Transcript Genom
Genom
Alexandr Sember
Genom
Definice: Původní
: úplný soubor veškeré genetické informace organismu
Novější, přesnější
: celková sekvence NK (DNA/RNA), která má informační hodnotu a je charakteristická pro daný organismus
Struktura genomu obecně:
Lineární/kružnicová DNA Segmentovaná/nesegmentovaná DNA/RNA ss (single-stranded)/ds (double-stranded)
Struktura genomu
Struktura genomu konkrétně: Prokaryota
: obvykle 1 kružnicová (nebo lineární) molekula (
nukleoid
) volně v cytoplazmě + plazmidy (kružnicové nebo lineární)
Eukaryota:
genom segmentovaný na jednotlivé
chromozomy
, jádro odděleno od cytoplazmy + v cytoplazmě mitochondriální DNA (kružnicová) + někdy chloroplastová DNA ( lineární!!
) + někdy plazmidy (př. u kvasinek)
Archae:
cirkulární dsDNA rozdělené u řady zástupců do více molekul, chybí jaderná membrána
Struktura genomu virů
Segmentovaný x nesegmentovaný; DNA x RNA; lineární x kružnicový
+ ssRNA viry
(hepatitida A, dětská obrna, klíšťová encenfalitida, SARS, zarděnky…)
- ssRNA viry
(chřipka, spalničky, příušnice, vzteklina…)
dsRNA viry
(Reoviridae)…případně viroidy, virusoidy (nejsou viry)
Retroviry
(ssRNA do dsDNA, reverzní transkripce; př. HIV) + DNA retroviry (př. hepadnaviry – př. hepatitida B)
ssDNA viry
(parvoviry – onemocnění zvířat, př. psů a koček, někteří bakteriofágové – M13, ΦX170)
dsDNA viry
(papillomaviry – bradavice; většina bakteriofágů; adenoviry – onemocnění dýchacích cest; herpesviry – plané neštovice, pásový opar)
Počet genů
: 3 – nejmenší RNA viry (bakteriofág MS2) 9-11 – nejmenší DNA viry (ΦX174) cca 150 – největší DNA viry (bakteriofág T2)
Virus vztekliny
PB2 PB1 PA HA NP NA M NS Influenza (Orthomyxoviridae) – virus chřipky
–
minus ssRNA
, 8 segmentů, 8 genů, 10 proteinů
HIV (Human Immunodeficiency Virus, Lentiviridae)
–
retrovirus
, 2 plus ssRNA, 9 genů (nejen
gag
,
po
l,
env
), 15 proteinů
RNA viry rychle mutují!!!
– RNA polymeráza nemá korekční aktivitu
Struktura genomu prokaryot
Genom
3500 genů, málo nekódujících sekvencí do 5 Mbp, 2500 –
Nukleoid
svinutý do 30 100 smyček okolo středu; RNA drží smyčky u sebe, proteiny drží nadšroubovicové závity, neutralizace náboje DNA: H1, Hu proteiny, kationty, polyaminy…
E. coli
: DNA 1,5 mm, průměr buňky 1 um
Plazmidy
– obvykle neesenciální geny, rezistence na ATB, pro konjugaci (F plazmid), syntéza toxinů zabíjejících bakterie (Col plazmidy), patogenita (Ti plazmid u
Argobacterium tumefaciens
, transgenoze).
Borrelia burgdorferi
plazmidů, nesou i (hlavní lineární genom + 17 lineárních nebo cirkulárních esenciální geny ) X
Treponema pallidum
(příbuzný druh, ne)
Vibrio cholerae
– 2 cirkulární chromozomy;
A. tumefaciens –
3 cirk. + 1 lineární
Struktura genomu eukaryot
Genom
lineární, segmentovaný na chromozomy Myrmecia pilosula (
♀
2n=2/
♂
1n )
Nejméně chromozomů Člověk
: DNA dlouhá 2 metry (3 x 10 9 bp x 2 pro diploidní genom x 0,34 nm vzdálenost mezi bp) se musí vejít do buňky velké 10-15 um – nutnost mnohonásobné spiralizace; 2n = 46 chromozomů; záporný náboj DNA odstíněn histony (bazické proteiny); řada dalších komponent chromatinu…
Nejvíce chromoz.
Ophioglossum reticulatum
(2n=96x=1440)
Srovnání prokaryota/eukaryota
-
Prokaryota
: Malé, kompaktní genomy, téměř samé geny Vyjímečně mají introny v genech (v rRNA, tRNA genech, př. 23S rRNA u
Salmonella typhimurium)
Nukleoid neoddělen od cytoplazmy membránou – translace přímo navazuje na transkripci 1 replikační počátek/genom Haploidní genom -
Eukaryota
: Větší genomy, nižší hustota genů (klastry genů a genové pouště) Velké procento genu tvoří introny mutací) (kombinace exonů, rekombinace, snížení rizika Rozsáhlé intergenové oblasti (unikátní/repetice), větší počet regulačních sekvencí Jaderná membrána, posttranskripční úpravy pre mRNA (hnRNA ) a teprve poté přesun do cytosolu Více replikačních počátků/genom Diploidní/polyploidní genom
Genová denzita - srovnání
Velikost genomů
Velikost vybraných haploidních genomů
Velikost (bp) Rok přečtení První osekvenovaný genom…
Organismus bakteriofág MS2 bakteriofág ΦX-174 bakterie Haemophilus inluenzae kvasinka Saccharomyces cerevisiae hlístice Caenorhabditis elegans rostlina Arabidopsis thaliana člověk Homo sapiens sapiens
3 569 5 386 1,83 .10
6 12,1 .10
6 98 .10
6 157 .10
6 3,2 .10
9
měňavka Amoeba dubia
67 .10
10 1975 1977 1995 1997 1999 2000 2004 ssRNA viru ssDNA viru prokaryotického org.
eukyraotického org.
vícebuněčného org.
rostliny savce největší známý genom (dosud nepřečtený)
Paradox C hodnoty
C-hodnota = obsah DNA v haploidním genomu (bp, pg) Paradox C-hodnoty = neexistuje jednoduchý přímý vztah mezi velikostí genomu a biologickou (genetickou) komplexitou organizmu Totéž platí i pro G-hodnotu (počet genů) Nejmenší genom:
Mycoplasma genitalium
500kb Největší genomy: např. mloci, nebo liliovité rostliny (velikost zhruba 100x lidský genom)
Osekvenované genomy
Další příklady osekvenovaných genomů:
Prokaryota:
E.coli
Viry: SARS Rostliny: rýže (
Oryza sativa
, 2002), huseníček rolní (
Arabidopsis thaliana
, 2000), kukuřice setá (
Zea mays
), topol chlupatoplodý (
Populus trichocarpa
, 2006), mech
Physcomitrella patens
(2008), vinná réva (
Vitis vinifera
, 2007) , papája (
Carica papaya
, 2008), čirok (
Sorghum bicolor
, 2009) Hmyz:
D. melanogaster
(2000), komár
Anopheles
, včela medonosná (2004), bourec morušový (91% v 2004) Ryby: zebřička (
Danio rerio
), čtverzubec fugu (
Takifugu rubripes
, 2002), čtverzubec černozelený (
Tetraodon nigroviridis
, 2004) Obojživelnící: drápatka
Xenopus tropicalis
Ptáci: kur bankivský (
Gallus gallus
, 2004) Savci: myš (2002), prase (2005), šimpanz (2005), pes (boxer)
Osekvenované genomy
Sekvenování
=
Stanovení sekvence nukleotidů v molekulách NK
Dideoxy – metoda terminace řetězce (Sanger a Barell, 1977) Metoda chemického štěpení
(Maxam a Gilbert, 1977)
Next generation sequencing :
454 pyrosekvenování, SOLiD, Solexa, Helicos, Ion Torrent… Sekvenování dvou lidských genomů (automatické sekvenátory) celková cena 300 milionů dolarů, každý chromozom se sekvenoval několik týdnů x pyrosekvenovaný genom J. Watsona byl celý hotový za 2-3 týdny, celková cena 100 tisíc dolarů
Sekvenování
Dideoxy – metoda terminace řetězce (Sanger a Barell, 1977) + -
Sekvenování
Dideoxy – metoda terminace řetězce - současnost
Automatické sekvenátory
Lidský genom
Lidský jaderný genom (projekt HUGO = Human Genome Organization, založen 1990)
Publikace 2001, zpřesnění 2004, 2006, shotgun metoda
25,2
% geny (
1,2%
exony, 24% introny);
Celera Genomics 22 287
genů kódujících proteiny
(Venter), 2001
(odhad z roku 2004; dnes okolo 21 000 genů)
21-22%
mezigenová DNA (heterochromatin, regulační sekvence, pseudogeny, genové fragmenty)
50%
genomu jsou repetitivní sekvence (tandemové x disperzní; vysoce x středně repetitivní)
Tandemové Disperzní:
: centromery – satelitní DNA, telomery, mikrosatelity, minisatelity, rDNA klastry…) většina transponovatelných elementů -
45%
genomu!!!!!
Mezinárodní Konsorcium, 2001
Lidský genom
Lidský mitochondriální genom
16,6 kbp,
37 genů
22 genů pro
rRNA
, 2 pro
tRNA
, 13 pro
proteiny dýchacího řetězce
(ty jsou syntetizovány na mitochondriálních ribozomech, zbytek je kódován v jádře, syntetizován na ribozomech v cytosolu a pak exportován do mitochondrií) Původ mitochnondrií z α – proteobakterií (
Ricketsia
) endosymbióza
Lidský genom
Dnes podle ENSEMBL: http://www.ensembl.org/Homo_sap iens/Info/StatsTable?db=core Databáze sekvencí DNA
1)GenBank (USA)– dnes provozována Národním centrem pro biotechnologické informace (NCBI = National Center for Biotechnology Information), která je součástí Národní lékařské knihovny (NLM = National Library of Medicine); www.ncbi.nih.gov
2)EMBL (European Molecular Biology Laboratory) 3)DDBJ (DNA DataBank of Japan) Dnes propojeny dohromady všechny; v databázích se dají hledat sekvence podobné zadaným sekvencím (BLAST = Basic Local Alignment Search Tool)
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Genomes/
Genomika
= Studium celých genomů (včetně vývoje metod potřebných pro toto studium)
Oblasti genomiky 1) strukturní
: studium struktury genomu; konstrukce genomových sekvencí, identifikace a lokalizace genů, tvorba map (sekvenování…)
2) srovnávací
: studium evoluce genomu; srovnávání genových sekvencí mezi různými genomy (shody a rozdíly, syntenní mapy) → stanovení evolučních vztahů mezi organismy, studium evoluce chromozómů, identifikace genů, regulačních sekvencí, určení funkce genových produktů, lokalizace genů
3) funkční
: studium biologické funkce genů, jejich produktů, a jejich regulace; analýza transkriptomu a proteomu; z toho pak vznik
transkriptomiky
(microarrays, chromatinová immunoprecipitace, real-time PCR, PCR s reverzní transkripcí, RACE, SAGE…) a (hmotnostní spektrometrie, krystalografie, dvouhybridová analýza, lokalizace proteinů pomocí GFP apod..)
proteomiky
Třídění sekvencí v genomu
Unikátní (jedinečné) sekvence
: 1 10 kopií/haploidní genom (geny, regulační oblasti, pseudogeny)
Repetitivní sekvence
: >10 kopií/ haploidní genom rozlišení na základě kinetiky DNA renaturace v 60. let. 20. st. – R. Britten, D. Kohne
Repetitivní sekvence
Vysoce repetitivní sekvence
– více než 100 tisíc kopií / n
Satelitní DNA
(samostatný pruh při hustotní centrifugaci v gradientu CsCl), obvykle se nacházejí v tandemu (za sebou)
Repetitivní sekvence
Vysoce repetitivní sekvence – Satelitní DNA α - Satelitní DNA
– shluky na 1/několika málo místech genomu (alfa satelit v lidských centromerách – 171 nt motiv)
Minisatelitní DNA
= VNTR (variable number of tandem repeats), 10 100bp motiv, několik desítek – stovek kopií za sebou; hodně v subtelomerických oblastech; patří sem i telomery
Mikrosatelitní DNA
= STR (short tandem repeats), 2-10bp motiv, několik tisíc kopií v tandemu za sebou, nejčastěji dinukleotidové (př. CACACACACACACA…) – ještě více polymorfní než VNTR (slippage DNA polymerázy nebo nerovnoměrný crossing over – vznik nových alel); vyjímečně i v genech – př. (CAG)n u Huntingtonovy chorey, expanze tri-nukleotid. repetic Využití repetitivních sekvencí ve forenzní genetice a v molekulární taxonomii (mikrosatelity, RAPD, RFLP).
* Mikrosatelity a minisatelity někdy brány jako středně repetitivní
Forenzní genetika
Usvědčení pachatele trestného činu Identifikace mrtvých osob Příbuzenské vztahy (paternita) - Paleogenetika STR profil
-
16 STR lokusů (nekódující oblasti DNA)
-
Polymorfní
-
Každý člověk má individuální sestavu různých alel STR
-
Již 10 lokusů by stačilo na odhalení 1 osoby z populace 10 miliard lidí
STR – vznik nových alel
1) Nerovnoměrný crossing - over 2) Sklouznutí (slippage) DNA polymerázy během replikace Slippage:
může být dopředu/dozadu; vytvoří se vlásenka - vyboulí se staré/nové vlákno DNA; nejdříve dojde k disociaci nového řetězce od templátu, při zpětné reasociaci nastává problém…
Repetitivní sekvence
Středně repetitivní sekvence
: 10 100 tisíc kopií / n Obvykle disperzní (rozptýlené) repetice 1) většina
transponovatelných elementů (TEs)
disperzní
2) Multikopiové genové rodiny
= geny pro ribozomální proteiny, aktin a myosin, histony, rRNA geny – jsou potřebné ve velkém množství – tandemové uspořádání Erythrinus erythrinus (Bertolo et al. 2010)
Transponovatelné elementy
TEs =
úseky DNA, které se mohou přemisťovat (přeskakovat) z jedné pozice hostitelského genomu do jiné (
transpozice
)
Dle způsobu transpozice: Class I = Retrotranspozony Class II = DNA transpozony
Unikátní sekvence
Geny, regulační sekvence, pseudogeny,
nefunkční mutované geny, fragmenty, endogenní retroviry, počátky replikace
… GEN
= organizovaný úsek nukleové kyseliny projevující se a přenášející se jako základní jednotka dědičné (genetické) informace.
Strukturní gen
kóduje polypeptid
Gen kódující funkční RNA
kóduje tRNA, rRNA a řadu dalších RNA
Gen jako regulační nebo strukturní oblast
centromery, telomery ...
- promotory, enhancery,
Gen jako dědičná variabilní oblast nukleové kyseliny
polymorfní DNA (alely STR)...
satelitní
Přesná definice genu neexistuje…
Vývoj pojetí genu
1)
J.G. Mendel
(1866): gen je „ jednotkový faktor“, který
řídí specifický fenotypový znak
jako např. barva květů hrachu (znovuobjevení roku 1900)
Mendelovy zákony: 1) Zákon o uniformitě hybridů F1 generace po křížení homozygotních rodičů a identitě reciprokých křížení
Křížíme-li dominantního homozygota s homozygotem recesívním, jsou jejich potomci F1 generace v sledovaném znaku všichni stejní.
Nezáleží, zda je vloha zděděna od otce či od matky.
2) Zákon o čistotě a náhodné segregaci alel do gamet
U heterozygota se dvě alely v průběhu tvorby gamet od sebe oddělují, segregují se (meióza); nestejnorodost F2 generace s fenotypovým štěpným poměrem 3:1; znovuobjevení recesivního fenotypu
3) Zákon o volné kombinovatelnosti alel
Vlohy pro jednotlivé znaky jsou na sobě nezávislé
Vývoj pojetí genu
Co Mendel nevěděl:
neúplná dominance mnohotný alelismus intergenové interakce letalita (neživotaschopnost některých zygot) znaky vázané na pohlavní chromozomy mimojaderná dědičnost (mitochondrie – matroklinita); (u pohlavních chromozomů a mimojaderné dědičnosti neplatí identita reciprokých křížení) genová vazba (neplatí zákon o volné kombinovatelnosti alel) dědičnost kvantitativních znaků meiotický tah a genová konverze (porušují zákon o segregaci alel) epigenetická dědičnost, genomický imprinting horizontální přenos (alela není ani u jednoho z rodičů)
Vývoj pojetí genu
2) A. Garrod (1909): = 1 metabolický blok 1 mutantní gen
monogenní choroby u člověka (alkaptonurie, albinismus) některé lidské choroby jsou způsobené „vrozenými chybami metabolismu“ jako výsledek ztráty určitého enzymu -
3) Thomas Hunt Morgan (1915)
Polytenní chromozomy
Drosophilla melanogaster
(2n=8) -
geny jsou striktně lineárně uspořádány za sebou
geny jsou lokalizovány na chromozomech geny, které jsou spolu na jednom chromozomu, nesegregují nezávisle na sobě (
genová vazba
)
Vývoj pojetí genu
-
4) G.L. Beadle, E.L. Tatum (1940)
:
1 gen = 1 enzym
Auxotrofní mutanty plísně
Neurospora crassa
(RTG nebo UV) každá enzymově katalyzovaná chemická reakce je v organismu řízena jedním genem
5) L. Pauling, J.V. Neel, J.A. Beet (1949): 1 gen = 1 protein
studium srpkovité anémie, hemoglobiny se liší svými chemickými vlastnostmi (HbA, HbS); geny tedy nedeterminují jen enzymy -
6) V. M. Ingram (1954-1957) 1 gen – 1 polypeptid
prokázal, že změna HbS je v globinu a ne v hemu Proteinové komplexy z více podjednotek; enzymy složené z více polypeptidů kódovaných různými geny
Další vývoj představ o koncepci genu:
7) geny někdy kódují pouze RNA (tRNA, rRNA);
1 gen = 1 transkript
8) eukaryotické geny jsou přerušované
introny
+ mají regulační sekvence (
enhancery , silencery
) 9)
alternativní sestřih
jeden gen může kódovat více polypeptidů (proteinové izoformy), jiná kombinace exonů/intronů nebo jejich částí
Vývoj pojetí genu
10) Genové segmenty
u V(D)J rekombinace protilátek – variabilita protilátek, stavebnice segmentů
11) Geny uvnitř genů, překrývající se geny
(viry) genom fága ΦX174 (ssDNA, 5386nt; Φ = fí) kóduje 11 proteinů, které se ale nevejdou svou informací do celkové DNA viru
-
součet AMK z proteinů fága je 2300, ale dle genetického kódu 5386/3 má fág kapacitu jen na 1795 AMK! – jak to může kódovat? - Po sekvenování genomu odhaleno:
Překrývající se geny
odlišné čtecí rámce téže molekuly DNA kódují různé proteiny, výjimka z nepřekryvnosti genetického kódu (možnost programovaného frameshiftu)
Uspořádání genů v genomu
Prokaryota
•
Operony
– geny jedné biosyntetické dráhy regulovány z jedné cis-regulační oblasti ( operátoru ) sousedící s promotorem; geny se přepisují dohromady (polycistronní transkript); pořadí genů = posloupnost biosyntetické dráhy
Tryptofanový (Trp) operon
Jacob a Monod – operonová teorie (1961) – laktózový (Lac) operon
Uspořádání genů v genomu
Eukaryota
•
Každý gen má svoji vlastní regulační oblast
– více možností regulace; monocistronní transkripty (ale
C. elegans
– 25% genomu dicistronní)
Uspořádání genů možná není zcela náhodné
- shluky genů s podobnými expresními profily
Promotor :
sekvence DNA, která určuje polohu transkripčního startu a směr transkripce, před genem; místo nasednutí RNA polymerázy
Terminace transkripce
: polyadenylační signál (u mRNA)
HOX geny
• specifický případ uspořádaného klastru genů eukaryot Transkripční faktory, které řídí základní rozvržení těla během vývoje živočišných embryí podél ocaso-hlavní osy regulovaný vznik struktur těla ve správném čase na správném místě Každý obsahuje homeobox (homeodoména – vazba na DNA) -v roce 1923 Bridges a Morgan popsali mutaci
bithorax u drozofily
Mutace v genu
Antennapedia – nohy místo tykadel; nesprávná exprese genu Antennapedia v hlavičce
Normální moucha Mutace v genu bithorax
– nadbytečný pár křídel místo končetin zvaných haltery (kyvadélka)
HOX geny
Prostorové uspořádání HOX genů odpovídá tomu, v jakém pořadí budou exprimovány. Většina z nich je exprimovaná vysoce jen v některém stádiu (tmavší barva), později už tolik ne, jindy vůbec. U obratlovců jsou 4 HOX komplexy, každý na jiném chromozomu, ale když se přenesou do mouchy, tak částečně nahradí její HOX komplex. 4 HOX komplexy zřejmě vznikly duplikací hmyzích dvou klastrů.
Typy genů
Esenciální geny
– nutné pro život (u člověka 5% genů, u
E.coli
50%) -
Housekeeping geny
(udržovací geny) patří mezi esenciální geny, exprimují se v každé buňce bez rozdílu Kódují proteiny pro běžný provoz buňky geny pro tRNA, rRNA, ribozomální proteiny, histony, polymerázy, některé enzymy aj.
Tkáňově-specifické geny
Exprese jen ve specifických tkáních, v jiných buňkách umlčeny Průměrně velký lidský gen 27000 bp, ale pouze 1300 bp skutečně kóduje průměrně velký protein (430 aminokyselin u člověka)
Rekordy
Nejmenší geny Microcin C7
bakteriální antibiotikum microcin C7 oligopeptid sestávající ze 7 AK -nesen plazmidem
E. coli
, má 27 nt a je přepisován spolu s dalším microcinovým genem, má samostatné vazebné místo na ribozóm umístěné před kodonem pro fMet
Největší gen Dystrofin
2.5 Mb dlouhý (0.1% genomu), 14kb mRNA 79 exonů -78 intronů (99,4% délky genu) -sestřihnutá mRNA = 14 000 nt 8 promotorů -exprese ve svalech a mozku -poloha Xp21 delece: Duchenneova muskulární dystrofie (1:3500 u mužů) nebo Beckerova MD (slabší příznaky, př. delece bez posunu čtecího rámce)
Lidský genom
Odhady počtu protein kódujících genů u člověka
1997: ~100 000 2000: ~ 60 000 2001: 30 000 - 40 000 2004: 20 000 - 25 000,
tj. ~ 1,2% genomu
(když bereme v úvahu jenom exony)
Resume: původní odhady zkresleny, nepočítalo se s alternativním sestřihem, alternativními promotory, alternativními poly-A signály atd..
Počty protein kódujících genů u jiných organismů
myš 23 000 Drosophila 14 000 C. elegans 20 000 Arabidopsis 25 000
Resume: Člověk zhruba stejný počet genů jako C. elegans, ale vyšší počet alternativních transkriptů a post-translačních modifikací vzniká až 5 x více různých proteinů u člověka
Lidský genom Šokující zjištění!!
Zatímco, protein kódující geny tvoří u člověka jen asi 1,2% jaderného genomu, transkribováno je až 90% lidského genomu!
- rRNA, tRNA, snRNA, snoRNA, miRNA, siRNA, piRNA Alternativní transkripty - Antisense transkripty (>50% kódujících genů má antisense transkript) • Dlouhé nekódující RNA (např. Xist).
• Transkribované pseudogeny
Pseudogeny
Pseudogeny = nefunkční kopie genů. Sekvenční homologie se známými geny (ale rychle mutují). Mohou být transkribovány, mohou mít regulační fci? (antisense orientace – siRNA) Neupravené pseudogeny: vznik duplikacemi a následnými mutacemi genů, nebo reverzní transkripcí pre-mRNA a inzercí DNA kopie pre-mRNA do genomu (reverzní transkriptáza retrotranspozonů nebo retrovirů), také jako činnost Helitronů Pro započetí reverzní transkripce stačí poly-A –konec a ten má téměř jakákoliv mRNA Upravené pseudogeny: vznik reverzní transkripcí mRNA bez intronů +inzerce cDNA do genomu, chybí regulační sekvence v DNA Vyřazené pseudogeny: vznik mutacemi v genech; předčasné stop kodony v mRNA apod.
Evoluce genů
1) Evoluce genovou duplikací (Ohno, 1970)
Duplikace části genu, celého genu (genová
rodina), klastru genů, celého genomu ( polyploidizace )
- Po duplikaci genu si 1 kopie zachová původní funkci, druhá získá novou funkci (neofununkcionalizace) nebo (většinou) se stane pseudogenem
2) Exon shuffling
– kombinace exonů, chimérické geny, činnost transponovatelných elementů (př. Helitrony
3) Horizontální přenos
- př. u bakterií přenos genů rezistence na ATB pomocí plazmidů), přenos genů z endosymbiotické bakterie Wolbachia na hostitelské druhy hmyzu; gen syncitin u člověka (z genu env endogenního retroviru; úloha při formaci placenty); využití Ti plazmidu (tumor-inducing) z A. tumefaciens – schopnost včlenění do genomu rostliny (T DNA) - transgenoze, Bt-kukuřice (protein z Bacillus thuringiensis – odolnost vůči škůdci)
4) Vnitrobuněčný přenos – z plastidů, mitochondrií
Homology genů
Homolog (z řec. homos = stejný) - dá ještě dále třídit na: ortholog
homologické geny u různých druhů mající společného předka a většinou plní podobné funkce - odraz evoluce; př. hemoglobin člověka a krávy
paralog
homolog odvozený genovou duplikací a následnou diverzifikací v rámci jednoho druhu; často mají odlišnou funkci – př. myoglobin, -hemoglobin, hemoglobin u člověka
xenolog
k homolog získaný horizontálním přenosem - řada genů pro rezistenci antibiotikům, ATPasy vakuolárního / archealniho typu u Gram + bakterií, archealní lysyl-tRNA synthetasa u
Borrellia burgdorferi
)
synolog
homolog v jednom organismu získaný po fúzi dvou nepříbuzných organismů - mitochondrie, chloroplasty v eukaryontní buňce)
Genové rodiny
= skupiny genů, které se během evoluce vyvinuly z jednoho společného předka a zachovaly si vysoký stupeň sekvenční podobnosti (stejné/různé funkce); pouze 76/2 200 genových rodin společných pro všechny organismy; člověk má 15 000 genů v genových rodinách
Příklad konvergence
Vznik genu pro nemrznoucí glykoprotein Arktidě).
AFGP
(antifreeze glycoprotein) u ryb žijících v polárních oblastech (odlišná forma v Antarktidě a AFGP gen vznikl před 2,5 miliony let přestože obě formy genů vznikly z různých genů, oba obsahují dlouhé úseky kódující
tripeptid Thr-Ala-Ala
Antarktický gen vznikl z genu pro trypsinogen amplifikací tripeptidové sekvence Vznik arktického AFGP nemá nic společného s genem pro trypsinogen -
Konvergentní evoluce
na sobě, evoluce je dovedla v podobných prostředích k podobnému výsledku. – vznik u nepříbuzných organismů nezávisle
Zvětšování genomů
1) Duplikace
-
polyploidizace
(duplikace celého genomu); zejména u rostlin (ale u savců př. osmáci jsou oktaploidní)
segmentální duplikace
(duplikace chromozomových segmentů) -
tandemové duplikace
(duplikované geny / segmenty řazeny za sebou na stejném chromozómu) -
genové (ektopické) duplikace
(duplikované geny / menší skupiny genů nejsou řazeny za sebou) 2)
Akumulace transponovatelných elementů
– 80% genomu u kukuřice, 50% genomu rýže… 3)
Inzerce cizorodých sekvencí
Zmenšování genomů
Př. homologická rekombinace mezi různými kopiemi retroelementů
v rámci jednoho řetězce DNA → musí to být rekombinace mezi přímými repeticemi!!, vyštěpí se kus chromozomu a je ztracen (nemá centromeru) markerem po deleci jsou solo LTR sekvence
Děkuji za pozornost..
Prezentace částečně vychází z přednášek: Genetika (Holá, Kočová), Evoluční genetika (Munclinger, Reifová), Forenzní genetika (Vaněk, Šimková), Základy molekulární biologie (Pospíšek), Virologie (Forstová), Genetika rostlin (Holá, Kočová, Rothová)