1
00:00:00,000 --> 00:00:06,368
Dobrý den. V této přednášce se budeme zabývat procesy, které se dějí během exprese genu.

2
00:00:06,368 --> 00:00:15,938
Přednáška je součástí modulu 1, genetika zvířat. Vytvoření této prezentace bylo podpořeno grantem ERASMUS + KA2 v rámci projektu ISAGREED, 

3
00:00:15,938 --> 00:00:24,683
a struktury studijních programů v oblasti managmentu živočišných genetických a potravinových zdrojů s využitím digitalizace.

4
00:00:25,673 --> 00:00:32,042
Geny obsahují biologickou informaci, ale samy o sobě nejsou schopny tuto informaci v buňce realizovat.

5
00:00:32,042 --> 00:00:40,523
Její využití vyžaduje koordinovanou činnost enzymů a dalších druhů bílkovin, které se podílejí na řadě událostí tvořících genovou expresi.

6
00:00:40,523 --> 00:00:49,268
Na genovou expresi se obvykle pohlíží jako na dvoufázový proces, který zahrnuje transkripci, neboli přepis genetické informace ze sekvence DNA 

7
00:00:49,268 --> 00:00:56,099
do její kopie v sekvenci RNA. Druhý proces je translace (překlad), kdy dochází k přeložení genetické informace 

8
00:00:56,099 --> 00:01:00,884
ze sekvence RNA do sekvence aminokyselin, tedy do proteinu.

9
00:01:00,884 --> 00:01:06,626
Všechny tyto procesy jsou založeny na strukturálních vlastnostech nukleových kyselin - a to na komplementaritě bází a 

10
00:01:06,626 --> 00:01:12,203
antiparalelismu v dvoušroubovicových strukturách NK.

11
00:01:12,929 --> 00:01:22,400
Funkce DNA souhrnně popisuje tzv. ústřední dogma molekulární biologie. To popisuje tok genetické informace mezi biologickými molekulami 

12
00:01:22,400 --> 00:01:31,277
(tzn. nukleovými  kyselinami a proteiny) a vychází z poznatků popsání struktury DNA jejími objeviteli Watsonem a Crickem. 

13
00:01:31,277 --> 00:01:43,322
Mezi běžné přenosy patří kopírování neboli replikace DNA, tvorba RNA na základě DNA neboli transkripce a přenos GI z RNA na protein neboli translace. 

14
00:01:43,322 --> 00:01:52,397
Pouze u specifických skupin RNA virů se vyskytuje i schopnost replikace RNA a tvorba DNA na základě RNA, neboli zpětná transkripce.

15
00:01:52,397 --> 00:01:58,601
V žádném případě však nelze přenést GI z proteinu zpět na nukleovou kyselinu. 

16
00:02:00,086 --> 00:02:10,580
Genová exprese neboli vyjádření genů je proces, při kterém se informace z genu využívá k syntéze funkčního genového produktu, tj. proteinu 

17
00:02:10,580 --> 00:02:16,223
nebo nekódující RNA se specifickou funkcí a nakonec ovlivňuje fenotyp.

18
00:02:16,223 --> 00:02:22,361
Exprese genetické informace je proces zahrnující dva kroky: transkripci a translaci.

19
00:02:22,361 --> 00:02:30,281
Při těchto procesech vznikají proteiny, které jsou základem správného složení a funkce buňky a celého organizmu.

20
00:02:32,327 --> 00:02:38,630
Později bylo prokázáno, že procesem exprese genů nemusí docházet jen k tvorbě proteinů.

21
00:02:38,630 --> 00:02:46,286
Pouze malá část buněčné RNA, obvykle ne více než 4 % celkové RNA, je tvořena mediátorovou RNA. 

22
00:02:46,286 --> 00:02:53,051
Většina RNA vznikající v buňce slouží k podpoře procesu translace případně k regulaci genové exprese,

23
00:02:53,150 --> 00:03:00,839
tzn. jsou to molekuly RNA, které nebudou přeloženy do bílkovin. Hrají tedy v buňce přímou roli jako samotné RNA

24
00:03:00,839 --> 00:03:08,924
- malé jaderné RNA (snRNA), malé jadérkové RNA (snoRNA), malé cytoplazmatické RNA (scRNA), mikroRNA (miRNA) 

25
00:03:08,924 --> 00:03:11,894
a případně malé interferující RNA (siRNA).

26
00:03:14,864 --> 00:03:23,939
Na schématu exprese lze vidět podrobně většinu procesů týkající se exprese strukturního genu, tedy genu, který kóduje protein. 

27
00:03:23,939 --> 00:03:31,661
Kromě základních dvou procesů transkripce a translace jsou zde uvedeny i posttranskripční modifikace RNA 

28
00:03:31,661 --> 00:03:43,409
a posttranslační modifikace proteinů. Jedná se o řadu regulačních kroků, které mohou ovlivňovat výslednou podobu proteinu,

29
00:03:43,409 --> 00:03:57,335
kódovaného v sekvenci DNA označované jako gen. Existuje zde dále vliv prostředí, 

30
00:03:57,335 --> 00:04:04,892
ve kterém se buňka nebo organizmus nachází a může také modifikovat výsledek daného kroku exprese.

31
00:04:06,938 --> 00:04:17,564
Asi nejdůležitější fází transkripce je první fáze, tzv. iniciace transkripce. Ne všechny geny jsou neustále transkribovány.

32
00:04:17,564 --> 00:04:26,540
Naopak existují mechanismy, které zajištují zapínání genů podle potřeby. Je nutno říci, že většina genů v buňce je v daný okamžik utlumena. 

33
00:04:26,540 --> 00:04:35,582
Jak však RNA polymeráza pozná, kde je v DNA gen a že má právě tento gen transkribovat? Hlavním mechanizmem spouštění exprese 

34
00:04:35,582 --> 00:04:42,974
je funkce promotoru genu, což je sekvence DNA, která iniciuje transkripci určitého genu vazbou RNA polymerázy

35
00:04:42,974 --> 00:04:53,138
a dalších složek transkripčního aparátu, tzv. transkripčních faktorů. RNA polymerázy jsou enzymy, které provádí vlastní transkripci

36
00:04:53,138 --> 00:05:03,203
- polymeraci RNA na základě templátového řetězce v DNA. U eukaryot jsou tři základní typy RNA polymeráz (I – III),

37
00:05:03,203 --> 00:05:11,123
každá s typickými promotory. Jádro promotoru RNA polymerázy II u eukaryot se skládá ze dvou hlavních segmentů.

38
00:05:11,123 --> 00:05:19,340
První je v oblasti –25, TATA box, který má konsenzuální sekvenci 5’-TATAWAAR-3’.

39
00:05:19,340 --> 00:05:27,689
Druhou částí jádra promotoru je sekvence iniciátoru (Inr), který se např. u savců nachází v okolí nukleotidu +1.

40
00:05:29,306 --> 00:05:37,885
Všechny geny procházejí první fází genové exprese, která se nazývá transkripce a jejímž výsledkem je syntéza molekuly RNA. 

41
00:05:37,885 --> 00:05:47,884
Transkripce je jednoduchá kopírovací reakce. RNA je stejně jako DNA polynukleotid, chemicky se liší pouze tím, že v RNA je cukr ribóza,

42
00:05:47,884 --> 00:05:58,213
nikoli 2'-deoxyribóza, a že báze thymin je nahrazena bází uracil (U), která se stejně jako thymin páruje s adeninem.

43
00:05:58,213 --> 00:06:05,704
Při transkripci genu slouží jedno vlákno dvojité šroubovice DNA jako templát pro syntézu molekuly RNA 

44
00:06:05,704 --> 00:06:13,360
a její sekvence nukleotidů vzniká na základě komplementarity, tzn. standardních pravidel párování bází.

45
00:06:15,109 --> 00:06:24,316
Na schématu vidíme, že DNA je dvoušroubovice a genetická informace je zapsána jen v jednom vláknu, které se označuje jako kódující, 

46
00:06:24,448 --> 00:06:30,058
nebo pozitivní. Zde je zapsána informace o sekvenci aminokyselin v kódovaném proteinu.

47
00:06:30,058 --> 00:06:39,067
Z důvodu komplementarity bází však jako templát slouží druhé tzv. negativní vlákno, označované často též jako antikódující.

48
00:06:39,067 --> 00:06:47,449
Po tomto vlákně se pohybuje enzym RNA polymeráza a na základě komplementarity bází polymeruje vznikající RNA řetězec. 

49
00:06:47,449 --> 00:06:56,788
Vzniklý primární transkript RNA nese stejnou informaci, tedy stejnou sekvenci jako kódující pozitivní vlákno

50
00:06:56,788 --> 00:07:05,632
i se stejným směřování. Jako 5´a 3´označujeme konce, které jsou v rámci vlákna DNA neměnné.

51
00:07:07,612 --> 00:07:15,565
Primární transkript musí být dále upravován. Dochází k zprocesování RNA jehož součástí je přidávání čepičky (capping), 

52
00:07:15,565 --> 00:07:25,135
RNA sestřih (neboli splicing) a polyadenylace. Čepička a polyadenylace slouží k ochraně vznikající RNA před degradací v buňce.

53
00:07:25,135 --> 00:07:31,075
Sestřihem se specificky odstraňují nekódující vnitřní části genu, neboli introny. 

54
00:07:31,075 --> 00:07:40,381
Jako příklad alternativního sestřihu je na schématu uveden sestřih pre-mRNA transkriptu genu alfa-tropomyosinu u potkana 

55
00:07:40,381 --> 00:07:48,796
v různých typech buněk. Z jednoho genu může vznikat 9 různých finálních transkriptů, s devíti navzájem poněkud odlišnými,

56
00:07:48,796 --> 00:07:56,386
ale podobnými proteiny. Světle zelené rámečky představují introny; ostatní barvy představují exony.

57
00:07:56,386 --> 00:08:05,593
Polyadenylační signály jsou označeny písmenem A. Čárkovaně jsou označeny oblasti, které byly odstraněny sestřihem.

58
00:08:08,728 --> 00:08:13,612
U některých genů je samotný transkript RNA konečným produktem genové exprese.

59
00:08:13,612 --> 00:08:21,928
U strukturních genů je transkript krátkodobou zprávou, která řídí druhou fázi genové exprese, nazývanou translace.

60
00:08:21,928 --> 00:08:31,135
Jedná se o překlad genetické informace (sekvence nukleotidů kódujících aminokyseliny peptidu) do primární struktury polypeptidu 

61
00:08:31,135 --> 00:08:39,352
(neboli sekvence aminokyselin). Bílkovina je další typ polymerní molekuly, ale zcela odlišný od DNA a RNA.

62
00:08:39,352 --> 00:08:48,427
V bílkovině se monomery nazývají aminokyseliny a existuje jich standardně 20 různých, z nichž každá má své specifické chemické vlastnosti.

63
00:08:48,427 --> 00:09:00,076
Translace je založena na komplementaritě bází mezi kodonem na mRNA (tzn. kopií genu) a antikodonem tRNA (nosičem aminokyselin). 

64
00:09:00,076 --> 00:09:06,973
Využívá se genetický kód – systém pravidel kódování aminokyselin.

65
00:09:06,973 --> 00:09:13,177
Zatímco transkripce probíhá v jádře, translace probíhá na ribozomech v cytoplazmě.

66
00:09:15,355 --> 00:09:21,625
Párování kodonu a antikodonu je zásadním mechanizmem překladu genetické informace do proteinu.

67
00:09:21,625 --> 00:09:33,010
Molekula mRNA přináší do místa translace genetickou informaci. Molekuly tRNA přináší aminokyseliny, které jsou na ně navázány. 

68
00:09:33,010 --> 00:09:40,138
Každá tRNA je specifická pro danou aminokyselinu a odlišují se od sebe antikodonem.

69
00:09:40,138 --> 00:09:47,662
Např. tRNA s antikodonem CGU má vždy na sobě navázanou aminokyselinu alanin

70
00:09:47,662 --> 00:09:54,889
A při translaci se tato tRNA může navázat jen na kodon GCA v mRNA. 

71
00:09:57,430 --> 00:10:03,172
Při translaci je sekvence aminokyselin určena sekvencí nukleotidů v mRNA. 

72
00:10:03,172 --> 00:10:08,617
Každý triplet sousedících ribonukleotidů určuje jednu aminokyselinu proteinu, 

73
00:10:08,617 --> 00:10:15,811
přičemž identita aminokyseliny odpovídající každému tripletu je dána genetickým kódem.

74
00:10:15,811 --> 00:10:23,929
Genetický kód je systém pravidel pro překlad, je to v podstatě překladový slovník, který je univerzální, tzn. až na několik výjimek 

75
00:10:23,929 --> 00:10:33,763
stejný pro všechny organizmy na světě. Formálně bývá genetický kód zobrazen ve formě tabulky nebo grafu umožňující jednoduchý odečet.

76
00:10:33,763 --> 00:10:43,894
Kodonů je celkem 64, z nichž jsou tři nesmyslné (stop kodony) a jeden je iniciační (zároveň kóduje aminokyselinu metionin). 

77
00:10:43,894 --> 00:10:50,758
Funkcí stopkodonu je zástava syntézy polypeptidu, musí tedy ležet vždy na konci kódující sekvence genu. 

78
00:10:50,758 --> 00:10:58,150
Protože je základních aminokyselin 20, tak je genetický kód degenerovaný, tedy platí že jedna aminokyselina 

79
00:10:58,150 --> 00:11:05,739
může být kódována vícero kodony, ale naopak to neplatí, tj. jeden kodon vždy kóduje stejnou aminokyselinu.  

80
00:11:05,739 --> 00:11:14,880
Všimněte si, že např. aminokyselina leucin může být kódována 6 různými kodony, naproti tomu tryptofan pouze jedním.

81
00:11:17,289 --> 00:11:24,417
Proces translace lze rozdělit do tří fází: iniciace, elongace a terminace.

82
00:11:24,549 --> 00:11:36,363
Kromě ribozomu, mRNA a tRNA jsou pro úspěšné dokončení každé fáze zapotřebí další proteiny. mRNA se navazuje na malou 

83
00:11:36,363 --> 00:11:48,474
podjednotku ribozomu spolu s iniciačními faktory.  Iniciační komplex tRNAmet se váže na sekvenci kodonu mRNA AUG svým antikodonem 

84
00:11:48,474 --> 00:11:55,272
UAC v peptidylovém místě. Velká podjednotka ribozomu se naváže na tento komplex. 

85
00:11:55,272 --> 00:12:04,710
Druhá aktivovaná tRNA s navázanou aminokyselinou vstoupí do místa A a mezi oběma aminokyselinami vznikne peptidická vazba.

86
00:12:04,710 --> 00:12:13,521
První tRNA bez aminokyseliny se odpojí a vzniká dipeptid navázaný na druhou tRNA. 

87
00:12:15,633 --> 00:12:28,767
Řetězec mRNA se posune o tři nukleotidy, tedy druhá tRNA se posune do místa P a třetí tRNA se může napojit v místě A na mRNA. 

88
00:12:28,767 --> 00:12:36,423
Tímto způsobem dochází k prodlužování sekvence aminokyselin přesně podle genetické informace v mRNA. 

89
00:12:36,423 --> 00:12:44,376
Jakmile se dosáhne v mRNA stop kodonu, tak se proces ukončí, celý komplex se rozpadne a uvolní se protein. 

90
00:12:44,376 --> 00:12:51,702
Ten pak bývá dále upravován v různých buněčných organelách a vznikají finální prostorové 3D struktury 

91
00:12:51,702 --> 00:12:55,299
umožňující specifickou funkci daného proteinu.

92
00:12:58,005 --> 00:13:04,275
A to je vše k této krátké prezentaci vysvětlující základy exprese genetické informace. Děkuji za pozornost.