Funkce genetického materiálu - schopnost uchování, replikace a přenosu genetické informace na potomstvo v nezměněném stavu (genotypová funkce) - řízení růstu a vývoje organizmu a jeho vlastností (genová exprese, fenotypová funkce) - umožnění adaptace organizmů na změny okolí (mutace, evoluční funkce) Chromozomy Geny jsou umístěny na chromozomech (silná korelace mezi způsobem přenosu genů a chromozomů při rozmnožování, výzkum chemické podstaty dědičnosti zaměřen na molekuly nesené chromozomy) Chromozomy jsou tvořeny dvěma typy organických makromolekul: nukleovými kyselinami (DNA a RNA) a proteiny Ve 40. a 50 . letech 20. stol. bylo jednoznačně prokázáno, že genetická informace je uložena v nukleových kyselinách a ne proteinech DNA je nositelkou genetické informace U většiny organizmů je genetická informace zakódována v DNA U některý virů je genetickým materiálem RNA Nepřímé důkazy - korelace mezi počtem chromozomů a obsahem DNA v buňkách - somatické buňky diploidních organizmů obsahují dvojnásobné množství DNA než haploidní pohlavní buňky stejných organizmů - struktura DNA je stejná u všech buněk organizmu, zatímco struktura RNA a proteinů je variabilní - DNA je stabilnější než RNA a proteiny Viroidy mají povahu infekčních činidel složených pouze z RNA Priony jsou infekční proteiny Důkaz, že DNA je nositelkou genetické informace: zodpovídá za transformaci 40. léta 20. stol., bakterie Streptococcus pneumoniae (Avery, MacLeod, McCarty) Využití objevu transformace bakterií • přidání purifikované DNA k bakteriím mění jejich vlastnosti (tvar kolonií, schopnost vyvolat onemocnění, apod.) • získané vlastnosti se přenášejí do následných generací Provedení experimentu: Existují 2 příbuzné kmeny S. pneumoniae, které se liší morfologicky a stupněm patogenicity: Kmen S: tvoří hladké kolonie, po injekci usmrcuje laboratorní myši Kmen R: tvoří drsné kolonie a není letální DNA purifikovaná z kmene S transformuje kmen R, takže získává vlastnosti kmene S Důkaz, že DNA je nositelkou genetické informace: transformace S. pneumoniae Důkaz, že DNA je nositelkou genetické informace u bakteriofága •1952, Alfred Hershey (Nobelova cena 1969) a Martha Chase: • důkaz, že genetická informace bakteriofága T2 je uložena v DNA (fág se reprodukuje v buňce, do buňky proniká jen DNA) Provedení experimentu: • základem je fakt, že DNA obsahuje fosfor a neobsahuje síru, naopak proteiny obsahují síru, ale málo fosforu (1) označení fágové DNA izotopem fosforu ^32P (2) označení fágových proteinů izotopem síry ^35S • krátké smísení značených fágových částic s buňkami E. coli, aby mohlo dojít k adsorbci • mechanické oddělení fágových částic od buněk a studium distribuce radioaktivity Závěr: pouze DNA fága vstupuje do hostitelské buňky, fagový proteinový plášť zůstává mimo buňku Genetickým meteriálem viru tabákové mozaiky (TMV) je RNA při studiu některých virů se ukázalo, že obsahují proteiny a RNA, ale žádnou DNA důkaz: - oddělení RNA a proteinů u dvou kmenů TMV(A a B, lišících se chemických složením proteinových obalů) - vytvoření virových částic smísením RNA (A) s proteinem (B) - vznikl životaschopný virus, jehož potomstvo mělo fenotyp A - po smísení RNA (B) s proteinem (A) vznikl virus s fenotypem B závěr: potomstvo virů je genotypově a fenotypově shodné s rodičovským virem, ze kterého byla získána RNA Viroidy a Priony Viroidy jsou infekční molekuly RNA ("virus-like") - objeveny v 60. letech 20. století - na rozdíl od virů nejsou obklopeny proteinovým pláštěm - tvoří je kružnicová molekula RNA, která se autonomně replikuje v hostitelských buňkách - mění genovou expresi v hostitelských buňkách - způsobují onemocnění rostlin Viroidy a Priony Priony jsou dědičné infekční proteiny, které neobsahují nukleové kyseliny - objeveny v roce 1982 (Stanley Prusiner, Nobelova cena v roce 1997) - zodpovídají za skupinu vážných neurodegenerativních chorob (Creutzfeldt-Jakobova nemoc, kuru u člověka, "nemoc šílených krav" u skotu, skrapie u ovcí) - jsou to aberantní formy proteinů, kódovaných normálními savčími geny - když se vytvoří aberantní forma proteinu (prion), způsobuje konverzi dalších normálních molekul proteinu do infekční prionové formy - větší počet prionových molekul dokáže zabít hostitelskou buňku - výsledkem je "měknutí mozku" postižených vyplývající ze zvyšujícího se počtu mezer vzniklých odumřením buněk šíření choroby: konzumování potravy obsahující infekční proteiny Take home message • genetická informace většiny živých organizmů se uchovává v DNA • u některých virů se genetická informace uchovává v RNA • viroidy a priony představují infekční molekuly RNA, resp. proteinů Struktura DNA a RNA • DNA je obvykle dvouvláknová molekula, ve které jsou obě vlákna spojena vodíkovými vazbami mezi dvojicemi bází adenin - tymin a gunanin - cytozin • RNA je obvykle jednovláknová a obsahuje místo tyminu uracil DNA • uchovává genetickou informaci téměř všech organizmů • jakou má strukturu? • jakým způsobem může obsáhnou genetickou informaci? • jak ji může buňka předávat z generace na generaci? • odpovědi na tyto otázky znamenají významný přínos pro pochopení podstaty života DNA a RNA mají podjednotkovou strukturu Nukleotidy mají 3 složky: pětiuhlíkový cukr dusíkovou bázi zbytek kyseliny fosforečné Cukerné složky nukleotidů • ribóza u ribonukleových kyselin • deoxyribóza u deoxyribonukleové kyseliny • odlišnost je v přítomnosti/nepřítomnosti hydroxylové skupiny na 2´uhlíku Dusíkové báze nukleotidů připojují se na 1´uhlík cukru kovalentní N-glykozidickou vazbou Dusíkové báze nukleotidů jsou dvou typů: - purinové (adenin, guanin) - pyrimidinové (cytozin, tymin, uracil) Součástí nukleotidů je kyselina fosforečná • připojena k 5´uhlíku cukru • přináší nukleotidu negativní náboj Nukleosid není totéž co nukleotid Telomery (z řečtiny: telos = konec, meros = část) Hermann J. Muller, 1938: první důkaz, že absence přirozených konců chromozomů drozofily (odstraněných rentgenovým zářením) znemožňuje přenos chromozomů do buněk potomstva Barbara McClintock, 1948: nové konce přerušených chromozomů jsou lepivé a mají tendenci se spojovat za vzniku fúzních chromozomů; normální konce chromozomů tuto vlastnost nemají problém s replikací konců lineárních chromozomů Tři hlavní funkce telomer - chrání konce lineárních molekul DNA před deoxyribonukleázami - brání fúzi konců chromozomů s jinými molekulami DNA - umožňuje úplnou replikaci konců lineárních molekul DNA Struktura telomer - obsahují krátké nukleotidové sekvence, které se opakují - stuktura opakujících se sekvencí je u různých druhů podobná (člověk TTAGGG, Tetrahymena TTGGGG, Arabidopsis TTTAGGG) - počet opakování těchto jednotek se liší (u různých druhů, mezi různými chromozomy téhož druhu i při srovnání stejných chromozomů u různých buněčných typů) - u zdravého člověka se hexanukleotidy opakují 500x - 3000x, s věkem tento počet postupně klesá - to neplatí pro zárodečné buňky a buňky nádorové, kde se telomery nezkracují Struktura telomer - telomery tvoří tzv. T smyčky - T smyčky využívají krátkých jednořetězcových úseků na koncích DNA (3´konce přesahují 5´konce) - jednořetězcové vlákno 3´konce se otáčí, vytěsňuje jedno vlákno dvoušroubovice v místě některého z předcházejících opakování telomerické opakované jednotky - pomocné proteiny POT chrání vytěsněné jednořetězce před degradacím, tvorby smyček se účastní proteinové komplexy TRF1 a TRF2 Hybridizace in situ Take home message • každý eukaryotický chromozom obsahuje jednu velkou molekulu DNA, která se skládá do elipsoidních útvarů o průměru 11-nm zvaných nukleozomy • kondenzované chromozomy, které jsou typické pro mitózu a meiózu a také pro šetrně izolované interfázové chromozomy se skládají z vláken chromatinu o průměru 30-nm • v metafázi jsou 30-nm vlákna se pomocí nehistonových chromozomových proteinů a chromozomového lešení uspořádána do domén • centromery jsou místa pro vazbu dělícího vřeténka a telomery mají specifické funkce na koncích chromozomů