0:00:00.000,0:00:08.999 Tématem této přednášky je Funkce DNA: replikace jako molekulární podstata dědičnosti. 0:00:08.999,0:00:15.531 Přednáška je součástí modulu 1 Genetika zvířat, který je součástí projektu ISAGREED. 0:00:15.531,0:00:21.530 Vytvoření této prezentace bylo podpořeno grantem ERASMUS + KA2 0:00:21.530,0:00:32.527 Inovace struktury a obsahu studijních programů v oblasti managementu živočišných genetických a potravinových zdrojů s využitím digitalizace. 0:00:34.127,0:00:38.726 V rámci přednášky si nejprve vysvětlíme pojem replikace a její význam, 0:00:38.726,0:00:45.058 řekneme si něco o modelech replikace a enzymech katalyzujících tuto reakci. 0:00:45.058,0:00:50.957 Podrobně si pak vysvětlíme průběh tzv. semikonzervativní replikace. 0:00:54.023,0:00:58.955 Replikace DNA je proces tvorby kopií molekuly deoxyribonukleové kyseliny, 0:00:58.955,0:01:06.587 čímž se genetická informace přenáší z jedné molekuly DNA do jiné molekuly stejného typu. 0:01:06.587,0:01:12.786 Jedná se o proces, který předchází buněčnému dělení (mitóze nebo meióze) 0:01:12.786,0:01:22.184 a je základním předpokladem toho, že po rozdělení buňky získá každá z dceřiných buněk DNA typickou pro daný druh. 0:01:22.184,0:01:30.183 Během dělení musí buňka zkopírovat celý svůj genom, aby obě dceřiné buňky nesly stejnou informaci. 0:01:30.183,0:01:38.181 O navazujících dějích, kterými jsou transkripce a translace se dozvíte v dalších přednáškách. 0:01:41.514,0:01:47.379 O struktuře DNA jste již slyšeli v předchozí přednášce, tedy pouze krátce zopakuji, 0:01:47.379,0:01:58.377 že DNA je složena ze dvou komplementárních polynukleotidových vláken (neboli řetězců) stočených do šroubovice (neboli helixu). 0:01:58.377,0:02:05.876 Tato vlákna jsou vzájemně spojena vodíkovými můstky na základě komplementarity mezi bázemi nukleotidů, 0:02:05.876,0:02:11.075 kdy adenin je vždy spojen s thyminem a cytosin s guaninem. 0:02:11.075,0:02:19.073 Komplementarita je základním předpokladem toho, že nově syntetizovaný řetězec bude odpovídat původnímu. 0:02:19.073,0:02:25.605 Na každém z vláken rozlišujeme tzv. 3´a 5´ konec. 0:02:25.605,0:02:38.602 Řetězce jsou navzájem orientované antiparalelně, což znamená, že proti 5´konci jednoho řetězce leží 3´konec řetězce druhého a naopak. 0:02:42.335,0:02:53.633 Replikace DNA probíhá tzv. semikonzervativně, což znamená, že každá nově vzniklá molekula se skládá z jednoho řetězce původní molekuly DNA, 0:02:53.633,0:03:01.864 tzv. templátu a jednoho řetězce nově dosyntetizovaného na základě komplementarity bazí. 0:03:01.864,0:03:09.030 Jako templát, neboli matrice, mohou sloužit obě vlákna původní molekuly DNA. 0:03:09.030,0:03:19.261 V minulosti byl navrhován i tzv. konzervativní model replikace, ve kterém obě vlákna dceřiné DNA jsou nově syntetizována 0:03:19.261,0:03:25.460 a obě templátová vlákna rodičovské molekuly jsou ponechána v původním složení. 0:03:25.460,0:03:33.458 Tento model už je ale v současné době překonán podobně jako model tzv. disperzní replikace, 0:03:33.458,0:03:42.656 která produkuje dvě šroubovice, ve kterých každé vlákno obsahuje střídající se segmenty staré a nové DNA. 0:03:45.089,0:03:48.222 Replikace je katalyzována řadou enzymů. 0:03:48.222,0:04:01.219 Jsou to především DNA polymerázy, které katalyzují na matricovém řetězci DNA syntézu komplementárního vlákna DNA z deoxyribonukleotidů. 0:04:01.219,0:04:06.218 Tato schopnost se nazývá endonukleázová aktivita. 0:04:06.218,0:04:14.217 Polymerace probíhá vždy ve směru od 5´konce k 3´konci. 0:04:14.217,0:04:26.881 Pro svoji činnost potřebují DNA polymerázy krátký oligonukleotid, tzv. primer, od jehož 3´konce je zahájena syntéza. 0:04:26.881,0:04:37.112 Některé polymerázy mají i exonukleázovou aktivitu, což znamená, že odstraňují nukleotidy z konce dceřiného vlákna. 0:04:37.112,0:04:50.110 Exonukleázová aktivita je nutná pro odstranění RNA primerů využívaných při replikaci DNA a nazývá se proof-reading neboli kontrolní aktivita. 0:04:50.110,0:04:55.109 Je důležitá i v případech zařazení nesprávného nukleotidu, 0:04:55.109,0:05:02.641 kdy umožňuje návrat o krok zpět a opravu - zařazení správné (komplementární) báze. 0:05:02.641,0:05:11.206 Proof-reading aktivita tedy snižuje frekvenci spontánních mutací zapříčiněných chybovostí DNA-polymerázy, 0:05:11.206,0:05:18.537 která je odhadována na průměrně jednu chybu na 10 na sedmou zreplikovaných párů bazí. 0:05:19.870,0:05:25.203 U prokaryotických buněk jsou známé tři druhy DNA-polymeráz. 0:05:25.203,0:05:32.401 DNA polymeráza I má funkci polymerizační i exonukleázovou aktivitu. 0:05:32.401,0:05:41.699 DNA polymeráza II má exonukleázovou aktivitu a uplatňuje se při zakončení polymerace. 0:05:41.699,0:05:48.698 DNA polymeráza III je tzv. holoenzym, má 3 podjednotky s více funkcemi, 0:05:48.698,0:05:56.697 které se pro větší účinnost (neboli procesivitu) spojují do dimeru tvořeného dvakrát třemi podjednotkami. 0:05:56.697,0:06:04.395 S dalšími proteiny rozpozná komplex RNA primeru s matricovým řetězcem DNA. 0:06:04.395,0:06:10.394 Polymerizuje rychlostí přibližně 30 tis. nukleotidů za minutu. 0:06:12.393,0:06:18.159 Mezi další důležité enzymy v procesu replikace patří DNA helikázy, 0:06:18.159,0:06:26.824 které katalyzují odvíjení DNA řetězců šroubovice (neboli helixu) rušením vodíkových vazeb. 0:06:28.823,0:06:36.155 Dalším enzymem je primáza, která katalyzuje syntézu RNA primeru (oligoribonukleotidu), 0:06:36.155,0:06:42.821 od jehož 3´konce se syntetizuje krátký polydeoxyribunukleotid. 0:06:42.821,0:06:46.820 Tento komplex se nazývá Okazakiho fragment – bude vysvětleno později. 0:06:46.820,0:06:54.052 Dále pak DNA ligáza, která katalyzuje spojení polynukleotidů. 0:06:54.052,0:07:00.051 Uplatňuje se zejména při spojování Okazakiho fragmentů do souvislého řetězce. 0:07:02.683,0:07:08.449 Jak již bylo řečeno, replikace DNA probíhá tzv. semikonzervativním způsobem, 0:07:08.449,0:07:18.447 což znamená, že obě vlákna původní DNA mohou sloužit jako templáty pro syntézu nových (dceřiných vláken). 0:07:18.447,0:07:28.445 Nová DNA je tedy vždy tvořena jedním vláknem původním a jedním nově dosyntetizovaným na základě komplementarity bazí nukleotidů. 0:07:28.445,0:07:38.676 Platí, že DNA polymeráza se pohybuje podél templátového řetězce ve směru od 3´k 5´konci 0:07:38.676,0:07:47.675 a nová vlákna vznikají ve směru opačném, tedy od 5´k 3´konci. 0:07:51.974,0:07:57.273 Zde bych chtěla ještě jednou připomenout význam komplementárního párování bází, 0:07:57.273,0:08:06.004 které je nezbytně nutné k tomu, aby nově vnikající dceřiná DNA odpovídala původní, rodičovské. 0:08:06.004,0:08:13.469 Na schématu je vidět, že cytosin se váže vždy s guaninem a to třemi vodíkovými můstky, 0:08:13.469,0:08:18.468 zatímco adenin s thyminem dvěma vodíkovými můstky. 0:08:18.468,0:08:25.500 Tato komplementarita je základním předpokladem uchování a předání genetické informace. 0:08:28.167,0:08:32.499 Vlastní replikace začíná denaturací dvouvláknové DNA, 0:08:32.499,0:08:41.997 kdy iniciační proteiny, které se vážou na DNA, rozvíjejí její dvojšroubovicovou strukturu přerušením vodíkových můstků. 0:08:41.997,0:08:46.330 Místa, kde je struktura DNA nejdříve narušena, 0:08:46.330,0:08:55.328 se označují jako replikační počátky neboli ori místa (z anglického origin of replication) 0:08:55.328,0:08:59.660 a jsou určeny speciální nukleotidovou sekvencí. 0:08:59.660,0:09:08.359 Proces narušení dvoušroubovicové struktury DNA je katalyzován enzymem DNA helikázou. 0:09:10.358,0:09:17.890 Pro začátky replikace jsou typické útvary ve tvaru Y, které se nazývají replikační vidlice. 0:09:17.890,0:09:22.389 V jednom replikačním počátku se vytvoří dvě vidlice, 0:09:22.389,0:09:28.688 které se pohybují směrem od sebe, a proto je replikace označována jako obousměrná. 0:09:30.354,0:09:36.453 Jakmile jsou iniciační proteiny navázány na DNA a otevřou její dvojšroubovicovou strukturu, 0:09:36.453,0:09:45.451 váže se na replikační počátek skupina proteinů, které spolupracují při syntéze nového vlákna DNA. 0:09:45.451,0:09:53.583 Jedná se např. o tzv. SSB-proteiny (z anglického single-strand binding proteins), 0:09:53.583,0:10:01.415 které ochraňují jednořetězcovou DNA uvolněnou helikázou před opětovným spárováním. 0:10:02.415,0:10:11.679 Protože DNA-polymeráza (hlavní enzym katalyzující replikaci) nedokáže začít syntetizovat nové vlákno, 0:10:11.679,0:10:24.177 musí tedy existovat jiný enzym, který by dokázal spojit dva volné nukleotidy a začal tak syntetizovat nové vlákno podle jednořetězcové DNA. 0:10:24.177,0:10:33.008 Tento enzym se nazývá primáza a tvoří krátké úseky o délce přibližně deseti nukleotidů, 0:10:33.008,0:10:35.675 které jsou označovány jako primery. 0:10:35.675,0:10:49.172 Nejedná se však přímo o úseky DNA, ale o úseky podobné sloučeniny, označované jako ribonukleová kyselina, proto tzv. RNA primery. 0:10:49.172,0:10:58.537 Tyto RNA primery již mohou být prodlužovány DNA-polymerázou jako nový řetězec DNA. 0:10:58.537,0:11:06.668 Později jsou pak RNA primery díky exonukleázové aktivitě DNA-polymerázy odstraněny. 0:11:09.335,0:11:19.033 Jelikož může být DNA syntetizována pouze ve směru 5´- 3´, nastává v replikační vidlici určitý problém. 0:11:19.033,0:11:28.131 Vzhledem k tomu, že v původní dvojšroubovici jsou vlákna v opačné orientaci, je replikační vidlice asymetrická. 0:11:28.131,0:11:39.762 Jeden nový řetězec je v replikační vidlici syntetizován podle templátu ve směru 3' → 5'. (Vzniká 5' → 3' řetězec). 0:11:39.762,0:11:48.560 Druhý nový řetězec je v replikační vidlici syntetizován podle templátu ve směru 5' → 3'. 0:11:48.560,0:11:57.558 Neexistuje však DNA-polymeráza, která by dokázala prodlužovat 5' konec DNA. 0:11:57.558,0:12:07.223 Tudíž v tomto směru roste diskontinuálně tzn., že jsou ve směru 5' → 3' syntetizovány krátké úseky DNA 0:12:07.223,0:12:13.755 (tzv. Okazakiho fragmenty), které jsou následně spojovány v kontinuální řetězec. 0:12:13.755,0:12:19.621 Řetězec, který je tvořen kontinuálně, se nazývá vedoucí řetězec. 0:12:19.621,0:12:25.386 Řetězec, který je tvořen diskontinuálně, se nazývá opožďující se řetězec. 0:12:28.186,0:12:35.518 Opožďující se řetězec je tvořen mnoha oddělenými úseky DNA tzv. Okazakiho fragmenty. 0:12:35.518,0:12:42.216 Na vytvoření souvislého vlákna DNA z Okazakiho fragmentů jsou třeba tyto enzymy: 0:12:42.216,0:12:51.414 DNA-polymeráza I, která odstraňuje RNA-primery a nahrazuje RNA-primery DNA 0:12:51.414,0:12:57.013 a DNA-ligáza, která nakonec spojí všechny úseky dohromady. 0:12:58.013,0:13:06.011 Replikace prokaryotického chromozomu končí na specifických sekvencích, tzv. terminátorech replikace (TER), 0:13:06.011,0:13:15.676 na které se váže protein inhibující aktivitu helikázy a tím se zastaví tvorba replikační vidlice. 0:13:15.676,0:13:22.675 Replikace DNA u eukaryotních organizmů je podobná prokaryotům. 0:13:22.675,0:13:31.673 Je však složitější, například replikace na koncích lineárních molekul - telomer tvoří specifický problém, 0:13:31.673,0:13:36.672 který je řešen RNA obsahujícím enzymem telomerázou. 0:13:39.205,0:13:49.670 Zde je ještě jednou znázorněn model celého replizomu – rozvolněné DNA a proteinového aparátu v replikační vidlici. 0:13:52.669,0:13:57.335 Závěrem si shrneme nejdůležitější poznatky z této přednášky. 0:13:57.335,0:14:08.832 Replikace DNA se děje semikonzervativním mechanismem, kdy každý původní řetězec DNA slouží jako templát pro vznik nové molekuly. 0:14:08.832,0:14:18.297 Jedná se o proces katalyzovaný řadou enzymů, důležité je zapamatovat si především DNA-polymerázy. 0:14:18.297,0:14:25.696 Polymerace nového vlákna probíhá vždy pouze ve směru 5´- 3´. 0:14:25.696,0:14:34.527 DNA polymeráza potřebuje k zahájení syntézy krátké úseky, označované jako RNA primery. 0:14:34.527,0:14:43.825 Syntéza nového řetězce je na jednom templátovém vlákně kontinuální (jedná se o tzv. vedoucí řetězec) 0:14:43.825,0:14:54.290 a na druhém templátu diskontinuální s tvorbou tzv. Okazakiho fragmentů (jedná se o tzv. opožďující se řetězec). 0:14:54.290,0:15:03.288 U eukaryot k replikaci dochází v S-fázi buněčného dělení, začíná na mnoha místech. 0:15:03.288,0:15:13.020 Replikace je nezbytná pro uchování genetické informace a je podstatou dědičnosti na molekulární úrovni. 0:15:15.019,0:15:23.018 Já vám tedy tímto děkuji za pozornost a pokud máte nějaké otázky, můžete využít zde uvedený e-mail.