ATRAKTIVNÍ BIOLOGIEfellnerova.upol.cz/www/images/stories/soubory/nobel.pdf · prezentace HYPERTEXTOVÉ odkazy (ppt, Word, Excel aj. soubory) (různé grafické programy: Flash, Corel

UNIVERZITA PALACKÉHO V OLOMOUCIPřírodovědecká fakulta, 2008

Projekt „ATRAKTIVNÍ BIOLOGIE“, v rámci kterého je tato příručkavydána, je spolufi nancován Evropským sociálním fondem

a státním rozpočtem České republiky

Eva Matalová Ivana Fellnerová Jaroslav Doubek

2008

ATRAKTIVNÍ BIOLOGIE

Nobelovy ceny 21. století

Eva MatalováIvana FellnerováJaroslav Doubek

Univerzita Palackého v OlomouciPřírodovědecká fakulta

Olomouc 2008

http://atraktivnibiologie.upol.cz

Univerzita Palackého v Olomouci

1. vydání

© Eva Matalová, Ivana Fellnerová, Jaroslav Doudek, 2008

ISBN 978-80-244-1948-0

doc. RNDr. Eva Matalová, [email protected]. Ivana Fellnerová, [email protected]. MVDr. Jaroslav Doubek, [email protected]

Ústav fyziologie, Veterinární a farmaceutická univerzita Brnowww.vfu.czÚstav živočišné fyziologie a genetiky Akademie věd ČR, Brnowww.iapg.cas.czMendelianum, Moravské zemské muzeumwww.mzm.czKatedra zoologie, Univerzita Palackého, Olomoucwww.upol.cz

3

Dostává se vám do rukou publikace „Nobelovy ceny 21. století“, která je součástí propagace projektu ESF „Aktivní začlenění SŠ pedagogů do tvorby a využití multimediálních výukových programů v biologii“ (CZ.04.I.03/3.2.15.2/0270). Cílem tohoto projektu je:• Modernizace a zatraktivnění výuky biologie na SŠ• Rozvoj osobní motivace a schopností SŠ pedagogů v oblasti využívání multi-

mediální techniky ve výuce biologie• Vytvoření široké funkční komunikační sítě mezi pedagogy napříč moravský-

mi SŠ a prohloubení spolupráce mezi SŠ a VŠ, integrované Přírodovědeckou fakultou UP v Olomouci.

Výuka moderní biologie dnes stojí před obtížným úkolem, jak studentům objasnit složité funkční a vývojové vztahy, které se neobejdou bez poznatků molekulární a buněčné biologie. Procesy, které probíhají na této úrovni, jsou velmi abstraktní a obtížně představitelné. Abstraktní rovina učiva v kombinaci s jednotvárností výuky velmi ztěžuje pochopení a zapamatovatelnost látky. Studenti pak snadno ztrácejí motivaci a zájem o předmět, což se zpětně odráží ve zhoršených studijních výsledcích.

Náš projektový tým se snaží přispět ke zlepšení této situace ve dvou základních směrech:• Pořádáme cyklus bezplatných instruktážních kurzů „ATRAKTIVNÍ BIO-

LOGIE“ (*), ve kterých zájemce učíme, jak efektivně využívat, resp. modifi ko-vat a rozšiřovat multimediální výukové prezentace (**). Kurz je díky dotacím ESF a MŠMT bezplatný, stejně jako veškeré školicí a propagační materiály (*) pro všechny registrované účastníky kurzu. V rámci tohoto projektu je kurz určen pro SŠ pedagogy. Vzhledem k velkému zájmu o kurz bychom chtěli uspořádat jeho opakování pro nové zájemce, resp. pokračující v kurzu pro absolventy první série. Cílovou skupinu lze rozšířit i na SŠ a VŠ studenty, popř. širší veřejnost. Také počítáme s rozšířením instruktáže o poslední verzi Power-Point 2007. Pokud máte zájem o základní, resp. pokračující kurz, registrujte se na projektových webových stránkách: http://atraktivnibiologie.upol.cz/.

• Druhým krokem k naplnění projektových cílů je vytvoření sady 40 variabilních MULTIMEDIÁLNÍCH VÝUKOVÝCH PREZENTACÍ (**) využitelných při výuce biologie na SŠ, resp. VŠ. Prezentace jsou pro registrované účastníky kurzu Atraktivní biologie zdarma.

Publikace „Nobelovy ceny 21. století“ poskytuje stručný a přitom názorný výklad Nobelových cen za medicínu/fyziologii, resp. chemii, doposud udělených v novém

4

století. Přehled o oceněných tématech a jejich porozumění patří ke všeobecným znalostem biologicky zaměřených pedagogů. Přitom Nobelovy ceny v biomedi-cínských oborech jsou čím dál častěji udělovány za objasnění složitých procesů probíhajících na molekulární úrovni. Porozumět jim není pro laika jednoduché. Díky názorným ilustracím a výstižnému popisu jsou přehledně a srozumitelně vysvětleny i značně komplikovaná abstraktní témata. Mnohé z těchto informací lze dobře využít k doplnění výuky biologie jak na SŠ, tak na VŠ.

I když je publikace „Nobelovy ceny 21. století“ určena především pro účastníky kurzu „Atraktivní biologie“, věříme, že bude vítanou pomůckou i mnoha dalším zájemcům, kteří se snaží udržet krok s rychle se rozšiřujícími znalostmi moderní biologie.

Autorský kolektiv

5

(*) Kurz „ATRAKTIVNÍ BIOLOGIE“

Prezenční forma kurzu „Atraktivní biologie “ probíhá na školicích pracoviš-tích v Olomouci a Brně. Skupiny 10–12 účastníků absolvují společný úvodní blok vedený VŠ lektorem.

Následuje individuální část, kdy každý účastník pracuje na vlastním počítači (poskytnutém organizátory kurzu) za stálé asistence osobního konzultanta. Následuje šestiměsíční distanční forma kurzu, během které jsou školitelé

připraveni odpovídat elektronicky, popř. telefonicky na dotazy absolventů kurzu. Absolventi kurzu obdrží zdarma řadu školicích a propagačních materiálů:

CD nosiče se 40 multimediálními programy ve čtyřech základních oblastech středoškolské biologie

Zjednodušený, vysoce názorný obrazový manuál pro sesta-vování multimediálních prezentací v programu Microsoft Offi ce PowerPoint XP Professional 2003

Projektové propagační materiály doplněné zajímavými tématy z různých oblastí biologie

6

(**) MULTIMEDIÁLNÍ VÝUKOVÉ PREZENTACE Jde o vysoce názorné a didakticky promyšlené PowerPoint prezentace, využí-

vající především efektních názorných animací v kombinaci s obrázky, mikro- a makrofotografi emi, videosekvencemi a hypertextovými odkazy vč. propojení na relevantní internetové stránky. Prezentace jsou velmi snadno ovladatelné a nevyžadují žádné speciální tech-

nické vybavení ani zdlouhavé vzdělávání v oblasti počítačové technologie. Jsou vysoce variabilní, s možností aktualizace a doplnění. Jsou multifunkč-

ní, lze je použít jako základ nebo doplněk výuky s ohledem na individuální požadavky školy, úroveň a zaměření studentů a pojetí učiva pedagogem. Jsou sestavovány otevřeným týmem VŠ odborníků, který vítá jakékoli nové,

zajímavé podněty a příspěvky externích spolupracovníků.

http://www...

FOTO(makro, mikro)

OBRÁZKY(kresba, scan,

kombinaces animacemi)

ANIMACEDIAGRAMY

(výukové, procvičovací a testové)

VIDEO (DVD)(střihové sekvence, textový

a zvukový komentář )multimediálníPowerPoint

prezentace

HYPERTEXTOVÉ odkazy(ppt, Word, Excel aj. soubory)

(různé grafické programy:

Flash, Corel aj.)

http://www...

FOTO(makro, mikro)

OBRÁZKY(kresba, scan,

kombinaces animacemi)

ANIMACEDIAGRAMY

(výukové, procvičovací a testové)

VIDEO (DVD)(střihové sekvence, textový

a zvukový komentář )multimediálníPowerPoint

prezentace

HYPERTEXTOVÉ odkazy(ppt, Word, Excel aj. soubory)

(různé grafické programy:

Flash, Corel aj.)

Prezentace multimediálních programů probíhají např. v rámci výročních konfe-rencí Fyziologické dny, Pedagogický soft ware, „Olomoucké dny antropologie a biologie“ , Mendel Forum, NSTA konference (USA).

Pro aktuální podrobnější informace sledujte projektové webové stránky

http://atraktivnibiologie.upol.cz

7

Nobelovy ceny 21. století

Udělování Nobelových cen probíhá již od roku 1901, pět let po smrti Alfreda Nobela. Ten v roce 1895 založil nadaci určenou na odměňování osobností, které dosáhly významných objevů v oblasti fyziologie nebo medicíny, fyziky, chemie, literatury a míru. O udělení ceny rozhodují na přání Alfreda Nobela členové Th e Royal Swedish Academy of Science (fyzika a chemie), Karolinska Institutet (fyziologie – medicína), Th e Swedish Academy (literatura) a komise volená nor-ským parlamentem (mír). Cenu za ekonomii uděluje Sveriges Riksbank až od roku 1969.

Molekulární biologie ovládla Nobelovy ceny v 21. století nejenom na poli fyziolo-gie/medicíny, ale také chemie. Byly oceněny objevy objasňující komunikaci buněk ve složité síti nervového systému, vytváření paměťových stop (2000), mechanismy řídící životní rytmus buněk – klíčové regulátory buněčného cyklu (2001), genetic-ká podstata řízení embryonálního vývoje a uplatnění programované smrti buněk (2002), využití magnetické rezonance pro účely medicíny (2003), dále objevy týkající se receptorů pro odoranty umožňující čichové vjemy (2004), objasnění bakteriálního původu vředových onemocnění a otevření nových možností léčby (2005). Modifi kace genomu a genové exprese od RNA interferencí (2006) až po uplatnění kmenových buněk a transgenní organismy (2007) ukazují současný směr výzkumu na poli fyziologie, genetiky a biomedicíny.

Do této oblasti zasahují také objevy zařazené mezi Nobelovy ceny za chemii, pře-devším vysvětlení struktury a funkce iontových kanálů v buněčných membránách (2003), dále mechanismy regulující funkce proteinů v buňkách, tedy modifi kace na úrovni proteomu (2004), a v neposlední řadě objevy týkající se transkripce genomu v eukaryontních buňkách (2006).

9

Přehled Nobelových cen

2000 – Fyziologie/medicína transdukce signálu v nervovém systému Arvid Carlsson (Švédsko), Paul Greengard (USA), Eric Kandel (USA)2001 – Fyziologie/medicína klíčové regulátory buněčného cyklu Leland Hartwell (USA), Tim Hunt (UK), Paul Nurse (UK)2002 – Fyziologie/medicína genetická regulace vývoje orgánů a programované buněčné smrti Sydney Brenner (USA), Robert Horvitz (USA), John Sulston (UK)2003 – Fyziologie/medicína zobrazování s využitím magnetické rezonance Paul Lauterbur (USA), Peter Mansfi eld (UK)2003 – Chemie objevy týkající se kanálů v buněčných membránách Peter Agre (USA), Roderick MacKinnon (USA)2004 – Fyziologie/medicína receptory pro odoranty a organizace čichového systému Richard Axel (USA), Linda Buck (USA)2004 – Chemie degradace proteinů v buňce Aaron Ciechanover (Izrael), Avram Hershko (Izrael), Irwin Rose (UK)2005 – Fyziologie/medicína Helicobacter pylori – záněty a vředová onemocnění žaludku Barry J. Marshall (Austrálie), J. Robin Warren (Austrálie)2006 – Fyziologie/medicína RNA interference, umlčování genů dvouřetězcovou RNA Andrew Fire (USA), Craig Mello (USA)2006 – Chemie molekulární podstata eukaryotické transkripce Roger D. Kornberg (USA)2007 – Fyziologie/medicína specifi cké genové modifi kace u myší

s využitím embryonálních kmenových buněk Mario Capecchi (USA), Martin J. Evans (UK), Oliver Smithies (USA)

2000Arvid CarlssonUSAGöteborg UniversityGöteborg, Švédsko*1923

Paul GreengardUSA

Rockefeller University New York, NY, USA

*1925

Eric R. KandelUSAColumbia UniversityNew York, NY, USA*1929 (Rakousko)

http://nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2000/index.html

11

Fyziologie / medicína

TRANSDUKCE SIGNÁLU V NERVOVÉM SYSTÉMU

Parkinsonova choroba je stále častějším onemocněním v moderní lidské popu-laci. Jde o neurodegenerativní chorobu provázenou omezením koordinovaných pohybů a pohybu obecně a také ztuhnutím svalů. Arvid Carlsson objevil v pade-sátých letech 20. století dopamin, který funguje jako neurotransmiter (přenašeč signálu na synapsích) (obr. 1) lokalizovaný v určitých částech savčího mozku. Dopamin byl nalezen především v tzv. bazálních gangliích, které se podílejí na kontrole pohybů. A. Carlsson dokázal vyvolat symptomy Parkinsonovy choroby u myší, kterým byl podán reserpin, což je látka vyprazdňující zásoby dopaminu v mozku. Po dodání prekurzoru dopaminu (L-DOPA) došlo k výraznému zlepše-ní pohybových možností těchto zvířat. Uvedené experimenty otevřely možnosti využití této terapie při návratu milionů pacientů s Parkinsonovou chorobou do normálního života.

Nejenom dopamin, ale neurotransmitery obecně aktivují specifi cké receptory v membránách cílových nervových buněk (obr. 1). Drogy jako kokain nebo amfe-tamin zvyšují hladinu dopaminu na synapsích, opiáty působí přímo na recepto-rech. Antipsychotické drogy blokují receptory pro dopamin. Paul Greengard ukázal, že aktivace membránových receptorů nervových buněk mění hladinu vni-trobuněčného posla – např. cyklický adenosinmonofosfát (cAMP), který spouští kaskádu enzymatických reakcí (obr. 2). Výsledkem je změna funkce některých proteinů, případně změna genové exprese (proces přepisu genů do proteinů) a změna excitability (vzrušivosti) cílového neuronu. Tak je zajištěna funkčnost velmi složitých nervových sítí.

Eric Kandel ukázal, že zvýšená hladina cAMP (a proteinkináz) souvisí i s proce-sem učení a vytváření paměťových stop v mozkové kůře. Fosforylace proteinů je tedy základem pro krátkodobou paměť, při dlouhodobé paměti se navíc uplatňuje i růst synapse. Synapse a transdukce (převod) signálu formou druhého posla (cAMP) jsou tedy základním principem vytváření paměti.

12

Obr. 1

Transdukce signálu na synapsi. Synapse představují funkční spojení mezi neu-rony, kdy dochází k transformaci elektrického potenciálu na chemický působe-ním neurotransmiterů. Tyto neurotransmitery (tmavě modře) jsou skladovány ve vezikulech (světle modře) synaptického knofl íku (zeleně), odkud se uvolňují do synaptické štěrbiny. Vazba na receptor (oranžově) v membráně postsynaptické buňky – jiná nervová buňka, sval, žláza – spouští kaskádu reakcí (viz např. trans-dukce signálu prostřednictvím druhého posla – obr. 2).

13

Obr. 2

Transdukce signálu prostřednictvím druhého posla. Velké signální molekuly nemohou vstupovat přímo do buněk, a proto je pro přenos tohoto signálu nezbyt-ný tzv. druhý posel. Po vazbě signální molekuly (modře) na membránový receptor (oranžově) dochází k aktivaci G-proteinu (fi alově). Po odštěpení z G-proteinu aktivuje α-podjednotka (tmavě fi alově) enzym adenylátcyklázu (zeleně), která vytváří druhého posla – cAMP (červeně). Ten dokáže aktivovat proteinkinázy (žlutě), které modifi kují proteiny cestou fosforylace, což vede k buněčné odpo-vědi.

Leland H. HartwellUSAFred Hutchinson Cancer Research CenterSeattle, WA, USA*1939

Tim Hunt Velká Británie Imperial Cancer

Research Fund Londýn, UK

*1943

Sir Paul M. NurseVelká Británie Imperial CancerResearch Fund Londýn, UK*1949


2001

15


KLÍČOVÉ REGULÁTORY BUNĚČNÉHO CYKLU

Buňky jsou základní stavební a funkční jednotkou organismů a procházejí mno-honásobným dělením (proliferace). Během buněčného dělení dochází k replikaci DNA (zdvojení počtu chromozomů) a její distribuci do dceřiných buněk. Časo-vání proliferace a její přesné řízení je zajištěno mechanismy buněčného cyklu (obr. 3). V první fázi (G1) buňka zvětšuje svůj objem, pak podstupuje syntézu DNA (S), připravuje se na dělení (G2) a nakonec projde mitózou (M).

Leland Hartwell použil buňku kvasinky jako modelový systém pro genetické stu-die buněčného cyklu a objevil geny zodpovědné za jeho řízení (CDC-genes – cell division cycle genes). Tyto geny se uplatňují v tzv. kontrolních bodech buněčného cyklu (obr. 3) a umožňují jeho správný průběh v jednotlivých fázích.

Paul Nurse identifi koval klíčový regulátor buněčného cyklu u kvasinek – gen cdc2 a izoloval odpovídající gen také u lidských buněk – CDK1. Gen cdk1 kóduje protein, který je členem rodiny cyklin- dependentních kináz (CDK). Tyto enzymy jsou schopny fosforylovat proteiny a řídit tak jejich funkčnost (inhibice, aktiva-ce). Množství CDK molekul je během cyklu stejné, jejich aktivita je však výrazně měněna působením cyklinů (obr. 4). Proto jsou často CDK přirovnávány k motoru auta a cykliny k řadicí páce. Funkci brzdy pak plní inhibiční proteiny buněčného cyklu.

Cykliny objevil Tim Hunt a pojmenoval je podle jejich charakteristické změny množství v různých fázích buněčného cyklu (koncentrace jednotlivých cyklinů vlastně „informují“ buňku, ve které fázi se nachází). Periodická syntéza a degra-dace cyklinů během buněčného cyklu je tedy opravdu klíčovým regulačním mechanismem.

Klíčové regulátory buněčného cyklu jsou vysoce evolučně konzervované. Znalost těchto mechanismů umožňuje lepší pochopení, diagnostiku a terapii procesů sou-visejících s deregulacemi buněčného cyklu, jako je např. kancerogeneze.

16

Obr. 3

Buněčný cyklus. Jako buněčný cyklus se označuje souslednost několika fází, které zajistí rozdělení buňky. Správnost tohoto procesu je prověřována ve dvou kontrolních bodech (šedě) označovaných jako G1 a G2/M. Po přípravné fázi na syntézu DNA (G1) dochází k replikaci – zdvojení DNA molekul (syntetická fáze – S) a po další mezifázi (G2) a úspěšném projití G2/M kontrolním bodem pod-stupuje buňka mitózu (M). Pokud se buňky nedělí, vystupují z buněčného cyklu a jsou v tzv. G0 fázi.

17

Obr. 4

Synchronizace buněčného cyklu. Časování jednotlivých fází buněčného cyklu je zajištěno měnící se koncentrací cyklinů. Cyklin-dependentní kinázy (CDK – žlu-tě) jsou aktivovány po vazbě cyklinu (modře). Aktivované CDK jsou schopny fos-forylace (červeně) cílových molekul (substrát – zeleně). Fosforylace je základním mechanismem aktivace a deaktivace cílových molekul, což vede např. ke změnám jejich enzymatické aktivity apod.

Sydney BrennerVelká BritánieTh e Molecular Sciences Institute Berkeley, CA, USA*1927 (JAR)

H. Robert HorvitzUSA

Massachusetts Institute of Technology Cambridge, MA, USA

*1947

John E. SulsonVelká BritánieTh e Wellcome Trust Sanger Institute Cambridge, UK*1942


2002

19


GENETICKÁ REGULACE VÝVOJE ORGÁNŮ A PROGRAMOVANÉ

BUNĚČNÉ SMRTIZ jediného oplozeného vajíčka (zygoty) vznikají miliardy buněk dospělého orga-nismu. Ty se kromě dělení dále diferencují (rozrůzňují) a tvoří stovky různých buněčných typů se specifi ckou funkcí v jednotlivých tkáních. K masivnímu buněč-nému dělení však dochází nejen během embryonálního vývoje, ale i u dospělé-ho organismu; každodenní obnova tkání zahrnuje produkci miliard buněk. Pro udržování tkáňové homeostáze (tedy dynamické stálosti) je nutné balancovat tento vysoký nárůst buněk jejich kontinuální eliminací.

Sydney Brenner použil hlístici Caenorhabditis elegans jako ideální model pro studium buněčné diferenciace a vývoje orgánů. Tělo tohoto asi 1 mm velkého tvora totiž sestává z přesně daného počtu buněk (959), jehož je docíleno přes-ně řízeným buněčným dělením a likvidací určitých buněk cestou programované buněčné smrti (obr. 5).

Robert Horvitz využil tento model pro výzkum genetického programu řídícího buněčnou smrt. R. Horvitz identifi koval první „geny buněčné smrti“, označené jako ced-3 a ced-4, a ukázal, že jsou nezbytné pro její průběh. Později objevil také gen zabraňující buněčné smrti – ced-9. Obdobné geny byly později nalezeny také u člověka (např. ced-9 odpovídá Bcl-2) a ukazují vysokou evoluční konzervova-nost genetických mechanismů programované buněčné smrti.

John Sulston vyvinul techniku studia buněčných linií u C. elegans a potvrdil přes-né řízení buněčné smrti. Každá buňka mnohobuněčného organismu je napro-gramována k sebedestrukci, což umožňuje řízené spouštění tohoto programu na správném místě a ve správný čas. Následkem chybných regulací tohoto pro-gramu jsou vývojové poruchy, jako např. syndaktylie (srůsty prstů); rezistence k programované buněčné smrti je spojena s výskytem nádorových a autoimu-nitních onemocnění, zvýšená senzitivita pak s neurodegenerativními chorobami (obr. 6). Poznání mechanismů buněčné smrti ale také otevírá možnosti terapií těchto závažných onemocnění.

20

Obr. 5

Buněčná smrt. Apoptóza je základní formou programované buněčné smrti. Na rozdíl od nekrotické smrti (černá šipka), kdy dochází k prasknutí buněčné mem-brány a vylití obsahu buňky do okolí, apoptóza (červená šipka) znamená rozpad buňky na malá tělíska, která jsou pohlcena fagocytujícími buňkami (šedě). Během apoptotické smrti je membrána buněk neporušená, na rozdíl od nekrózy tedy nedochází k imunitní odpovědi. Pokud však apoptotická buňka není odstraněna fagocytózou, dochází k sekundární nekróze (modrá šipka).

21

Obr. 6

Apoptóza v homeostáze. Programovaná buněčná smrt (apoptóza) výrazně při-spívá k udržování homestáze tkání, orgánů i organismu. Zvýšená rezistence (odol-nost) k apoptóze má závažné následky jako nádorové změny, poruchy imunitní tolerance a chronické virové infekce. Zvýšená senzitivita (citlivost) k apoptóze je pak spojena s Alzheimerovou chorobou a dalšími formami neurodegenerace, s AIDS a řadou cévních onemocnění.

Paul C. LauterburUSAUniversity of Illinois Urbana, IL, USA*1929 († 2007)

Sir Peter MansfieldVelká Británie

University of NottinghamNottingham, UK

*1933


2003

23


ZOBRAZOVÁNÍ S VYUŽITÍM MAGNETICKÉ REZONANCE

Princip magnetické rezonance (MRI) byl popsán již v polovině 20. století, kdy byla ukázána možnost zobrazení různých struktur s využitím této metody. Silné elektromagnety vytvářejí magnetické gradienty ve třech dimenzích, dojde k syn-chronizaci molekul a k odlišení jednotlivých struktur v rámci orgánů (obr. 7). Tyto objevy jsou základem pro široké využití magnetické rezonance pro potřeby medicíny.

Paul Lauterbur objevil, že vytvořením gradientu magnetického pole lze dosáhnout dvourozměrného zobrazení struktur. Dále ukázal, že přidání dalšího magnetické-ho gradientu umožňuje vizualizaci řezu zkumavkou s běžnou vodou a s těžkou vodou. Žádná jiná metoda nedokáže tyto dva druhy vody vizuálně odlišit. Voda je součástí každé buňky, každá tkáň má však odlišný obsah vody. Silné magnetické pole ovlivňuje pohyb vodíkových atomů v molekulách vody a dokáže je srovnat jedním směrem. Elektromagnetický signál vychýlí směr magnetického momentu jádra vodíku a detekční přístroj tyto změny zaznamenává.

Peter Mansfi eld objevil, že gradienty magnetického pole dávají signály, které mohou být rychle a efektivně analyzovány a převedeny v zobrazení. MR vlastně dokáže „rozřezat“ tělo a vytvořit trojrozměrný obraz jeho vnitřních struktur bez jakéhokoliv kontaktu (obr. 8).

V současnosti je zobrazování s využitím magnetické rezonance využíváno při vyšetřování jednotlivých orgánů v těle. Tato metoda je nezastupitelná při vyšet-ření mozku a míchy, například u pacientů se zánětem mozku nebo roztroušenou sklerózou. Umožňuje včasnou diagnostiku, ale také průběžné sledování choroby a účinnosti terapie. MRI může ukázat také rozsah nádorů, což umožňuje přesnější chirurgický zákrok a cílení následné radioterapie. Přestože je MRI již běžnou tech-nikou, podléhá stále dalšímu vývoji. MRI nahradila řadu invazivních (k pacientovi méně šetrných) metod, výrazně snížila riziko komplikací vyšetřovaných pacientů a zvýšila jejich komfort.

24

Obr. 7

Princip nukleární magnetické rezonance. Za normálních okolností mají mag-netické momenty atomových jader (tmavě modře) v určité látce (např. vodíku z vody v buňkách) chaoticky rozházené směry (A). Po vložení vzorku (nebo těla pacienta) do silného magnetického pole (analyzačního tunelu) (růžově) se mag-netické momenty jader seřadí jedním směrem (B). Působení vysokofrekvenčního elektromagnetického pole (C – oranžově) tato zorientovaná jádra vychyluje v urči-tém směru (D – červená šipka). Po vypnutí tohoto pole vysílají vychýlená jádra elektromagnetický signál (D – zelená šipka). Tyto změny jsou dále analyzovány a soft warově převáděny na fi nální obraz.

25

Obr. 8

MRI. Výsledek MRI hlavové části pacienta ukazuje kontrastní struktury jednot-livých tkání, které lze zobrazit v libovolném úhlu pohledu (nahoře – z boku, dole – zezadu) a řezu, popř. poskládat do trojrozměrného obrazu.

Peter AgreUSAJohns Hopkins University,School of MedicineBaltimore, MD, USA*1949

Roderick MacKinnonUSA

Rockefeller UniversityHoward Hudges Medical Institute

New York, NY, USA*1956

http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2003/index.html

2003

27

Chemie

KANÁLY V BUNĚČNÝCH MEMBRÁNÁCH

Buněčná membrána představuje polopropustnou vrstvu umožňující komunikaci buněk s prostředím, kdy dochází k výměně látek, energií a informací. Voda a soli jsou nejdůležitějšími anorganickými složkami buněk i mezibuněčného prostoru, proto i jejich transport musí být přesně regulován.

Peter Agre provedl řadu experimentů, které vedly k vysvětlení, jak prochází voda buněčnou membránou a dostává se do buňky. P. Agre objevil proteinové kaná-ly pro transport vody – aquaporiny („vodní póry“). Další výzkum pak přinesl objasnění struktury těchto kanálů. Přestože aquaporiny jsou obecnou složkou buněčných membrán, jejich funkci lze nejlépe demonstrovat v ledvinných kanál-cích. Denní fi ltrace krevní plazmy ledvinami vede u člověka k produkci asi 170 litrů tekutiny, tzv. primární moče. Pro zamezení enormním ztrátám vody musí být tento fi ltrát dále zahuštěn mechanismem zpětné resorpce v ledvinných tubu-lech. Tato recyklující mašinérie sestává i z aquaporinů, kterých je v každé ledvině několik set milionů. Vmezeření aquaporinů do buněčné membrány je také cesta regulace zpětného vstřebávání vody antidiuretickým hormonem, který je do krve vylučován systémem hypotalamus-hypofýza v mozku (obr. 9).

Roderick MacKinnon jako první ukázal detailní strukturu buněčného iontové-ho kanálu. Na základě struktury jednotlivých kanálů objasnil také princip jejich funkce. Například draselný kanál propustí pouze ionty draslíku. Sodný ion je sice menší než draselný, ale udržuje pevnější vazbu s okolními molekulami vody, takže do tohoto kanálu vstoupit nemůže. Princip řízeného vstupu a výměny sod-ných a draselných iontů je základním mechanismem přenosu nervového vzruchu (obr. 10) Během čtení této krátké věty se v mozku čtenáře otevírá řádově trilion iontových kanálů a dojde k přečerpání špetky soli. Vzhledem k tomu, že iontové kanály i aquaporiny jsou přítomny v membránách každé buňky, využití těchto znalostí v základním výzkumu i humánní medicíně je nesmírné.

28

Obr. 9

Aquaporiny. Při zvýšeném výdeji vody z těla se uvolňuje do krevního oběhu anti-diuretický hormon (ADH), který se váže na buňky distálního tubulu v ledvinách. Vazba této molekuly na odpovídající receptor vede k transdukci signálu (obr. 2). Výsledkem je zvýšení počtu aquaporinů (žlutě) v membránách buněk distálního tubulu, a tím zvýšené vstřebávání vody z moči do krve (světle modrá šipka).

29

Obr. 10

Funkce iontových kanálů. Iontové kanály v membránách jsou rozhodující i pro přenos nervového vzruchu. V klidovém stavu je rozdílné zastoupení iontů vně a uvnitř buňky, více sodných iontů (červeně) je vně buňky. Akční potenciál vzniká otevřením sodných kanálů a rychlým vstupem sodíku do buňky (červená šipka), který je částečně vyvážen přesunem draslíku v opačném směru. To vede k depo-larizaci a dalšímu šíření vzruchu po nervovém vlákně. Pro dosažení klidového stavu jsou pak ionty přečerpávány energeticky náročným mechanismem mem-bránových pump, tzv. ATPáz.

Richard AxelUSAColumbia University New York, USA*1946

Linda B. BuckUSA

Fred Hutchinson CancerResearch Center

Seattle, WA, USA*1947


2004

31


RECEPTORY PRO ODORANTY A ORGANIZACE ČICHOVÉHO SYSTÉMU

Přestože čich u člověka není nepostradatelným smyslem, dokáže rozlišit asi 10 000 různých vůní a pachů. Čichové vnímání navíc umocňuje kvalitu dalších vjemů, především chuti, a může ovlivnit i sociální chování. Čichový epitel v dutině nosní obsahuje miliony nervových buněk a je jediným místem přímého styku nervového systému s vnějším prostředím.

Richard Axel a Linda Buck studovali receptorové čichové buňky a popsali geny, které kódují specifi ckou rodinu receptorů – receptory vázající odoranty. Tyto receptory jsou lokalizovány na buněčných membránách čichových receptorových buněk (obr. 11). Každý receptor sestává z proteinového řetězce, který sedmkrát prochází buněčnou membránou. Po vazbě odorantu (vonné chemické látky) na tento receptor dojde k aktivaci vnitrobuněčného přenosu signálu přes membrá-nově vázané G-proteiny (Nobelova cena, Fyziologie/medicína, 1998). Elektrický signál vytvořený v receptorových buňkách je přenášen čichovými nervovými dra-hami do mozku (mechanismu akčního potenciálu a synapsí – obr. 10). Stovky genů kódujících tyto proteinové receptory tvoří asi 3 % lidského genomu. Pro-teinové řetězce receptorů pro odoranty se liší v několika málo aminokyselinách (obr. 12), což umožňuje první rozlišení vůní. Druhé rozlišení pak probíhá v glo-merulech, kde se scházejí nervová vlákna z více receptorů. Finální čichový vjem je vytvořen v mozku (čichová kůra, amygdala atd.), který se podílí i na vytváření čichové paměti (vyvolání čichového vjemu spojeného s určitým zážitkem nebo událostí).

Čichový epitel je v popředí výzkumného zájmu také z hlediska předpokládané schopnosti regenerace, což by představovalo jedinečnou možnost cílené regenera-ce neuronů. Dosud se pro experimentální regenerace nervového systému využívá především kmenových buněk, které jsou prekurzory buněk gliových.

32

Obr. 11

Receptory vázající odoranty. Čichový epitel obsahuje miliony neuronů, které jsou obklopeny podpůrnými buňkami (šedě). Tyto neurony jsou smyslovými buňkami čichu a ve svých membránách obsahují specifi cké receptory (obr. 12). Při čichání dochází k turbulentnímu proudění vzduchu s rozptýlenými vonnými látkami (odoranty) kolem výběžků neuronů. Pokud receptory na daném neuronu odpovídají molekule odorantu, dojde k jejich vazbě a přenosu signálu do nervo-vých center k dalšímu zpracování.

33

Obr. 12

Čichové spektrum. Odlišení jednotlivých pachů (vůní) je dáno aminokyselino-vou strukturou proteinových receptorů na membráně čichových neuronů. Kaž-dý receptor sestává z aminokyselinových řetězců (barevné kuličky), které jsou ukotveny v membráně (šedě). Pokud dojde k vazbě odorantu, spouští se trans-dukce signálu přes G-proteiny (obr. 2) a výsledkem je nervový vzruch vedoucí do centrální nervové soustavy. Tam dochází ke kombinaci signálů z jednotlivých čichových buněk a skládání celkového obrazu vůně.

Aaron CiechanoverIzraelTechnion – Israel Institute of Technology Haifa, Izrael*1947

Avram HershkoIzrael

Technion – Israel Institute of Technology

Haifa, Izrael*1937 (Maďarsko)

Irwin RoseUSAUniversity of CaliforniaIrvine, CA, USA*1926


2004

35

Chemie

UBIKVITINEM ZPROSTŘEDKOVANÉ DEGRADACE PROTEINŮ

V každé buňce dochází k masivní produkci celé škály proteinových molekul, které jsou součástí vlastní struktury buňky, ale podílejí se také na řízení chemických reakcí (enzymy) a regulaci buněčných funkcí. Proteiny jsou výsledkem genové exprese, vznikají přepisem genomu a stávají se součástí proteomu. Zastoupení a životnost jednotlivých proteinových molekul spolurozhoduje o správném fun-gování buňky. Řízená degradace proteinů je tedy důležitým regulačním mecha-nismem.

Rozpoznání proteinů určených k degradaci je zprostředkováno molekulární značkou – ubikvitinem (obr. 13). Je to protein běžný ve všech buňkách (ubique – všude), který sestává z krátkého polypeptidového řetězce. Ubikvitinový řetězec navázaný k proteinu určenému k degradaci (rozštěpení) směřuje k proteazomu. Proteazom (obr. 14) je často označován jako vnitrobuněčný odpadkový koš, kte-rý připomíná i svou prostorovou strukturou. V proteazomu dochází ke štěpení ubikvitinem označených proteinů na jejich základní stavební jednotky – amino-kyseliny. Ty mohou být znovu použity pro proteosyntézu. Ubikvitin degradaci v proteazomu nepodléhá a je znovu využit pro značení proteinů k degradaci.

Aaron Ciechanover, Avram Hershko a Irwin Rose přispěli právě k objasně-ní tohoto energeticky náročného mechanismu, kterým buňka reguluje kvalitu a kvantitu svých proteinů. Značení ubikvitinem hraje významnou roli také při separaci chromozomů při tvorbě pohlavních buněk (meióza). Chyby v rozchodu mateřských a otcovských chromozomů jsou nejčastějším důvodem spontánních potratů. Ubikvitinem zprostředkovaná likvidace proteinů umožňuje zabránění samoopylení u rostlin, a to cílenou degradací vlastního pylu. Řízená degradace proteinů umožňuje správný průběh buněčného cyklu, opravu DNA, zabraňuje nádorovému bujení a alergickým reakcím. Ubikvitinový systém je tak slibným cílem mnoha terapií.

36

Obr. 13

Ubikvitinová značka. Enzym E1 aktivuje molekulu ubikvitinu (Ub) za účasti energie (ATP) a aktivovaná molekula se váže na enzym E2. Enzym E3 rozezná tento komplex, který se váže spolu s cílovým proteinem. Enzym E3 je poté uvolněn a protein označený ubikvitinovým řetězcem směřuje k proteazomu (obr. 14).

37

Obr. 14

Proteazom. Po označení ubikvitinem (obr. 13) je protein transportován k pro-teazomu (hnědě). V této cytoplazmatické struktuře dojde k rozštěpení aminoky-selinového řetězce na malé fragmenty, které mohou být dále využity jako zdroj aminokyselin. Ubikvitinový řetězec (červeně) se rozpadá a jednotlivé molekuly jsou recyklovány pro další značení.

Barry J. MarshallAustrálieUniversity of Western Australia, NHMRC Helicobacter pylori Research Laboratory, QEII Medical Centre;Nedlands, Australia*1951

J. Robin WarrenAustrálie

Perth, Austrálie*1937


2005

39


BAKTERIE HELICOBACTER PYLORI A JEJÍ ROLE V ZÁNĚTLIVÝCH

A VŘEDOVÝCH ONEMOCNĚNÍCH ŽALUDKU

Zánětlivá a vředová onemocnění žaludku byla dlouhodobě řazena mezi chronické stavy, které jsou vyvolány především stresem a následnou autodegradací žaludeční sliznice žaludečními šťávami. Z tohoto hodnocení vycházely i následné terapie založené na inhibici produkce žaludeční kyseliny, které však mají pouze krátko-dobý léčebný efekt. Barry J. Marshall a J. Robin Warren ukázali, že zánětlivá a vředová onemocnění žaludku lze trvale vyléčit. Objevili totiž, že na rozvoji těchto chorobných stavů se výrazně podílí bakterie Helicobacter pylori, která může být zlikvidována antibiotiky.

Helicobacter pylori je vysoce variabilní a kolonizuje žaludeční mukózu člověka, kde může způsobit rozsáhlé záněty (obr. 15). Zajímavostí je, že tuto bakterii lze deteko-vat u poloviny lidí, může dojít i k přenosu z matky na plod. Pouze u 10–15 % lidí však jde o infekci symptomatickou. Hlavním příznakem je krvácení, někdy může dojít až ke vzniku nádorů žaludku. H. pylori produkuje enzym, který neutralizuje žaludeční kyseliny, a umožňuje tak přežití této bakterie v extrémních podmínkách. Bakterie se provrtává sliznicí a díky produkci adhezivních molekul dochází k její-mu pevnému přichycení. Invaze bakterií vede k imunitní odpovědi organismu, bakterie však mají mechanismy, které této reakci zabraňují. Vylučují například toxin, který zabíjí T-lymfocyty – součást specifi cké imunity (obr. 16).

H. pylori byl izolován v roce 1982 na základě rozsáhlého studia vzorků pacientů podstupujících gastroskopii, což umožnilo korelaci výskytu této bakterie s vře-dovými onemocněními trávicího traktu. Tyto objevy umožnily detekci a spoleh-livou léčbu těchto chorob, a to s využitím standardních postupů gastroskopie, endoskopie, analýzy histologických řezů, kultivačních technik bakterií a překrytí antibiotiky. V současnosti se pátrá po možné bakteriální spoluúčasti u dalších chronických zánětlivých onemocnění (např. revmatické záněty kloubů).

40

Obr. 15

Kolonizace žaludeční sliznice bakterií Helicobacter pylori. Bakterie (červeně) se přichycují na epiteliální buňky (oranžově) žaludeční stěny v oblasti, kde je produ-kován mukózní sekret (modře). Tento sekret chrání žaludeční sliznici (a současně i bakterie) před účinky žaludečních kyselin vylučovaných parietálními buňkami (žlutě). Červeně je zobrazena kapilára pronikající do žaludeční sliznice.

41

Obr. 16

Helicobacter pylori a imunitní systém hostitele. T-lymfocyty se podílejí na imu-nitě namířené proti bakteriální invazi. Bakterie je pohlcena makrofágem (anti-gen prezentující buňka), který informuje T-lymfocyty o charakteru patogena. T-lymfocyty proliferují a spouští se rozsáhlá imunitní odpověď vedoucí k likvidaci mikroorganismů. Helicobacter pylori však produkuje toxiny, které zabíjejí T-lym-focyty. Tak bakterie aktivně zabraňuje lokální imunitní reakci v těle hostitele, čímž se sama chrání.

Andrew Z. FireUSAStanford University School of MedicineStanford, CA, USA*1959

Craig C. MelloUSA

University of MassachusettsMedical School

Worcester, MA, USA*1960


2006

43


RNA INTERFERENCE, UMLČOVÁNÍ GENŮ DVOUŘETĚZCOVOU RNA

Základní biologické dogma předpokládá přepis dvouřetězcové DNA do jednoře-tězcové molekuly mRNA (transkripce) a následný překlad (translaci) této infor-mace do proteinového řetězce na ribozomech (obr. 17).

Andrew Fire a Craig Mello objevili, že základním mechanismem řídícím tok genetické informace je dvouřetězcová RNA. Jejich klíčový experiment předsta-voval injekci RNA odpovídající genu pro svalovou funkci hlístice C. elegans. Jed-nořetězcová RNA neměla žádný vliv, dvouřetězcová RNA však způsobila svalové záškuby, které odpovídají projevům při ztrátě odpovídajícího genu. Tím bylo prokázáno, že dvouřetězcová RNA eliminuje cílovou mRNA.

K této tzv. RNA interferenci (RNAi) dochází v každém typu buňky u živočichů i rostlin. Dvouřetězcová RNA (dsRNA) se váže k proteinovému komplexu Dicer, který štěpí dsRNA na malé kousky. Jeden z řetězců RNA reaguje s dalším proteino-vým komplexem RISC a váže se na mRNA (mechanismus párování bází). mRNA je poté rozštěpena a nemůže dojít k syntéze odpovídajícího proteinu (obr. 18). Výsledný efekt je tedy stejný jako při nefunkčnosti výchozího genu.

RNA interference se tedy mohou stát slibnou cestou pro řadu terapií, protože umožňují „umlčení genů“ bez riskantních zásahů do genomu buněk pacientů. Tyto postupy se aktuálně testují např. pro makulární degenerace oka, kdy dochází k nadměrné produkci cév v sítnici, které snižují schopnost vidění. RNAi je zací-lena proti VEGF (endoteliální růstový faktor cév), což vede k omezení růstu cév v postižené oblasti oka. Další oblasti uplatnění RNAi se otevírají u virových one-mocnění (chřipka, HIV), ale také aterosklerózy, kde dvouřetězcová RNA umožní zablokování produkce škodlivých LDL (lipoproteiny s nízkou hustotou), které se usazují v aterosklerotických plátech. Řada těchto postupů je v současné době ve fázi klinického testování.

44

Obr. 17

Genová exprese. Jako genová exprese se označuje transkripce (přepis) informace z DNA do mRNA (v buněčném jádře), která se přesouvá k ribozomům (v cyto-plazmě), kde dochází k translaci (překladu) a sestavení řetězce proteinů. Tyto proteiny pak mohou být dále upravovány. RNAi zasahuje v místě po transkripci, kdy dochází ke štěpení RNA matrice. Transkripce tedy probíhá normálně, k trans-laci však nedochází.

45

Obr. 18

Mechanismus RNAi. Dvouřetězcová RNA (ds – double stranded) se váže k pro-teinu Dicer (zeleně), který štěpí dsRNA na malé fragmenty. Jeden z RNA řetězců je navázán na komplex RISC (žlutě), který mRNA váže na základě párování bází. V tomto komplexu je mRNA štěpena a degradována. Odpovídající protein (pro-dukt takto „umlčeného“ genu) tedy není syntetizován.

Roger D. KornbergUSAStanford UniversityStanford, CA, USA*1947


2006

47

Chemie

MOLEKULÁRNÍ PODSTATA EUKARYOTICKÉ TRANSKRIPCE

Transkripce je jedním z kroků realizace genetické informace cestou genové exprese (obr. 17). Transkripce znamená přepis sekvence nukleotidů genů zapsa-ných v molekulách DNA do sekvence další nukleové kyseliny RNA. Důvodem transkrip ce je přenos informace z jádra (kde je lokalizována DNA) do cytoplazmy (kde jsou přítomny ribozomy, na nichž probíhá translace – proteosyntéza). Pře-pis během transkripce je zajištěn mechanismem párování nukleotidových bází, který je umožněn velmi složitou mašinérií. Tyto molekulární komplexy zahrnují obecné transkripční faktory, které pomáhají klíčovému enzymu, RNA-polyme-ráze, nasednout na úsek promotoru (před vlastním genovým lokusem) a zahájit transkripci (obr. 19).

Roger Kornberg a jeho tým se zaměřili na trojrozměrné zobrazování těchto kom-plexů a detailní objasnění jejich molekulární podstaty a funkce. Jako model byly použity buňky kvasinek, které stejně jako člověk patří mezi eukaryotní organismy (s pravým buněčným jádrem). Transkripční aparát je navíc vysoce evolučně kon-zervovaný, řada výsledků proto může být úspěšně mezidruhově extrapolována. RNA-polymeráza představuje velký molekulární komplex, který fi xuje jednotlivé řetězce DNA a umožňuje transkripci. Pro objasnění struktury RNA-polymerázy byla zastavena transkripce odebráním stavebních bloků (nukleotidů), kdy dojde k pozastavení syntézy RNA řetězce. Všechny molekuly tak byly „zmrazeny“ při své činnosti a dále studovány s využitím řady biochemických metod a rentgeno-vé krystalografi e (obr. 20). Výsledky jsou tak detailní, že umožňují hodnocení i jednotlivých atomů. S využitím těchto modelů lze hodnotit také vzájemnou spolupráci jednotlivých molekul a jejich časové a prostorové uplatnění během transkripce. Tato zobrazení by navíc v budoucnosti mohla napomoci pochopení dalších procesů, od embryonálního vývoje až po složité mezibuněčné komunikace umožňující fungování dospělých mnohobuněčných organismů.

48

Obr. 19

Transkripce. Promotor označuje úsek na DNA před vlastním zápisem genu (genový lokus). Promotor je startovacím místem pro transkripci, na které nasedá enzym RNA-polymeráza (zeleně). Ten v souladu s dalšími faktory zajišťuje přepis informace z řetězce DNA do RNA. Principem je párování nukleotidových bází: adeninu (A) – uracilu (U), tyminu (T) – cytosinu (C).

49

Obr. 20

Zobrazování molekul. Pro získání obrazu musejí molekuly vytvořit krystal (ze-leně). Potom je možné s pomocí rentgenových paprsků stanovit vzájemnou pozici atomů v této molekule. Využívá se velmi silného rentgenového záření o dané vlnové délce, které je upraveno tzv. synchrotronem. Struktura krystalu způso-buje určitou difrakci (červeně) dopadajícího záření, kterou zachycuje počítač. Po vyhodnocení série takových difrakčních vzorců může počítač vymodelovat konečnou strukturu molekuly (dole).

Mario R. CapecchiUSAUniversity of Utah Howard Hughes Medical Institute Salt Lake City, UT, USA*1937 (Itálie)

Sir Martin J. EvansVelká Británie

Cardiff University Cardiff , UK

*1941

Oliver SmithiesUSAUniversity of North Carolina at Chapel Hill Chapel Hill, NC, USA*1925 (Velká Británie)


2007

51


SPECIFICKÉ GENOVÉ MODIFIKACE U MYŠÍ S VYUŽITÍM

EMBRYONÁLNÍCH KMENOVÝCH BUNĚK

Kmenové buňky jsou základem embryonálního vývoje a nezbytností pro obnovu orgánů a tkání. Tyto buňky se dokážou nejenom sebeobnovovat, ale současně dife-rencovat v rozmanité typy tkání na základě mezibuněčných komunikací v určité tkáni. Takové buňky jsou tedy i lákavým cílem pro terapie, které by kmenové buňky diferencovaly do nových tkání (např. kůže vytvořená z kmenových buněk je již v medicíně úspěšně používána).

Sir Martin Evans izoloval embryonální kmenové buňky, v buněčné kultuře je s využitím virového vektoru geneticky modifi koval, injikoval tyto buňky do blas-tocysty, kterou zavedl do „náhradní“ matky pro vytvoření geneticky upraveného potomstva (obr. 21). Kultivované embryonální kmenové buňky tak byly využity pro vytvoření transgenních zvířat (obr. 22). Mario Capecchi a Oliver Smithies nezávisle použili metodu homologické rekombinace, která umožňuje obdobné modifi kace embrya. Znalosti týkající se biologie kmenových buněk a technolo-gie tzv. genově modifi kovaných (pozměněných) myší umožňují rychlé pokroky v pochopení normálního embryonálního vývoje, souvisejících abnormalit a one-mocnění a také navržení účinných prevencí a terapií.

Genom myší i člověka má obdobný počet genů, asi 22,5 tisíce. Genetickou mani-pulací embryonálních kmenových buněk lze vytvářet i myší modely lidských onemocnění. Příkladem je zavedení mutovaného genu HPRT, který je příčinou Lesch-Nyhanova syndromu (psychické poruchy a močové kameny následkem defektu v metabolismu purinu). Dalším cílem je cystická fi bróza, dědičné kar dio-vaskulární defekty (hypertenze, ateroskleróza) a v neposlední řadě také různé typy nádorů. Na takových zvířecích modelech pak mohou být sledovány nejenom přesné příčiny daných onemocnění, ale především jejich možná léčba. Možné je ovlivnění genů pouze v určitých tkáních umístěním genové modifi kace za tkáňově specifi cký promotor (obr. 19).

52

Obr. 21

Obecná strategie modifi kace genů u myší. Kmenové buňky nesoucí vložený gen (růžově) jsou injikovány do blastocysty, která je implantována náhradní matce. Narozené potomstvo je potom chimérické (tělo je tvořeno jak původními, tak upravenými buňkami). Takové potomstvo se dále kříží (obr. 22) pro získání čis-tých linií.

53

Obr. 22

Generace genově manipulovaných myší. U chimérických myší (obr. 21) dochází k tvorbě spermií, z nichž některé nesou vložený gen a jiné jsou normální. Pokud normální myš oplodní spermie nesoucí vložený gen, tento je předán potomstvu. V druhém případě se narodí normální potomstvo.

54

Nobel Archive – www.nobelprize.org

Nobelprize.org je ofi ciální webovou stránkou Nobelovy nadace. Poskytuje přehled udělených Nobelových cen od roku 1901, bibliografi cké údaje o nositelích Nobe-lových cen, rozhovory, fotografi e, články, videoklipy, tiskové zprávy, prezentace a spoustu dalších informací týkajících se Nobelových cen.

55

Osobní setkání s nositeli Nobelových cen

Studenti a mladí vědečtí pracovníci mají každoročně možnost setkání s nositeli Nobelových cen. Účastníci setkání jsou vybíráni na základě odesláné přihlášky obsahující údaje o zájemci a jeho motivační dopis, pro pokrytí cestovních nákladů je poskytováno stipendium.

Více informací je dostupných na webové stránce www.nobel-lindau.de, kde je přehled připravovaných setkání i archiv setkání již konaných.

57

Slovníček

Adenylátcykláza: též adenylcykláza, enzym zprostředkující vytvoření cAMP z adenozintrifosfátu (ATP)

Adhezivní molekula: zprostředkovává adhezi, tedy přilnutí, přisednutí k povrchu např. buňky

Aktivace: podpora funkce (receptoru, enzymu, signální molekuly)Amygdala: seskupení neuronů mandlovitého tvaru v mozku s podílem na emo-

cích, paměti, chováníAntigen: obecně každá molekula, která vyvolává imunitní odpověďApoptóza: jedna z cest programované buněčné smrtiAteroskleróza: též arterioskleróza, kornatění tepen v důsledku usazování tuko-

vých látek ve stěnách tepen (arterií)Autoimunitní onemocnění: stav, kdy imunitní systém reaguje na složky vlastního

těla jako na cizíBlastocysta: fáze v embryonálním vývoji savců tvořená sférickým uspořádáním

buněk kolem centrální dutiny, u lidí vzniká týden po fertilizaci (oplození)Caenorhabditis elegans: háďátko obecné, nepatogenní půdní hlístice, modelový

organismus ve výzkumu; první organismus, jehož genom byl osekvenováncAMP: cyklický adenozinmonofosfát, slouží mj. jako druhý poselCDC geny: z anglického „cell division cycle“, geny, jejichž produkty se zúčastňují

řízení buněčného cyklu, a to především v tzv. kontrolních bodechCDK: cyklin-dependentní kináza/y, tedy kinázy aktivované cyklinyCystická fi bróza: dědičné onemocnění, kdy dochází k nadměrné produkci hlenu

v některých orgánech (hlavně v plicích), způsobené poruchou transportního mechanismu chloridů v membránách buněk (mutace genu CFTR)

Cyklin: protein regulačního systému buněčného cyklu, jehož koncentrace se v průběhu cyklu mění (proto cyklin), sám nemá enzymovou aktivitu, ale dokáže aktivovat proteinkinázy (proto cyklin – dependentní proteinkinázy)

Dopamin: 4-(2-aminoetyl)benzen-1,2-diol, přirozeně vzniká v mozku, působí jako neurotransmiter

Endoskopie: vyšetřovací metoda, která pomocí zvláštních přístrojů se světelným zdrojem (endoskopů) umožňuje zrakové vyšetření tělních dutin a dutých orgánů

Gastroskopie: endoskopické vyšetření žaludkuG1 fáze: fáze buněčného cyklu, která předchází syntéze (replikaci) DNAG2 fáze: fáze buněčného cyklu mezi fází syntetickou (replikace DNA) a vlastní

mitózouGenom: veškerá genetická informace uložená v DNA konkrétního organismu,

tedy kompletní sekvence DNA jedné sady chromozomů

58

Genová exprese: vyjádření genu ve struktuře proteinu, zahrnuje transkripci (pře-pis z DNA do RNA), translaci (přepis z RNA do proteinu) a související úpravy těchto molekul (modifi kaci)

Genový lokus: místo na chromozomu, kde je lokalizován určitý genGliová buňka: podpůrná buňka v nervovém systému s řadou funkcí, ale bez

schopnosti vytváření a přenosu nervového vzruchuGlomerulus: obecně klubíčko, v čichové dráze místo, kde se setkávají neurony

vedoucí z receptorů stejného typuG-proteiny: proteiny vázající GTP a přenášející signál z receptorů na cytoplaz-

matické membráně dovnitř buňkyGTP: guanozintrifosfát, zdroj energie pro aktivaci G-proteinůHistologický řez: tenký řez tkání nebo orgánem umístěný na podložní sklíčko

a dále barvený pro pozorování struktur pod mikroskopemHomologická rekombinace: též homologní rekombinace, probíhá mezi dvěma

molekulami DNA s obdobnou nukleotidovou sekvencí, kdy dojde k výměně částí řetězců mezi těmito molekulami

HPRT: hypoxantin-guanin-fosforibosyltransferázaHypertenze: vysoký tlak krveChimérický organismus: jedinec složený z geneticky rozdílných buněk nebo

tkáníImunitní (imunologická) tolerance: specifi cká nereaktivita (neodpovídavost)

organismu na určitý antigen, který za jiných podmínek vyvolá imunitní reakci.

Inhibice: potlačení funkce (receptoru, enzymu, signální molekuly)Interference: vzájemné ovlivňování, prolínání nebo střetávání, RNAi interference:

ovlivňování genové exprese na úrovni RNA („rušení RNA“)Kancerogeneze: proces vzniku a rozvoje zhoubného bujení (nádorů)Magnetická rezonance: v biomedicíně znamená tomografi cké (vrstevnaté) zná-

zornění vyšetřovaných orgánů na základě rozdílů absorpce energie magne-tického pole ve vyšetřovaných tkáních

M fáze: mitotická fáze buněčného cykluMitóza: mitotické dělení, proces rozdělení buňky, kdy je rovnoměrně předána

genetická informace dceřiným buňkámNeurotransmiter: chemická sloučenina, která přirozeným způsobem vzniká

v nervové soustavě živočichů a slouží v ní k přenášení vzruchůNukleotid: stavební kámen nukleových kyselin, látka složená z nukleové báze

(purinové nebo pyrimidinové), pětiuhlíkatého monosacharidu (ribóza nebo deoxyribóza) a jednoho nebo více zbytků kyseliny fosforečné

59

Odorant: látka postižitelná čichemPrekurzor: v buněčné biologii výchozí buňka, která dává vznik buňce speciali-

zovanéProliferace: množení buněk (buněčných populací)Promotor: specifi cká nukleotidová sekvence na DNA, která váže RNA polyme-

rázu a vyznačuje místo, kde začíná přepis genuProteinkináza: enzym, který dokáže přenášet fosfátové skupiny na proteiny, tzv.

fosforylace proteinů (jeden z mechanismů aktivace a inhibice proteinů)Proteom: soubor proteinů, které jsou produkované z genomu daného orga -

nismuProteosyntéza: proces syntézy proteinů z jednotlivých aminokyselinReceptory: buněčné receptory – struktury na povrchu buněk schopné se vázat

s určitými látkami (ligandy)Rentgenová krystalografi e: metoda využívající rentgenových paprsků pro sta-

novení struktury krystalů látekReplikace DNA: zdvojení DNA (např. před dělením buňky mitózou)Syndaktylie: spojení, srůst prstů, vrozená vývojová vada, u které nedochází

k oddělení prstůS fáze: syntetická fáze buněčného cyklu, kdy dochází k syntéze (replikaci) DNAT-lymfocyty: bílé krvinky, které se účastní buněčné specifi cké imunitní odpovědi,

spolupracují také s B-lymfocyty, které tvoří protilátkyTransdukce signálu: mechanismus propojující určitý molekulární stimul (signál)

a specifi ckou buněčnou odpověď (např. vazba adrenalinu na receptor jaterní buňky vede k uvolnění glukózy do krve)

Transgenní organismy: obsahují ve svém genomu nové nebo pozměněné genyTranskripce: přepis, v genové expresi přepis z DNA do RNATranskripční faktory: soubor molekul, které se podílejí na transkripci DNATranslace: překlad, v genové expresi syntéze proteinů podle RNA matrice, tedy

překlad z jazyka nukleových kyselin do jazyka aminokyselinVnitrobuněčný posel: molekula, která zprostředkovává předání a zesílení infor-

mace z cytoplazmatické membrány dovnitř buňky (většinou do jádra)

Doc. RNDr. Eva Matalová, Ph.D.RNDr. Ivana Fellnerová, Ph.D.Prof. MVDr. Jaroslav Doubek, CSc.

Nobelovy ceny 21. stoletíPublikace je určena jako informační a vzdělávací materiál pro účastníky kurzu ,,Atraktivní biologie“

Výkonný redaktor prof. RNDr. Tomáš Opatrný, Dr.Odpovědná redaktorka Jarmila KopečkováTechnický redaktor Mgr. Petr JančíkNávrh obálky autoři

Vydala Univerzita Palackého v Olomouci Křížkovského 8, 771 47 Olomoucwww.upol.cz/vupe-mail: [email protected]

Vytiskl PapírtiskLindnerova 108/5779 00 Olomoucwww.papirtisk.cz

Olomouc 2008 1. vydání

ISBN 978-80-244-1948-0

NEPRODEJNÉ

UNIVERZITA PALACKÉHO V OLOMOUCIPřírodovědecká fakulta, 2008

Projekt „ATRAKTIVNÍ BIOLOGIE“, v rámci kterého je tato příručkavydána, je spolufi nancován Evropským sociálním fondem

a státním rozpočtem České republiky

Eva Matalová Ivana Fellnerová Jaroslav Doubek

2008

ATRAKTIVNÍ BIOLOGIE

Documents

ATRAKTIVNÍ BIOLOGIEfellnerova.upol.cz/www/images/stories/soubory/nobel.pdf · prezentace HYPERTEXTOVÉ odkazy (ppt, Word, Excel aj. soubory) (různé grafické programy: Flash, Corel