C9041 Struktura a funkce eukaryotických chromozomů

Přírodovědecká fakulta
jaro 2017
Rozsah
2/0/0. 2 kr. (příf plus uk plus > 4). Ukončení: zk.
Vyučující
prof. RNDr. Jiří Fajkus, CSc. (přednášející)
doc. Mgr. Miloslava Fojtová, CSc. (přednášející)
doc. RNDr. Martin Falk, Ph.D. (přednášející)
Garance
prof. RNDr. Jiří Fajkus, CSc.
Národní centrum pro výzkum biomolekul – Přírodovědecká fakulta
Kontaktní osoba: prof. RNDr. Jiří Fajkus, CSc.
Dodavatelské pracoviště: Národní centrum pro výzkum biomolekul – Přírodovědecká fakulta
Rozvrh
Po 20. 2. až Po 22. 5. Pá 8:00–9:50 B11/235
Předpoklady
znalost základů biochemie a molekulární biologie
Omezení zápisu do předmětu
Předmět je nabízen i studentům mimo mateřské obory.
Mateřské obory/plány
Cíle předmětu
Hlavní cíle kursu jsou: seznámit studenty se s aktuálním stavem poznání o struktuře chromatinu jako nositeli genetické i epigenetické informace
Na konci tohoto kursu bude bude student schopen porozumět současným poznatkům z oblasti molekulární podstaty epigenetických procesů
Získá přehled o struktuře a funkci centromer, telomer a replikačních počátků
Osnova
  • Přednášky jsou zaměřeny na popis struktury eukaryotických chromozómů a jejích dynamických změn při základních procesech metabolizmu genetického materiálu - replikaci, transkripci a rekombinaci. Kromě vztahu k funkci genů bude kladen důraz na možné i prokázané funkce tzv. nekódujících sekvencí, které tvoří DNA komponenty nezbytných chromozomálních funkčních elementů - centromer a telomer. Osnova: 1. Chromozóm jako funkční jednotka genomu. Typy chromozómů z různých hledisek - prokaryotický a eukaryotický, mitochondriální, chloroplastový a jaderný, cirkulární a lineární. Charakterizace jednotlivých typů na základě nukleoproteinového složení a velikosti DNA. Příklady. 2. Lineární eukaryotické chromozómy jako typický případ strukturních jednotek jaderného eukaryotického genomu. Strukturní úrovně chromozómů - přehled. Metafázní a interfázní chromozóm. Chromatin. 3. Sbalování DNA do chromozómů (celkem 10000x). Kompaktizace DNA při tvorbě nukleoproteinových komplexů s histony (cca 6x). Nukleozóm, chromatozóm, dřeňová částice. Detailní trojrozměrná struktura dřeňové částice. Vazba histonu H1. Translační a rotační poloha nukleozómů na DNA, určující faktory. 4. Co se děje s nukleozómy při replikaci a transkripci? Mechanismy regulace genové exprese modifikací nukleozómové struktury. Příklady. Experimentální postupy k určení nukleozómové struktury. Počítačové predikce. Nenukleozómová DNA. 5. Další kompaktizace řetězce nukleozómů - modelové struktury tzv.30 nm vlákna - solenoid (asi 6x, celkem 36x) a cik-cak struktura. Experimentální studie vyšší chromatinové struktury. Role konformace mezinukleozómového linkeru a vazby histonu H1. Asociace s nehistonovými proteiny, zejm. HMG. HMGA, HMGB a HMGN proteiny a jejich funkce. 6.Epigenetické modifikace genetické informace: Modifikace histonů, methylace DNA. Histonové varianty a jejich funkce. Remodelling chromatinové struktury. Příklady procesů (inaktivace X-chromozomu, aktivace/inaktivace promotorů aj.) 7. Mechanismus RNA interference a jeho podíl na heterochromatinizaci a umlčování genů. Příklady přirozených procesů v nichž se uplatňuje RNAi. Využití siRNA pro analýzu funkce genů. 8. Vyšší úroveň organizace chromatinu-modelové a experimentálně zjištěné struktury. Pojmy jaderný skelet, jaderná matrix, jaderné lešení - rozdíly a shody. Vazba chromatinového vlákna k těmto strukturám. Experimentálně zjištěné typy vazby: permanentní a transientní, kovalentní a nekovalentní. Praktické způsoby izolace a charakterizace vazebných míst. Role topoizomerázy II v nukleoproteinových komplexech jaderného skeletu. Replikace a transkripce v "továrnách" ukotvených k jadernému skeletu. Regulace genové exprese na úrovni chromatinových smyček. Růžice vznikající z šesti smyček chromatinu (cca 300 kbp) a "miniproužky"(2 Mb) - poslední mezistupně kompaktizace chromozómu. Chromozomová teritoria v interfázním jádře. Heterochromatin a euchromatin z hlediska jednotlivých úrovní organizace genetického materiálu. Izochory. 9. Specializované chromozómové struktury - centromera a telomery. Jejich prokázané a předpokládané funkce. Jak se jeví tyto struktury v mikroskopu a jaké je jejich nukleoproteinové složení - obecně. 10. Detailní struktura telomery - typy telomerové DNA u různých organismů, asociované proteiny, telomeráza - specializovaná reverzní transkriptáza s vlastní templátovou RNA - nejběžnější způsob udržování telomer. Telomeráza jako cíl protinádorové terapie. Mechanismy udržování telomer nezávislé na telomeráze. 11. Rekombinace jako jeden z procesů metabolismu genetické informace. Typy rekombinačních procesů a jejich molekulární podstata. Využití rekombinace jako nástroje v genetice. Význam rekombinace pro stabilitu genomu. Role rekombinačních proteinů na telomerách. 12. Centromera - praktický příklad "nekódujících" repetitivních sekvencí, které v interakci se specifickými proteiny kódují funkčně nepostradatelnou chromatinovou strukturu (pohled z hlediska již probraných zákonitostí architektury genomu. Tvorba centromerového heterochromatinu. 13. Funkční chromozóm = centromera, telomery a replikační počátky? Metody mapování počátků replikace. Pokusy o vytvoření savčích arteficiálních chromozómů (MACs) a jejich perspektivní využití např. v genové terapii. 14. Přestavba chromatinu při spermatogenezi. Jak je dosaženo extrémní kompaktizace, aneb proteiny se mění, DNA zůstává. Co se děje s chromatinem po oplození vaječné buňky. 15. Struktura buněčného jádra a chromatinu ve vztahu k základním životním buněčným procesům, zejména reparaci DNA: nové pohledy na indukci a reparaci dvouřetězcových zlomů DNA - aspekty prostoru a času, dvouřetězcové zlomy DNA - dvousečný meč s ohledem na vznik a léčbu nádorů.
Literatura
  • Bryan M. Turner: Chromatin and gene regulation. Molecular mechanisms in epigenetics. Blackwell Science Ltd. ISBN 0-865-42743-7
  • T.A. Brown: GENOMES. Bios Scientific Publishers Ltd. 1999,Oxford.
  • C.R. Calladine, H.R. Drew: Understanding DNA.Second edition. Academic Press N.Y. 1997
  • FAJKUS, Jiří a Ulrike ZENTGRAF. Structure and Maintenance of Chromosome Ends in Plants. In Telomerases, Telomeres and Cancer. Georgetown, New York: Landes Bioscience, Kluwer Academic, 2002, s. 314-331. Molecular Biology Intelligence Unit 22. ISBN 0-306-47437-9. info
Výukové metody
Přednášky; rozbor příkladů výzkumných problémů z přednášené problematiky
Metody hodnocení
Zkouška - písemná a ústní. Závěrečný písemný test předchází ústní zkoušce. Pro absolvování ústní zkoušky je třeba >50% správných odpovědí v testu. Obě části zkoušky je možno skládat v angličtině, pokud to student/-ka preferuje.
Navazující předměty
Informace učitele
Přednášky se konají v Univerzitním kampusu Bohunice, pavilon A2, není li stanoveno jinak. e-mail: fajkus@sci.muni.cz, tel. 549494003
Další komentáře
Předmět je vyučován každoročně.
Nachází se v prerekvizitách jiných předmětů
Předmět je zařazen také v obdobích jaro 2013, jaro 2014, jaro 2015, jaro 2016, jaro 2018, jaro 2019, jaro 2020, jaro 2021, jaro 2022, jaro 2023, jaro 2024, jaro 2025.