Astrobiológia4Nástroje života – replikácia

DNA, RNACentrálna dogmaTranskripciaTransláciaGenetika RNDr. Tomáš Paulech, PhD.

KAFZM, FMFI UK

Definícia pojmov

• Genotyp – celá genetická informácia organizmu• Fenotyp – fyzická podoba organizmu, súbor vlastností

určených génmi a prostredím• Genetická informácia – poradie báz v DNA• Gén – sekvencia DNA kódujúca bielkovinu (alela, lokus)• Transkripcia – prepis génu z DNA do mRNA• Translácia – preklad mRNA do finálnej bielkoviny• Genetický kód – definícia vzťahu triplet DNA vs

aminokyselina bielkoviny

• Ploidnosť:▫ HAPLOIDné organizmy = ich bunky majú 1 kompletnú

sadu DNA/genómu/chromozómov▫ DIPLOIDné organizmy – ich bunky obsahujú 2 kompletné

sady DNA/genómu/chromozómov

DNA

• Informačná molekula všetkých živých foriem• Makromolekula – polymér

▫ Ribóza – cukor▫ Fosfátová skupina (kostra)▫ 4 bázy – nukleotidy spojené vodíkovou väzbou

• Genetická informácia (sekvencia) = ▫ poradie báz v DNA reťazci

• Komplementarita báz▫ A T, G C▫ Komplementarita:

Fyzicky: Drží oba reťazce(strands) spolu Smeruje DNA replikáciu riadi priamu syntézu RNA

Geneticky: Umožňuje opravu dát (redundancia báz) Kopírovanie informácie (replikácia) Vyčítanie informácie do RNA (transkripcia)

DNA bázy

• nukleotidy

• Puríny

▫ A = adenín

▫ G = guanín

• Pyrimidíny

▫ C = cytozín

▫ T = tymín

▫ (resp. U = Uracil v RNA namiesto T)

Nukleotidy a (deoxy)ribóza

• Adenín Ribóza

• Guanín

• Cytozín Deoxyribóza

• Tymín

DNA - funkčnosť

• Regulačné proteiny▫ Dokážu sa naviazať na bázy DNA na špeciálnych miestach▫ DNA polymeráza pri replikácii DNA▫ RNA polymeráza pri transkripcii▫ Ribozóm pri translácii▫ Helikáza - dokáže rozpliesť pri čítaní (odzipsovať)

• POLARITA DNA▫ Každý reťazec má SMER (od 5’ k 3’)▫ Reťazce sú ANTIPARALELNÉ

• Spakovanie DNA v jadre (eukaryot):▫ Nucleosome – 8 histonových bielkovín naviazaných na DNA sa

zloží na seba▫ Chromatin – reťazec uložených nukleosomov▫ Dalšie stáčanie chromatínu proteínmi vytvorí chromosome▫ CHROMOZÓMY existujú LEN POČAS DELENIA bunky,

inak je DNA menej organizovaná

Gén a chromozóm• GÉNy

▫ časti DNA kódujúce protein▫ fyzicky nie sú nijako odlišné od zvyšku DNA▫ signály pre transkripciu:

PROMOTOR – začiatočný signal pre transkripciu do mRNA (messenger RNA) TERMINATOR – ukončovací signal pre transkripciu do mRNA

▫ signály pre transláciu start codon stop codon

▫ Regulačná časť – predchádza Promoteru v gene

• Chromozóm▫ Dlhý samostatný úsek DNA (eukaryotov) obsahujúce gény▫ 50.000.000-250.000.000 báz v chromozóme (napr. X chromozóm cca 150 mil. báz)▫ 100ky-1000ky génov v chromosome (človek 400-4000 génov v 1 chrom.)▫ Okrem génov sú v chromozóme ďalšie “nekódujúce” časti (väčšina)▫ Zloženie chromozómu:

Origins - Start signals – pre DNA replication proteins – replikácia prebieha naraz z rôznychmiest

Telomers – konce chromozómov Gény – hlavný informačný obsah chromozómu, sú v chromosome rozmiestnené náhodne na

OBOCH reťazcoch Centroméra – miesto pre prichytenie vlákien pri delení bunky (nemusí byť fyzicky v strede ch.)

▫ Prokaryoty – cyklická DNA bez chromozómov

Chromozóm, chromatín, nukleozóm

DNA replikácia a delenie buniek

• Asexuálne rozmnožovanie (klonovanie)▫ Bunka rastie▫ Replikuje svoju DNA▫ MITÓZA – bunkové delenie na identické kópie – každá nová bunka obsahuje

jednu kópiu DNA▫ Takto sa množia - Jednobunkovce, ale aj rastliny (jahody, maliny,…podzemkami)

• Sexuálne rozmnožovanie▫ GAMÉTY = vajíčko aj spermia - obsahuje 1 KOMPLETNÚ sadu chromozómov▫ Oplodnené vajíčko, teda aj celý organizmus obsahuje 2 KOMPLETNÉ SADY

chromozómov (1ks od každého rodiča)▫ Každá generácia má novú kombináciu génov v jednotlivých chromozómoch z

predošlých generácií▫ MEIÓZA

sexuálne delenie bunky kombinuje časti chromozómov z oboch setov prítomných v každej bunke tela –

nové kombinácie ALEL – rekombinantné chromozómy Evolučná výhoda: eliminuje škodlivé mutácie, ktoré klonovanie ponecháva

DNA replikácia

Funkcia DNA - Centrálna dogma MB

• DNA (genotyp)

• RNA (mediátor)

• Bielkovina (fenotyp)

Proces Účel Polymeráza Vstup Výstup Start Stop

Replikácia DNA DNA Polymeráza

DNA DNA Origins Telomér

Transkripcia mRNA RNA Polymeráza

DNA mRNA Promotor Terminator

Translácia Protein Ribozóm mRNA Protein Start codon Stop codon

Transkripcia

• TRANSKRIPCIA (prepis – pred vytvorením proteínu) ▫ vytvorenie RNA z DNA pomocou RNA polymerázy▫ RNA polymeráza sa naviaže na promotor v DNA a vytvára mRNA▫ Promotor zároveň hovorí RNA polymeráze aj smer transkripcie▫ RNA polymeráza sa odpojí od DNA v terminátore▫ INTRON

časť DNA, ktorá sa do mRNA neprepíše (vyhodí sa). Splicing – “vystrihnutie” intronovych častí DNA pri prepise do RNA Prastarý mechanizmus pochádzajúci z mitochondrií-baktérií a ich „self-

splicing introns“-genetické sebecké parazity kopírujúce sa v genóme

▫ EXON ponechaná časť DNA, ktorá sa zachová v mRNA z pôvodného DNA reťazca

▫ Mature mRNA mRNA, ktorá obsahuje iba exony, introny sú vylúčené iba cca 3% DNA skutočne kódujú protein mRNA opúšťa jadro a smeruje k ribozómom v cytoplazme

Transkripcia DNA do mRNA

RNA – univerzálna informačná molekula

• RNA – je výsledkom transkripcie mRNA (messenger) – slúži na zostavenie reťazca

aminokyselín = bielkoviny pomocou TRANSLÁCIE rRNA (ribosomal) – funkčná RNA pri vytváraní

bielkoviny v ribozóme tRNA (transfer) – pomáha pri čítaní mRNA v

ribozóme a zapája jednotlivé aminokyseliny anticodon – časť tRNA, ktorá sa pripája sa na mRNA amino acid – na opačnom konci tRNA vytvára v rámci

ribozómu polypeptide – proteín

• RNA môže nadobúdať oveľa viac tvarov v 3D akoprotein

• pri stáčaní sama do seba vytvára double helix akoDNA (interaguje sama so sebou)

• Schopná katalyzovať reakcie ako proteín

Translácia

• TRANSLÁCIA (preklad – fyzické vytvorenie proteínu) = vytvoreniebielkoviny z tripletov báz pomocou ribozómu

• Kodón = 3 bázy DNA určujúce konkrétnu aminokyselinu v budúcej bielkovine

• Ribozóm▫ Molekulárny stroj translácie▫ ribozóm sa skladá z 2 častí

menšia časť – uchopí mRNA aby sa dali správne čítať codony väčšia časť – umiestni tRNA s anticodonom a zaradí jej amino acid do reťazca

protein A side - tRNA vstupuje do ribozómu P site – miesto pripojenia aminokyseliny k vznikajúcemu reťazcu E site - tRNA vypudená z ribozómu na zrecyklovanie (ďalšie použitie) v bunke je niekoľko miliónov ribozómov vytvorí proteín za niekoľko desiatok sekúnd

▫ OPEN READING FRAME ribozóm číta triplet báz, preto nie každý výskyt stop codonu je koniec génu – musí padnúť

do matice/trojice, napr. ATG.GAC.GCT.GAC.GCT…TGA v tomto prípade nie je stop codon Akýkoľvek ďalší výskyt start codonu ATG v opened reding frame sa považuje za

aminokyselinu methionine

Translácia mRNA do bielkoviny

Translácia - Ribozóm

Genetický kód

• Genetický kód je univerzálny pre všetky živé organizmy (s malými obmenami)• Aminokyseliny

▫ Jeden koniec – amino skupina NH2▫ Druhy koniec – karboxylová skupina COOH▫ Amino acids sa delia podľa side-chain molekúl▫ Funkčne sa líšia: polaritou +/-, vzťahom k vode hydrofóbne vs hydrofilné

• Pri polymerizácii sa NH2+COOH = H2O + O=C-N-H (peptide bond C-N)• 23 biogénnych aminokyselín zostavuje všetky známe bielkoviny• Kód je redundantný = 64 možných tripletov kóduje len 23 aminokyselín

Bielkoviny - proteíny• Proteíny

▫ polyméry z 20+ druhov aminokyselín▫ typická dĺžka 500 aminokyselín (avšak rádovo od 10-1000 aminokyselín)▫ tvoria 60% tela (bez vody)▫ cca 25.000 génov kóduje cca 300.000 druhov bielkovín▫ sú funkčným prejavom DNA

▫ Prírodný výber - pôsobí na bielkoviny, nie na DNA priamo, triedi rôzne nové variantyproteínov, najlepšie slúžiace organizmu ponecháva v populácii

• Funkcie proteínov (mnoho proteínov patrí do viacerých kategórií súčasne)▫ Katalytická– enzýmy (vznik dopamínu, adrenalínu, farbív...)▫ Štrukturálna a transportná (aktín, myozín, tubulín, kinezín, kolagén- tvorí 1/3 všetkých

bielkovín)▫ Regulačná (spolu s RNA)

Regulujú génovú expresiu Pred Promotorom v géne sú regulačné sekvencie (aj niekoľko) Na regulačné sekvencie sa viažu – transcriptional activators/repressors, často v určitom

poradí postupne Activator- ak nie sú naviazané pred promotorom, transkripcia neprebehne Repressors – ak SÚ naviazané, transkripcia neprebehne Príklad: červený pomaranč

▫ Anticyonin – červený pigment v pomaranči, zväčša sa nesyntetizuje▫ Ruby gene – mutácia vložením mobile element Tcs1 (s promotorom) v ňom spôsobí

aktiváciu produkcie anticyoninu

Proteínová regulácia: transkripcia enzýmu Laktáza štiepiaci mliečny cukor - laktózuHore:Represor (2) naviazaný na DNA bráni RNA polymeráze (1) v prepise génu pre enzým laktázu. Dolu: Za prítomnosti laktózy(5) sa represor uvoľní a enzým sa môže tvoriť.

Bielkoviny – 3D štruktúra

• Štruktúra proteínov▫ Tvar proteínu určuje jeho biologickú funkciu▫ Primárna – sekvencia amino acids – nemá priamu biologickú

funkciu▫ Sekundárna – simple local folding▫ Terciálna – riadená hlavne hydrophobic/hydrophilic

vlastnosťami amino acids Hydrophobic – majú tendenciu uzatvárať sa dovnútra

štruktúry Hydrophilic – majú tendenciu reagovať s vodou v okolí = sú na

povrchu Opačne nabité amino acids majú tendenciu sa priťahovať

▫ Quarternary – spájanie niekoľkých Tertiary subunits rovnakého, alebo rôznych proteínov

• Konce sú väčšinou voľne neviazané• Chaperonins – špeciálne proteínové komory v bunke, kde sa

protein v kľude môže sformovať do potrebného stavu

4 fázy stáčania proteínov do funkčného tvaru, Chaperonin

Glycín

Fenylalanín

Hemoglobín – bielkovina s hémovou skupinou viažucou kyslík

Príklady proteínov - Draslíkový kanál, Akvaporín, Laktáza, perCry

Štruktúry eukaryotickej bunky (jadro s DNA, ER s ribozómami, mitochondrie)

DNA cell theory – LUCA a homológy

• Evolučná kontinuita DNA – cell theory ▫ Všetky živé formy majú spoločný DNA spôsob uloženia dedičnej

informácie▫ Bacteria, Archaea, Eukaryotes – všetky zdieľajú rovnaký

algoritmus - dogmu • HOMOLÓGY

▫ podobnosť fenotypov kvôli spoločnému predchodcovi (napr. päťprstáruka)

▫ podobnosť génov (napr. Fruitfly a mouse) veľmi podobné sekvencie báz podobné funkcie podobné poradie na chromozómoch

▫ podobnosť génových sekvencií slepota u človeka (Aniridia-chýba časť oka) a vínnej mušky (eyeless) rozdiel iba v 6 aminokyselinách výsledného proteinu

▫ homology vznikli divergenciou génov z pôvodného predkavšetkých organizmov (LUCA)

Ľudský genóm▫ 3.000.000.000 báz (dĺžka natiahnutej DNA= cca 2 metre)▫ Rozdelených do 23 chromozómov (niektoré organizmy iba 3 chromozómy, niektoré stovky chrom.)▫ Každá bunka tela má 2x23 chromozómov (2 alely každého génu)

2x22 chromozómov autozomálnych

1x X, alebo 1x Y chromozóm pohlavný

▫ Homo – vnútrodruhová diverzita: 99.9% genómu je zhodného pre všetkých ľudí (chromozómy všetkých ľudí sú homologické)

1 báza z 1000 je odlišná – spoločný predok 500.000 yrs ago (počet mutácií je lineárnou funkciou času)

Väčšina odlišností nemá žiaden vplyv (nie sú v génoch, alebo nemenia jeho funkciu)

So šimpanzom sa líšime cca každých 100 báz – spoločný predok 5Myrs ago

Homo Sapiens je mladý druh - ostatné zvieratá a rastliny: menej zhodného genómu

▫ 4 gény sledované na 1400 ľudí z celého sveta Europa -98 haplotypes genov

Azia – 73 haplotypov

Afrika – 199 haplotypov obsahujúcich takmer všetky Europske a Azijske!

Homo sapisens teda vyšiel Z AFRIKY

▫ Out-of-Afrika model Anatomicky moderný človek žil 150.000-100.000 rokov v Afrike

Jedna skupina opustila Afriku cca 100.000-90.000r. – šírila sa do sveta

Osídlenie Europy – cca 40.000 rokov

Osídlenie Azie – 35.000-25.000 rokov

Osídlenie Austrálie – 60-50.000 r.

Osídlenie Ameriky – cca 12.000r.

▫ Homo sapiens - 2% génov Homo neaderthaliensis, niekedy aj 5% Denisovanov Spoločný predok Sapiens, Neandert., Denisovan – cca 804.000yrs

Zloženie ľudského genómu

Súvisiace témy

• Veľkosť genómov nezodpovedá komplexnosti

▫ Niektoré salamandre - 40x DNA človeka

▫ Niektoré žaby – 1/3 DNA človeka

• Duplikácie genómu – niekoľko historických udalostí

• Vírusy, virióny – RNA, nespĺňajú dogmu

• Epigenetika

• Proteomika + Prióny

Porovnanie veľkosti genómov rôznych domén života (log. škála!)

Diskusia, zdroje

• Zaujímavé odborné články k DNA/RNA, Intróny, junk-DNA: http://bech.truni.sk/prilohy/BECH_MC_2013.pdf

• Junk DNA? - http://www.osel.cz/9476-jaky-je-smysl-genomu-naprosta-vetsina-lidske-dna-je-uplne-k-nicemu.html

• Fyzika+biologia: https://www.quantamagazine.org/seeing-emergent-physics-behind-evolution-20170831/

• Zdroje obrázkov▫ Centrálna dogma -

http://en.wikipedia.org/wiki/Central_dogma_of_molecular_biology#mediaviewer/File:Central_Dogma_of_Molecular_Biochemistry_with_Enzymes.jpg

▫ DNA -http://sk.wikipedia.org/wiki/Nukleov%C3%A1_kyselina#mediaviewer/S%C3%BAbor:GluRBRGpremRNA4_new.png

▫ Chaperonin-http://zhanglab.ccmb.med.umich.edu/MVP-Fit/Chaperonin.jpg▫ Nukleotidy: http://cs.wikipedia.org/wiki/Purin▫ RNA: http://cs.wikipedia.org/wiki/RNA#mediaviewer/Soubor:Pre-mRNA-1ysv-

tubes.png