Základy molekulární biologie
Jan Šmarda, Ústav experimentální biologie PřF MU
2018/2019
2
Obsah kurzu
úvod, historie oboru, milníky, modelové systémy
struktura a funkce DNA, chromozomy, evoluce genomu
replikace, reparace, rekombinace a transpozice DNA
transkripce, sestřih, translace, význam RNA pro původ života
řízení genové exprese, regulační proteiny, posttranskripční
kontrolní mechanismy, RNA interference
vnitřní organizace buňky, kompartmentalizace, transport molekul
uvnitř buňky, principy exkrece molekul mimo buňky
komunikace mezi buňkami, příjem a zpracování signálů
buněčný cyklus, molekulární principy řízení jednotlivých fází cyklu,
regulace buněčného dělení a růstu
programovaná buněčná smrt
molekulární podstata nádorových onemocnění
metodické přístupy pro analýzu nukleových kyselin a proteinů
3
Doporučená literatura
Molecular Biology of the Gene, 7th ed., Watson, Baker, Bell,
Gann, Levine, Losick, Addison-Wesley Longman Pub., 2013
Lewin´s Cells, 2nd ed., Cassimeris L., Lingappa V.R., Plopper G.
(eds), Jones and Barlett Pub., 2011
4
Doporučená literatura
Molecular Biology of the Cell, 6th ed., Alberts, Johnson,
Lewis, Morgan, Raff, Roberts, Walter, Garland Science, 2014
Genetika, Snustad, Simmons
(český překlad Relichová et al.),
Nakladatelství MUNI, 2017
5
Zakončení kurzu
písemný test
průměr známek v minulých letech:
2015: 2,65
2016: 2,76
2017: 2,39
2018: 2,43
6
Osnova úvodní přednášky
charakteristika molekulární biologie
historické souvislosti
živé systémy: typy, vlastnosti
prokaryotické a eukaryotické buňky
nebuněčné systémy
modelové systémy v molekulární biologii
7
Co je molekulární biologie?
obor zkoumající souvislost mezi strukturou/vzájemnými interakcemi
biomakromolekul a chováním/vlastnostmi živých soustav
(buněk/organismů)
studuje vztah mezi dvěma úrovněmi živých soustav: fyzikální a
chemickou (struktura a funkce biomakromolekul) a biologickou
(vlastnosti a chování buněk/organismů)
život studuje z perspektivy molekul
8
Molekulární přístupy ve všech
biologických disciplínách
původní zaměření na dědičnost – udržování a expresi genetické
informace (molekulární genetika)
současná orientace na rozmanité vlastnosti živých systémů na
molekulární úrovni
důraz na praktické aplikace: medicína, biotechnologie, paleontologie,
archeologie, evoluce, antropologie, kriminalistika, určování otcovství,
atd.
9
Význam molekulární biologie
posunuje výzkum na úroveň, která je společná všem živým systémům
(prohlubuje dřívější buněčnou úroveň)
umožňuje manipulovat s buňkami - ovlivňovat jejich vlastnosti žádoucím
směrem (lidská a veterinární medicína, biotechnologie, genové
inženýrství, zemědělství, atd.)
přináší nové možnosti studia příbuznosti druhů, fylogeneze, evoluce, atd.
spolu s informačními technologiemi patří k nejprogresivnějším oborům
současnosti
10
Vznik genetiky
křížení rostlin a živočichů se provádí tisíce let,
ale genetika jako věda vzniká až ve 2. polovině
80. letech 19. století
zrození genetiky: výsledek zvídavosti Gregora Mendela
a jeho exaktních pokusů s křížením hrachu
zákonitosti dědičnosti poprvé formulovány 8.2.1865, kdy Mendel
výsledky svých pokusů prezentoval členům Přírodozkumného spolku
v Brně a následně je publikoval v ročence Verhandlungen des
Naturforschenden Vereines in Brünn
kopie ročenky rozeslány různým vědeckým institucím ve světě,
včetně Královské společnosti a společnosti Linného v Anglii a
Smithonova ústavu ve Washingtonu
Gregor Johann Mendel
(1822-1884)
11
Znovuobjevení Mendela
Mendelova práce se výrazného ohlasu nedočká:
mezi lety 1866 a 1900 je citována jen 10x
znovuobjevení až začátkem 20. století:
Hugo de Vries
Erich von Tschermak
Carl Correns
William Bateson
12
Znovuobjevení Mendela
Hugo de Vries se propracovává k obdobným závěrům jako Mendel
na jaře 1900 dostává dopis od svého přítele: “Vím, že studujete hybridy,
takže Vás možná bude zajímat přiložená práce z roku 1865, kterou
napsal nějaký Mendel.“
de Vries spěchá s publikací svého článku o rostlinných hybridech,
ve kterém záměrně vynechává jakoukoliv zmínku o Mendelově práci
Correns naznačuje, že de Vries si Mendelovu práci přivlastnil
de Vries v následné studii již Mendela zmiňuje a přiznává, že Mendelovu
práci jen o málo „rozšířil“
do povědomí vědecké komunity se Mendel dostává především zásluhou
Batesona, kteý se stává jeho velkým propagátorem
13
Strach ze špatných genů
první pokusy o vylepšování genetického základu člověka – eugenika
Francis Galton, publikuje v r. 1883 knihu, ve které navrhuje plán
zlepšování lidské rasy – napodobením přírodní selekce – šlechtěním
nejsilnějších a nejchytřejších lidí
14
Strach ze špatných genů
1904: Galton prezentuje své představy o eugenice na přednášce
v Londýně: představuje si, že by se udržovaly záznamy o nejlepších
vlastnostech v nejlepších rodinách – jako v plemenné knize
dostihových koní
muži a ženy by se vybírali a uzavírali sňatky podle této „zlaté knihy“
první snahy o udržování rasové čistoty bělochů
15
Eugenika
1912: Mezinárodní eugenická konference
v Londýně s mimořádně reprezentativní účastí
(politikové, biologové, šéfové světových univerzit)
2 důležité přednášky podporující rasovou hygienu:
- německý lékař Alfred Ploetz
- Američan Bleeker van Wagenen
na rozdíl od stále teoretizujících Evropanů
jdou Američané rovnou „na věc“
existují internační centra pro geneticky nežádoucí osoby
zřízeny výbory po posuzování nucených sterilizací
(epileptici, kriminálníci, hluchoněmí, duševně nemocní, atd.)
vrchol v sovětském Rusku a nacistickém Německu
16
Harmonizace
mezi genetikou a evolucí
Darwin: evoluce funguje prostřednictvím přírodní selekce
podmínkou je dostatečně variabilní přirozená populace
co je motorem těchto odchylek? Mutace (de Vries)
Theodosius Dobzhansky (ukrajinský biolog,
který emigroval do USA, žák T.H. Morgana)
sleduje vznik odchylek u octomilek v přirozených
populacích
v 30. a 40. letech dokazuje, že variabilita je
prospěšná; koncepce vedoucí k likvidacím
individuálních rozdílů ve jménu kolektivního
„dobra“ je zhoubná
jeden z hlavních kritiků nacistické eugeniky a
sovětské kolektivizace
protest proti zneužívání genetiky nevyslyšen Theodosius Dobzhansky
(1900-1975)
17
Nečekaný vliv
nacismu na genetiku
začátkem 20. století Německo dominuje světové vědě
(atomová fyzika, kvantová mechanika, chemie, fyziologie, biochemie)
ze 100 Nobelových cen v období 1901-1932 je 33 uděleno německým
vědcům (Britové 18, Američané 6)
vzestup nacismu rozvoj vědy eliminuje
1933: vědci židovského původu vyhozeni ze státních univerzit
tisíce vědců (nejen židovských) emigrují, protože tuto situaci považují
za morálně neobhajitelnou
v novém prostředí vědci obracejí pozornost k novým problémům,
padají mezioborové bariéry
atomoví fyzikové se zajímají o biologii (dosud neprobádaná oblast) –
nové metody, nové otázky
18
Geny přitahují pozornost
1944: Kvantový fyzik Erwin Schrödinger ve své
přednášce v Dublinu odvážně odhaduje
molekulární povahu genu:
„Gen musí být zvláštní chemická látka, která musí
vykazovat chemickou pravidelnost (jinak by nemohlo
fungovat kopírování nebo přenos), ale musí být
rovněž schopna nepravidelnosti (jinak by nebyla
možná rozmanitost), musí být schopna nést
obrovské množství informací, ale přitom musí být
kompaktní, aby mohla být v buňkách poskládána)“
Možná, že kódové písmo spočívá v pořadí vazeb —
“rozmanitost obsahu stlačená do miniaturního kódu.”
Snad je tajemstvím života pořadí korálků na šňůře.
přednáška později publikována v knize
Co je život?
Erwin Schrödinger
(1887-1961)
19
Objev DNA
ze zájmu vědců o molekulu, která přenáší geny, vyplynuly poznatky,
které vedly k identifikaci DNA
objev dvoušroubovicové struktury DNA, způsob kódování informace,
replikace a princip genové exprese (Watson, Crick, 1953)
20
Další historické milníky
centrální dogma, restrikční endonukleázy, klonování genů, zpětná
transkripce, sekvenování DNA, PCR, monoklonální protilátky,
microarrays, RNA interference, kmenové buňky, umělé nukleázy, atd...
během posledních několika let nové technologie výrazně urychlují
hromadění informací o molekulách života – éra omik
21
Současnost
od roku 2003 známe nukleotidovou sekvenci DNA, která tvoří lidský
genom (přibližně 20.000 genů, 23 párů chromozomů, 3x109 párů
bází/haploidní stav)
máme k dispozici veškerou informaci nutnou pro vytvoření a fungování
lidské bytosti
jen 1,5% lidského genomu tvoří geny kódující proteiny, zbytek tvoří
oblasti kódující RNA, regulační sekvence, introny, nekódující oblasti
22
Současnost - výzvy
poznání mechanismů řídících a koordinujících genovou expresi
a jejich vztah ke zdraví člověka (všechny nemoci mají dědičnou
složku, o které spolurozhodují geny)
léčba dědičných chorob: důsledek chybné funkce některých
genů přenesených z rodičů na potomstvo – pro pochopení příčiny
je třeba pochopit funkce zdravých genů
léčba rakoviny: rovněž důsledek poruch funkce genů, hledání
markerů pro včasnou diagnostiku a vhodných cílů pro genovou
terapii, hledání nových chemoterapeutik
genové inženýrství a biotechnologie (pro zemědělství zlepšování
zdrojů potravy, medicína – vývoj léčiv)
23
Živí tvorové
jsou složeni z buněk
variabilita projevů života versus jednota jejich základů
buněčná struktura založená na obdobných složkách se
objevuje u všech forem života
Theodore Schwann (1810-1882)
Matthias Jakob Schleiden (1804-1881)
1. Vše živé je složeno z buněk
2. Buňky jsou nejmenší jednotky živých systémů
3. Buňky vznikají jen z dříve existujících buněk
Rudolf Virchow (1821-1902): „Omnis cellula e cellula“
botanik
fyziolog
patolog
24
Buňky se od sebe
mohou podstatně lišit…..
variabilita velikosti a tvarů
mohou žít volně nebo vázané k matrix
nebo jiným buňkám
25
…ale mnoho vlastností sdílejí
od okolního světa jsou odděleny plazmatickou membránou
(s charakteristickou fosfolipidovou strukturou)
v plazmatické membráně jsou systémy, které ovládají import molekul
do buňky a export z buňky
buněčné struktury jsou vybudovány z molekul potravy s využitím
vnitřních systémů přeměny energie
obsahují genetický materiál nesoucí informaci potřebnou pro
utváření/obnovu všech buněčných složek
disponují systémem genové exprese, kterým se genetická informace
převádí k praktickému využití
jednotlivé proteiny nebo RNA (definované geny) se po své syntéze
mohou spojovat do struktur vyššího řádu
26
Minimální požadavky
pro existenci živé buňky
plazmatická membrána
schopnost využití vnější energie pro
vytvoření buněčných struktur z
jednoduchých základních molekul
přítomnost genetické informace definující vlastnosti buňky
přítomnost systému pro praktické využití této informace
27
Jednobuněčné organismy
nejjednodušší organismy
žijí jako samostatné jednotky
reprodukují se
úspěšně se přizpůsobují extrémním podmínkám
(vysoké/nízké teploty, aerobní/anaerobní, apod.)
často žijí v jiných organismech
28
Mnohobuněčné organismy
buňky se specializují na určitou funkci – diferencují se, tj. mění
genovou expresi v různých buňkách téhož organismu, což vede k
jejich fenotypovému rozrůznění
některé buňky si udržují nediferencovaný stav (kmenové buňky)
výrazná strukturní a funkční specializace buněk zajišťuje dělbu
práce uvnitř organismu (často doprovázeno ztrátou schopnosti
dělení a růstu)
buňky mezi sebou komunikují, aby zajistily funkci
organismu jako celku
29
Plazmatická membrána
zajišťuje autonomii buňky (existenci
buněčných složek v omezeném prostoru)
zajišťuje odlišnost vnitřního prostředí
buňky od vnějšího
obsahuje proteinové komplexy, které řídí import a export molekul
přes membránu
disponuje systémy pro předávání signálů mezi vnějším a vnitřním
prostředím buňky
30
Struktura
plazmatické membrány
dvouvrstevný útvar složený z fosfolipidů a proteinů
Fosfolipidy
obsahují hlavici rozpustnou ve vodě,
jejíž součástí je fosfát, směřující k
vnitřnímu a vnějšímu povrchu
membrány a hydrofobní část (dvojici
řetězců mastných kyselin), které tvoří
vlastní tělo membrány
Molekuly, které nesou hydrofobní i hydrofilní oblasti se nazývají
amfipatické
31
Struktura
plazmatické membrány
vodní prostředí uvnitř i vně buněk vede k agregaci hydrofobních
řetězců (tvoří vnitřní prostředí membrány), hydrofilní hlavice tvoří
vnější povrchy membrány
lipidová dvouvrstva umožňuje fúzi membrán a vytváří prostředí pro
vazbu proteinů
32
Selektivní propustnost
plazmatické membrány
membrána není permeabilní pro ionty a velké nenabité (polární)
molekuly
molekuly vody a malé nenabité (polární) molekuly membránou
procházejí – difúze
malé nepolární molekuly procházejí volnou difúzí
odlišná koncentrace iontů na obou stranách membrány může vytvořit
osmotický tlak (pohyb molekul vody přes
membránu směrem k prostředí s vyšší
koncentrací iontů)
riziko poškození buňky
33
Buňka si řídí svůj obsah
regulaci podléhá nitrobuněčné pH a obsah iontů
využívá se speciálních membránových přenašečů
přes membránu musí rovněž projít substráty metabolismu
(zdroje energie) a složky zapojené do výstavby buněčných
struktur
nechtěné produkty metabolismu, ionty se přes membránu
exportují ven
pro oba směry platí vysoká selektivita transportu
schopnost buňky udržovat vnitřní
prostředí se nazývá homeostáze
34
Přechod iontů řídí
proteinové komplexy
vytvářejí kanálek v lipidové dvouvrstvě
vnější povrch kanálkových proteinů je v kontaktu
s membránovými lipidy
vnitřní povrch obklopuje vodné prostředí kanálku
vybrané ionty a hydrofilní molekuly procházejí kanálkem,
aniž by byly v kontaktu s membránovými lipidy
35
Iontové kanálky
a proteinové přenašeče
dva mechanismy přenosu iontů membránou: ve směru a proti směru
iontového gradientu
při pohybu iontů z prostředí o vyšší koncentraci do prostředí o nižší
koncentraci (po směru gradientu) se využívá iontových kanálků
(probíhá bez spotřeby energie)
při pohybu iontů proti směru gradientu se využívá proteinových
přenašečů (probíhá za spotřeby energie)
36
Ovládání propustnosti
iontových kanálků
nemohou být stále otevřené (koncentrace iontů na obou
stranách membrány by se vyrovnaly)
otevírají se tím, že projdou konformační změnou
konformační změnu mohou vyvolat různé podněty
(např. speciální signální molekuly, elektrické napětí, teplota)
37
Ovládání propustnosti
iontových kanálků
otevření změnou
membránového potenciálu
otevření pomocí signální
molekuly
38
Buněčná membrána
potřebuje oporu
je slabá, flexibilní a křehká
mechanickou oporu může
poskytnout buněčná stěna
umístěná vně membrány běžná
u bakteriálních a
rostlinných buněk
u živočišných buněk je
podpírána strukturami
cytoskeletu
39
Dva typy živých buněk
Klasifikace podle vnitřního členění, tzv. kompartmentalizace
(kompartment = prostor uzavřený membránou)
prokaryotická buňka: jednodušší, tvořena pouze jedním
kompartmentem s genetickým materiálem
eukaryotická buňka: komplexnější,
více kompartmentů
40
Prokaryota
jednobuněčné organismy
obklopeny membránou a
buněčnou stěnou
DNA v cytoplazmě
obsahuje všechny chemické
a strukturní složky nutné pro život
na jediném chromozomu
veškerá genetická informace
41
fylogenetický vztah stanoven relativně nedávno moderními metodami
(srovnáním nukleotidových sekvencí DNA): archea představují
samostatnou skupinu prokaryot
archea mají vzhled a stavbu podobnou bakteriím: malé jednobuněčné
organismy bez vnitřních membrán
žijí v extrémních podmínkách (vysoké teploty, kyselost, obsah solí)
archea často využívají netypické metabolické dráhy, vykazují chemické
odlišnosti ve stavbě buněčné stěny, mají aparát pro genovou expresi,
který se více podobá eukaryotům než bakteriím
Dva typy prokaryot:
bakterie a archea
42
Genetický materiál prokaryot
nejjednodušší genom mají bakterie, které nežijí volně, ale uvnitř
jiných organismů (Mycoplasma)
hostitel poskytuje látky, které bakterie
potřebují, ale nemohou si je vytvořit
genom nejmenších bakterií obsahuje
pouze cca 500 genů, které kódují jen
základní strukturní složky
genomy volně žijících bakterií obsahují alespoň 1500 genů,
které kódují kromě strukturních elementů také enzymy
a složky vyspělejšího aparátu pro regulaci genové exprese
43
Klasifikace bakterií
2 skupiny, které divergovaly cca před 2 miliardami let:
Gram-negativní (např. E. coli) a Gram-pozitivní (např. B. subtilis),
podle toho, jak reagují s Gramovým barvivem
citlivost dána interakcí barviva s buněčnou stěnou
Hans Christian
Joachim Gram
(1853-1938)
44
Gramovo barvení
G+ bakterie mají plazmatickou membránu obklopenou buněčnou stěnou
tvořenou proteoglykany a polysacharidy (modré/fialové zbarvení)
G- bakterie mají stěnu zvnějšku obklopenou lipopolysacharidovou
vrstvou (červené/růžové zbarvení)
45
Bakterie – model pro výzkum
základních buněčných procesů
jednobuněčné mikroorganismy, nejstarší organismy na Zemi
nízký počet genů
haploidní stav (pouze jedna kopie každého genu)
možnost kultivace za přísně kontrolovaných podmínek
(v definovaném médiu s přesně daným obsahem solí
a zdrojem uhlíku)
vysoká rychlost růstu, generační doba pouze 20 minut
možnost snadného uskladnění při nízkých teplotách (-70 oC)
po dlouhou dobu (desítky let) bez ztráty životaschopnosti
46
Modelová bakterie:
Escherichia coli
tyčinkovitá bakterie (velikost 1 x 2,5 mikronu)
přirozeným prostředím je střevo (colon - proto „coli“)
gram-negativní
47
Kde najdeme bakterie?
téměř všude: 60 km vysoko v atmosféře, 11 km pod hladinou oceánu,
ve sladké i slané vodě nebo ve splašcích, v půdě, kořenech rostlin
nebo v tělech živočichů (a člověka)
počet bakterií na zemi je obrovský
bakterie pravděpodobně tvoří více než polovinu živé hmoty na Zemi
48
Prokaryota
jsou velmi přizpůsobivá
životní styl je rozmanitý a může se přizpůsobit i extrémním podmínkám
(pH, přítomnost kyslíku, teplota, apod.)
Klasifikace podle schopnosti růstu v různých teplotách:
mezofilní: nejlépe rostou mezi 25 a 40oC (sem patří lidské patogeny)
psychrofilní: nejlépe rostou mezi 15 a 20oC (ale jsou i takové, které
žijí při 0oC) – oblíbené prostředí – studená voda a půda
termofilní: nejlépe rostou mezi 50 a 60oC (některé tolerují i 110oC)
49
Bakterie jsou citlivé
k přírodním látkám
mikroorganismy spolu soutěží o zdroje:
sekrece toxických proteinů, např. bakteriocinů - zabíjejí příbuzné
bakterie, ale ne kmeny – producenty (využití bakteriocinových plasmidů
jako vektorů)
tvorba antibiotik (klinické využití)
A. Fleming
50
Bakterie přirozeně obývají
těla vyšších organismů
u člověka 10x víc bakteriálních
než lidských buněk
kůže, trávicí soustava
udržování aktivity imunitního
systému
51
Některé bakterie škodí,
jiné jsou užitečné
malá část bakterií je patogenních: původce infekčních nemocí
(cholera, tuberkulóza, sněť slezinná, syfilis, kapavka, černý kašel,
záškrt, atd.), k jejich vymýcení přispívá hygiena, čistá voda, mýdlo,
splachovací záchody a také očkování a antibiotika
většina bakterií má pozitivní význam: přispívá k rovnováze ekosystémů
(rozklad odumřelých těl rostlin a živočichů)
rozklad odpadních produktů činnosti člověka a škodlivin
vyšší formy života by bez bakterií nepřežily, naopak ano
52
Eukaryotická buňka obsahuje
několik kompartmentů
zvýšení komplexity buňky - dělba práce na buněčné úrovni
vnitřní prostor je rozdělen do dvou
hlavních oddílů uzavřených membránou:
cytoplazmy a jádra
makromolekuly se transportují mezi
jádrem a cytoplazmou jadernými póry
(tj. proteinovými kanálky)
póry jsou plně propustné pro menší molekuly
53
Jádro:
úložiště genetického materiálu
na rozdíl od prokaryot musí genom eukaryot
kódovat nové strukturní prvky, definovat
umístění proteinů do správných oddílů
složitější mechanismus regulace genové
exprese
genetická komplexita eukaryot:
nejjednodušší jednobuněčné organismy
eukaryot nesou cca 5000 genů, člověk
cca 20000 genů kódujících proteiny
54
Eukaryotická buňka obsahuje
organely
obklopeny membránami se
stejnými strukturními rysy
jako plazmatická membrána
cytoplazma = organely + cytozol
cytozol je vodné prostředí cytoplazmy, ve kterém se syntetizují proteiny,
které v něm buď zůstávají nebo se transportují do organel nebo mimo
buňku
organelové membrány nejsou permeabilní, proto se vnitřní prostředí
organel liší od cytozolu (výjimkou je jádro se svými póry)
55
Organely eukaryotické buňky
endoplazmatické retikulum – skládání proteinů, sestavování
vícepodjednotkových oligomerů
Golgiho aparát – modifikace a transport proteinů sekreční drahou
lysosomy – rozklad molekul
mitochondrie – získávání energie respirací
chloroplasty – fotosyntéza
56
Dvě hlavní
buněčné linie eukaryot
somatické a pohlavní
u většiny mnohobuněčných je běžná specializace tkání a orgánů
pohlavní buňky jsou součástí reprodukčního systému a podílí se na
tvorbě další generace
somatické buňky tvoří tělo, vytvářejí dobré podmínky pro fungování
buněk pohlavních, neúčastní se reprodukce
57
Modelové organismy
experimentální/technické výhody
předpokládá se, že získané poznatky budou platit i u jiných
organismů, přinejmenším u těch, které jsou modelovým
organismům příbuzné
neplatí to vždy, pro lidskou medicínu nebo zemědělství je třeba
zkoumat přímo cílové organismy
58
Kvasinky – model
jednobuněčných eukaryot
jednobuněčná eukaryota, podobné výhody
jako bakterie
genom osekvenován jako první (z eukaryot) – v r. 1996
patří mezi houby – obdobná příbuznost živočichům i rostlinám
střídání diploidní a haploidní fáze, lze pracovat s haploidními
kulturami, což usnadňuje genetickou analýzu
genom obsahuje cca 6000 genů
59
Kvasinky
málo genů (cca 5 %) obsahuje introny
rostou v chemicky definovaném médiu, tvoří kolonie na
agarových plotnách
generační doba cca 90 minut
možnost snadného uchování v zamraženém stavu
specifikum: množení pučením
model vhodný pro studium funkce genů a buněčného cyklu
60
Hlístice
Caenorhabditis elegans (háďátko obecné)
nepatogenní půdní hlístice
genom má 7x vyšší obsah DNA než kvasinky
cca 19 000 genů
vyšší obsah intronů a nekódujících sekvencí
velikost 1 mm, tělo složeno z 959 buněk, které se diferencují
do všech základních tělních soustav
popsán vývoj každé z nich z původní zygoty
model pro studium vývoje (životní cyklus od oplození
do dospělosti jen 3 dny), apoptózy, stárnutí
na tomto modelu poprvé popsána RNA interference
Sydney Brenner
(*1927)
61
Moucha
Drosophila melanogaster:
životní cyklus 2 týdny
14000 genů
výzkum buněčné diferenciace, vývoje organismu,
buněčných signalizací a chování
T.H. Morgan
(1866-1945)
62
Zebřička – model pro
studium vývoje obratlovců
Zebřička pruhovaná/Danio pruhované:
malá sladkovodní rybka (2,5 cm)
oplozená vajíčka se vyvíjejí mimo tělo
matky – lze sledovat mikroskopií
vývoj z vajíčka do dospělého organismu trvá 3 měsíce
díky průhlednosti lze sledovat vývoj vnitřních orgánů
snadná mikroinjekce cizorodé DNA do vajíčka
molekulární genetika vývoje
25 chromozomů, 75% homologie s lidským genomem
63
Myš
zástupný model za člověka, kde experimentovat nelze
žije 1-3 roky, pohlavní zralosti dosahuje po 4 týdnech
obsahuje 20 chromozomových párů
pouze necelé 1% myších genů nemá lidského homologa
používá se pro studium funkce genů
64
Člověk
z etických důvodů nelze experimentovat s lidmi
je však možné kultivovat lidské buňky v kultuře
nesmrtelné buněčné linie (např. buňky HeLa) jsou
tvořeny buňkami nádorovými
HeLa buňky jsou buňky odvozené z nádoru
děložního čípku Henrietty Lacksové v roce 1951
buněčné linie jsou vhodným modelem pro mol. biol.
studie
65
Arabidopsis
– model pro rostliny
mol. biologie rostlin je historicky poněkud opožděná za jinými
organismy
mají často mnoho genů (rýže: 40 000 – 50 000 genů)
výzva současnosti: genetické vylepšení kulturních plodin
Arabidopsis thaliana (huseníček rolní):
čeleď Brassicaceae (Brukvovité)
strukturní jednoduchost, malý genom
(5 párů chromozomů, cca 25 000 genů,
sekvence známa)
dozrání rostliny k produkci semen trvá
6-10 týdnů, několik generací do roka
vypracovány účinné transformační
metody pro přípravu transgenních rostlin
66
Virus
podbuněčná struktura
obsahuje vlastní geny obalené proteinovým pláštěm, ale
nedovede je sám vyjádřit
postrádá aparát pro zajištění vlastní energie
buněčný parazit, replikaci a expresi virových genů zajistí
infikovaná buňka
genetická informace viru je uložena v DNA nebo RNA
je schopen vyvolat onemocnění
uplatňuje se v genovém inženýrství – vektor pro přenos
klonované DNA
67
Bakteriální virus = bakteriofág
infikuje bakteriální buňku, která je přinucena vyrábět
nové bakteriofágy, posléze praskne a uvolní novou
generaci bakteriofágů
každý z nových virionů může infikovat další bakterii
během několika hodin může fágová epidemie zlikvidovat
kulturu bakterií o počtu několikanásobně převyšujícím
lidskou populaci
68
Virus člověka
infikuje lidské buňky
původce běžných onemocnění (spalničky, příušnice, plané neštovice,
běžné nachlazení a chřipka) i závažných chorob (dětská obrna, Ebola,
AIDS)
infekce málo nebezpečným virem může zajistit rezistenci proti
příbuznému, ale mnohem nebezpečnějšímu viru
virovou infekci nelze léčit; nutná prevence – imunizací
může přenášet geny z jednoho hostitelského organismu na jiný
(význam pro evoluci a genové inženýrství)
antibiotika nemají smysl při boji s virovou infekcí, mohou jen pomoci
s paralelní bakteriální infekcí
69
Podbuněčné
genetické elementy
nesou genetickou informaci, ale nedisponují aparátem
pro životní funkce
hojně rozšířené v biosféře
význam různý: mohou vyvolávat vážná onemocnění
nebo jejich existence je téměř nezaznamenatelná
viry jsou z nich nejvyspělejší
viroidy a plazmidy: autonomní molekuly nukleových
kyselin, které nemají proteinový obal
viroidy jsou molekuly RNA, které infikují rostliny a přinutí
je k produkci nových viroidů uvolňovaných do prostředí
70
Podbuněčné
genetické elementy
plazmidy
molekuly DNA, které se stabilně udržují uvnitř hostitelské buňky
mohou přecházet z jedné buňky do druhé pouze pokud mezi nimi
dojde k fyzickému kontaktu
hostitelskou buňku nelikvidují
hojně využívané v genovém inženýrství
71
Podbuněčné
genetické elementy
transponovatelné elementy (transpozony)
molekuly DNA, které se nereplikují jako samostatné jednotky
pro svou replikaci vyžadují začlenění do jiných molekul DNA,
které schopnost samostatné replikace mají
mají schopnost přeskakovat z jedné hostitelské DNA na jinou
72
Podbuněčné
genetické elementy
priony
infekční molekuly proteinů
neobsahují žádnou nukleovou kyselinu
infikují buňky nervového systému zvířat a způsobují vážné
nemoci (např. nemoc šílených krav)
představují chybně složenou verzi normálního proteinu
nervových buněk
když proniknou do buňky, způsobí chybné skládání
odpovídajícího normálního proteinu v mozku, což buňku usmrtí