakce CpG 41 % Počet ostrovů CpG 28 890 Část genomu kódující proteiny 1,50% Část genomu, která je transkribována 33 % Počet dosud identifikovaných genů 26 500 Celkový počet předpovězených genů 22 287 (2008) Střední hustota genů 9-14 genů/Mb Průměrná velikost genu 27 kb Největší gen 2,4 Mb (DMD) Průměrná velikost transkriptu 1340 bp Funkční klasifikace genů předpovězených z analýzy sekvence lidského genomu Genom organel: chloroplastů a mitochondrií Table 14-2 The Size of Organelle Genomes* Size (thousands of nucleotide pairs) Type of DNA Chloroplast DNA Higher plants 120-200 Chlamydomonas (green alga) 180 Mitochondrial DNA Animals (including flatworms, insects, and mammals) 16-19 Higher plants 150-2500 Fungi Schizosaccharomyces pombe (fission yeast) Aspergillus nidulans Neurospora crassa Saccharomyces cerevisiae (budding yeast) Chlamydomonas (green alga) Protozoa Trypanosoma brucei Paramecium *These genomes are circular DNA molecules unless indicated otherwise. 17 32 60 78 16 (linear molecule) 22 40 (linear molecule) Počet kopií DNA v organelách: mtDNA: 5-50, ctDNA = 20-80 Tab. 16.2 Velikost a genový obsah vybraných mitochondriálních a chloroplastových genomu druh triviální označení velikost genomu v párech nukleotidů předpovězený počet genů mitochondriälnf genomy Apis ■mellifera včela 16 343 13 Arabidopsis thaliana huseníček 366 924 57 Caenorhabditis elegans háďátko 13 794 12 Candida glabrata kvasinka (infekční) 20 063 37 Chlamydomonas reinhardtii zelená fasa 15 758 25 Drosopbiia melanogaster octomilka 19 517 37 Dank rerio dánio pruhované 16 m 37 Homo sapiens človek 16 571 37 Mus musculus myš 16 299 37 Oryza sativa rýže 491515 % Plasmodium falciparum prvok, původce malárie 5 967 3 Rattus nowegkus potkan 16 31.3 37 Saccharomyces cerevisiae pekařská kvasinka 85 779 43 Zea mays subsp. mays kukuřice 569 630 218 chloroplastove genomy Arabidopsis thaliana huseníček 154 478 129 Chlamydomonas reinhardtii zelená řasa 203 828 109 Marchantia polymorpha játrovka 121024 134 Ory%a saliva rýže 134 525 159 Zea mays subsp. mays kukuřice HO 384 158 Údaje jsou převzaty z webové stránky NCBI (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Genoincs/) k 15. květnu 2008. Struktura genomu mitochondrií člověka 16 569 pb, 37 genů Funkce mitochondrií: tvorba ATP oxidací cukrů a mastných kyselin mtDNA kóduje: rRNA (12S a 16S), 22 tRNA, cytochrom c-oxidázy, cytochrom b, ATP-syntetázu Mapa lidského mitochondriálního genomu Mitochondriová DNA různých skupin organizmů Organizmy Velikost v bp Struktura Charakteristika Buňky více-buněčných živočichu 1,6 až 2,0 x 104 kružnicová každý živočišný druh má svůj vlastní typ mtDNA Buňky vyšších rostlin 2,5 x 105 až 2,0 x 106 kružnicová nebo lineární pozoruhodná variabilita ve velikosti, struktuře a genetické organizaci nejen mezi druhy, ale také u stejného organizmu, a tedy i ve stejné buňce Prvoci 3,0 x 104 az 6,0 x 104 kružnicová nebo lineární rozdíly mezi druhy Kvasinky 2,0 x 104 až 1,0 xlO5 kružnicová jednotná uvnitř stejného druhu, ale rozdíly mezi druhy ♦ Velmi charakteristické pro mtDNA vyšších rostlin jsou úseky, které se podobají DNA chloroplastů. Specifické rysy mitochondriového genomu 1. Geny jsou uspořádány velmihustě, téměř celá sekvence je tvořena strukturními geny nebo se přepisuje do rRNA a tRNA 2. K translaci je využíváno jen 22 tRNA, které jsou schopny díky kolísavému párování bazí přečíst všechny kodony 3. Genetický kód používaný v mitochondriích (některých organismů) se liší od standardního genetického kódu. 4 ze 64 kodonů mají jiný smysl (zřejmě v důsledku malého počtu proteinů kódovaných v mi-tochondriích byly tyto změny během evoluce tolerovány) • pro zajištění fungování mitochondrií je vyžadováno 90 genů lokalizovaných v jaderném genomu • mitochondriové geny se dědí nemendelisticky (cytoplazmatická dědičnost) • podléhá rychleji mutacím (10-100x častěji něž jaderný genom) Většina proteinů v organelách je kódovaná jaderným genomem Kooperace jaderných genů s geny na mtDNA lidského genomu Funkční produkt Podjednotky (protomery) funkčního produktu určené geny lokalizovanými na mtDNA určené geny lokalizovanými vjádře buňky NADH-dehydrogenáza 7 podjednotek >41 podjednotek Sukcinát CoQ-oxidoreduktáza 0 podjednotek 4 podjednotky Komplex cytochromu b-cl 1 podjednotka 10 podjednotek Cytochrom c-oxidáza 3 podjednotky 10 podjednotek H+-transportující ATP-syntáza 2 podjednotky 14 podjednotek rRNA mitochondrií 2 0 tRNA mitochondrií 22 0 — mRNA mitochondrií 13 0 DNA- a RNA-polymerázy 0 všechny Ribozomové proteiny 0 -70 Genom chloroplastů Genetická organizace genomu chloroplastu Geny chloroplastů Nicotiana tabacum \ Funkce Počet genů | Transkripce j |RNA-polymeráza 4 ! Translace rRNA 4 tRNA 30 Ribozomové proteiny 21 Fotosyntéza Fixace CO, 1 Fotosystém I 5 Fotosystém 11 14 Cytbchromový komplex b/t 5 Htransportující ATP-syntáza 6 Jiné funkce NAD(P)H-dehydrogenázový komplex 11 Clp-proteáza 1 Acetyl-KoA-karboxyláza (EC 6.4.1.2) 1 Membrána plastidu 1 Maturázy (str. 394) 1 Otevřené čtecí rámce kódující více než 29 aminokyse - 30 lin Geny jsou podobné genům cyanobakterií Původ mitochondrií a chloroplastů (endosymbiotická teorie) MITOCHONDRIE m chemoorganotrofní prokaryotické buňky s aerobní respirací (protomitochondrie) m CHLOROPLASTY m fotolitotrofní prokaryotické buňky (fotosyntetizující protochloroplasty) m Nepřímé důkazy: O přehrádečné dělení mitochondrií O konformace DNA (kružnicová forma) O translační aparát podobný prokaryotům • podobnost sedimentačních koeficientů ribozomů • podobnost sekvencí mt-rRNA s rRNA bakterie E. coli améboidní anaerobní předchůdci eukaryotických buněk améboidní předchůdci eukaryotických buněk Původ mitochondrií Genom virů Viry O Prokaryotické (bakteriofágy) • DNA • RNA O Eukaryotické • živočišné DNA/RNA • rostilnné DNA/RNA • houbové DNA/RNA • Typy genomové NK O ssDNA - lineární nebo kužnicová O dsDNA - lineární nebo kružnicová O ssRNA - lineární O dsRNA - lineární Segmentovaný genom Rozdělení virů podle typu genomu Rozdělení virů podle typu genomu Retroviry (HIV)