dl.cuni.cz heslo „genetika“ Viry, priony, evoluce dl.cuni.cz heslo „genetika“

Charakteristika živých soustav: vysoká uspořádanost nestabilita - dynamičnost otevřenost soustavy - výměna látek a energie s prostředím schopnost přeměny energie smrtelnost schopnost se rozmnožovat schopnost se vyvíjet v čase - evoluce

Historie studia buňky: R. Hooke (1665) - brit. fyzik a architekt, „Hookův zákon“, zavedl pojem buňka A. van Leeuwenhoek (1683) – nizoz. průkopník mikroskopie J. E. Purkyně (1837) – stěžejní význam buněk pro život M. J. Schleiden (1838) – něm. botanik, elementární orgán rostliny T. Schwann (1839) – něm. cytolog, histolog, fyziolog, buněčná teorie, pepsin, kvasinky, metabolismus R. Virchow (1858) – studium buněčného dělení 3

1) Veškeré živé organismy složeny z buněk Buněčná teorie: 1) Veškeré živé organismy složeny z buněk 2) Buňka = základní funkční jednotka života 3) Vznik nových buněk z preexistujících buněk Výjimka z buněčné teorie: viry

Formy organizovanosti živé hmoty: Buněčná: prokaryota: bakterie, sinice eukaryota: prvoci, rostliny, houby, živočichové Nebuněčná: viry rostlinné, živočišné, bakteriální = bakteriofágy

Stavba virů Základní stavební jednotka - virion = nukleová kyselina + kapsida u obalených membránová obálka Bakteriofág ikosohedrální hlavička + bičík, vlákna

Retrovirus, Lentivirus, poz ssRNA-RT, obalený: HIV-1, HIV-2

Enterobacteriium fág T4 infikuje Escherichia coli injekce virové DNA

Evoluce viru Původ virů není jasný (různý původ jednotlivých skupin?) Evoluce virů nepředcházela vzniku buňky Bakterie a Eukaryota nejsou napadány stejnými virové typy podobnosti mezi viry napadající rostliny a obratlovce podobnosti mezi viry napadající členovce a obratlovce existují „cross-over“ viry http://www.mcb.uct.ac.za/tutorial/virorig.html

Rozdělení virů hostitele: rostlinné, živočišné, bakteriální DNA a RNA viry: jednovláknová či dvouvláknová NK lineární či cirkulární 3. strukturní vlastnosti (symetrie helikální, komplexní, dvacetistěnná, přítomnost obálky, průměr kapsidy, počet kapsomer)

Reprodukce virů: vázána na hostitelskou buňku adsorpce a průnik viru nebo virové NK do buňky = virová infekce buňky replikace transkripce a translace, tvorba proteinů tvorba kompletních virových partikulí uvolnění viru z buňky smrt buňky - lýze - nebo exocytoza

= integrace virové NK do hostitelského genomu jako povirus (profág) Lysogenie-virogenie = integrace virové NK do hostitelského genomu jako povirus (profág) replikace s DNA hostitelské buňky latentní viry – buňku nepoškodí viry jako vektory onkogenů přenos do dceřinných buněk

PRIONY – nebuněčné virus “like” organismy infekční obsahují proteiny, NK neprokázána rezistentní na poškození, které denaturuje NK, citlivé na látky, které denaturují bílkoviny Prion - produkt mutovaných genů epigenetická změna proteinu (posttranslační modifikace proteinů neuronů?)

Prionový protein výskyt ve dvou izoformách: normální PrPC abnormální PrPSC PrPC převaha alfa helixu, málo beta struktury PrPSC převaha beta struktury přítomnost PrPSC indukuje změnu PrPC = normálního na abnormální probíhá jako řetězová reakce

růstovým hormonem, mozkovými elektrodami Prionové nemoci dědičné (AD s neúplnou penetrancí) - mutace genu - změna proteinu (př.záměna AK) - menší stabilita a větší náchylnost na změnu konformace mezidruhový přenos vzácný (rozdíly v prionových molekulách = bariéra přenosu), ale v zásadě možný s delší dobou latence přenos z člověka na člověka: růstovým hormonem, mozkovými elektrodami

Creutzfeld-Jakobsova choroba: postižení šedé kůry mozkové, Onemocnění: Creutzfeld-Jakobsova choroba: postižení šedé kůry mozkové, těžké neurologické příznaky s rychle progradující demencí kuru: Papua-Nová Guinea: neschopnost koordinace pohybu, obrny, demence – šíření rituálním kanibalismem

Creutzfeld-Jakobsova choroba mozku Imunohistochemické znázornění prionového plaku mozkové kůře

Nervová degenerace při prionové infekci. Mikrografie ukazuje řez mozku pacienta, který zemřel na kuru. Velké tekutinou vyplněné prázdné prostory jsou místa, kde odumřely neurony. Tyto charakteristické díry daly vzniknout názvu spongiformní encefalopatie

Evoluce

Biologické děje v průběhu dějin… evoluce vznik a vývoj nových variant z předchozích forem v průběhu dlouhých časových období a s tím souvisejících změn životních podmínek nebylo plynulé - náhlé vymírání velkého počtu druhů v důsledků náhlých změn, katastrof horizontální přenos genetické informace, změny frekvence jednotlivých alel v populaci získání nových funkcí - symbiotický původ organel pohlavní rozmnožování umožňuje rozrůznění

Evoluce buňky teorie evoluční abiogeneze: vznik organických molekul z anorganických chemickými reakcemi za určitých podmínek - vodní prostředí, rozpouštěcí schopnost, tepelná kapacita (vulkanická činnost, srážky a elektrické výboje) 3 možné teorie prvních živých soustav Skládaly se z proteinů a neobsahovaly nukleové kyseliny (nejsou schopné replikace) Obsahovaly nukleové kyseliny bez proteinů Hypotéza RNA-světa Obsahovaly vzájemně kooperující molekuly nukleových kyselin i proteinů tzv. hypotéza koevoluce, resp. Hypotéza genetického kódu

Centrální dogma biologie transkripce replikace translace reverzní transkripce DNA RNA Protein Existence reverzní transkripce dokládá evoluční význam RNA a svědčí pro hypotézu RNA-světa.

Hypotéza RNA některé molekuly jsou schopny self-replikace chyby v replikaci – rozrůznění = diferenciace RNA molekul nese informaci, přepisovanou do peptidů, proteinů schopnost interakce s jinými molekulami, katalytické vlastnosti Ribozymy - molekuly RNA s enzymatickou aktivitou (ribozom) Koenzymy - neproteinové komponenty enzymů (proteinová složka pouze zajišťuje větší substrátovou specificitu reakce) velká část je odvozena z nukleotidů některé současné koenzymy jsou ribonukleotidy - r RNA, mRNA

hypotéza koevoluce - DNA koevoluce systému protein-nukleová kyselina vývoj genetického kódu, existence pozměněných variant genetického kódu u některých organismů 2 řetězcové struktury jsou stabilnější, snazší replikace, některé fyzikálně chemické vlastnosti aminokyselin korelují s vlastnostmi tripletů, které je kódují – při vývoji mohly hrát roli přímé stereochemické interakce aminokyselin a dinukleotidů, resp. trinukleotidů („stereochemická hypotéza“) původní proteiny zřejmě neobsahovaly všech 20 dnes známých aminokyselin

Vývoj buňky spontánní formace organických molekul formace makromolekul - jen schopné replikace a katalýzy se dále vyvíjely spontánní agregace molekul s hydrofilními a hydrofobními konci - vznik dvouvrstevné struktury ohraničující a uzavírající jiné molekuly = udržení vnitřního prostředí - vznik buněčné membrány - selektivní příjem látek - regulační mechanizmy udržující homeostázu vnější ( Na, Cl) a vnitřní ( K, Mg, P) prostředí vznik primitivní buňky – eobiont - s primitivním metabolismem, autoreprodukcí a paměť. systémem

Vývoj Prokaryot (3,5 mld. let) vznik života před 3,85 miliardami let vývojové stromy vytvořeny porovnáváním sekvencí rRNA struktury molekul rRNA různých druhů se sice liší minimálně, ale jsou složeny z odlišných sekvencí nukleotidů Archaebacterie – anaerobní, žijící v extrémních podmínkách Eubacterie – G+ a G- bakterie, sinice, spirochéty, fotosyntetizující (cyanobakteria) a purpurové bakterie

Tři základní vývojové větve organismů: Archaebacteria, Eubacteria a Eukaryonta

Vývoj eukaryot (1,5 mld. let) cesta od prokaryont k eukaryontům proběhla evolučně rychle první eukaryonta byla aerobní Buněčné jádro je důkazem fúze bacterií – kombinace (splynutí) archebacterií a bakterií (gram – negativní) zvětšování buňky – nutnost zvětšení povrchů a oddělení metab. procesů – vznik membrán organel - kompartmentů vznik organel - vchlipováním (lysozymy, peroxisomy, vakuoly, Goldiho komplex) - endosymbioticá cestou (mitochondrie, chloroplasty) vznik jádra a cytoplasmy- oddělení procesu transkripce a translace (endoplasmatické retikulum) vývoj cytoskeletu První fosilie eukarynot pocházejí z éry před 2,1 miliardou let.

do chromozomů v jádře s jader. membránou Prokaryota Eukaryota DNA kruhová v cytoplazmě lineární,organizovaná do chromozomů v jádře s jader. membránou RNA+ bílk. syntéza ve stejném transkripce v jádře, kompartmentu translace v cytoplasmě Cytoplasma není cytoskelet je cytoskelet Dělení binární mitóza Organely primitivní, ribozomy četné Geny nejsou introny exony + introny Replikace začíná na 1 místě začíná na mnoha místech současně Ribosomy 70S (50S + 30S) 80S (60S + 40S) S = Swedbergova sedimentační konstanta

Vývoj mnohobuněčnosti Z jednobuněčných organismů kolonie volně nebo pevněji spojené př. zelená řasa Volvox - spojení buněk plazmodesmaty = kolonie s koordinací pohybu, kooperací buněk, předchůdci dnešních rostlin mnohobuněčný org. = klon vzniklý z 1 buňky množení a diferenciace při zachování genetické autonomie (kódovány všechny funkce, ale regulace genové aktivity) specializace = změny v genové expresi, vliv vnějších a vnitřních signálů spojení buněk - různé typy spojů dle typu tkáně interakce buněk a předávání signálů - mezibuněčná signalizace

Evoluce genetické výbavy Zdroj genetické variability: 1. vznik alel mutacemi - více mutací v rámci lokusu = polymorfismus = zásoba alel 2. rekombinace - rozvoj se vznikem pohlavního množení = střídání haploidní a diploidní fáze - kombinace rodičovských genomů u potomstva evoluční význam diploidie - maskování recesivních alel evoluční význam pohl.množení - meiozy - rozrůznění - kombinací chromozomů v gametách - kombinací genomů v zygotách - crossing overem v meioze

3. intragenové kombinace - kombinace exonů, intronů - inzerce transpozonů 4. duplikace genů - nerovnoměrným crossing overem (tandemová duplikace) - translokace chromozomů - polyploidizace - zmnožení sady chromozomů - duplikace chromozom. částí: degradace genu nová funkce stejná či podobná funkce – genová rodina

5. mezidruhový přenos genetické informace- horizontální : transformace - přenos DNA a začlenění (rekombinace) do DNA hostitel.buňky (omezeno restrikčními endonukleázami u bakterií) přenos plazmidů - př. plazmid = nositel resistence u bakterií přenos informace pomocí virů - transdukce somatická hybridizace - splývání buněk endosymbioza

Endosymbiotická teorie –mitochodrie a plastidy Mitochondrie - mají původ v aerobní bakteriích (rikettsie) Plastidy - původ v endosymbiotických cyanobakteriích cirkulární DNA nemají histony transkripce začíná na jednom místě inhibice antibiotiky Sekundární symbioza (někteří prvoci)

Evoluce gonozomů vznik pohlavních chromozomů z autozomů – morfologické rozrůznění a funkční odlišení od autozomů (mutace, delece, translokace, nerovnoměrný crossing over) nižší obratlovci (ryby, obojživelníci, plazi) – není morfologické odlišení gonozomů velké homologní části vyšší obratlovci – Y tvarově odlišný-menší, pouze malá část homologní = pseudoautozomální oblast

Typy určení pohlaví : samičí XX - homogametní typ Drosofila - savčí – samčí pohlaví XY – heterogametní, samičí XX - homogametní typ Abraxas- ptačí – samčí pohlaví homogametní ZZ samičí, pohlaví heterogametní WZ některé ryby a plazi - nezáleží na chromozomální konstituci, ale na vnějších vlivech (plazi-teplota – vymření dinosaurů?) hmyz - pohlavní znaky určovány nezávislou expresí sex genů v různých buňkách těla – poměr počtu autozomů a chromozómů X

Reprodukční izolace – prezygotická: Druh: = skupina populací vzájemně se mezi sebou křížící (a dávající plodné potomstvo), reprodukčně izolovaná od jiné podobné skupiny Reprodukční izolace – prezygotická: geografická – obývají různá území ekologická – obývají rozdílný biotop časová – různá doba páření, kvetení etologická – rozdílné rozmnožovací chování mechanická – tvar rozmnožovacích orgánů Reprodukční izolace – zygotická: životaneschopnost mezidruhových kříženců sterilita mezidruhových kříženců

Následky evoluce: orangutan, gorila, šimpanz 48 chromozomů x člověk 46 lidský chromozom č. 2 vznik fúzí 2 chromozomů, další rozdíly způsobeny inverzemi, množstvím a umístěním heterochromatinových bloků G-proužkování vlevo karyotyp člověka vpravo karyotyp šimpanze