Genom

Rozbalit box

Obsah boxu

Genom je kompletní soubor genetické informace organismu, zapsaný v sekvenci DNA (deoxyribonukleové kyseliny) nebo u některých virů v RNA (ribonukleové kyseliny). Zahrnuje jak geny, které kódují proteiny a funkční molekuly RNA, tak i rozsáhlé oblasti nekódující DNA, jejichž funkce je často regulační nebo dosud není plně objasněna. U eukaryotických organismů, jako jsou lidé, rostliny a houby, se genom dělí na jaderný genom (uložený v chromozomech v buněčném jádře) a mimojaderný genom, který se nachází v mitochondriích (mitochondriální DNA) a u rostlin také v chloroplastech.

Studium genomů se nazývá genomika. Díky technologickému pokroku, zejména v oblasti sekvenování DNA, byly již přečteny genomy tisíců různých organismů, včetně člověka. Tyto znalosti revolučním způsobem proměňují medicínu, biotechnologie, zemědělství i naše chápání evoluce.

⏳ Historie výzkumu

Cesta k pochopení genomu byla dlouhá a lemovaná klíčovými objevy:

1869: Švýcarský lékař Friedrich Miescher poprvé izoloval substanci z jader bílých krvinek, kterou nazval "nuklein". Jednalo se o první identifikaci DNA.
1953: James Watson a Francis Crick na základě dat Rosalind Franklinové a Maurice Wilkinse popsali dvoušroubovicovou strukturu DNA, čímž odhalili, jak může molekula uchovávat a kopírovat genetickou informaci.
1977: Frederick Sanger vyvinul metodu sekvenování DNA, která umožnila "číst" přesné pořadí nukleotidů. Za tento objev získal svou druhou Nobelovu cenu.
1990–2003: Byl spuštěn a v pracovní verzi dokončen Projekt lidského genomu (Human Genome Project, HGP), mezinárodní snaha o přečtení celého lidského genomu.
2022: Mezinárodní konsorcium T2T (Telomere-to-Telomere) oznámilo první skutečně kompletní sekvenci lidského genomu, včetně do té doby chybějících složitých a repetitivních oblastí, které představovaly asi 8 % genomu.

🧬 Struktura a organizace

Struktura genomu se zásadně liší mezi dvěma hlavními doménami života: prokaryoty a eukaryoty.

Prokaryotický genom

Prokaryota (bakterie a archea) mají typicky jednodušší genom:

Je tvořen jedinou, kruhovou molekulou DNA, která je volně uložena v cytoplazmě v oblasti zvané nukleoid.
Je velmi kompaktní, s vysokým podílem kódující DNA (často přes 90 %).
Obsahuje minimum intronů (nekódujících úseků uvnitř genů).
Kromě hlavního chromozomu mohou prokaryotické buňky obsahovat i malé, nezávislé kruhové molekuly DNA zvané plazmidy, které nesou doplňkové geny (např. pro rezistenci k antibiotikům).

Eukaryotický genom

Eukaryota (např. živočichové, rostliny) mají genom podstatně složitější:

Jaderný genom: Je rozdělen do více lineárních molekul DNA, které jsou v jádře organizovány do struktur zvaných chromozomy. DNA je zde pevně svázána s histonovými proteiny, což umožňuje její efektivní sbalení.
Nekódující DNA: Tvoří drtivou většinu genomu (u člověka přes 98 %). Ačkoliv byla dříve označována jako "odpadní DNA" (junk DNA), dnes víme, že má klíčové regulační, strukturní a ochranné funkce. Patří sem introny, pseudogeny a různé typy repetitivních sekvencí.
Mitochondriální genom: Mitochondrie, buněčné "elektrárny", mají vlastní malý, kruhový genom (mtDNA), který je pozůstatkem jejich bakteriálního původu. U člověka kóduje 37 genů. Dědí se téměř výhradně po mateřské linii (maternálně).
Plastidový genom: Rostlinné buňky a buňky řas obsahují navíc chloroplasty a další plastidy, které mají také svůj vlastní genom.

📏 Velikost genomu a paradox C-hodnoty

Velikost genomu se mezi organismy dramaticky liší. Měří se buď v počtu párů bází (bp), nebo v pikogramech (pg). Lidský haploidní genom má velikost přibližně 3,2 miliardy párů bází (cca 3,25 pg).

Zajímavostí je tzv. paradox C-hodnoty, který poukazuje na to, že velikost genomu vůbec nesouvisí s vnímanou komplexitou organismu. Například někteří prvoci nebo rostliny mají genom mnohonásobně větší než člověk. Rekordmanem je japonská bylina Paris japonica, jejíž genom je asi 50krát větší než lidský. Tento paradox je vysvětlen především obrovským rozdílem v množství nekódující a repetitivní DNA.

🔬 Genomika a její aplikace

Genomika je vědní obor, který studuje genomy jako celek. Její poznatky mají obrovský dopad na mnoho oblastí:

Personalizovaná medicína: Znalost genomu pacienta umožňuje "ušít léčbu na míru", například při výběru nejúčinnějšího léku na rakovinu nebo při předpovídání rizika dědičných chorob.
Farmakogenomika: Zkoumá, jak genetické rozdíly mezi lidmi ovlivňují jejich reakci na léky.
Diagnostika nemocí: Sekvenování genomu je klíčové pro diagnostiku vzácných genetických poruch a pro identifikaci patogenů.
Genové terapie a editace genomu: Technologie jako CRISPR-Cas9 umožňují cíleně opravovat chybné geny. V roce 2023 byla například schválena první terapie využívající CRISPR k léčbě srpkovité anémie. Tento nástroj se využívá v základním výzkumu i v klinických studiích pro léčbu řady onemocnění.
Zemědělství: Genomika pomáhá šlechtit odolnější a výnosnější plodiny a hospodářská zvířata.
Evoluční biologie a antropologie: Analýza genomů (včetně genomů neandertálců a jiných vyhynulých druhů) nám umožňuje rekonstruovat evoluční historii a migrační trasy našich předků.

👶 Pro laiky: Genom jako kuchařka života

Představte si genom jako obrovskou, detailní kuchařskou knihu, která se nachází v každé buňce vašeho těla.

Kniha (Genom): Obsahuje všechny recepty potřebné k tomu, aby se vytvořil a fungoval celý organismus, například člověk.
Kapitoly (Chromozomy): Kniha je rozdělena do 23 kapitol (u člověka). Každou kapitolu máte ve dvou kopiích – jednu od matky, druhou od otce.
Recepty (Geny): Každý recept v kapitole popisuje, jak vytvořit jednu konkrétní věc, kterou tělo potřebuje – například enzym na trávení mléka nebo hemoglobin na přenos kyslíku v krvi.
Jazyk (DNA): Všechny recepty jsou napsány speciálním jazykem, který používá jen čtyři písmena: A, C, G, T. Pořadí těchto písmen určuje přesný návod.
Poznámky a výplň (Nekódující DNA): Mezi recepty je spousta dalšího textu. Dříve jsme si mysleli, že je to jen "výplň", ale dnes víme, že jsou to důležité poznámky, které říkají, kdy, kde a jak moc se má který recept "vařit". Regulují tedy aktivitu genů.

Mít "přečtený genom" znamená, že vědci mají k dispozici kompletní text celé této kuchařky a mohou v ní hledat recepty, které jsou správně, i ty, ve kterých je chyba (mutace) a které mohou způsobit nemoc.

Zdroje