23.1

23. gen – definice, klasifikace, centrální dogma molekulární biologie

Gen    

Gen je základní jednotka genetické informace (základní jednotka dědičnosti). Je to určitý úsek DNA (sekvence nukleotidů) na chromozomu. Gen je oblast DNA, která kontroluje diskrétní dědičnou charakteristiku organizmu obvykle odpovědnou za jeden specifický protein či RNA molekulu. Gen je oblast DNA, která je transkribována jako jedna jednotka a nese v sobě informaci o diskrétním dědičném znaku obvykle odpovídajícímu jednomu proteinu (nebo souboru příbuzných proteinů tvořených prostřednictvím různé posttranskripční modifikace) nebo jedné RNA molekule (či souboru blízce příbuzných RNA molekul). Gen se může vyskytovat v různých formách – alelách. Soubor všech alel v buňce daného jedince označujeme jako genotyp. Soubor všech genů daného organismu nazýváme genom. Genom člověka je tvořen jaderným genomem a mimojaderným genomem (mitochondriálním). Na chromozómech jsou geny uspořádány lineárně a jejich konkrétní místo (lokus) je neměnné. Všechny geny na jednom chromozomu vytvářejí vazebnou skupinu. Jeho součástí jsou tzv. exony a introny (při úpravě DNA vystříženy). Geny se překrývají, mnoho genových počátků, geny bez intronů, geny uvnitř ostatních genů. Jeden gen (DNA) à jeden transkript (RNA) à jeden polypeptid à jeden fenotypový znak???

            Klasifikace – podle typu informace, velikosti, exprese, lokalizace, homologie

Homologie – genové rodiny (společný předek), duplikace a divergence – multignové (velké množství produktu), rRNA či globiny, superrodiny (větší – až 100ky genů). Strukturní – jaderné proteiny. Funkční – imunoglobuliny, hostiny, G-proteiny.

Strukturní – kódují primární strukturu proteinů jako jsou např. proteiny s biochemickou, fyziologickou nebo stavební funkcí. Po transkripci do mRNA, vystřižení intronů a translaci tohoto genu vzniká protein.

Homeobox – specifická sekvence DNA dlouhá asi 180 nukleových bází, která se nachází na kraji některých genů – homeoboxových genů. Může fungovat jako transkripční faktor.

House-keeping – strukturní geny, které jsou potřeba k udržování základních funkcí buňky.

Geny pro RNA – kódují ribonukleové kyseliny, které mají významnou roli v procesu translace, ale samy se do proteinů nepřepisují (tRNA, rRNA).

Regulační geny – geny, jejichž bílkovinné produkty (transkripční faktory) vyvolávají aktivitu jiných, v končené fázi tzv. strukturních genů.

            Funkce – jeden gen může podmiňovat vytvoření jednoho konkrétního znaku (monogenní dědičnost). Determinace jednoho znaku jedním genem se vyskytuje vzácněji než realizace znaku po spolupůsobení většího počtu genů (oligogenní, případně polygenní dědičnost). Častěji je tedy vznik znaku závislý na genových interakcích, tzn. že o konkrétní podobě znaku rozhodují alely více zúčastněných genů. Jiným příkladem mnohotvárnosti genetické informace jsou tzv. genové rodiny – je to skupina genů s podobnou sekvencí, které mají stejnou nebo obdobnou biologickou funkci.

            Struktura – informace v DNA je určována pořadím jednotlivých nukleotidů. Biologická informace je zapsána pomocí bazí (A, C, G, T). Většinagenů je tvořena poměrně krátkými kódujícími úseky DNA (exony). V genech převažují sekvence nekódující (introny), které jaou později vystřiženy. Kompletní soubor celé genetické informace organismu se nazývá genom.

Prokaryota – Promotor – sekvence DNA, která obsahuje informace o začátku transkripce. RNA-polymeráza rozpozná tento úsek a následně se na něj naváže.

Operátor – regulační oblast na DNA, která leží mezi promotorem a počátkem transkripce. Navázání aktivního represoru na operátor blokuje transkripci a tím i expresi strukturních genů.

Strukturní geny

Eukaryota – Promotor – sekvence DNA, která obsahuje informace o začátku transkripce. RNA-polymeráza rozpozná tento úsek a následně se na něj naváže.

            Enhancer – sekvence DNA, která váže aktivační faktory.

            Silencer – sekvence DNA, která váže inhibiční faktory.

           Terminátor – na konci transkripční jednotky. Po jeho transkripci se RNA polymeráza od matrice DNA odpojuje. Zpravidla mu předchází terminační kodon.

           Zinkové prsty – strukturní motiv u řady bílkovin. Umožňuje vazbu bílkovin na DNA a je proto součástí transkripčních faktorů. Zinek navázán na cystein a histidin. Tvoří ho alfa-helix a beta-skládaný list, které mezi sebou vytváří vazebné místo pro zinek.

           Leucinové zipy – vzniká mezi dvěma proteiny. Pravidelným opakováním leucinu vzniká a povrchu helixu hydrofobní pás, kterým se na sebe vážou. Ty jsou pak schopné interagovat se specifickými úseky DNA (jako transkripční faktory).

Centrální dogma molekulární biologie

            Popisuje cestu přenosu informace mezi biopolymery. V principu dovoluje přepis mezi nukleovými kyselinami a překlad z RNA do proteinů. To má za následek nemožnost toku informací z bílkovin do nukleových kyselin, a tedy zanášení změn v organismu zpět do genetické informace. Mezi tři hlavní zástupce biopolymerů, které nesou informace, patří DNA, RNA a bílkoviny. Obvyklá cesta mezi nimi je replikace DNA, transkripce do RNA a translace z RNA do proteinů. Zavedli ho James Watson a Francis Crick (1958).

            Zápis informací v biopolymerech – v živých organismech jsou informace zapsány v polymerech – složitých látkách vytvořených z opakujících se jednoduchých složek (monomerů). DNA, RNA i proteiny jsou lineární polymery, proto pořadí, ve kterém jsou monomery uspořádány, nese zpracovatelnou informaci. Při přenosu z jedné informační úrovně do jiné je použito původní vlákno jako vzor pro výstavbu nového.

            Přenos informací

Obvyklý – replikace DNA – pro přenos informace do další generace je nutné před každým buněčným dělením zdvojnásobit množství genetické informace v buňce. K tomu slouží pochod zvaný DNA replikace – vytváří se komplementární vlákno k původnímu. Proces je umožněn enzymy, které rozvolňují šroubovici (helikázy), enzymy, které přikládají jednotlivé báze (polymerázy), spojovací enzymy (ligázy) a další. Výsledkem jsou dvě identické dvoušroubovice DNA.

Transkripce – jde o sestavení molekuly mRNA podle záznamu v DNA. Uplatňují se zde enzymy k rozplétání DNA a připojování bází k RNA. Výsledná RNA přenáší informaci z jádra do cytoplazmy.

Translace – na ribozomech se překládá pořadí nukleových kyselin na RNA do primární struktury proteinů připojováním aminokyselinových zbytků. Překlad probíhá podle genetického kódu, který určuje párování triplet – tRNA.

Vzácný – reverzní transkripce – retroviry dokáží svou RNA přepsat do DNA a začlenit ji do genomu hostitele. Enzym toto umožňující se nazývá reverzní transkriptáza.

Přepis RNA-RNA – některé RNA-viry dokáží přepisovat svou RNA do další RNA, a tak se množit v buňce.

Přímý přepis DNA-protein – pouze v laboratorních podmínkách (v systému in vitro) při použití antibiotik snižujících přesnost ribozomu.

            Kritika

Epigenetika – epigenetické procesy jsou významní činitelé ovlivňující transkripci genů, jde o úpravu genetické informace pomocí enzymů, například jejich methylací.

Priony – proteiny, které se vyskytují v několika různých konformacích. Některé formy dokáží ovlivnit protein v jiné formě, aby se sbalil stejně jako je jejich forma. Při tom však nedochází ke změně primární struktury, proto to není poručení centrálního dogmatu.