Genom

Genomje veškerágenetickáinformace uložená vDNA(u některýchvirůvRNA) vbuňkáchkonkrétníhoorganismu.Zahrnuje všechnygenyanekódující sekvence.Genom člověkaobsahuje přibližně 25 000 genů.

Genom muže – 46 chromozomů tvoří 23 párů v buněčném jádru (mitochondriální chromozom není zobrazen)

Termín genom může být chápán jako:

• jadernáDNA, tedy DNA uložená vbuněčném jádře
• veškerá buněčná DNA, která obsahuje vedle vlastní jaderné DNA také DNAorganel(u živočichůmitochondriálníDNA a u rostlinplastidovou DNAuloženou v chloroplastech).

Sekvencegenomu je kompletní seznamnukleotidů(Adenin,Cytosin,GuaninaThymin) v DNA, které tvoří všechnychromozomyjednotlivce. V rámci jednoho druhu organismu je drtivá většina nukleotidů mezi jednotlivci identická.

Počet chromozomů má každý organismus definovaný. Například lidský genom je souborem genetické informace zakódované ve 46 chromozomech uložených v jádru každé buňky. Chromozomy jsou uspořádány do 23 párů, jeden chromozom z každého páru se dědí od matky a jeden od otce. Celkem 22 párů se nazýváautozomy(nepohlavní chromozomy) a jeden pár chromozomů X a Y se nazývágonozom(pohlavní chromozom, který určuje pohlaví).

Důležitým termínem pro genom je ploidie – počethomologníchsadchromozomův živébuňce.Ploidie je u různých organismů odlišná. Většina lidskýchtělních buněkje diploidních (má 2 sady chromozomů, 23 od otce a 23 od matky). Lidsképohlavní buňkyjsou ale haploidní (jen jedna sada chromozomů, celkem 23).Tetraploidie(4 sady chromozomů) je jedním z druhů polyploidie a je běžná urostlina občas také uobojživelníků,plazůahmyzu.

Historie

• V roce 1869 byla poprvé identifikována DNA švýcarským lékařemFriedrichem Miescherem,a to v hnisu izolovaném z lékařských bandáží. O její funkci se toho však dlouho nic nevědělo.
• V 50. letech 20. století se podařilo odhalit pravou roli DNA jako nositelky genetické informace.
• V roce 1955 byl zjištěn správný počet lidských chromozomů (46).
• V roce 1976 belgický vědec Walter Fiers jako první stanovil kompletní nukleotidovou sekvenci RNAvirovéhogenomu vbakteriofáguMS2.
• V roce 1977 dvojnásobný nositel Nobelovy cenyFrederick Sangerdokončil první sekvenci genomu DNA (5386 párů bází).
• V roce 1983 byl objeven gen, jenž může při svém poškození vyvolatHuntingtonovu chorobu.Vědci začali pátrat i po dalších genech způsobujících choroby.
• V roce 1987 vznikla první genetická mapalidského genomu,která dělila lidskou jadernou DNA na velké množství definovaných úseků (sekvencí). Zatímco sekvence genomu uvádí pořadí každé báze DNA v genomu, genetická mapa identifikuje orientační body. Je méně podrobná, ale pomáhá při navigaci kolem genomu. Zásadním krokem v projektu bylo vydání podrobné genetické mapy Jeana Weissenbacha a jeho týmu na Genoskopu v Paříži.
• V roce 1990 byly objeveny první kompletní genomové sekvencebakteriía vyššíchživočichů.V roce 1995 to byl první bakteriální genom (Haemophilus influenzae). O několik měsíců později byl dokončen prvníeukaryotickýgenom se sekvencemi 16 chromozomů (Saccharomyces cerevisiae).
• V roce 1990 byl spuštěnHuman Genome Project,kladoucí si za cíl přečíst celou jadernou DNA člověka; tento projekt byl úspěšně završen v roce 2003.
• V roce 1996 byla objevena první genomová sekvencearcheotypa(Methanococcus jannaschii).
• Vývoj nových technologií dramaticky zlevnil a zjednodušilsekvenovánígenomu a počet kompletních genomových sekvencí rychle rostl. Mezi tisíce dokončených projektů sekvenování genomu patří projekty prorýži,rostlinuArabidopsis thaliana,myši,rybynebo bakterieEscherichia coli.
• V prosinci 2013 vědci poprvé sekvenovali celý genomneandrtálce,vyhynulého druhu lidí. Genom byl extrahován z prstní kosti 130 000 let starého neandrtálce nalezeného v sibiřské jeskyni.
• V roce 2007 byl sekvenován celý genJamese Dewey Watsona,jednoho ze spoluobjevitelů struktury DNA.
• Vzhledem k tomu, že genomy jsou velmi složité, jednou z výzkumných strategií je snížit počet genů v genomu na naprosté minimum a stále nechat dotyčný organismus přežít. Probíhají experimentální práce na minimálních genomech pro jednobuněčné organismy a minimálních genomech pro mnohobuněčné organismy. Práce jsouin vivoiin silico.
• V současnosti se stále pracuje na již objevených a dalších genomových sekvencích a mapách. Jsou aktualizovány, odstraňují se chyby a objasňují se důležité oblasti genomu. Klesající náklady na mapování genomu umožnily jeho využití v medicíně, kriminalistice a dalších oborech.

Velikost genomu

Velikost genomu je celkový počet párů bází DNA v jedné kopiihaploidníhogenomu (base pair–fyzikální jednotkapro počet bází v genomu). Velikost genomu se u jednotlivých druhů živočichů značně liší. Zatím nebyla objevena jasná souvislost mezi velikostí genomu uprokaryota u nižšícheukaryot.

Nejmenší genomy mají viry, malé genomy mají bezobratlí a ptáci, středně velké genomy mají ryby a obojživelníci. U člověka se jaderný genom skládá z přibližně 3,2 miliardy nukleotidů DNA, které jsou rozděleny do 24 lineárních molekul (od 50 000 000 nukleotidů až po 260 000 000 nukleotidů). Každý z nich je obsažen v jiném chromozomu.

Virový genom

Virovégenomy patří k těm nejmenším a mohou být složeny z RNA nebo DNA:

• Genomy RNA virů mohou být jednovláknové nebo dvouvláknové. Mohou obsahovat jednu nebo více samostatných molekul RNA.
• Genomy DNA virů mohou být také jednovláknové nebo dvouvláknové. Většina genomů DNA virů se skládá z jediné lineární molekuly DNA, ale některé jsou tvořeny kruhovou molekulou DNA.

Virová obálka je vnější vrstvamembrány,kterou virové genomy používají ke vstupu do hostitelské buňky. Některé třídy virové DNA a RNA se skládají z virové obálky, zatímco některé ne.

Prokaryotický genom

Schematický model prokaryotické buňky s kruhovou DNA

Prokaryotajsou jednobuněčnéorganismy,které se vyvinuly před 3–3,5 miliardami let. Pravděpodobně jsou vůbec nejstaršími buněčnými organismy, které se nazývají archeobakterie. Prokaryota se množí dělením buněk.

Prokaryotický genom je uložen v buňce a obsahuje minimálně nekódujících sekvencí. Geny jsou uloženy velmi těsně vedle sebe, některé se i překrývají. Strukturní geny jsou veliké asi 1000 až 1500 bp (base pair–fyzikální jednotkapro počet bází v genomu).

Archeobakterie a většina ostatních bakterií má jeden kruhový nebo lineární chromozom, případně více chromozomů. Pokud je DNA replikována rychleji, než se dělí bakteriální buňky, může být v jedné buňce přítomno více kopií chromozomu, a pokud se buňky dělí rychleji, než může být replikována DNA, je před dělením zahájena vícenásobná replikace chromozomu. To umožňuje dceřiným buňkám zdědit kompletní genom a již částečně replikované chromozomy.

Eukaryotický genom

Schematický model eukaryotické buňky: 1jadérko,2jádro,3ribozom,4vezikul,5drsné endoplazmatické retikulum,6Golgiho aparát,7cytoskelet,8hladké endoplazmatické retikulum,9mitochondrie,10vakuola,11cytosol,12lysozom,13centriola

Eukaryotajsoumnohobuněčnéorganismy, předevšímživočichovéneborostliny.Eukaryotická buňkana rozdíl odprokaryotníobsahujebuněčné jádroa množství dalšíchorganeloddělenýchmembránouod okolí. Tyto struktury rozdělují buňku na mnoho menších oddílů. Eukaryota mají schopnostpohlavního rozmnožování.

Eukaryotický genom bývá rozdělen do různých organel (jádro, mitochondrie, chloroplasty). Můžeme pak rozlišovat jadernou, mitochondriální nebo chloroplastovou složku buněčného genomu. Uspořádání genů v genomu označujeme jako struktura a organizace genomu.

Jaderný genom je uložen v buněčném jádře v jednotlivých lineárních chromozomech, které obsahují DNA. Strukturní geny, které obsahují kódy pro vznik bílkovin, tvoří asi 5 % sekvencí z celého genomu. Velikost strukturních genů je různá, od 500 bp (interferon) až po 2 miliony bp (dystrofin). Dále genom obsahuje regulační a další nekódující sekvence.

Genom eukaryotů lze rozdělit na kódující a nekódující sekvenci DNA:

• Kódující sekvence DNA nese instrukce k tvorbě bílkovin. Kódující sekvence tvoří pouze 2 % lidského genomu.
• Nekódující sekvence nenese instrukci k tvorbě bílkovin. Zahrnuje introny, sekvence pro nekódující RNA, regulační oblasti a opakující se DNA. Nekódující sekvence tvoří 98 % lidského genomu.

Genom eukaryotů lze také rozdělit na:

• strukturní geny
• geny protRNAarRNA
• pseudogeny(podobné strukturním genům, ale nefunkční)
• regulační sekvence
• pohyblivé sekvence (skákající geny – transpozóny a retropozóny)
• nekódující repetitivní sekvence (mikrosatelity)

Molekulární základ genomu

Rozdíl řetězců nukleových kyselin RNA a DNA; po stranách dusíkaté báze obsažené v dané nukleové kyselině

Molekulární základ genomu je sekvence stovek až miliónůnukleotidůvDNA.Tato sekvence kóduje syntézuRNAa následněbílkovinu.Jednoduše řečeno DNA genetickou informaci uchovává, RNA danou informaci dává do pohybu.

DNA a RNA

Kyselina deoxyribonukleová (DNA – deoxyribonucleic acid) a kyselina ribonukleová (RNA – ribonucleic acid) jsounukleové kyseliny,které obsahují vždy čtyři druhy nukleotidů. Jejich různým pořadím v řetězci lze dosáhnout obrovského počtu kombinací. Právě sekvence jednotlivých druhů nukleotidů, která tvoří primární strukturou makromolekuly, v sobě uchovává genetickou informaci. Molekuly DNA jsou pravděpodobně největšími jednotlivými známými makromolekulami. Rozvinutá DNA chromozómu s vyznačenou oblastí genu a jeho oblastí exonů a intronů Proces přenosu genetické informace se v buňce realizuje vbuněčném jádřearibozomech;nazývá seproteosyntéza.Rozděluje se do několika fází:

Rozvinutá DNA chromozómu s vyznačenou oblastí genu a jeho oblastí exonů a intronů

Exony, introny a UTR při přeměně pre-mRNA v mRNA

• Replikaceje proces, v jehož průběhu dochází k rozpletení dvoušroubovice DNA a jejímu kopírování.
• Transkripceje proces, v jehož průběhu dochází k přepisu genetické informace ze sekvence DNA do sekvencemRNA.
• Translaceje proces, v jehož průběhu dochází k převodu informace uložené v mRNA do sekvence bílkovin. Pomáhá při tomrRNAv ribozomech atRNA.

Exony, introny a UTR při přeměně pre-mRNA v mRNA

Exony, introny a UTR

Struktura genu se skládá z mnoha prvků, z nichž sekvence kódující bílkoviny je jen malou částí. Kódující část DNA je instrukcí uvnitřbuňky,jak tvořit molekuly bílkoviny, a představuje pouhá 2 % celkové DNA.Nekódující část DNAnení instrukcí k tvorbě bílkoviny a představuje 98 % celkové DNA. Gen tak lze rozdělit na tři části:exon,intronaUTR:

• Exon je část sekvence nukleové kyseliny (DNA či RNA), podle níž se obvykle tvoří v procesu translace bílkovina. Z exonů vpre-mRNAvznikámRNA,podle níž je nakonec tvořen protein.
• Intron je oblast pre-mRNA, která senepřekládádo bílkoviny, ale vystřihuje se během tvorby mRNA mechanismem zvanýmsplicing.Význam intronů není zcela známý, ale existuje několik teorií, které jejich význam vysvětlují (např. zvýšení evolučního potenciálu vznikem nových genů přestavbou starých).
• UTR (untranslated region –nepřekládaná oblast) je oblast mRNA, která také není překládána do bílkovin. Nepřekládané oblasti jsou5' i 3' na koncimRNA. I tato oblast má řadu regulačních funkcí. Například určuje, kdy dojde k translaci, nebo napomáhá ke stabilitě celé mRNA.

Přečtené genomy

Podrobnější informace naleznete v článkusekvenování DNA.

Kromě organismů v následujícím výčtu bylo již přečteno množství genomů mnoha jednobuněčných organismů (prvokůibakterií) avirů.Jejich genomy patří k nejkratším, a tak není překvapivé, že některé druhy patřily k prvním sekvenovaným druhům. Prvním přečteným genomem vůbec byl genombakterieHaemophilus influenzae.Pro sekvenování byla vybrána kvůli svému výjimečně malému genomu, který obsahuje, jak již dnes víme, jen 1 830 140 párů bázíDNAa 1740genů.K nejvýznamnějším osekvenovaným jednobuněčným patří bakterieEscherichia coli,kvasinkya například virusSARS.

Přečtené genomy zahrnují databázi genů od „průměrného jedince “danéhodruhu,protože k analýze jsou použity vždy vzorky z mnoha jedinců.

Genomyhmyzu

1. octomilka(Drosophila melanogaster). Jeden z nejvýznamnějšíchmodelových organismůpro výzkum dědičnosti.
2. komárroduAnopheles
3. včela medonosná– leden 2004– Významnou odlišností tohoto hmyzu je eusociálnost včel, krom toho je hospodářsky významným druhem.
4. bourec morušový– (91%) v prosinci2004

Genomyryb

1. dánio pruhované(Danio rerio)
2. čtverzubec rudoploutvý(Takifugu rubripes)
3. čtverzubec černozelený(Tetraodon nigroviridis) říjen 2004– Přečtení dvou příbuzných genomů má pomoci při porozumění procesuevoluce.

Genomyobojživelníků

1. drápatkaXenopus tropicalis

Genomyptáků

1. kur bankivský(Gallus gallus) – březen 2004– Kur bankivský je divokým předkemkura domácího.

Genomysavců

Například:

1. člověk– Rozluštěnílidského genomubylo oznámeno 14. dubna 2003. Od té doby bylo osekvenováno již více osob.
2. myš– Myš byla prvním savcem, jejíž genom mohl být porovnáván s lidským. Myš je zároveňmodelovým organismemlékařského výzkumu.
3. potkan– duben 2004– Potkan je významnýmmodelovým organismemv lékařském výzkumu.
4. skot– nahrubo přečten v říjnu 2004– Významné zejména z hospodářského a šlechtitelského důvodu.
5. prase– červen 2005– Významné jak z hospodářského a šlechtitelského důvodu, tak proto, že některé tkáně či orgány prasete mohou být používány vtransplantačnímedicíně; i proto je významné znát genom prasete.
6. šimpanz– srpen2005– Zvláště významné kvůli možnosti porovnávání s lidským genomem.
7. pes,plemeno boxer. Významné pro výzkum některých dědičných onemocnění, která se psy sdílíme.
8. makak

Genomyrostlin

1. huseníček rolní(Arabidopsis thalliana);Arabidopsisje nejvýznamnějšímodelový organismusve výzkumu rostlin.
2. rýže(Oryza sativa)
3. kukuřice setá(Zea mays)
4. topol chlupatoplodý(Populus trichocarpa); anotovaný genom byl uveřejněn v září 2006; topol chlupatoplodý je první strom, jehož genom byl osekvenován.
5. Physcomitrella patens(modelový druh mechu); anotovaný a kompletní genommechuPhyscomitrella patensbyl uveřejněn v dubnu 2007.Physcomitrellaje prvním osekvenovanýmmechorostema zároveň první sekvenovanou ne-semennou rostlinou,a proto představuje cennýmodelový organizmuske studiuevolučních procesův rostlinné říši.

Genomy vyhynulých organismů

Biomolekulární výzkumy genomu současných organismů umožňují rekonstruovat některé základní charakteristiky genomu dávno vyhynulých organismů, jako jsou například druhohornídinosauři.Výzkum pravděpodobné podoby genomu dinosaurů, vytvořený na základě porovnávání genomu současných ptáků a plazů, byl poprvé publikován v letech 2018 a 2019.

Odkazy

Reference

V tomto článku byly použitypřekladytextů z článkůGenomna německé Wikipedii aGenomena anglické Wikipedii.

Související články

• Gen
• Proteom
• Supercontigy

Externí odkazy

• Obrázky, zvuky či videa k tématugenomnaWikimedia Commons
• Slovníkové heslogenomve Wikislovníku
• Přehledné zobrazení přečtených genomů(anglicky)

Autoritní data	NKC:ph136488 PSH:13683 BNF:cb12134656g(data) GND:4156640-3 LCCN:sh85053924 NDL:01009114 NLI:987007562691305171

Portály:Biologie