Sylabus
1. Historický vývoj cytogenetiky. Objev chromozomů, pohlavních chromozomů, lokalizace genů do chromozomů, centromery, telomer, eu- a heterochromatinu, holocentrických chromozomů, B chromozomů, štětkovitých chromozomů. Nástup nových technik po druhé světové válce (hypotonizace, mitogeny a mitostatika, pruhovací metody, elektronová mikroskopie). Vznik lidské a lékařské genetiky jako samostatného oboru, objev syndrom ů s početními odchylkami chromozomů. Objev imprintingu. Dnešní trendy: molekulární cytogenetika a návaznost na molekulární biologii, aplikace imunologických postupů, cytogenetika interfázního jádra.
2. Morfologie chromozomu. Chromatidy, ramena, primární a sekundární konstrikce, satelity, telomery, nukleolární organizátor, centromera. Levanova klasifikace, karyotyp, karyogram, idiogram. Relativní délka chromozomů, centromerický index. Autozomy, pohlavní chromozomy. Mikrochromozomy.
3. Chromatin. Specifické rysy eukaryotické DNA, histony a HMG proteiny, jejich funkce. Organizace histonových genů, typy histonů, stavba nukleozómu. Subtypy a modifikace histonů, jejich význam, charakteristika transkripčně aktivního chromatinu, transkripční komplexy. Doplňování nukleozómů v průběhu replikace, důležité molekuly. Chromatinové vlákno a jeho superspiralizace, specifické molekuly účinkující v supersipralizaci, kondenziny, titin. Chromozomová dřeň a její proteiny (SMC, topoizomeráza II), způsob ukotvení na DNA. Macrocoils, chromomery. Stavba chromatinu při absenci histonů (spermie, telochory, obrněnky). Euchomatin a heterochromatin, konstitutivní a fakultativní heterochromatin. Lokalizace konstitutivního heterochromatinu (KH) na chromozomech, detekce KH, funkce KH, geny specifické pro KH. Molekulární markery KH, poziční efekt variegace, role specifických RNA v heterochromatinizaci, inzulátory. Barrovo tělísko, molekulární mechanismy heterochromatinizace savčího X, další případy somatické fakultativní heterochromatinizace, heterochromatinizace pohlavních chromozomů v pohlavní dráze. B chromozomy - znaky, vznik a výskyt, negativní důsledky přítomnosti pro buňku, organismus, kompetice různých generací B chromozomů. Kliny ve výskytu B chromozomů. Vznik pohlavních chromozomů z B chromozomů, inhibice B chromozomů organismem, domestikace B chromozomů, adaptivní význam některých B chromozomů.
4. Specializované funkční oblasti chromozomu: centromera, telomery, nukleolární organizátor, povrch chromozomu. Stavba a funkce centromery, BFB cyklus, subdomény centromery, stavba kinetochoru, prekinetochor. Stavba DNA, centromerické proteiny a jejich funkce u modelových organismů (kvasinky, savci). Metody studia morfologie, DNA a proteinů centromery. Neocentrická aktivita. Holokinetické chromozomy - vznik, stavba a výskyt, specifické znaky holokinetických chromozomů. Stavba a funkce telomery. Telomerické repetice, Hoogstenovo párování bazí, G kvartet. DNA subtelomerických oblastí. Telomeráza, specifické telomerické proteiny, shelterin. Alternativní mechanismy udržování konců DNA u eukaryot, retrotranspozony octomilky. Evoluce telomerických repetic. Stavba a funkce nukleolárního organizátoru, detekce nukleolárních organizátorů. Stavba transkripční jednotky a její transkripce, lokalizace 5S rRNA a její transkripce, detekce nukleolárních organizátorů.
5. Přehled cytogenetických technik. Příprava chromozomového preparátu (rostliny, živočichové), barvení chromozomů, metody synchronizace buněčného dělení. Pruhovací techniky (C-, G-, R-, fluorescenční, replikační, high resolution banding, pruhování pomocí restrikčních endonukleáz, další pruhovací techniky). Mechanismus G a R pruhování, izochory, chromosome flavours. Pachytenní mapování chromomer. Elektroforetické karyotypy. Princip a využití průtokové cytometrie a mikrodisekce chromozomů. Molekulární cytogenetika: sondy (typy, příprava sond, metody značení a detekce), fluorescenční in situ hybridizace (FISH) a její modifikace (mFISH, mBAND, PRINS, SKY, komparativní genomová hybridizace, GISH, CISS), halo technika, čipy. Studium chromozomových struktur ve skanovacím a transmisním synaptonemálních komplexů v elektronovém mikroskopu. Preparace synaptonemálních komplexů a jejich pozorování v transmisním elektronovém mikroskopu. Imunodetekce.
6. Mapování chromozomů. Korelace genetické a chromozomové mapy, hybridizační analýza, využití aneuploidií, aberací a marker chromozomů, hybridizace somatických buněk. RFLP, průtoková cytometrie, fluorescenční hybridizace in situ, halo technika, PCR a další možnosti molekulární cytogenetiky. HUGO a další projekty mapování genů na chromozomech organismů.
7. Cytogenetika interfázního jádra. Stavba interfázního jádra, jaderná matrix, lamina, stavba pórů, uspořádání chromatinu a chromozomů v interfázních jádrech (modely). Rabl orientace chromozomů. Stavba a funkce jadérka, nukleologeneze. Charakteristika replikace u eukaryot, výměny sesterských chromatid, detekce výměn sesterských chromatid. Význam studia PCCS chromozomů. Diplochromozomy. Endopreduplikace, endomitóza. Polytenní chromozomy: stavba a výskyt. Význam polytenních chromozomů pro mapování, studium ontogeneticky a tkáňově specifické exprese genů a evoluce karyotypu. Amplifikace části DNA: DNA puffy, rDNA, geny pro chorion vajíčka u octomilky, double minutes rakovinných buněk.
8. Mitóza. Mikrotubulus a jeho stavba, gamma-tubulin, stavba a funkce centrozómu a analogických struktur, jejich chování v průběhu mitózy. Mitóza. Průběh mitózy: příprava na dělení v profázi, dělící vřeténko (typy mikrotubulů, vřeténková matrix, vezikuly), metafázní destička, molekulární kaskáda zabezpečující segregaci chromozomů, metafázní kontrolní bod, nondisjunkce, anafáze A a B, karyomery, mikronukleární test, lagging chromosomes. Molekulární zabezpečení pohybu chromozomů v mitóze. Evoluce mitózy. Způsoby cytokineze.
9. Meióza. Význam a průběh meiotického dělení. Zygotická a gametická redukce. Specifické rysy profáze I. Přibližování homologických chromozomů (distance pairing), synapse (typy) a tvorba bivalentů, efektivní párování a párovací centra, buket. Stavba a funkce synaptonemálního komplexu, synaptic adjustment, interlockings. Rekombinace a meiotický crossing-over: modely. Chiazmata, zabezpečení amfitelické orientace bivalentů v metafázi I. Evoluce meiózy, kryptochiazmatická a achiazmatická meióza a jejich evoluční význam. Meióza holokinetických chromozomů - odchylky od standardní meiózy, invertovaná meióza. Metabolická aktivita v profázi I: difúzní stádium, štětkovité chromozomy - morfologie, výskyt. Metody studia meiotického dělení.
10. Přestavby karyotypu. Chromozomové aberace: klasifikace, vznik, klastogeny, Delece, amplifikace, inverze, transpozice, translokace, izochromozom. Komplexní translokační heterozygotnost, její evoluční význam. Metody detekce aberací. Genomové mutace: aneuploidie, polyploidie a haploidie. Meióza u polyploidů, anauploidů a haploidů. Význam amfidiploidie při vzdálené hybridizaci, polyploidie u živočichů. Agmatoploidie.
11. Chromozomy a pohlaví. Hermafroditismus a jeho evoluce, epigamní určení pohlaví. Chromozomové a genotypové určení pohlaví, pohlavní chromozomy, homogametické a heterogametické pohlaví, typ Drosophila a Abraxas. Způsoby vzniku a další evoluce pohlavních chromozomů. Mechanismy degenerace alozómu (Mullerova rohatka, hitch-hiking, selekce na pozadí, transpozony aj.), neopohlavní chromozomy a jejich evoluční význam. Inaktivace pohlavních chromozomů, kompenzace dávky u různých organismů, lyonizace a Barrovo tělísko, gen XIST. Reverze pohlavních chromozomů na autozomy, tranzice mezi typy Drosophila a Abraxas v průběhu evoluce. Způsoby párování nehomologických pohlavních chromozomů v meióze. Imprinting, molekulární mechanismy, evoluční význam. Haplodiploidie a parahaploidie - vznik a výskyt, evoluční význam. Thelytokie - vznik, typy thelytokie a jejich význam pro evoluci genotypů. Deuterotokie, chromozomové mechanismy rozrůznění pohlaví u deuterotokních živočichů.
12. Klinická cytogenetika. Vrozené strukturní změny chromozomů a s nimi spojené syndromy, početní změny autozomů a heterochromozomů a nejčastější syndromy. Mikrocytogenetika, syndromy se zvýšenou lomivostí chromozomů, přínos metod molekulární cytogenetiky pro diagnostiku klinického cytogenetika. Testování mutagenních účinků chemických látek na chromozomové úrovni.
13. Nádorová cytogenetika. Úvod do nádorové cytogenetiky, rozdělení získaných chromozomových změn u zhoubných nádorů, klasické metody vyšetřování solidních i hematologických nádorů, cytogenetika jako základ molekulární analýzy nádorových buněk. Onkogeny a recesivní onkogeny a jejich úloha v kancerogenezi, diagnostický a prognostický význam specifických odchylek chromozomů u vybraných typů nádorů. Molekulární biologie a cytogenetika zhoubných nádorů - další průkaz nestability genomu nádorové buňky na chromozomové úrovni, chimothrypsis.
14. Evoluce karyotypu. Mechanismy karyotypové evoluce (chromozomové přestavby potenciálně významné pro vytváření mezidruhových bariér, karyotypová ortoselekce, centromerický tah). Trendy karyotypové evoluce u různých skupin organizmů. Polymorfizmy, karyomorfy, chromozomové rasy, kryptické druhy, hybridní zóny, introgre
Anotace
Jednosemestrová přednáška podávající podrobné informace o biologii chromozomů. Důraz je kladen na molekulární aspekty organizace a funkce chromozomů. Zvláštní pozornost je věnována také cytogenetice interfázního jádra, různým typům jaderného dělení, chromozomovým aberacím a genomovým mutacím, evoluci pohlavních chromozomů a evoluci karyotypu. Přednáška je doplněna přehledem cytogenetických technik včetně metod molekulární cytogenetiky a elektronové mikroskopie a základy lidské, klinické a nádorové cytogenetiky.
Na přednášku navazuje praktický kurs, ve kterém se posluchači mohou seznámit se základními technikami používanými v rostlinné a živočišné cytogenetice. Naučí se připravovat chromozomové preparáty z rostlinných a živočišných tkání, vizualizovat nukleolární organizátory a indukovat pruhovací vzory na chromozomech. Součástí je exkurse do laboratoře lidské cytogenetiky během níž se posluchači seznámí s metodami molekulární cytogenetiky a počítačové analýzy chromozomových figur.
Před přednáškou Cytogenetika se doporučuje absolvování přednášek: genetika, základy molekulární biologie, biologie buňky, vývojová biologie.
Ve školním roce 2020/2021 proběhne výuka online popř. prezenčně v učebně pokud to dovolí epidemiologická situace. Zahájení výuky bude 2. března v platformě Moodle 2. Na streamovacím serveru UK budou k dispozici namluvené přednášky. Aktuální stránky předmětu na Moodle jsou https://dl2.cuni.cz/course/index.php?categoryid=521