Základy cytogenetiky Genetická výbava buňky Genom Genom je soubor veškeré genetické informace konkrétního organizmu.  Tato informace je zapsána v DNA (pouze u některých virů v RNA)  Obecně pod tento pojem zahrnujeme kódující i nekódující sekvence DNA  Genom řady organizmů (včetně člověka - viz projekt HUGO) byl již v současné době kompletně osekvenován V případě eukaryotních organismů lze dále rozlišovat: jaderný genom (genomická DNA) a extrajaderný genom Jaderný genom Mikroskopická struktura jádra endoplazmatické retikulum heterochromatin euchromatin jaderná blána jaderný pór jadérko organizátor jadérka Chemické složení jádra  Komplex DNA s proteiny neboli chromatin  podle barvitelnost:  heterochromatin - transkripčně málo aktivní (vysoký stupeň kondenzace DNA), barví se tmavěji  euchromatin - transkripčně aktivní oblast jádra (nízký stupeň kondenzace DNA, vlákno je více rozvinuté), barví se světleji Organizace jaderného genomu  délka a počet DNA molekul v jádře vylučuje jejich volné uložení. Proto dochází k několikastupňové organizaci –  spiralizace jaderné DNA  Stupeň organizace chromatinu se mění podle životní fáze buňky  K maximální spiralizaci dochází při přípravě pro buněčné dělení, kdy jsou zformovány - chromozomy  Při ostatních životních fázích buňky dochází k částečnému rozvolnění Organizace jaderného genomu Primární struktura Sekundárnístruktura Terciárrní struktura Kvartérní struktura DNA jednoho „průměrného“ chromozomu člověka měří 6 cm (!) DNA všech 46 lidských chromozomů měří 2 metry (!!) Kondenzace a dekondenzace DNA V jádrech buněk dochází ke střídání dvou stavů: 1. Molekuly DNA jsou minimálně kondenzované a chromozómy nejsou pozorovatelné. Tato etapa života buňky se označuje interfáze. 2. Molekuly DNA jsou maximálně kondenzované v útvary, které se nazývají chromozómy a umožňují dělení jader. Extrajaderná genom  = mimojaderný genom, plazmon  Týká se genů, které se nenacházejí v jádře na chromozómech, ale jinde.  Tyto geny se nacházejí v cytoplazmě nebo v ní se nacházejících organelách mitochondriích či plastidech  Dědičnost znaků kódovaných extrachromozomálními geny se řídí zcela jinými principy než dědičnost znaků kódovaných geny chromozomálními  U člověka v této souvislosti musíme uvažovat mitochondriální genom  Maternální dědičnost (je dána výraznou redukcí množství semiautonomních organel obsažených v samčích pohlavních buňkách, které obvykle nenesou žádné plastidy a jen minimum mitochondrií, které navíc oplodněné vajíčko přednostně zlikviduje) Mitochondriální genom  Kruhová DNA (mtDNA)  svým charakterem se podobá prokaryotnímu nukleoidu, nikoliv eukaryotický chromozom  Mitochondriální DNA tedy představuje doklad endosymbiotické teorie  16 500 písmen genet. Kódu  37 genů: 22 pro tRNA, 2 pro rRNA, 13 pro proteiny – pro vlastní potřebu (oxidativní fosforylace)  vajíčko – až 100 000 mitochondrií Základní pojmy genetiky Gen=informace pro utvoření určité vlastnosti organizmu =konkrétní úsek DNA nesoucí dědičnou informaci pro tvorbu bílkoviny Genom=soubor všech genů v dané buňce Genofond=soubor všech genů v dané populaci Genotyp=soubor všech genů daného organizmu Fenotyp=soubor všech znaků daného organizmu Znak=vlastnost organizmů=vzniká realizací genetické informace =expresí genu Alela=konkrétní forma genu (jedna z jeho funkčních stavů) Chromozomy Chromozomy jsou většinou značně rozvolněné a nejsou viditelné interfázové chromozomy  ovšem i interfásový chromozom si udržuje jistou úroveň sbalení  předpokládá se, že v interfázi zůstává zachováno 30nm vlákno, které nehistonové proteiny váží k nukleární lamině a snad i k nukleární matrix  toto připevnění tak dává každému z interfázových chromozomů své přesné místo v jádře a zabraňuje tak zamotání jednotlivých chromozomů Na počátku dělení buňky dochází k jejich spiralizaci, zkracování a tím i zviditelnění mitotické chromozomy Chromozomy - stavba Každý chromozom se skládá z jedné molekuly DNA a komplexu bílkovin (histonů) Komplex DNA s bí = chromatin proteiny napomáhají sbalení Protein se také podílejí na genové expresi, replikaci a reparaci DNA V S-fázi buněčného cyklu dochází ke zdvojení DNA, takže v době dělení buňky je chromozóm tvořen dvěma stejnými částmi – chromatidy jedna chromatida – krátké (p-) raménko a dlouhé (q-) raménko Centomera (repetitivní sekvence) je místo, kde se chromozóm připojuje na vlákna dělícího vřeténka telomery na koncích (repetitivní sekvence) Na některých chromozomech – sekund. Konstrikce – odděluje satelit. - organizér jadérka + kinetochory = proteinové struktury; při mitóze se na ně připojují kinetochorová vlákna (~ mikrotubuly); pokud poškozeny či chybí → chromozom se při mitóze ztrácí a vznikají aneuploidní buňky Popis chromozómu dlouhé rameno krátké rameno centroméra sesterské chromatidy – vzniklé replikací DNA DNA teloméry Satelity chromozómů satelit - přívěsek. sekundární konstrikce - místo oddělující satelit sekundární konstrikce satelit Chromozomy - stavba Umístění centromery není na každém chromozomu stejné: podle umístění cetromery dělíme chromozomy na: Metacentrické – obě raménka jsou stějně dlouhá Submetacentrické – jedno raménko je mírně delší Akrocentrické – jedno raménko je výrazně delší Telocentrické – mají pouze jedno raménko, centromera je zcela na okraji chromozomu Chromozomy Každá rostlinná nebo živočišná buňka má přesně daný počet chromozomů: Člověk 46 Šimpanz 48 Kapr 104 Komár 6 Borovice 24 Hrách 14 Chromozomy  každý biologický druh má svou charakteristickou chrom. výbavu  počet  Morfologie – velikost a tvar =KARYOTYP  Lidský karyotyp tvoří v somatických buňkách 23 párů, celkem tedy 46 chromozomů. Chromozomy se dělí na: Autozomy  nepohlavní chromozom  u člověka v klasické tělní buňce 22 párů  autozom se vyskytuje v jedné buňce dvakrát neboli v párech (jeden od matky, druhý od otce)  dvojice totožných chromozomů = homologické chromozomy  homologické chromozomy obsahují geny kontrolující tytéž dědičné kvality  pokud například je na jednom chromozomu lokus obsahující gen ovlivňující barvu očí, pak na homologickém chromozomu bude na témže místě rovněž gen ovlivňující barvu očí  Každý znak je ale určen minimálně dvěma alelami téhož genu  autozomální dědičnost = dědičnost genů ležících na autozomech Chromozomy se dělí na: Gonozomy (heterochromozomy)  pohlavní chromozom  sestava gonozomů se liší dle pohlaví a typu určení pohlaví  (člověk – X a Y)  gonozomální dědičnost = dědičnost genů ležících v nehomologní části gonozomů  ženy mají dva homologické chromozomy označované písmenem X, píšeme tedy XX  muži mají jeden chromozom typu X a druhý typu Y, píšeme XY  jen malá část chromozomu Y je homologická s chromozomem X  většina genů na chromozomu X nemá své protějšky na chromozomu Y  většina genů na chromozomu Y nemá své protějšky na chromozomu X Homologické chromozomy  chromozomy 1 páru  dvojice totožných chromozomů = homologické chromozomy  mají shodnou velikost, polohu centromery, stejný obsah genů  homologické chromozomy obsahují geny kontrolující tytéž dědičné kvality  pokud například je na jednom chromozomu lokus obsahující gen ovlivňující barvu očí, pak na homologickém chromozomu bude na témže místě rovněž gen ovlivňující barvu očí  Každý znak je ale určen minimálně dvěma alelami téhož genu – různé alely  stejným způsobem se barví, párují se při meióze – tvoří bivalenty  párování zajišťuje synaptický komplex – proteinová struktura (2 laterální elementy spojeny příčnými vlákny s centrálním elementem; na obvodu spiralizované vlákno obou chromosomů)  na bivalentech dochází k procesu crossing-over, jehož důsledkem je rekombinace částí chromatid; místa překřížení = chiazmata Karyotyp, autozomy a gonozomy Zápis karyotypu: Celkový počet zjištěných chromozomů+gonozomy Žena 46, XX Muž 46, XY karyotyp geneticky zdravého muže Idiogram idiogram - grafické vyjádření ideálního karyotypu Pro popis chromozómů se využívá techniky proužkování. (Barvením chromozomů (např. Giems) se dosáhne charakteristického pruhování a tím rozlišení jednotlivých chromozomů.) idiogram geneticky zdravého muže Karyotyp -Idiogram Lidský jaderný genom  24 různých molekul, 22 autozomů, 2 pohlavní chr.,  velikost 50-250 Mb, 30 000 genů  70% tvoří sekvence mající určitý vztah ke kódující DNA (včetně intronů a regulačních oblastí)  10% tvoří repetice (např. Alu sekvence)  10% tvoří transpozony Pohlavní Ploidie buněk Lidská somatická buňka obsahuje: 46 chromozomů - 23 chromozomů jsme zdědili od maminky, - 23 chromozomů máme od otce, Buňku nazýváme diploidní (2n). Lidské gamety (spermie a oocyty) obsahují pouze 23 chromozomů Buňku nazýváme haploidní (n). PLOIDIE A ČÍSLO N  ploidie = počet kopií každého chromozomu přítomného v buněčném jádru  číslo N = počet každé dvou šroubovicové molekuly DNA v jádru Každý chromozom obsahuje v odlišných fázích buněčného cyklu jednu nebo dvě molekuly DNA. PLOIDIE A ČÍSLO N  somatické buňky mají dvě kopie každého typu chromozomu a jsou tedy zvány diploidní  gamety mají jen jednu kopii každého typu chromozomu a jsou zvány haploidní  gamety tedy mají v každém chromozomu jednu molekulu DNA a jsou tedy 1N  v některých fázích buněčného cyklu (G1) mají somatické buňky v každém chromozomu jednu molekulu DNA jsou tedy 2N  ve fázi G2 a v raných fázích mitosy a meiosy však každý chromosom diploidní buňky obsahuje dvě molekuly DNA a buňka je tedy 4N Genetická výbava prokaryot bakteriální chromozóm – nukleoid - základní rozměrná kružnicová molekula DNA  Jádro bez membrány, chromozom je součástí cytoplazmy, nedělí se mitoticky velikost genomu bakterií je druhově specifická, pohybuje se kolem šesti až osmi tisíc genů V klidovém stádiu je haploidní, během dělení může probíhat ještě replikace Před transkripcí neproběhne splicing (nepřítoné introny) Genetická výbava prokaryot plazmidy- menší cirkulární molekuly ds DNA (souvisí s konjugací nebo virulencí) jeden nebo více malých kruhových DNA, které nejsou nezbytně nutné k přežití a dělení bakterie mají schopnost integrace do chromozomu. V buňce se může nacházet 1–100 plazmidů (plazmidové číslo). Mohou obsahovat geny, které mění vlastnosti bakterie. Genetická výbava virů Liší se velikostí Nukleovou kyselinou (DNA/RNA), bílkovinný obal (kapsida), povrchové obaly s receptory Primitivní obsahují jen genetickou informaci v kapsidě Složité obsahují v kapsidě enzymy a povrchovou membránu Genetická výbava virů Genom vykazuje značnou variabilita DNA viry, RNA viry, růžná sekundární struktura Genetická výbava virů Nemají vlastní aparát pro vlastní reprodukci Po vstupu do vnímavé buňky viry zahajují reprodukční cyklus. Pro svoji reprodukci využívají transkripční a translační aparát vnímavé hostitelské buňky Genom viru se začlení do genomu hostitelské buňky a replikuje se s ní- to nazýváme lyzogenní cyklus Je-li DNA viru integrována do chromozomu hostitelské buňky, nazýváme ji provirus Při směsných infekcích dochází k vzájemné rekombinaci genetické informace. Proces přispívá k variabilitě genotypu a fenotypu virů.