Genom, Pangenom a Metagenom

Genom, Pangenom a Metagenom

• Genom: Celková sekvence nukleové kyseliny daného organismu (všechna genetická informace). Obsahuje DNA/RNA (u virů, RNA), dvouřetězcovou/jednořetězcovou, lineární/kruhovou, segmentovanou/nesegmentovanou.
• Pangenom: Soubor genů (genetických informací) společný pro určitou taxonomickou skupinu (druh, vyšší skupina). Obsahuje jádro(core) genů společných všem a variabilní (dispensable/unique) geny, nenalezené ve všech variantách.
• Metagenom: Soubor genetické informace celé komunity organizmů (často mikroorganismů).

Složky Pangenomu

• Core: Společné všem organismům v dané skupině.
• Dispensable: Společné některým.
• Unique: Unikátní jen pro některé organismy.

Charakteristiky Genomů

• Velikost (párů bází, chromozomy, plazmidy, ploidie): Nekoreluje vždy s komplexitou u eukaryot, ale ano u některých virů.
• Obsah GC párů: Nekoreluje s velikostí genomu
• Geny (počet, délka, exony, introny): Počet strukturních genů koreluje s velikostí u virů, bakterií, archeí, ale ne pro komplexní eukaryota.
• Repetitivní sekvence: Koreluje s velikostí genomu.
• Regulační sekvence: Metylace DNA, modifikace histonů, enhancery, represory.
• Srovnání s příbuznými genomy (homologie).
• Diverzita (DNA polymorfismy, haplotypy, pangenom).

Virové Genomy

• Mohou obsahovat jednořetězcovou DNA/RNA.

Srovnání bakteriálních a eukaryotických genomů

• Velikost: Bakterie 100kpb - 16Mbp, eukaryota 2.3 – 670,000Mbp.
• Struktura: Kruhová (bakterie) vs. lineární (eukaryota).
• Členění: Jeden chromozom + plazmidy (bakterie); více chromozomů + organelární genomy (eukaryota).
• Hustota genů: Vysoká u bakterií, nízká u eukaryot.
• Introny: Méně u bakterií, více u eukaryot.
• Replikační počátky (ori): Jeden (bakterie), vícenásobné (eukaryota).
• Pangenomy: Rozdíly v kód. I nekód. DNA.

Měření Velikosti Genomů

• Sekvenování
• Průtoková cytometrie (s fluorescencí).

C-hodnota a Paradox C-hodnoty

• C-hodnota: Celkový obsah DNA v haploidním genomu (n).
• Paradox C-hodnoty: Velikost genomu nekoreluje s komplexitou organismů.

Řádové Velikosti Genomů

• Viry: 0,01–0,04 Mb
• Bakterie: 1,2–3,2 Mb (chromozom)
• Archea: 1,6 Mb
• Eukaryota: Široký rozsah.

Chromozómové Číslo

• Celkový počet chromozomů v haplofázi (n) nebo diplofázi (2n).

Codon Usage Bias

• Četnost různých synonymních kodonů v kódující DNA.

Genová Hustota

• Počet genů na jednotku délky.

Repetitivní a Unikátní Sekvence

• Unikátní: 1–10 kopií na haploidní genom.
• Repetitivní: >10 kopií na haploidní genom.
• Kinetika renaturace DNA: Rychlost renaturace odlišuje repetitivní sekvence od unikátních.

Repetitivní Sekvence - Typy

• Středně repetitivní
• Vysoce repetitivní
• Tandemové
• Disperzní/intersperzní

Sekvenční Podobnost a Homologie

• Sekvenční podobnost: Podobnost nukleotidových sekvencí.
• Homologie: Podobnost vyplývající ze společného původu.
• Paralogy: Homologické geny vzniklé duplikací.
• Ortology: Homologické geny vzniklé po speciaci.
• Xenology: Homologické geny získané horizontálním přenosem.
• Genová rodina: Skupina genů vzniklých evolucí z jednoho předka.

Změny Genomů

• Mutace
• Transponovatelné prvky
• Rekombinací
• Horizontální přenos
• Eliminace částí DNA
• I nkorporace volné DNA

Virové Genomy - Baltimorova Klasifikace

• Různé typy: dsDNA, ssDNA, dsRNA, +ssRNA, -ssRNA, retroviry.
• Rozdíly: Typ nukleové kyseliny, struktura, segmentovanost, multipartitní genom, multipartitní viry.

RNA Viry

• Napadají eukaryoty i bakterie (a další).

Virové Genomy - Charakteristiky

• Malý počet genů (desítky, jednotky).
• Vysoká genová hustota.
• Polyproteiny.
• Strukturní proteiny viru.

Provirus

• Integrovaný virus v genomu hostitelské buňky.

Segmentované a Multipartitní Genomy

• Segmentovaný: Všechny segmenty v jedné virové částici.
• Multipartitní: Segmenty v různých virových částicích.
• Výhody: Rekombinací, genetická diverzita, rychlá evoluce.
• Nevýhody: Problém se správným seskupením segmentů.

Rekombinací u virů

• Reassortment (přeuspořádání segmentů).
• Nereplikativní rekombinace.
• Replikativní rekombinace (změna templátu při replikaci).

Pseudodiploidie u retrovirů

• Dvě kopie virového genomu v jedné virové částici.

Virofágy

• Viry infikující viry (obvykle velké dsDNA viry).

Subvirální Agens (Satelity, Viroidy)

• Satelity: RNA/DNA, enkapsidované, závisí na pomocném viru.
• Viroidy: Kruhová ssRNA, enkapsulace není potřeba, nekódují proteiny.

Bakteriální a Archeální Genomy

• Kruhová dsDNA (někdy lineární).
• Monoploidní nebo multipartitní.
• Chrmozóm-> esenciální geny, podíl.
• Plazmidy: Multipartitní genom.
• Plazmidy (low copy/ high copy, konjugativní/nekonjugativní, integrativní, rezistenční, fértilní).
• Typy plazmidů

Funkční Skupiny Plazmidů

• Fertilní: Konjugace.
• Rezistentní: Antibiotika, těžké kovy.
• Kolicinogení: Toxiny, bakteriociny.
• Virulenční: Patogenicita.
• Degradativní/metabolické: Degradace organických látek.

Plazmidy jako Klonovací Vektory

• Restrikční místa pro cizorodou DNA.
• Autonomní replikace.
• Selekční markery.
• Snadný přenos do hostitelủ.

Eukaryotický Genom

• Jaderný
• Mimojaderný (mitochondrie, plastidy).
• Nukleomorf: Zbytek jádra po sekundární endosymbióze.
• Plazmidy (u některých hub).

Jaderné Genomy Eukaryot

• Lineární dsDNA.
• Diploidní/haploidní/polyploidní.
• Široký rozsah velikosti.
• Nízká genová hustota.
• Introny (značné).
• Repetitivní (a unikátní) sekvence.
• Pangenomy: Možné rozdíly.

Homologické a Nehomologické Chromozomy

• Homologické: Stejný obsah a obecná struktura.
• Nehomologické: Liší se obsahem a strukturou.

Repetitivní Sekvence v jaderných genomech eukaryot

• Disperzní: Kopie rozptýlené po genomu.
• Tandemové: Kopie za sebou(shluky).
• Minisatelity: 10–100 bp.
• Mikrosatelity: 2-6bp.
• Satelity: <2 kb.

Telomery a Centromery

• Telomery: Konce chromozomů.
• Centromery: Střed chromozomů.
• Funkce: Ochrana chromozomů, regulace replikace, segregace chromozomů.

Histonové Varianty

• Liší se od kanonických histonů.
• Funkce v regulaci genové exprese, kompakce chromatinu.
• Lokální exprese daných variant.

Nukleozom a Chromozom

• Nukleozom: DNA ovinutá kolem histonového oktameru.
• Chromozom: Vyšší úrovně kompakce chromatinu, s linker histony.

Chromatin - Dynamický

• Není rigidní, proměnlivé asociace DNA s histony.

Nehistonové Proteiny

• HMG proteiny, chaperony, SMC proteiny, modifikační proteiny chromatinu ("writers", "erasers", "readers), ATP-dependentní remodelující proteiny.

HMG proteiny a histonové chaperony

• Strukturní role, regulují inkorporaci/výměnu histonů.

SMC proteiny

• Strukturní proteiny důležité pro organizaci a kondenzaci chromatinu.

Modifikace chromatinu

• Acetylace, metylace, fosforylace histonů.
• Metylace DNA.
• Regulační role - aktivní/inaktivní transkripce.

Polycomb a Trithorax komplexy

• Regulační komplexy – aktiv/inaktiv transkripce.

ATP-dependentní komplexy remodelující chromatin

• Působí mechanickými změnami v chromatinových strukturách- posuny, vyhazov histonů, změna rozmístění nukleozomů.

Euchromatin a Heterochromatin

• Euchromatin: Slabší barvení, rozvolněnější, transkripčně aktivní.
• Heterochromatin: Silnější barvení, zkompaktnější, obvykle neaktivní.
• Konstitutivní/fakultativní.