Bi8350 Evoluční genomika

Přírodovědecká fakulta
jaro 2021
Rozsah
2/0/0. 2 kr. (příf plus uk plus > 4). Ukončení: zk.
Vyučující
doc. RNDr. Eduard Kejnovský, CSc. (přednášející)
RNDr. Roman Hobza, Ph.D. (přednášející)
Mgr. Zdeněk Kubát, Ph.D. (přednášející)
Garance
doc. RNDr. Eduard Kejnovský, CSc.
Ústav experimentální biologie – Biologická sekce – Přírodovědecká fakulta
Kontaktní osoba: doc. RNDr. Eduard Kejnovský, CSc.
Dodavatelské pracoviště: Ústav experimentální biologie – Biologická sekce – Přírodovědecká fakulta
Rozvrh
Po 1. 3. až Pá 14. 5. Po 10:00–11:50 online_B4
Předpoklady
Bi4020 Molekulární biologie
Základní znalosti z genetiky a molekulární biologie
Omezení zápisu do předmětu
Předmět je nabízen i studentům mimo mateřské obory.
Mateřské obory/plány
předmět má 16 mateřských oborů, zobrazit
Cíle předmětu
Přednášky jsou zaměřeny na vznik a evoluci genomů. Kurz má široký záběr, zabýváme se nejprve vznikem života a prvními genomy, replikátory na bázi molekul RNA (svět RNA) a relikty tohoto období. V této souvislosti se zabýváme fenoménem RNA interference. Jsou podrobně popsány typy malých molekul RNA (smRNA) a mechanizmy jejich fungování v dnešních genomech. Podrobně je pojednáno o struktuře a mechanizmech evoluce genomů virů, prokaryot i eukaryot, pozornost je zaměřena na úlohu polyploidizace v evoluci rostlin a živočichů. Následuje popsání struktury genů a mechanizmů vzniku nových genů. Velká pozornost je věnována dynamice genomů, v níž hrají roli různé repetitivní sekvence DNA jako jsou zejména mobilní genetické elementy (transposony) a tandemové repetice. Přednášky se zabývají také vznikem, evolucí a důsledky sexuality, jakož i strukturou a evolucí pohlavních chromosomů. Také je podrobně popsán lidský genom, naznačena budoucnost výzkumu lidského genomu (genová terapie, farmakogenomika, projekt osobního genomu) a jsou nastíněny etické otázky vyplývající z poznání lidského genomu. Prezentované poznatky jsou dávány do souvislostí s historií jejich získávání i použitými metodami. Speciální lekce je věnována moderním metodám a strategiím v genomice.
Výstupy z učení
Po absolvování předmětu student dokáže porozumět mechanismům, které zodpovídají za evoluci genomů a organismů na molekulární úrovni.
Osnova
  • 1. Vznik života Kosmologická předehra. Atributy života. Vznik života. Abiogeneze klasická a moderní. Urey-Millerův experiment. První genetické systémy na bázi proteinů, nukleových kyselin. Ribozymy. Vznik genetického kódu a proteosyntézy. Teorie jílů. Převzetí genetické role molekulami DNA. Panspermie a extremofilové. Zvláštnosti života a život na bázi křemíku a jiných rozpouštědel.

  • 2. Relikty světa RNA a první genomy Důkazy RNA světa. Vznik RNA světa. Evoluční osud prvních RNA replikátorů. Relikty světa RNA – tRNA (od replikace k proteosyntéze), ribozóm, spliceosom, snorposom, telomeráza, srpRNA, gRNA, vaultRNA, RNázaP. Viry a viroidy – staré nebo mladé, funkční relikty světa RNA, jsou viry živé?

  • 3. Svět malých RNA, RNA interference (RNAi) Historie objevení podstaty RNAi. RNAi a její úloha v evoluci. Úloha malých RNA v buňce (siRNA, miRNA, piRNA), dicer a RISC komplex. Rozdíly v RNAi mezi rostlinami a živočichy. Použití RNAi v genovém inženýrství.

  • 4. Evoluce genomů Velikosti genomů a paradox hodnoty C. Minimální genom. Mechanizmy zvětšování genomů, genomová obezita u rostlin. Topografie genomů - uspořádání genů v genomech, syntenie a kolinearita. Počty chromosomů u různých druhů, úloha multiplikací, chromosomové přestavby, B chromosomy. Izochory.

  • 5. Polyploidizace Genetické a epigenetické interakce genomů u polyploidů, sterilita hybridů. Polyploidie a speciace. Polyploidie u živočichů a u rostlin, polyploidie a geografická distribuce druhů. Evoluční důsledky polyploidie.

  • 6. Evoluce genů První geny. Anatomie genů. Původ nových genů. Mechanizmy evoluce nových genů. Introny – staré nebo mladé? Alternativní sestřih. Genové rodiny, pseudogeny, orfony a počty genů. Horizontální přenos. Nedávno vzniklé geny. Velikosti genů. Zvláštní geny.

  • 7. Dynamika genomů I. Repetitivní DNA jako dominantní složka genomů. Změna paradigmatu v genetice – genom je dynamický. Mobilní genetické elementy (transpozony). Podíl repetitivní DNA na velikosti genomů. Retroelementy – retroviry, retrotranspozony, retropozony, bakteriální retrony. DNA transpozony Původ a evoluce transpozonů.

  • 8. Dynamika genomů II. Funkce transpozonů. Koevoluce transpozonů a hostitele: konflikt-kompromis-kooperace. Obrana hostitele - umlčování transpozonů. Transpozony užitečné pro hostitele – domestikace transpozonů. Explozivní amplifikace transpozonů v evoluci savců. Tandemové repetice. Mikrosatelity. Genomy organel jako pozůstatky prokaryotických organizmů. Objev promiskuitní DNA. Migrace genů do jádra. Mechanizmus přenosu genů do jádra. Genomy organel a vnitrobuněční parazité.

  • 9. Evoluce sexuality. Příčiny sexuality: Rekombinace a sexualita. Rychlost evoluce a degenerativní procesy u nerekombinující DNA – Mullerova rohatka (Mullers ratchet), genetické svezení se (genetic hitchhiking), selekce na pozadí (background selection). Haploidie a diploidie. Výhody a nevýhody pohlavního rozmnožování.

  • 10. Evoluce sexuality. Důsledky sexuality: Mechanizmy determinace pohlaví, vznik a evoluce pohlavních chromosomů u rostlin a živočichů. Historie objevů týkajících se determinace pohlavnosti a pohlavních chromosomů. Lidské pohlavní chromosomy – záhadné palindromy na chromosomu Y, samčí geny jsou zálohované, Y se brání degeneraci. Evoluční vrstvy na chromosomu Y. Papája – pohlavní chromosomy ve stádiu zrodu. Alternativní mechanismy determinace pohlaví.

  • 11. Struktura a evoluce lidského genomu Základní charakteristika. Genové rodiny v lidském genomu. Repetice v lidském genomu. Srovnání genomu člověka s genomem myši a šimpanze. Evoluce člověka.

  • 12. Genomika – strategie a metody Mapování genomů. Mikrodisekce buněk a chromosomů. Genomové knihovny, sekvenování. Spojování fyzických a genetických map. Moderní přístupy v sekvenování genomů. Eco-tilling.

  • 13. Historie genomiky Avery versus Watson a Crick. Watson versus Venter. Vzestup a pád modelových organizmů. Genomové projekty, hlavní databáze.

Literatura
  • J. Maynard Smith and E. Szathmary: The major transitions in evolution (1995) Oxford University PressRyan Gregory: The evolution of the genome (2005) Elsevier T.A. Brown: Genomes (1999) BIOS Scientific Publishers, Oxford
  • KEJNOVSKÝ, Eduard a Roman HOBZA. Evoluční genomika. Elportál. Brno: Masarykova univerzita, 2006. ISSN 1802-128X. URL info
Výukové metody
Přednášky v českém jazyce.
Metody hodnocení
Zkouška písemná (test) i ústní.
Navazující předměty
Informace učitele
http://www.evolucnigenomika.cz
Další komentáře
Studijní materiály
Předmět je vyučován každoročně.
Předmět je zařazen také v obdobích jaro 2008 - akreditace, jaro 2011 - akreditace, jaro 2006, jaro 2007, jaro 2008, jaro 2009, jaro 2010, jaro 2011, jaro 2012, jaro 2012 - akreditace, jaro 2013, jaro 2014, jaro 2015, jaro 2016, jaro 2017, jaro 2018, jaro 2019, jaro 2020, jaro 2022, jaro 2023, jaro 2024, jaro 2025.