Úvod

DNA, což je zkratka pro deoxyribonukleovou kyselinu, je molekula, která obsahuje genetickou informaci u všech živých organismů. Je to základní stavební blok života a hraje klíčovou roli v dědičnosti, růstu a vývoji. Je to jako taková kuchařka plná receptů, která říká našemu tělu, jak má růst, jakou má mít barvu očí atd. Tento recept v sobě má každá naše buňka. Lidská buňka kromě této DNA uložené v jádře každé buňky obsahuje také mtDNA uložené v Mitochondriích.

Struktura

Z hlediska biochemie je DNA biologická makromolekula – polymer v podobě řetězce nukleotidů. Tento polymer vypadá jako šroubovice, která se skládá z malých částí, které se nazývají nukleotidy. Tyto nukleotidy se skládají ze tří částí. Každý má jednu ze čtyř základních nukleových bází – A – adenin, T – thymin, C – cytosin a G – guanin. Tyto základní části se navzájem párují. Adenin se vždy páruje s thyminem a cytosin se páruje s guaninem. Cukr (deoxyribóza) je druhá část, kterou obsahuje každý nukleotid. A poslední částí je fosfát – ten pomáhá spojit všechny části dohromady a tvoří takovou kostru pro celou šroubovici. DNA je sdružována do Chromatinu a ten do Chromozomu.

Open

Funkce

Ukládání genetické informace

DNA obsahuje všechny instrukce potřebné pro růst, vývoj a fungování organismu. Tyto instrukce jsou uspořádány do genů, které určují různé vlastnosti organismu, jako je barva očí, výška nebo schopnosti.

Dědičnost

DNA se předává z rodičů na potomky. Když se buňky dělí (například v procesu reprodukce nebo hojení ran), DNA se kopíruje, což zajišťuje, že každá nová buňka má stejnou genetickou informaci jako buňka, ze které vznikla.

Syntéza proteinů

DNA hraje klíčovou roli při výrobě proteinů, které jsou nezbytné pro téměř všechny funkce v těle. Geny v DNA kódují informace, které se přepisují do RNA (ribonukleové kyseliny), a RNA pak slouží jako návod k výrobě proteinů.

Regulace buněčných procesů

DNA také reguluje, kdy a jak se určité geny aktivují nebo deaktivují. To je důležité pro to, aby buňky mohly reagovat na různé podmínky a vykonávat specifické úkoly.

Evoluce a variabilita

DNA je základem pro evoluci. Mutace (změny v DNA) mohou vést k novým vlastnostem, které se mohou předávat dalším generacím. To umožňuje organismům přizpůsobovat se změnám v prostředí.

Oprava a replikace

DNA má schopnost se replikovat a opravovat chyby, což je klíčové pro udržení stability genetické informace během buněčného dělení.

Další pojmy související s DNA a genetikou

Chromozomy

Open

Naše jaderné DNA je uloženo v chromosomech. Když si představíme DNA jako provázek plný informací o tom, jak má naše tělo fungovat, tak chromozomy jsou takové svazky, do kterých se tyto provázky smotají, aby se lépe vešly do jádra lidské buňky. Počet a utváření jednotlivých chromozomů v buněčném jádře jsou pro každý biologický druh charakteristické. Chromozomové složení buňky udává tzv. karyotyp. Lidský karyotyp nám ukazuje, že jádro lidské somatické buňky obsahuje 46 chromozomů, uspořádaných do 23 párů.

Chromozomy obsahují geny, které určují naše vlastnosti a jak naše tělo funguje. Když se buňky dělí, chromozomy se kopírují, aby nové buňky měly také všechny totožné potřebné informace.

Chromatin a histony

Chromatin

je komplex biologických molekul, který se skládá z DNA a proteinů, především histonů. Je to struktura, která se nachází v jádře eukaryotických buněk a hraje klíčovou roli v organizaci a regulaci genetické informace.

Existují dvě hlavní formy chromatinu: euchromatin, který je méně hustý a obvykle aktivní v transkripci, a heterochromatin, který je hustší a obvykle neaktivní. Tato struktura se mění během buněčného cyklu a má zásadní význam pro správnou funkci buněk a dědičnost.

Funkce chromatinu zahrnují:

1. Uložení DNA: Chromatin pomáhá kompaktně zabalit dlouhé molekuly DNA, aby se vešly do jádra buňky. Bez chromatinu by DNA byla příliš dlouhá a chaotická.

2. Regulace genové exprese: Chromatin se může měnit a tím ovlivňuje, které geny jsou aktivní a které jsou neaktivní. To znamená, že chromatin rozhoduje, jaké informace budou buňky používat k vykonávání svých funkcí.

3. Ochrana DNA: Chromatin chrání DNA před poškozením a pomáhá udržovat její strukturu.

Histony

jsou specifické proteiny, které hrají klíčovou roli v organizaci a strukturalizaci chromatinové DNA. Existuje několik typů histonů, které se dělí na hlavní skupiny: histony H1, H2A, H2B, H3 a H4. Tyto proteiny se vážou na DNA a pomáhají ji zabalit do kompaktnějších struktur, což usnadňuje její uložení v jádře buňky.

Funkce histonů zahrnuje:

1. Organizaci DNA: Histony jsou proteiny, kolem kterých se DNA omotává. Tím se vytváří struktury nazývané nukleozomy, které umožňují efektivní balení DNA.

2. Regulaci aktivit genů: Histony mohou být chemicky modifikovány, což ovlivňuje, jak je DNA přístupná pro transkripční faktory a enzymy. Například, pokud se histony “označkují” určitými chemickými skupinami, může to znamenat, že DNA se bude snadněji číst a geny budou aktivní, nebo naopak neaktivní.

3. Dědičnost: Histony hrají roli také při předávání genetické informace z jedné generace na druhou, protože se modifikace histonů mohou přenášet na dceřiné buňky.

Celkově chromatin a histony spolupracují, aby zajistily, že DNA je dobře uspořádaná, chráněná a správně regulovaná, což je nezbytné pro zdravý vývoj a funkci buněk.

Epigenetika

Epigenetika se zabývá přenosem informací mezi organismy z generace na generaci, a to způsobem, kdy není informace uložená v DNA, ale v různých typech molekulárních mechanismů.

DNA je zabalená ve strukturách, kterým říkáme nukleozomy. Z nukleozomů trčí do prostoru takové ocásky, kterým se říká histonové ocasy, na které se mohou navěsit různé chemické značky. Značka, která na histonovém ocásku visí, nám tak může označovat, jestli má být DNA v nukleozomu aktivní, nebo neaktivní. To znamená, že když se na značce objeví zákazová informace, gen aktivní nebude. Buňka si to umí pamatovat a přenést tuto informaci při dělení do další generace dceřinných buněk.

Epigenetické změny jsou modifikace, které ovlivňují, jak jsou geny aktivní nebo neaktivní, aniž by došlo k jakýmkoli změnám v samotné DNA. Tyto změny mohou mít vliv na to, jak buňky čtou a používají genetické informace.

Epigenetické modifikace zahrnují například:

1. Methylace DNA: Přidání methylové skupiny na cytosinové zbytky v DNA, které často vede k potlačení genové exprese. Methylace se obvykle vyskytuje v oblastech promotorů genů.

2. Acetylace: Tento proces zahrnuje přidání acetylové skupiny (COCH₃) na lysinové zbytky v histonech, které jsou proteiny obalující DNA. Acetylace histonů obvykle zvyšuje dostupnost DNA pro transkripční faktory a tím usnadňuje aktivaci genů. Naopak deacetylace může vést k represivním efektům a snížení genové exprese.

3. Fosforylace: Přidání fosfátové skupiny na aminokyseliny v histonech, což může ovlivnit strukturu chromatinu a regulaci genové exprese.

4. Ubiquitinace: Proces, při kterém je na proteiny přidáván ubiquitin, což může ovlivnit stabilitu proteinů a jejich funkci v buněčných procesech.

5. Sumoylace: Přidání malého ubiquitinovému-like proteinu (SUMO) na cílové proteiny, což může ovlivnit jejich lokalizaci, stabilitu a interakce s jinými proteiny.

6. Non-kódové RNA: Molekuly RNA, které nejsou překládány na proteiny, ale regulují genovou expresi různými mechanismy, včetně RNA interference a modifikace chromatinu

Genetika vs epigenetika

Oba vědecké obory se pohybují v říši biologie a oba řeší problematiku dědičnosti. Genetika se zaměřuje přímo na jednotky dědičné informace, jímž se říká geny, jsou uloženy v chromozomech v buněčném jádru a chemicky mají podobu šroubovice DNA. Epigenetika naproti tomu studuje změny v dědičnosti, které nejsou zakódovány přímo v DNA. Zkoumá změny chování našich genů vlivem dalších buněčných změn a také to, jak se geny mění následkem chování lidí samotných.

Gen

Gen je základní informační jednotkou dědičnosti. DNA má strukturu, která vypadá jako spirála, a geny jsou v ní uspořádány jako sekvence písmen, které tvoří kód. Každý gen má obvykle několik stovek až tisíců těchto písmen (nukleotidů A, C, T, G). Tato sekvence určuje, jaký protein bude vytvořen, což pak ovlivňuje různé vlastnosti, jako je barva očí nebo růst. Takže když se mluví o genu, myslí se tím konkrétní úsek DNA, který nese informace pro nějakou funkci nebo vlastnost v těle. Soubor všech genů (soubor všech molekul DNA) v našem organismu se nazývá genom.

Alela

Téměř každý gen se vyskytuje v různých konkrétních formách – těmto formám říkáme Alely. Gen je zodpovědný za znak (například za barvu očí), zatímco alela je zodpovědná za projev znaku (zda budou oči modré nebo hnědé). Alely se vyskytují v párech, základem je forma dominantní (A) a recesivní (a). Jednu alelu dědí jedinec po otci, druhou po matce.

To, která alela se projeví, závisí na tom, jak jsou alely vzájemně silné nebo slabé.

Dominantní alela

Pokud máme jednu dominantní alelu a jednu recesivní alelu pro nějaký znak, dominantní alela "vyhraje" a určí, jaký znak se projeví. Například, pokud je alela pro modré oči dominantní a alela pro zelené oči recesivní, bude mít jedinec modré oči, protože dominantní alela je silnější (Aa)

Recesivní alela

Recesivní alela se projeví pouze tehdy, když máme obě alely recesivní. (aa)

Varianty, SNP a Mutace

SNP, což je zkratka pro "single nucleotide polymorphism" (jednoduchý nukleotidový polymorfismus), je malá změna v DNA, která se skládá z jednoho písmena (nukleotidu A, C, G nebo T). SNP představuje místo, kde se u různých lidí může lišit jeden nukleotid. Například, pokud je v určitém místě DNA u jedné osoby písmeno "C" a u jiné osoby "A", říkáme, že tam je SNP. Tyto malé změny mohou mít různý vliv. Některé SNP nemají žádný vliv na zdraví nebo vzhled, zatímco jiné mohou ovlivnit, jak tělo reaguje na léky, jaké má vlastnosti, nebo dokonce jaké má riziko některých onemocnění.

Například v lidském genomu se na určité pozici u většiny jedinců vyskytuje nukleotid T, ale u některých lidí se může na této pozici vyskytovat nukleotid G. To značí, že na to to místě se vyskytuje SNP a dvě možné varianty nukleotidů G nebo T. 

Jednonukleotidové polymorfismy jsou základem rozdílů v naší náchylnosti k různým onemocněním – např. cystická fibróza je způsobena právě SNP.

Varianta genů je různá forma genů, která ovlivňuje naše znaky a zdraví. Varianty mohou být způsobeny různými změnami v DNA, jako jsou SNP, nebo jinými genetickými změnami. Tyto varianty hrají důležitou roli v tom, jak se projevují naše vlastnosti a jak se naše tělo vyrovnává s různými faktory, jako jsou nemoci nebo prostředí.

Za určitých podmínek může dojít ke změně genetické informace neboli mutaci. Mutace je tedy změna v DNA, která může ovlivnit geny a jejich funkci. Někdy vznikají mutace náhodně, jindy např. chybou při replikaci (kopírování) nebo reparaci (opravě) DNA. Četnost mutací se zvyšuje působením některých chemických látek, virů nebo fyzikálních faktorů, které souborně nazýváme mutageny. Některé mutace nemají žádný vliv na organismus, jiné mohou způsobit změny ve vzhledu nebo zdraví. Například, některé mutace mohou být zodpovědné za určité nemoci, zatímco jiné mohou poskytnout výhodu, jako je odolnost vůči určitému onemocnění.

Mutace jsou důležité pro evoluci, protože přinášejí genetickou rozmanitost, která umožňuje druhům se přizpůsobit měnícímu se prostředí.

Existují různé typy mutací:

Bodové mutace

Typ genetické mutace, při které dochází k změně v jedné nebo několika málo bazí DNA v rámci celého genomu.

Delece

Typ mutace, při které dojde ke ztrátě části DNA. Dochází ke ztrátě části chromozomu, včetně příslušných částí genů, na něm uložených, což může způsobit závažné poruchy.

Duplikace

Typ mutace, při které dojde k opakování určité části DNA. To znamená, že se jeden úsek DNA zkopíruje a přidá se vedle původního úseku, což vede k tomu, že daná sekvence je přítomna vícekrát.

Inzerce

Typ mutace, při které se do DNA přidává nový úsek, což znamená, že dochází k vložení jednoho nebo více nukleotidů do genetického kódu.

Indel

Zkratka pro „insertion – deletion“ neboli „vložení a smazání“ označuje typ mutace, při které dochází zároveň k vložení a odstranění jednoho nebo více nukleotidů ve stejném místě DNA.