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.