Škola: Mendelovo gymnázium, Opava, příspěvková organizace III/2 VY_32_INOVACE_483 Škola: Mendelovo gymnázium, Opava, příspěvková organizace Jméno autora: RNDr. Rostislav Herrmann Datum: 6. prosince 2013 Ročník: čtvrtý, čtyřleté studium Vzdělávací oblast: Člověk a příroda Vzdělávací obor: Přírodopis Tematický okruh: Obecná biologie a genetika Téma: Repetitivní sekvence Metodický list/Anotace: Výukový materiál vede k pochopení významu nekódujících sekvencí v lidském genomu, uvádí příklady geneticky podmíněných chorob v souvislosti s repetitivními sekvencemi, ale ukazuje také možnosti jejich terapeutického využití. Zdroje: Uvedeny na konci prezentace

RNDr. Rostislav Herrmann Mendelovo gymnázium, Opava REPETITIVNÍ SEKVENCE RNDr. Rostislav Herrmann Mendelovo gymnázium, Opava

REPETITIVNÍ SEKVENCE TANDEMOVÉ REPETICE Jsou tvořeny za sebou jdoucími identickými nebo téměř identickými sekvencemi Největší repetice složené z relativně dlouhých jednotek se nazývají satelity Jsou hojné například v oblasti centromer chromozomů Tzv. rodina alfa satelitu pravděpodobně tvoří funkční jádro centromery Na alfa satelit se v centromeře vážou některé bílkoviny kinetochory a tím zahajují její sestavování během dělení buněčného jádra Většinou ale funkce satelitů není známá http://biol.lf1.cuni.cz/ucebnice/repetitivni_dna.htm

REPETITIVNÍ SEKVENCE Ukázka repetitivních sekvencí rodiny alfa satelitu Tyto sekvence na sebe vážou proteiny, které jsou součástí kinetochory http://biol.lf1.cuni.cz/ucebnice/repetitivni_dna.htm

REPETITIVNÍ SEKVENCE Menší tandemové sekvence se nazývají minisatelity a mikrosatelity Minisatelitní sekvence jsou jednotky dlouhá 5 - 30 pb Patří mezi ně i telomerické repetice U člověka jsou telomery tvořeny až 2000 opakování (repetic) krátkých hexanukleotidových sekvencí 5'-TTAGGG-3‚ Jejich úloha je důležitá z hlediska replikace DNA a dělení buněk Po každé replikaci chromozómu je dceřiné vlákno DNA na 5' konci kratší o 50 – 200 párů bází Zkracování DNA po replikaci se odehrává v repetitivních sekvencích telomer Délka telomer je tedy marker replikativního stáří buněk Dosažení určité minimální délky pak indukuje apoptózu a zánik buňky (buňka tedy zanikne aniž by se rozdělila, nezanechá žádné „buněčné potomstvo“)

REPETITIVNÍ SEKVENCE Z hlediska funkčního využití se s tandemovými repeticemi počítá také jako s markery při genetickém mapování Existují ale také nemoci, které vznikají expanzí (zmnožením) tandemových repetic Především pokud se tyto repetice vyskytují uvnitř nebo v blízkosti genů Příkladem je Huntingtonova choroba (neurologické onemocnění s nástupem projevů zpravidla kolem 5. dekády života, projevuje se jako stupňující se demence a porucha motoriky vedoucí k hyperkinezi s množstvím neúčelných pohybů)

REPETITIVNÍ SEKVENCE ROZPTÝLENÉ REPETICE Patří mezi ně například sekvence Alu, která je dlouhá asi 300 bp a opakuje se v genomu asi 500 000x Podobných sekvencí je celá řada a tvoří nejméně 30 % lidského genomu Podstatou rozptýlených repetic jsou transpozony Jde o segmenty DNA, které jsou schopny transpozic = „skákání“ z jednoho místa genomu na jiné Rozlišujeme mezi nimi: DNA transpozony Retrotranspozony Bakteriální kompozitní transpozon Patrné jsou palindromatické sekvence na okrajích (slouží k vyštěpení a začlenění transpozonu) a genetická výbava uvnitř http://cs.wikipedia.org/wiki/Transpozon

REPETITIVNÍ SEKVENCE DNA TRANSPOZONY se v lidském genomu nacházejí pouze v neaktivním stavu díky akumulaci mutací, ke kterým došlo v průběhu evoluce obratlovců Jádrem sekvence transpozonu je gen kódující enzym transpozázu, která je schopna vyštěpit transpozon z původního místa na chromozomu, oba volné konce DNA ligovat (spojit) a začlenit transpozon na nové místo (rozpoznáním specifické sekvence jinde v genomu, naštěpením hostitelské DNA a ligováním transpozonu na nové místo) Je vidět, že pohyb DNA transpozonů po genomu funguje na principu vyjmout-vložit a počet jejich kopií se nemění Z hlediska lékařské genetiky jsou DNA transpozony zajímavé schopností štěpit DNA na vysoce specifických sekvencích, což bude patrně možné využít v oblasti genové terapie Z vývojového hlediska je pravděpodobné, že transpozony sehrály svou úlohu při evoluci imunitního systému Vyštěpení podjednotek imunoglobulinových molekul se děje podobně, jako vyštěpení transpozonů a také enzym uplatňující se při maturaci (kompletaci) molekul imunoglobulinů se patrně vyvinul z transpozázy

REPETITIVNÍ SEKVENCE RETROTRANSPOZONY jsou v lidském genomu ještě důležitější než předchozí skupina Jsou také rozšířenější (tvoří nejméně 45% lidského jaderného genomu) Mnohé z nich mutacemi ztratily svou aktivitu, ale u řady z nich tomu tak není Vzhledem k tomu, že vývojově jsou odvozeny z retrovirů, jejich pohyb v buňce se děje pomocí enzymu reverzní transkriptázy Jejich přesun na nové míso probíhá tak, že jsou pomocí buněčné RNA-polymerázy přepsány do molekuly RNA, zatímco původní kopie zůstává na svém místě v DNA RNA kopie je reverzní transkriptázou přepsána do DNA, která je pak vložena na nové místo v genomu (při transpozicích jich tedy přibývá)

REPETITIVNÍ SEKVENCE Zajímavou skupinou retrotranspozonů jsou LTR retrotranspozony, které jsou označovány jako endogenní retroviry Svým složením skutečně připomínají proviry infekčních virů jako je HIV Chybí jim však (nebo je mutován) nejméně jeden gen potřebný pro sestavení kompletních virových částic Proto se mohou pohybovat jen uvnitř buněk http://vtm.e15.cz/retroviry-v-nasich-genech-vypraveji-o-evoluci

REPETITIVNÍ SEKVENCE Některé typy retrotranspozonů již nekódují reverzní transkriptázu (neautonomní retrotranspozony) a jsou schopny retrotranspozice pouze s využitím aktivity výše popsaných transpozonů autonomních, které tento enzym stále koódují Funkce transpozonů v genomu není patrná na úrovni jedince, zde pravděpodobně žádnou důležitou funkci neplní Z hlediska evoluce ale mohou být důležité pro zvýšení plasticity genomu Vedle toho, že mohou vyřadit gen z funkce a způsobit vznik dědičného onemocnění mohou také změnit intenzitu genové exprese, zvýšit mobilitu drobných fragmentů DNA (např. výměnu exonů mezi geny), duplikovat geny (i když procesované pseudogeny = kopie reverzně přepsané z mRNA nebývají aktivní, neobsahují promotor) apod. http://vtm.e15.cz/retroviry-v-nasich-genech-vypraveji-o-evoluci

REPETITIVNÍ SEKVENCE Ve velmi malé frekvenci pak mohou z retrotranspozonů vznikat nové geny Několik takových genů již známe. Příkladem je gen Peg 10, který je nezbytný pro vývoj placenty u myší a stejnou funkci má pravděpodobně i u člověka Retrotranspozony jsou rovněž velmi důležité v evoluční genetice http://vtm.e15.cz/retroviry-v-nasich-genech-vypraveji-o-evoluci

ZDROJE OTOVÁ, Berta a Romana MIHALOVÁ. Základy biologie a genetiky člověka. 1. vyd. V Praze: Karolinum, 2012, 227 s. ISBN 978-80-246-2109-8. Telomery a telomerasa. In: Creativecommons.org [online]. [cit. 2014-02-08]. Dostupné z: http://www.wikiskripta.eu/index.php/Telomery Lidský genom a jeho variabilita. In: [online]. [cit. 2014-02-08]. Dostupné z: http://www.wikiskripta.eu/index.php/Lidsk%C3%BD_genom_a_jeho_variabilita ŠEDA, Ondřej, František LIŠKA a Lucie ŠEDOVÁ. Vytisknout stránku. In: Cuni.cz [online]. [cit. 2014-02-08]. Dostupné z: http://biol.lf1.cuni.cz/ucebnice/repetitivni_dna.htm Transpozon. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2014-02-08]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Transpozon POLACH, Roman. Retroviry v našich genech vyprávějí o evoluci. In: E15.cz [online]. [cit. 2014-02-08]. Dostupné z: http://vtm.e15.cz/retroviry-v-nasich-genech-vypraveji-o-evoluci