Genetika

Gentika je nauka o dědičnosti a proměnlivosti živých oragnismů.
Dědičnost
je schopnost organismu, kde potomek (buňka nebo organismus) získává vlastnosti nebo predispozice k vlastnostem rodičovské buňky nebo organismu (způsob metabolismu). je to také schopnost organismu reagovat na podmínky vnějšího prostředí a jejich změny.
Úplná dědičnost
Dominantní alela svým projevem zcela překryje projev alely recesivní (např. při křížení červenokvěté a žlutokvěté rostliny uvažujme, že dominantní alelou je alela pro červené květy a rostliny jsou homozygotní, pak bude mít potomstvo květy pouze červené).
Neúplná dědičnost (kodominance)
Při křížení se projeví i recesivní alela (např. při křížení homozygotní rostliny žlutokvěté a červenokvěté bude mít potomstvo květy pravděpodobně oranžové).

Genotyp - genetická informace organismu, soubor všech genů.
Fenotyp - vnější sledovatelný projev genotypu.
Gen - určitá část molekuly DNA, která nese genetickou informaci.
Genom - soubor chromozomových genů.
Plazmon - soubor genů uložených mimo jádro (v plastidech, mitochondriích,cytoplazmě).
Gameta - pohlavní buňka (přenáší genetickou informaci).
Alela - rozdílná forma téhož genu.
Homozygot - pokud jsou obě alely určitého genu stejné, označujeme jejich sestavu jako homozygotní.
Heterozygot - pokud jsou párové alely určitého genu rozdílné, označujeme jejich sestavu jako heterozygotní.
Dominantní alela - má stejný fenotypový proje jak v homozyotní tak heterozygotní sestavě.
Recesivní alela - projevuje se fenotypově pouze homozygotní sestavě.

Cytogentika je podobor genetiky zabývající se buňkou a jejími strukturami. Hlavními oblastmi jejího zájmu jsou buněčné organely a struktury přímo související s přenosem a expresí genetické informace (jádro, nukleoid, ribozóm, semiatonomní organely, chromozómy, plasmidy atd.), zvláštní důraz se klade na chromozómy, plasmidy a DNA semiautonomních organel a prokaryot. Další důležitou oblastí jsou genetické aspekty buněčného dělení a s nimi související struktury.
Klinická (lékařská) genetika tvoří samostatný lékařský obor. Vychází z poznatků obecné a experimentální genetiky, které využívá na zkoumání vlivu genetických a vnějších faktorů na vznik různých lidských chorob a vad.

• přenos genetické informace je možný pouze z nukleonové kyseliny do nukleonové kyseliny nebo z nukleonové kyseliny do proteinu, zpětný přenos z proteinu do nukleonové kyseliny není možný
• To má za důsledek nemožnost toku informací z bílkovin do nukleových kyselin a tedy zanášení změn v organismu zpět do genetické informace

• proces, kterým je v genu uložená informace převedena v reálně existující buněčnou strukturu nebo funkci
• tomu reálně odpovídá několikakroková syntéza proteinu, který tomuto genu (tedy sekvenci jeho DNA) odpovídá (je jím kódován) a kterým (a nebo skrze něj) je později daná funkce realizována
• gen, u nějž probíhá exprese, je označován jako gen exprimující
• Termín exprese genu se užívá primárně zvláště proto, že ne každý gen, který je součástí genomu určitého organismu je vždy činný, ale naopak v každé z buněk téhož organismu jsou činné jen některé geny, právě oné buňce a v právě daný vývojový moment potřebné. To, který gen je právě činný, podléhá složité regulaci.

• představuje soubor pravidel, podle kterých se genetická informace uložená v DNA (respektive RNA) převádí na primární strukturu bílkovin - tj. pořadí aminokyselin v řetězci.
• genetický kód je univerzální - stejný u většiny živých organismů, pouze u několika málo skupin a mitochondrií se vyskytují drobné odchylky
• genetický kód je tripletový, to znamená, že každá trojice bází kóduje jednu aminokyselinu. Tyto trojúseky na mRNA se nazývají kodony. Celkem jsou 4 báze, takže pro kombinaci máme celkem 4x4x4=64 možností. Důležitý je triplet AUG, neboť jde o triplet iniciační (zároveň kóduje methionin) a triplety UAA, UAG a UGA, které jsou označovány jako tripletety terminační, neboli beze smyslu
• genetický kód je degenerovaný, protože pro asi 20 aminokyselin existuje mnohem více kódujících kodonů, z toho plyne, že některé aminokyseliny jsou kódované více triplety

• proces tvorby kopií molekuly deoxyribonukleové kyseliny (DNA), čímž se genetická informace přenáší z jedné molekuly DNA (templát, matrice) do jiné molekuly stejného typu (tzv. replika)
• proces je semikonzervativní, tzn. každá nově vzniklá molekula DNA má jeden řetězec z původní molekuly a jeden nový, syntetizovaný.
• průběh:
  • Iniciace – rozpletení dvoušroubovice DNA, vznik replikační vidlice a navázání enzymatického komplexu
  • Elongace – přidávání nukleotidů a postup replikační vidlice
  • Terminace – ukončení replikace

• proces, při němž je podle genetické informace zapsané v řetězci DNA vyráběn řetězec RNA. RNA obvykle představuje prostředníka mezi genetickým materiálem a bílkovinami, jež se podle něho vyrábí (Existují však i některé nekódující RNA, které vznikají z DNA, ale nikdy z nich protein nevzniká. )
• důležitá součást tzv. centrálního dogmatu molekulární biologie, probíhá u všech známých organizmů včetně virů
• průběh je podobný jako u replikace
• V centru transkripce stojí enzym RNA polymeráza, schopný podle vzoru v podobě DNA vyrábět kopii v podobě RNA. Nejdříve se rozplete dvoušroubovice DNA, která se skládá z jednotlivých genů. RNA polymeráza se naváže na začátek genu a začne na nukleotidy DNA připojovat komplementární nukleotidy RNA (kupříkladu řetězec DNA v podobě A-T-C-G-G se do RNA přepíše jako U-A-G-C-C). Když se do mRNA přepíše celý gen, jednořetězcová lineární molekula RNA se odpojí a v typickém případě putuje k ribozomu, kde z ní v procesu translace vzniká bílkovina.

Iniciace Elongace Terminace

• sekundární proces syntézy bílkovin
• jde o sestavení primární struktury bílkoviny podle záznamu v transkripci vytvořené mRNA
• během translace je informace, zapsaná v mRNA, podle přesných pravidel genetického kódu dekódována a je podle ní sestaven řetězec aminokyselin
• k proteosyntéze dochází na ribozómech
• fáze: iniciace, elongace a terminace.

• Proteosyntéza je zahájena iniciační tRNA, to jest tou, která nese methionin. Ta se naváže na malou ribozomální podjednotku a začne pomalu projíždět molekulu mRNA od 5' konce. Jakmile objeví iniciační sekvenci AUG - naváže se a translace začíná. Na další sekvence (kodony) nasedají další tRNA podle komplementarity bází (systém kodon na mRNA - antikodon na tRNA). Mezi přinesenými aminokyselinami vznikají peptidové vazby. Za tuto část translace - elongaci - je zodpovědná zejména velká ribozomální podjednotka. Jakmile zbývá již jen kodon beze smyslu (terminační) je proteosyntéza ukončena a vzniklé polypeptidové vlákno může být dále v buňce upravováno na požadovanou bílkovinu.

Zákon o uniformitě F1 (1. filiální = první generace potomků) generace. Při vzájemném křížení 2 homozygotů vznikají potomci genotypově i fenotypově jednotní. Pokud jde o 2 různé homozygoty jsou potomci vždy heterozygotními hybridy. Při křížení dvou homozygotů (dominantního - AA a recesivního - aa) vzniká jednotná generace potomků - heterozygotů se stejným genotypem (Aa) i fenotypem.

Při křížení 2 heterozygotů může být potomkovi předána každá ze dvou alel (dominantní i recesivní) se stejnou pravděpodobností. Dochází tedy ke genotypovému a tím pádem i fenotypovému štěpení = segregaci. Pravděpodobnost pro potomka je tedy 25% (homozygotně dominantní jedinec) : 50% (heterozygot) : 25% (homozygotně recesivní jedinec). Tudíž genotypový štěpný poměr 1:2:1. Fenotypový štěpný poměr je 3:1, pokud je mezi alelami vztah kodominance, odpovídá fenotypový štěpný poměr štěpnému poměru genotypovému (tj. 1:2:1).

Při zkoumání 2 alel současně dochází k téže pravidelné segregaci. Máme li 2 dihybridy AaBb může každý tvořit 4 různé gamety (AB, Ab, aB, ab). Při vzájemném křížení tedy z těchto 2 gamet vzniká 16 různých zygotických kombinací. Některé kombinace se ovšem opakují, takže nakonec vzniká pouze 9 různých genotypů (poměr 1:2:1:2:4:2:1:2:1). Nabízí se nám pouze 4 možné fenotypové projevy (dominantní v obou znacích, v 1. dominantní a v 2. recesivní, v 1. recesivní a v 2. dominantní, v obou recesivní). Fenotypový štěpný poměr je 9:3:3:1. Tento zákon platí pouze v případě, že sledované geny se nachází na různých chromozomech, nebo je jejich genová vazba natolik slabá, že nebrání jejich volné kombinovatelnosti.
Obrázek představuje kombinační čtverec, znázorňující poměr genotypů při dvojnásobném křížení. Stejné zabarvení značí stejný genotyp.

Obrázek představuje kombinační čtverec, znázorňující poměr fenotypů při dvojnásobném křížení. Stejné zabarvení značí stejný fenotyp.

• geny uloženy na 1 chromozomu, jsou spolu v genové vazbě
• podle Mendelova zákona o nezávislé kombinovatelnosti alel se dva různé geny dědí nezávisle na sobě - to platí pouze o genech uložených na různých chromosomech!
• Geny, uložené na jednom chromosomu, by se měly dědit společně, díky crossing-over to neplatí.
• pravděpodobnost, se kterou proběhne crossing-over tak, aby se dva různé geny z jednoho chromosomu přenesly nezávisle na sobě, označujeme jako sílu genové vazby
• čím je vzdálenost mezi geny na chromosomu větší, tím je větší i pravděpodobnost rekombinace mezi nimi a síla genové vazby klesá
• pokud jsou oba sledované geny na chromosomu velmi blízko sebe, stoupá síla genové vazby a klesá pravděpodobnost rekombinace

• poměr mezi četnostmi gamet s rodičovským uspořádáním alel a alel s nerodičovským uspořádáním

• podíl četnosti rekombinovaných fenotypových tříd z celkové četnosti potomstva

Fáze cis
<m>p = (a_2 + a_3)/(a_1 + a_2 + a_3 + a_4)</m>

Fáze trans
<m>p = (a_1 + a_4)/(a_1 + a_2 + a_3 + a_4)</m>

Jednotkou genové vzdálenosti je na Morganovu počest 1 Morgan - M, respektive se užívá centimorgan - cM.

• je metoda rychlého a snadného zmnožení úseku DNA založena na principu replikace nukleových kyselin
• úseky DNA, které se mají namnožit (amplifikovat) musí být ohraničeny na začátku a na konci tzv. primery (krátkými oligonukleotidy DNA)
• PCR slouží k vytvoření až mnoha milionů exaktních kopií vzorového fragmentu DNA o maximální délce 10 tisíc nukleotidů
• PCR probíhá v zařízení zvaném termocykler, které je zkonstruováno tak, aby dokázalo během několika sekund zvýšit nebo snížit teplotu o několik desítek stupňů Celsia.
• Metody se využívá nejenom k vědeckým potřebám, ale například i ke kontrole potravin, pro zjišťování GMO a geneticky modifikovaných složek, nebo v kriminalistice při identifikaci osob.
• Výsledkem PCR je obrovské množství kopií původní sekvence DNA. Metoda je tak citlivá, že dokáže odhalit i jedinou molekulu DNA ve vzorku.

Postup

1. Denaturace - DNA se po dobu 20-30 sekund zahřívá na teplotu 94-98 °C. Při této teplotě dochází k rozrušení vodíkových můstků v molekule DNA a k rozvolnění dvoušroubovice. Vzniká tak jednovláknová DNA, na kterou mohou v dalším kroku nasednout primery.
2. Nasednutí primerů - teplota se sníží na 50-65 °C, což umožňuje nasednutí primerů na specifická místa DNA. Na dvouvláknové úseky DNA-primer se váže DNA polymeráza.
3. Prodlužování primerů - teplota použitá v této fázi závisí na použité DNA polymeráze. Nejběžnější Taq polymeráza má optimum aktivity na 75-80 °C. V tomto kroku dochází k samotné syntéze DNA. Ve směru od 5' konce ke 3' konci přirůstá vlákno DNA komplementární k původní molekule DNA.

Tyto kroky se cyklicky opakují, pro dostatečnou amplifikaci původní molekuly DNA obvykle postačuje 30 cyklů. V případě, že na začátku byla ve vzorku pouze jediná molekula DNA, po 32 cyklech teoreticky dostaneme až 1 miliardu nasyntetizovaných molekul DNA.

• Geneticky modifikovaný organismus (GM organismus, GMO) je organismus (kromě člověka), jehož genetický materiál (tedy DNA) byl úmyslně změněn, a to způsobem, kterého se nedosáhne přirozenou rekombinací.

Zásahy do genetického materiálu organismů můžeme rozdělit na několik způsobů:

• nahodilé zásahy působením mutagenů nebo ionizujícího záření
• cílené zásahy - mutace jsou získané tak, že do organismu vneseme nebo v něm cíleně deaktivujeme nějaké konkrétní geny (například rostliny, do nichž byl za pomoci bakterie Agrobacterium tumefaciens vnesen gen pro odolnost k herbicidům nebo gen pro produkci insekticidů - viz např. Bt-kukuřice.)

• geneticky modifikované rostliny
• první transgenní rostlinou byl v roce 1983 tabák (Nicotiana) s resistencí k antibiotiku kanamycinu
• genetickou modifikací je možné docílit: odolnosti vůči škůdcům (Bt toxin), proti některých pesticidům, lepší nutriční hodnoty a odolnost vůči nepříznivému klimatu

• náhodné změny genotypu organismu
• dělení:
  • genové
  • chromozomové
  • genomové
• dělení podle vziku
  • spontánní - bez vnějšího vlivu, např. díky chybné replikaci DNA (málo časté)
  • indukované - vyvolané vnějšími mutagenními faktory (mutageny)

• látky schopné způsobovat mutace
• fyzikální, chemické, biologické

• genotypy AA a Aa jsou nemocní, aa jsou zdraví
• většinou v každé generaci
• zdaraví jedinci aa mají zdravé všechny děti
• pokud se nemocným rodičům narodí zdravé dítě jsou oba heterozygoti Aa

• neúčelné pohyby, progresivní demence
• někdy značně pozdní nástup (40, rok života)

• onemocnění nervového systémy
• světlehnědé skvrny

• genotypy AA a Aa jsou zdraví, aa jsou nemocní
• přeskakuje generace
• nemoncní jedinci aa mají nemocné všechny děti
• pokud se zdravým rodičům narodí nemocné dítě jsou oba heterozygoti Aa

• porucha v sekreci a transportu tekutin a elektrolytů
• zhuštění stolice, neprůchodnost střev

• postižení jsou muži <m>X_A Y</m> a ženy <m>X_A X_a</m>
• pokud má nemocný muž <m>X_A Y</m> se zdarvou ženou <m>X_a X_a</m> děti, budou všichni synové zdraví a všechny dcery nemocné

• postižení jsou většinou muži <m>X_a Y</m>
• nemocný muž <m>X_a Y</m> se zdravou ženou <m>X_A X_A</m>, děti budou zdravé, dcery <m>X_A X_a</m> budou přenašečky

• porucha srážlivosti krve

• změny genetické informace na úrovni celých chromozomů
• dělí se na strukturní a numerické

• změna standardního (diploidního) počtu chromozmů v somatické buňce
• postihuje autozomy a gonozomy
• v buňce je o jeden nebo několik chromozomů více či méně
• dále se dělí:
  • autozomové
  • heterochromozomové

• Downův syndrom, mongolismus
• mentální zaostalost, mongoloidní rysy ,vady vnitřních orgánů

• Pataův syndrom
• těžká vývojová retardace, mnohačetné vývojové vady - CNS, srdce, ledviny, rozštěp rtu
• postižení umírají v kojeneckém věku

• Edwardův syndrom
• mnohačetné vývojové vady - CNS, srdce, ledviny, rozštěp rtu
• postižení se nodožívají jednoho roku života

• monozomie chromozomu X
• postižení jsou ženského pohlaví
• charakteristický fenotypový projev: nizký vzrůst, častá sterilita, děti většinou postižené

• XXY, mužské pohlaví

• nemají typický fenotypový projev

• delece - ztráta části chromozomu
• duplikace - zdvojení úseku chromozomu
• inverze, translokace, ring chromozomy
• př: syndrom kočičího mňoukání