Špeciálna molekulárna biológia
Okruhy tém pre štátnicový predmet Špeciálna molekulárna biológia
Organizácia a realizácia genetickej informácie. História definície génu (Johannsen, Beadle a Tatum, molekulárne definície génu). Molekulárna definícia génu. Molekulárna anatómia génu a chromozómu. Gény, génové rodiny a genómy. Transkripčné jednotky. Porovnanie prokaryotických a eukaryotických génov. Opakované a jednoduché sekvencie DNA. Bakteriálne a eukaryotické mobilné elementy. Vírusové a nevírusové retrotranspozóny. Štruktúra chromatínu. Históny a histónom podobné proteíny. Funkčné elementy prokaryotických a eukaryotických chromozómov (počiatky replikácie, centroméry, teloméry, kódujúce a nekódujúce sekvencie). Základné princípy a enzýmy zúčastnené v DNA replikácii. Rozdiely v replikácii kružnicovej a lineárnej DNA.
Regulácia génovej expresie na transkripčnej úrovni. Bakteriálny operón. Iniciácia transkripcie - podobnosti a odlišnosti medzi baktériami a eukaryotami. Indukcia a represia enzýmov lac operónu. Mutanty a genetická analýza lac operónu. lac represor a štruktúra bakteriálnych represorov. Jacob-Monodov model. Pozitívna kontrola lac operónu. Základné princípy regulácie bakteriálnych operónov. Atenuácia.
Eukaryotické transkripčné faktory. Regulačné elementy eukaryotickej DNA: promótory a enhancery. Eukaryotické RNA polymerázy. Identifikácia promótorových elementov mutáciami a DNase I footprinting. Transkripčné jednotky pre RNA polymerázu I. Štruktúra promótorov pre RNA polymerázu I, II a III. Downstream a upstream regulačné sekvencie pre RNA polymerázu III. RNA polymerázu II a jej transkripčné faktory. Tvorba iniciačného komplexu. Prepojenie transkripcie a opravy DNA. Krátke sekvenčné elementy v promótoroch pre RNA polymerázu II. Gény bez TATA boxov. Enhancery a princíp ich funkcie. Modifikácia histónov a heterochromatínu – represia génov pri telomérach a v iných častiach chromozómu. Regulácia aktivity transkripčných faktorov. Receptory steroidných hormónov. Regulácia peptidovými hormónmi. Kontrola terminácie transkripcie v baktériách a v eukaryotoch.
Regulácia génovej expresie na posttranskripčnej úrovni. Modifikácia koncov RNA. Štiepenie a polyadenylácia pre-mRNA. hnRNA a hnRNP. RNA-DNA hybridy a zostrih transkriptov. Zostrihové polohy a princíp trans-esterifikačnej reakcie. Spliceozóm a cyklus zostrihu. Trans-spilicing a self-splicing. Regulácia zostrihu a expresia proteínov. Alternatívny zostrih a tvorba proteínových izoforiem. Processing rRNA a tRNA. Organizácia jadierka a biogenéza ribozómov. Organizácia jadra a transport makromolekúl medzi jadrom a cytoplazmou. Jadrové póry, mRNPs a receptory pre „export„ z jadra. Lokalizačné jadrové signály a príklady transportu makromolekúl cez jadrový obal. RNA editing. Regulácia lokalizácie, stability a translácia mRNA. „Polčas života„ mRNA a faktory určujúce stabilitu. Translačný aparát, molekulárný mechanizmus translácie, fázy translácie a translačné faktory. Regulácia génovej expresie prostredníctvom malých RNA molekúl (RNA interferencia, mikroRNA).
Štruktúra a funkcia makromolekúl. Základné štruktúrne charakteristiky DNA a RNA. Úloha sekundárnej štruktúry pre funkciu rôznych typov RNA. Sekvenčné homológie proteínov, proteínové motívy, domény. Genetický kód. Základné princípy translácie.
Molekulárno-biologické metódy. Príprava rekombinantných DNA. Klonovacie, expresné a dvojfunkčné (shuttle) vektory. Techniky prenosu DNA do buniek. Hostiteľské kmene. SELEX - in vitro selekcia nukleových kyselín s katalytickou aktivitou. In vitro mutagenéza. Metódy heterológnej expresie. Kritériá kladené na expresné systémy. Vektory, hostitelia, expresné systémy. Regulačné signály kontrolujúce expresiu génov. Polymerázová reťazová reakcia (PCR), princíp, podmienky, design primerov, typy PCR. Enzýmy využívané v technikách rekombinantných DNA. Princípy fyzikálneho mapovania nukleových kyselín. Príprava DNA a RNA prób, rádioaktívne a nerádioaktívne techniky. Hybridizácia nukleových kyselín. Význam interakcií biomakromolekúl a ich sietí v živých systémoch. Biochemické a genetické metódy štúdia DNA-proteínových a proteín-proteínových interakcií.
Princípy funkčnej analýzy genómov. Bioinformatické a experimentálne prístupy k identifikácii génov a funkčných elementov v genómoch. Anotácia genómov. Databázy génov a genómov. Genomika, transkriptomika, proteomika, interaktomika, metabolomika, iné omiky (komparatívna a evolučná genomika, paleogenomika, personálna genomika, metagenomika). Klasické a moderné metódy sekvenovania nukleových kyselín. Metódy štúdia proteínov (chromatografické metódy, imunochemické metódy). Metódy analýzy proteómu (2D elektroforéza, identifikácia a stanovenie sekvencií proteínov hmotnostnou spektrometriou). Základné princípy syntetickej biológie.
Prenos bunkového signálu Všeobecné princípy bunkovej signalizácie, komponenty bunkových signálnych dráh, proteín kinázy, proteín fosfatázy, fosfolipázy, adaptorové proteíny, signálne lipidy, G-proteíny, koncepcia signálnych poslov, signálne kaskády, ligand-receptorové interakcie, receptory pre steroidné hormóny, povrchové receptory, receptory spriahnuté s iónovými kanálmi. Signálne dráhy využívajúce heterotrimerické G-proteíny, história štúdia adrenalín-závislej signálnej dráhy, efektory heterotrimerických G-proteínov, receptory s enzymatickou aktivitou, receptorové proteín tyrozín kinázy, ras-závislá signálna dráha ako prototyp signálnej kaskády, efektory malej GTPázy ras, MAP kinázová kaskáda, jej komponenty a evolučný pôvod. Bunkové signálne dráhy v evolučnej perspektíve, porovnanie signálnych dráh: prokaryotické versus eukaryotické, resp. jednobunkové versus mnohobunkové organizmy.
Regulácia bunkového cyklu. História štúdia bunkového cyklu, koncepcia kontrolných bodov bunkového cyklu, maturácia oocytov Xenopus laevis ako modelový systém pre izoláciu maturačného promočného faktora, kvasinkové cdc mutanty, Cdc28p ako rozhodujúci komponent kontroly bunkového cyklu, úloha proteín-proteínových interakcií a post-translačných modifikácií v regulácii bunkového cyklu, proteazóm a jeho funkcia v regulácii bunkového cyklu, koncepcia kontrolných bodov bunkového cyklu. Molekulárne princípy zastavenia bunkového cyklu indukovaného poškodením na úrovni DNA, p53 ako „strážca“ genómu, Rb a jeho úloha v regulácii bunkového cyklu.
Vnútorná organizácia eukaryotickej bunky. Štruktúra bunkových membrán. Biogenéza bunkových membrán. Syntéza membránových lipidov. Pi-lipidy sú syntetizované v spojení s membránami. „Flipázy“ a ich funkcia. Transport Pi-lipidov z ER do bunkových organel. Syntéza membránových proteínov. Organely zúčastňujúce sa sekrécie proteínov a transport sekrečných proteínov. Genetický prístup k štúdiu transportu sekrečných proteínov. Transport do a cez membrán ER. Signálne sekvencie a SRP. Štruktúra a vlastnosti SRP. Proteíny zúčastňujúce sa transportu cez membrány ER. Úloha šaperónov. Topológia proteínov ER. Sekvencie, ktoré slúžia ako membránové kotvy. Odštiepitelné a vnútorné signálne a kotviace sekvencie. GPI membránová kotva. Disulfidické väzby a úloha glutatiónu. Proteíndisulfíd izomeráza. Kontrola kvality proteínov v ER. Transportné vezikuly. Glykozylácia proteínov. Štruktúra N- a O-oligosacharidov. Tvorba a modifikácie cukorných zložiek v ER a v Golgiho aparáte. Biogenéza lyzozomálnych enzýmov. Druhy transportných vezikúl a ich funkcia. Mechanizmus a regulácia tvorby a fúzie membránových vezikúl. Úloha G-proteínov. Internalizácia proteínov z bunkového povrchu. Povrchové receptory a endocytóza.
Biogenéza bunkových organel. Organely mimo sekrečnej cesty. Mitochondriálna DNA – štruktúra, transkripcia a evolúcia. Molekulárno-genetický prístup k štúdiu biogenézy organel. Mitochondriálny genetický kód a mitochondriálna proteosyntéza. Import proteínov do mitochondriálnych kompartmentov. Transportná mašinéria vonkajšej a vnútornej membrány. Úloha chaperónov, ATP a Dy v importe proteínov. Nukleo-mitochondriálna komunikácia, retrográdna regulácia. Biogenéza chloroplastov. Proteínový transport do a z jadra. NLS a ich funkcia. Biogenéza vakuol/lyzozómov.
Programovaná bunková smrť. Koncepcia bunkovej smrti z vlastnej vôle ako jedného z alternatívnych bunkových programov, mikroskopické zmeny apoptickej bunky, apoptóza versus nekróza, molekulárne charakteristiky apoptotickej bunky, význam apoptózy v ontogenéze a homeostáze organizmov, genetický program apoptózy, Caenorhabditis elegans ako model genetickej analýzy programovanej bunkovej smrti, ced mutanty, Bcl-2 rodina pro- a anti-apoptotických proteínov, kaspázové kaskády, apoptozóm, úloha mitochondrií v apoptóze, Fas/Apo-1/TNF apoptotická signálna dráha, inhibítory apoptózy (IAP), apoptická nukleáza a jej „spolupráca“ s kaspázovou kaskádou, autofágia. Bunková senescencia, Hayflickov limit, úloha mitochondrií v bunkovom starnutí, starnutie a voľné radikály, starnutie u eukaryotických mikroorganizmov , úloha telomér v bunkovej senescencii.
Cytoskeletárny a mikrotubulový systém eukaryotickej bunky. Aktínové filamenty a ich dynamika. Organizácia aktínového cytoskeletu, úloha cytoskeletu v bunkovom pohybe. Myozín – funkcia v svalových a v iných bunkách. Úloha cytoskeletu v cytokinéze a v bunkovom pohybe. Mikrotubuly. Mikrotubulárne proteíny a ich úloha v bunkovom pohybe a mitóze. Intermediárne filamenty. Samorganizácie a jej úloha v tvorbe cytoskeletárneho systému bunky.