Biológia pre informatikov

Bro¬a Brejová

26.9.2019

Walther Flemming, 1881

1

Hlavné postavy

Deoxyribonukleová kyselina (DNA)

Obsahuje geneti kú informá iu prená²anú z generá ie na generá iu.

Dlhý re´aze nukleotidov z mnoºiny {A,C,G, T}

(adenín, ytozín, guanín, tymín).

Informá ia uloºená v symboli kej, digitálnej forme.

Ribonukleová kyselina (RNA)

Blízka príbuzná DNA, tymín T nahradený ura ylom U

Proteíny (bielkoviny)

Katalyzujú bio hemi ké reak ie v bunke (enzýmy),

prená²ajú signály v rám i bunky/medzi bunkami,

sú d�leºité pre stavbu bunky a pohyb.

Re´aze aminokyselín (20 r�zny h aminokyselín).

2

Aká informá ia je uloºená v DNA?

Gény: Predpisy na tvorbu proteínov a funk£ný h RNA molekúl.

Riadenie i h expresie: kedy a ko©ko sa má tvori´.

DNA:

RNA:

RNA:

RNA: proteín:

transkripcia do RNA

spracovanie RNA

do proteínutranslácia

regulácia

génreplikácia

3

Centrálna dogma (Fran is Cri k 1958,1970)

DNA:

RNA:

RNA:

RNA: proteín:

transkripcia do RNA

spracovanie RNA

do proteínutranslácia

regulácia

génreplikácia

�The entral dogma of mole ular biology deals with the detailed

residue-by-residue transfer of sequential information. It states that su h

information annot be transferred ba k from protein to either protein or

nu lei a id.�

4

DNA, hromozómy

DNA: dve komplementárne vlákna, strands (páry A-T, C-G),

v opa£nej orientá ii (kon e sa nazývajú 5' a 3').

Napr. ACCATG je komplementárny s CATGGT.

Tvar dvojitej ²pirály:

Dvojvláknová ²truktúra poskytuje redundan iu, moºnos´ opravy pri

po²kodení jedného vlákna.

Pri delení bunky sa dvojvláknová DNA rozdelí a ku kaºdému vláknu sa

doplní komplement (DNA repliká ia).

Chromozóm: Súvislý úsek dvojvláknovej DNA a podporný h

proteínov.

�udský genóm má 22 párov hromozómov plus dva pohlavné,

spolu 3GB.

5

Te hnológia: sekvenovanie DNA

• Postup na zis´ovanie poradia báz v hromozómo h genómu.

• Chromozómy sa nasekajú na krátke kúsky,

kaºdý sa sekvenuje zvlá²´

napr. Sangerovým sekvenovaním.

� vyuºíva prírodné enzýmy, napr. DNA polymerázu

• Bioinformati ký problém: skladanie elej sekven ie z kúskov.

• Dostupnos´ genómov umoº¬uje

katalogizova´ gény a iné funk£né úseky,

h©ada´ podobnosti a rozdiely medzi druhmi a jedin ami.

6

Sangerovo sekvenovanie (Sanger sequen ing)

Sekvenujeme AGCTAGGACT (zobrazená sprava do©ava)

Primer AGT + enzýmy + nukleotidy + modi�kované ofarbené

nukleotidy

Výsledky sekvenova ej reak ie:

T C A G G A T C G A

A G T C C T A G C T

T C A G G A T C G A

A G T C C T A G C

T C A G G A T C G A

A G T C C T A G

T C A G G A T C G A

A G T C C T A

T C A G G A T C G A

A G T C C TT C A G G A T C G A

A G T C C

T C A G G A T C G A

A G T C

Na géli zoradíme pod©a d¨ºky:

A G T C C T A G C T

A G T C C T A G C

A G T C C T A G

A G T C C T A

A G T C C T

A G T C C

A G T C

Od£ítaním farieb dostaneme komplementárne vlákno: AGTCCTAGCT

7

PCR (polymerase hain rea tion)

Zvolíme si dva krátke úseky DNA (primers)

PCR testuje £i sú v DNA blízko seba (stovky, tisí e báz)

Ak áno, namnoºí úsek medzi nimi

4 kopie

8 kopiiDNA primers

2 kopie

8

DNA:

RNA:

RNA:

RNA: proteín:

transkripcia do RNA

spracovanie RNA

do proteínutranslácia

regulácia

génreplikácia

9

RNA

Ako sa lí²i od DNA?

• obsahuje ribózu namiesto deoxyribózy

• obsahuje ura il namiesto tymínu (bázy A,C,G,U)

• jednovláknové re´az e, zvy£ajne krat²ie

• zloºitá sekundárna ²truktúra: spárované komplementárne úseky

transferová RNA (tRNA)

10

Translá ia

Kodón (troji a nukleotidov) ur£uje 1 aminokyselinu

U G G U U U G G C U C A︸ ︷︷ ︸ ︸ ︷︷ ︸ ︸ ︷︷ ︸ ︸ ︷︷ ︸

W F G S

mRNA:

proteín:

11

Geneti ký kód

Ala / A GCT, GCC, GCA, GCG Leu / L TTA, TTG, CTT, CTC, CTA, CTG

Arg / R CGT, CGC, CGA, CGG, AGA, AGG Lys / K AAA, AAGAsn / N AAT, AAC Met / M ATGAsp / D GAT, GAC Phe / F TTT, TTCCys / C TGT, TGC Pro / P CCT, CCC, CCA, CCGGln / Q CAA, CAG Ser / S TCT, TCC, TCA, TCG, AGT, AGC

Glu / E GAA, GAG Thr / T ACT, ACC, ACA, ACGGly / G GGT, GGC, GGA, GGG Trp / W TGGHis / H CAT, CAC Tyr / Y TAT, TACIle / I ATT, ATC, ATA Val / V GTT, GTC, GTA, GTGSTART ATG STOP TAA, TGA, TAG

12

Proteíny

Re´az e 20 r�zny h aminokyselín s r�znymi hemi kými vlastnos´ami:

Aminokyselina Postranný re´aze Jeho vlastnosti

Alanín (A) -CH3 hydrofóbny

Arginín (R) -(CH2)3NH-C(NH)NH2 bázi ký

Asparagín (N) -CH2CONH2 hydro�lný

Kyselina asparágová (D) -CH2COOH kyslý

Cysteín (C) -CH2SH hydrofóbny

Kyselina glutámová (E) -CH2CH2COOH kyslý

Glutamín (Q) -CH2CH2CONH2 hydro�lný

Gly ín (G) -H hydro�lný

Histidín (H) -CH2-C3H3N2 bázi ký

Izoleu ín (I) -CH(CH3)CH2CH3 hydrofóbny

Leu ín (L) -CH2CH(CH3)2 hydrofóbny

Lyzín (K) -(CH2)4NH2 bázi ký

Metionín (M) -CH2CH2SCH3 hydrofóbny

Fenylalanín (F) -CH2C6H5 hydrofóbny

Prolín (P) -CH2CH2CH2- hydrofóbny

Serín (S) -CH2OH hydro�lný

Treonín (T) -CH(OH)CH3 hydro�lný

Tryptofán (W) -CH2C8H6N hydrofóbny

Tyrozín (Y) -CH2-C6H4OH hydrofóbny

Valín (V) -CH(CH3)2 hydrofóbny

13

�truktúra proteínov

Myoglobín, prvý proteín so známou ²truktúrou (Kendrew a kol. 1958).

Proteíny sa vyskytujú poskladané v ur£itej stabilnej ²truktúre,

prípadne pre hádzajú medzi nieko©kými stavmi.

Hydrofóbne aminokyseliny neinteragujú s vodou,

zv䣲a sa vyskytujú vo vnútri ²trukúry.

�truktúra proteínu ur£uje jeho funk iu.

14

15

Regulá ia expresie

Bunky v r�zny h tkanivá h toho istého organizmu zdie©ajú ten istý

genóm, vyzerajú a fungujú v²ak ve©mi r�zne.

Niektoré proteíny sa tvoria len za ur£itý h okolností, alebo

v premenlivom mnoºstve.

Regulá ia za£atia transkrip ie pomo ou transkrip£ný h faktorov:

RNApolymeraza

DNA

Gen

faktoryTranskripcne

Transkripcia

Bioinformati ký problém: zisti, ktoré faktory ovplyv¬ujú ktorý gén,

kde presne sa viaºu.

16

Te hnológia: mi roarray

znamegeny

komplementarnesekvencie hybridizuju

gene 1 gene 2 gene 3

+

vzorka RNA

snimame intenzitu

Meranie mnoºstva mRNA prítomnej v bunke pre ve©a génov naraz.

Zopakujeme za r�zny h podmienok, ²tudujeme korelá ie medzi génmi.

M�ºu by´ d�sledkom spolo£ného regulátora (transkrip£ného faktoru).

Bioinformati ký problém:

nieko©ko ko-regulovaný h génov,

nájdi motív, ku ktorému sa m�ºe viaza´ spolo£ný

transkrip£ný faktor (motif �nding)

17

Príklad mi roarray dát

Pomer expresie génu v meranej a kontrolnej

vzorke fg/bg

�ervená: fg>bg

Zelená: fg<bg

517 génov

19 experimentov

18

Mutá ie DNA

V DNA ob£as do hádza k zmenám, mutá iám

(napr. pod vplyvom prostredia, £i hybou pri repliká ii).

Typy mutá ií:

substitú ia, substitution (jedna báza sa zmení na inú),

inzer ia, insertion (vloºí sa nieko©ko nový h báz),

delé ia, deletion (vyne há sa nieko©ko báz),

zmeny v䣲ieho rozsahu (napr. transloká ie).

Bioinformati ké problémy:

Ktoré sekven ie vznikli z spolo£ného predka mutovaním?

(h©adanie homológov, homology sear h)

Ktoré bázy v dvo h príbuzný h sekven iá h si navzájom zodpovedajú?

(sequen e alignment, zarovnávanie sekven ií)

19

Popula£ná genetika

Mutá ie sa ²íria v populá ii z rodi£ov na potomkov.

Nebezpe£né mutá ie rý hlej²ie vymiznú, prospe²né sa rý hlej²ie ujmú

(prírodný výber, natural sele tion).

Polymor�zmus: geneti ký rozdiel medzi organizmami v rám i druhu.

Vedie k rozdielnosti vo fenotype, napr. výzor, dedi£né horoby.

Sekvenovaním via erý h jedin ov toho istého druhu získame preh©ad o

polymor�zme.

Bioinformati ký problém:

Nájdi polymor�zmus zodpovedný za ur£itý znak (napr. horobu).

20

Evolú ia

Vznik nový h druhov (spe iation):

Po rozdelení populá ie na via ero oddelený h £astí nedo hádza k

výmene geneti kého materiálu.

Hromadia sa zmeny aº kým nie je moºné párenie: vznik nový h druhov.

Bioinformati ký problém:

Na základe dne²ný h sekven ií ur£i

strom reprezentujú i vývoj druhov

(fylogeneti ký strom, phylogeneti

tree)

21

Prokaryoti ké vs. eukaryoti ké organizmy

Prokaryoty: baktérie, jednodu hé jednobunkové organizmy.

Nemajú jadro (DNA priamo v ytoplazme),

majú kruhový hromozóm (a prípadné krat²ie plasmidy),

jednodu h²ia ²truktúra génu at¤.

Eukaryoty: ºivo£í hy, rastliny, huby, niektoré jednobunkové organizmy.

Bunka obsahuje jadro s DNA, via ero organel.

Mito hondrie a hloroplasty sú pohltené prokaryoty, ktoré sa stali

£as´ou eukaryoti kej bunky.

Dlh²í genóm v nieko©ký h lineárny h hromozómo h.

22

Modelové organizmy

D�leºité pre biologi ký výskum, vieme o ni h via neº o príbuzný h

druho h. Poznatky ²ir²ie aplikovate©né.

Es heri hia oli: baktéria ºijú a v £re-

vá h. Jednodu há manipulá ia, delenie

kaºdý h 20 min. �túdium základný h ºi-

votný h pro esov: DNA repliká ia, expresia

génov, at¤. Genóm s 4000 génmi, 4.6MB.

Sa haromy es erevisiae: pekárske droºdie.

Jednodu hý eukaryoti ký organizmus. Genóm s

6000 génmi, 13MB. Delenie kaºdé 2 hodiny. �tú-

dium ²pe i� ky eukaryoti ký h javov.

23

Modelové organizmy

Arabidopsis thaliana: malá kvitnú a rast-

lina, 6-týºd¬ový ºivotný yklus. Skúmanie ja-

vov ²pe i� ký h pre rastliny.

Caenorhabditis elegans: malý £erv, nematód, ºijú i v p�de. �túdium

vývinu (ontogenéza, development), diferen iá ie buniek.

Drosophila melanogaster: vínna mu²ka. �túdium genetiky, gény

riadia e vývin jedin a.

Stavov e: ºaba Xenopus laevis (ve©ké, ©ahko manipu©ovate©né

vají£ka), akvarijná ryba Danio rerio (prieh©adné embryá), my² Mus

mus ulus (existuje ve©a plemien so ²pe iálnymi vlastnos´ami).

24

Dostupné dáta

• DNA sekven ie: elé genómy, i h £asti

• I h anotá ia: súradni e génov a iný h funk£ný h £astí

• Sekven ie RNA, i h ²truktúra

• Sekven ie proteínov, i h funk ia a ²truktúra

• Merania mnoºstva RNA/proteínu v bunke

• . . .

Dáta zaloºené na experimento h alebo výsledky výpo£tový h metód

Ve©a hýb (v obo h prípado h)

25

�al²ie informá ie

• Zvelebil, Baum: Understanding Bioinformati s, kap. 1

• Vysoko²kolské u£ebni e molekulárnej biológie

• Angli ká wikipédia

• Tutoriály na stránke predmetu

26