Škola: Mendelovo gymnázium, Opava, příspěvková organizace Jméno autora: RNDr. Rostislav Herrmann

1. Škola: Mendelovo gymnázium, Opava, příspěvková organizace Jméno autora: RNDr. Rostislav Herrmann Datum: 6. prosince 2013 Ročník: čtvrtý, čtyřleté studium Vzdělávací oblast: Člověk a příroda Vzdělávací obor: Přírodopis Tematický okruh: Obecná biologie a genetika Téma: Repetitivní sekvence Metodický list/Anotace: Výukový materiál vede k pochopení významu nekódujících sekvencí v lidském genomu, uvádí příklady geneticky podmíněných chorob v souvislosti s repetitivními sekvencemi, ale ukazuje také možnosti jejich terapeutického využití. Zdroje: Uvedeny na konci prezentace III/2 VY_32_INOVACE_483

2. REPETITIVNÍ SEKVENCE RNDr. Rostislav Herrmann Mendelovo gymnázium, Opava

3. REPETITIVNÍ SEKVENCE • TANDEMOVÉ REPETICE • Jsou tvořeny za sebou jdoucími identickými nebo téměř identickými sekvencemi • Největší repetice složené z relativně dlouhých jednotek se nazývají satelity • Jsou hojné například v oblasti centromer chromozomů • Tzv. rodina alfa satelitu pravděpodobně tvoří funkční jádro centromery • Na alfa satelit se v centromeře vážou některé bílkoviny kinetochory a tím zahajují její sestavování během dělení buněčného jádra • Většinou ale funkce satelitů není známá http://biol.lf1.cuni.cz/ucebnice/repetitivni_dna.htm

4. REPETITIVNÍ SEKVENCE Ukázka repetitivních sekvencí rodiny alfa satelitu Tyto sekvence na sebe vážou proteiny, které jsou součástí kinetochory http://biol.lf1.cuni.cz/ucebnice/repetitivni_dna.htm

5. REPETITIVNÍ SEKVENCE • Menší tandemové sekvence se nazývají minisatelity a mikrosatelity • Minisatelitní sekvence jsou jednotky dlouhá 5 - 30 pb • Patří mezi ně i telomerické repetice • U člověka jsou telomery tvořeny až 2000 opakování (repetic) krátkých hexanukleotidových sekvencí 5'-TTAGGG-3‚ • Jejich úloha je důležitá z hlediska replikace DNA a dělení buněk • Po každé replikaci chromozómu je dceřiné vlákno DNA na 5' konci kratší o 50 – 200 párů bází • Zkracování DNA po replikaci se odehrává v repetitivních sekvencích telomer • Délka telomer je tedy marker replikativního stáří buněk • Dosažení určité minimální délky pak indukuje apoptózu a zánik buňky (buňka tedy zanikne aniž by se rozdělila, nezanechá žádné „buněčné potomstvo“)

6. REPETITIVNÍ SEKVENCE • Z hlediska funkčního využití se s tandemovými repeticemi počítá také jako s markery při genetickém mapování • Existují ale také nemoci, které vznikají expanzí (zmnožením) tandemových repetic • Především pokud se tyto repetice vyskytují uvnitř nebo v blízkosti genů • Příkladem je Huntingtonova choroba (neurologické onemocnění s nástupem projevů zpravidla kolem 5. dekády života, projevuje se jako stupňující se demence a porucha motoriky vedoucí k hyperkinezi s množstvím neúčelných pohybů)

7. REPETITIVNÍ SEKVENCE • ROZPTÝLENÉ REPETICE • Patří mezi ně například sekvence Alu, která je dlouhá asi 300 bp a opakuje se v genomu asi 500 000x • Podobných sekvencí je celá řada a tvoří nejméně 30 % lidského genomu • Podstatou rozptýlených repetic jsou transpozony • Jde o segmenty DNA, které jsou schopny transpozic = „skákání“ z jednoho místa genomu na jiné Rozlišujeme mezi nimi: • DNA transpozony • Retrotranspozony Bakteriální kompozitní transpozon Patrné jsou palindromatické sekvence na okrajích (slouží k vyštěpení a začlenění transpozonu) a genetická výbava uvnitř http://cs.wikipedia.org/wiki/Transpozon

8. REPETITIVNÍ SEKVENCE • DNA TRANSPOZONY se v lidském genomu nacházejí pouze v neaktivním stavu díky akumulaci mutací, ke kterým došlo v průběhu evoluce obratlovců • Jádrem sekvence transpozonu je gen kódující enzym transpozázu, která je schopna vyštěpit transpozon z původního místa na chromozomu, oba volné konce DNA ligovat (spojit) a začlenit transpozon na nové místo (rozpoznáním specifické sekvence jinde v genomu, naštěpením hostitelské DNA a ligováním transpozonu na nové místo) • Je vidět, že pohyb DNA transpozonů po genomu funguje na principu vyjmout-vložit a počet jejich kopií se nemění • Z hlediska lékařské genetiky jsou DNA transpozony zajímavé schopností štěpit DNA na vysoce specifických sekvencích, což bude patrně možné využít v oblasti genové terapie • Z vývojového hlediska je pravděpodobné, že transpozony sehrály svou úlohu při evoluci imunitního systému • Vyštěpení podjednotek imunoglobulinových molekul se děje podobně, jako vyštěpení transpozonů a také enzym uplatňující se při maturaci (kompletaci) molekul imunoglobulinů se patrně vyvinul z transpozázy

9. REPETITIVNÍ SEKVENCE • RETROTRANSPOZONY jsou v lidském genomu ještě důležitější než předchozí skupina • Jsou také rozšířenější (tvoří nejméně 45% lidského jaderného genomu) • Mnohé z nich mutacemi ztratily svou aktivitu, ale u řady z nich tomu tak není • Vzhledem k tomu, že vývojově jsou odvozeny z retrovirů, jejich pohyb v buňce se děje pomocí enzymu reverzní transkriptázy • Jejich přesun na nové míso probíhá tak, že jsou pomocí buněčné RNA-polymerázy přepsány do molekuly RNA, zatímco původní kopie zůstává na svém místě v DNA • RNA kopie je reverzní transkriptázou přepsána do DNA, která je pak vložena na nové místo v genomu (při transpozicích jich tedy přibývá)

10. REPETITIVNÍ SEKVENCE • Zajímavou skupinou retrotranspozonů jsou LTR retrotranspozony, které jsou označovány jako endogenní retroviry • Svým složením skutečně připomínají proviry infekčních virů jako je HIV • Chybí jim však (nebo je mutován) nejméně jeden gen potřebný pro sestavení kompletních virových částic • Proto se mohou pohybovat jen uvnitř buněk http://vtm.e15.cz/retroviry-v-nasich-genech-vypraveji-o-evoluci

11. REPETITIVNÍ SEKVENCE • Některé typy retrotranspozonů již nekódují reverzní transkriptázu (neautonomní retrotranspozony) a jsou schopny retrotranspozice pouze s využitím aktivity výše popsaných transpozonů autonomních, které tento enzym stále koódují • Funkce transpozonů v genomu není patrná na úrovni jedince, zde pravděpodobně žádnou důležitou funkci neplní • Z hlediska evoluce ale mohou být důležité pro zvýšení plasticity genomu • Vedle toho, že mohou vyřadit gen z funkce a způsobit vznik dědičného onemocnění mohou také změnit intenzitu genové exprese, zvýšit mobilitu drobných fragmentů DNA (např. výměnu exonů mezi geny), duplikovat geny (i když procesované pseudogeny = kopie reverzně přepsané z mRNA nebývají aktivní, neobsahují promotor) apod. http://vtm.e15.cz/retroviry-v-nasich-genech-vypraveji-o-evoluci

12. REPETITIVNÍ SEKVENCE • Ve velmi malé frekvenci pak mohou z retrotranspozonů vznikat nové geny • Několik takových genů již známe. • Příkladem je gen Peg 10, který je nezbytný pro vývoj placenty u myší a stejnou funkci má pravděpodobně i u člověka • Retrotranspozony jsou rovněž velmi důležité v evoluční genetice http://vtm.e15.cz/retroviry-v-nasich-genech-vypraveji-o-evoluci

13. ZDROJE • OTOVÁ, Berta a Romana MIHALOVÁ. Základy biologie a genetiky člověka. 1. vyd. V Praze: Karolinum, 2012, 227 s. ISBN 978-80-246-2109-8. • Telomery a telomerasa. In: Creativecommons.org [online]. [cit. 2014-02-08]. Dostupné z: http://www.wikiskripta.eu/index.php/Telomery • Lidský genom a jeho variabilita. In: [online]. [cit. 2014-02-08]. Dostupné z: http://www.wikiskripta.eu/index.php/Lidsk%C3%BD_genom_a_jeho_variabilita • ŠEDA, Ondřej, František LIŠKA a Lucie ŠEDOVÁ. Vytisknout stránku. In: Cuni.cz [online]. [cit. 2014-02-08]. Dostupné z: http://biol.lf1.cuni.cz/ucebnice/repetitivni_dna.htm • Transpozon. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2014-02-08]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Transpozon • POLACH, Roman. Retroviry v našich genech vyprávějí o evoluci. In: E15.cz [online]. [cit. 2014-02-08]. Dostupné z: http://vtm.e15.cz/retroviry-v-nasich-genech-vypraveji-o-evoluci