New series of lectures introduces students to selected topics in molecular biology and genetics. The first part of the course
consists of several advanced lectures concerning detailed mechanisms of eukaryotic translation, RNA metabolism and
control of gene expression on the posttrancriptional level. The rest of lectures - some of them held by external speakers - is
an overview of the most important findings in genomics, molecular biology of Eukaryotes and their viruses as well as new
significant techniques in the field. Course aims at teaching the biological and medicine science students at undergraduate
and graduate levels.
Last update: Lichá Irena, RNDr., CSc. (14.05.2009)
Kurz přednášek věnujících se buněčné a molekulární biologii RNA a témat s nimi bezprostředně souvisejících. Kurz je určen pro všechny s vážným zájmem o posttranskripční kontrolu genové exprese. Přednášky jsou zaměřeny na molekulární biologii RNA eukaryot zejména savců a jejich virů. Minoritně jsou probírány i příklady bakteriální a rostlinné. V posledních zhruba 20 letech se ukázalo, že transkripční kontrola genové exprese není tak dominantní jak se dlouho myslelo, ale že posttranskripční kroky genové exprese, zejména translace, hrají důležitou roli. Přednášky se snaží ilustrovat posun v poznání a z tohoto důvodu nepokrývají celou biologii RNA, ale pouze vybraná témata, které probírají detailněji. Kurz se v současné době nevěnuje transkripci a sestřihu RNA. Tyto děje jsou probírány v rámci jiných přednášek na PřF UK. Znalost základů buněčné a molekulární biologie je výhodou.
Last update: Mašek Tomáš, RNDr., Ph.D. (03.09.2025)
Literature -
Recommended literature:
Translational control in biology and medicine (Michael B. Mathews, Nahum Sonenberg, John W.B. Hershey, eds.), Cold Spring Harbor Monograph Series, Monograph 48, CSHL, 2007, ISBN 978-087969767-9
Recent issues of Nature, Science, PNAS, NAR and RNA journal.
Last update: Mašek Tomáš, RNDr., Ph.D. (12.05.2011)
Všechna literatura a primární zdroje použité pro zhotovení prezentací jsou dostupné v prostředí Classroom, proto je důležité, aby se zapsaní studenti do učebny přihlásili.
RNA Biology: An Introduction, Gunter Meister, Wiley. May 2011, 380 pages, ISBN: 978-3-527-32278-7
Molecular Biology of RNA, Second Edition,Oxford University Press, November 2015, 440 Pages, ISBN: 9780199671397
Přehledové články z časopisů Nature Reviews, PNAS, WIREs RNA, PNAS, NAR, RNA Journal a dalších.
Last update: Mašek Tomáš, RNDr., Ph.D. (03.09.2025)
Requirements to the exam -
Exam consists of two parts. First, the short test is needed to pass (6 questions, possibility of more correct answers, at least one correct answer, PhD students can skip this part of the exam). The second part has two questions usually covering broad range of subject matter, notes from lectures are allowed, not downloaded presentations).
Last update: Mašek Tomáš, RNDr., Ph.D. (22.12.2011)
Ačkoliv jsou přednášky v některých svých částech detailní, zkouška se zaměřuje na upevnění základů molekulární biologie a obsahuje otázky, které se dotazují na základ probírané látky (tzn. obsahově se shodují s prezentacemi).
Zkouška se skládá z krátkého testu (typu “multiple choice”, 10 otázek, vždy alespoň jedna odpověď správná, doktorandi test nemusí absolvovat) a písemné části, která se skládá ze 2 otázek zaměřených na větší objem probrané látky, studenti v této části zkoušky mohou použít své vlastní ručně psané poznámky z přednášek, nikoliv však stažené prezentace a jiné vytištěné materiály).
Novinky pro rok 2025: Modelový test bude ke stažení v Classroom. Po dohodě se studenty na začátku semestru budou organizovány 2 písemné minitesty, které umožní studentům lépe chápat navazující probíranou látku. V případě zájmu budou studenti vypracovávat a vybraní prezentovat krátkou rešerši na vybrané téma.
Last update: Mašek Tomáš, RNDr., Ph.D. (03.09.2025)
Syllabus -
1. Structure of ribosome, initiation and elongation factors, translation initiation mechanism
2. Translation elongation and termination phases, eukaryotic versus prokaryotic translation, translation in plants
3. Overview of initiation site selection mechanisms, cap-dependent translation, IRES elements, re-initiation, ribosome shunting and hoping, programmed translational frameshifting, control of translation by upstream short ORF, termination codon read-through
4. Signaling to translation initiation and elongation, mTOR, TOP mRNAs, regulation of translation by amino acids, GCN4 paradigm, eIF2 kinases
5. Translational control during stress, heat shock response, interface of mRNA turnover and translation, RNA degradation, NMD, P-bodies, influence of polyadenylation on translation, translation through mRNA localization
6. Viral Translational Strategies and host defense mechanisms, Pikornaviruses, Reoviruses, Adenoviruses, influenza and Poxviruses
7. Translational control of developmental decisions, translation and miRNA, translation regulation in neurons, learning and memory, translational control in cancer development and during apoptosis, translational control in metabolic diseases, therapeutic opportunities in translation
8. Sequencing projects, comparative genomics and its applicability in current biology
9. SELEX and broad application of aptamers
10. 4E- family of initiation factors and control of gene expression
11. Cap structures and synthesis, capping enzymes, different types of mRNA 5´-ends in Eukaryotes, techniques to study capping
12. New advances in high-throughput technologies used in molecular biology, sequencing, microarrays, SAGE, qRT-PCR, etc.
13. Biology of Hepatitis C virus and related Flaviviruses, viral infection and host defense, searching for target for antiviral therapy
Last update: Lichá Irena, RNDr., CSc. (14.05.2009)
1.
1. Přednáška „RNA vazebné proteiny“ – RNA vazebné domény – délka, sekundární a terciální struktura, způsob vazby na RNA, schopnost rozeznávat konkrétní sekvence; nejznámější zástupci RNA vazebných proteinů s danou doménou; modularita RNA vazebných proteinových domén v RNA vazebných proteinech – probrané příklady; hlavní techniky založené na LC-MS/MS pro identifikaci RNA vazebných proteinů (domén).
2. Přednáška „Biogeneze eukaryotického ribozómu“ - organizace transkripčních jednotek eukaryotických rRNA; transkripční iniciační komplex PolI; základní kroky posttranskripčních úprav 35S rRNA u kvasinek – místa štěpení A0, A1,A2 a B0; hlavní RNA endonukleázy; funkce U3 snRNA; struktura a funkce snoRNA + srovnání s prokaryoty; dyskerin a fibrilarin; hlavní kompartmenty jadérka + rozdělení jednotlivých fází skládání ribozómu do buněčných kompartmentů (jadérko – jádro – cytoplazma); stripování ribozomálních biogenních faktorů – příklad AAA-ATPáz; cytoplazmatická maturace 40S podjednotky; hlavní geneticky podmíněné lidské choroby zapříčiněné defekty ve funkci snoRNP a sestavování ribozómu.
3. Přednáška „tRNA syntetázy + tRNA“ – eukaryotické tRNA syntetázy – vazebná místa, aminoacylace, třídy a počet aminoacyl-tRNA syntetáz, tRNA cyklus; multisyntetázový komplex; přídavné domény tRNA-syntezáz – funkce; Arc1; GAIT komplex; tmRNA; transkripce tRNA; hlavní modifikace bází v tRNA; úprava 5´a 3´ konců pre-tRNA; odstranění intronů z pre-tRNA; hlavní degradační dráhy tRNA; tsRNA a její dělení na tRF a tiRNA.
4. Přednáška „Struktura a funkce ribozómu“ – složení ribozomálních podjednotek (typy RNA, jejich strukturní domény, expanzní segmenty, proteinové složení); iniciační, elongační a terminační translační faktory u bakterií a eukaryot; mechanický popis všech fází translace, tRNA vazebná místa na ribozómu; přesnost dekódování; monitorování symetrie párování bází na 1. 2. pozici kodónu, kolísavé párování bází; funkce h44 při dekodování (+open and closed form of 40S); substrate - induced fit mechanism katalýzy vzniku peptidové vazby (substrátem indukovaná katalýza); která funkční skupina zprostředkovává nukleofilní atak při vzniku peptidové vazby, ribozóm jako katalyzátor; mechanizmus katalýzy odštěpení peptidu z P-tRNA při terminaci translace; GTPázové centrum ribozómu, kvasinkový a savčí mitoribozóm – srovnání s eubakteriálním ribozómem, absence 5S rRNA u mitoribozómu, napojení na membránu, translační faktory v mitochondriích ve srovnání s bakteriální a eukaryotickou translací.
5. Přednáška „Eukaryotická iniciace translace“ + „Vnitřní vazebná místa pro ribozóm - IRES“ – fáze eukaryotické iniciace translace + translační iniciační faktory; funkce eIF1 a eIF1A při nalézání iniciačního kodónu; open and closed form mRNA vazebného kanálu hlavní zástupci virových a buněčných transkriptů nesoucích IRES; strukturní typy virových IRES; rozdělení hlavních virových IRES dle požadavku na translační faktory; hlavní ITAF faktory; princip bicistronického testu; tRNA mimikry a princip pseudotranslokace u CrPV IRES; „Death IRESs“
6. Přednáška „Signální dráhy a translace“ – fosforylace eIF2α, princip regulace translace GCN4 a ATF4 v závislosti na dostupnosti termálního komplexu; eIF2 kinázy (PKR, PERK, GCN2, HRI) + aktivační stimul, způsob aktivace a přítomnost těchto kináz u hlavních skupin organizmů; složení SRP a SR receptoru u hlavních skupin organizmů; mechanizmus inhibice elongace translace pomocí SRP; vlastnosti signálního peptidu; vlastnosti SRP-SR GTPázového komplexu; integrated stress response (ISR); unfolded protein response (UPR); IRE1 a Xbp1 mRNA regulace; zpětnovazebná regulace ISR – defosforylace eIF2α pomoci CHOP a GADD34; MNK1/2 – vazebný partner a cílový substrát; TOP mRNAs; regulace elongace translace prostřednictvím eEF2K.
7. Přednáška „Signální dráhy a translace – mTOR dráha“ – rapamycin, proteindoménové uspořádání mTOR a její lokalizace v buňce; složení mTORC1 a mTORC2; upstream aktivace mTOR – (IRS, PI3K; PDK1, AKT1; TSC1/2, RHEB), duální aktivační fosforylace aktivace kináz (AKT1 je aktivována mTORC2 a PDK1; S6K1 je aktivována AKT1 a mTORC1, SGK je aktivována mTORC2 a PDK1); aktivace mTORC1 pomocí PRAS40 u kvasinek, pozitivní a negativní způsoby regulace mTORC1; monitorování dostupnosti aminokyselin na membráně lysozomu pomoci aktivace mTORC1 (RAG malé GTPázy, Regulator komplex, GATOR1 a 2); cílové proteiny mTORC1, jejichž fosforylace reguluje aktivitu translace a rRNA a tRNA transkripci, regulace translace pomocí 4E-BPs a fosforylace eIF4B; translační strategie virových transkriptů – frameshifting, readthrough, leaky scanning, ribosome shunting; viry a PKR, 2´,5´OAS/RNAseL dráha jako součást antivirové obrany
8. Přednáška „RNP granule“ – Vaults – struktura, složení a možné regulační funkce; P-bodies – hlavní rezidentní proteiny, způsoby degradace mRNA; proteinové domény GW182; Nonse-mediated decay a vztah k P-bodies; Stresové granule – hlavní rezidentní proteiny; hlavní rozdíly ve proteinovém složení P-bodies a Stress Granules; složení eukaryotického exosomu a srovnání s komplexem PNPázy a RNAsy PH; enzymatické vlastnosti Dis3; TRAMP komplex a oligoadenylace; E. coli RNA degradosom
9. Přednáška „Polyadenylace“ – polyadenylace a její funkce; základní sekvenční elementy (sekvenční konsensus, relativní umístění k místu štěpení, co vážou?, srovnání kvasinek a savců); metody studia; savčí polyadenylační a 3´-procesující faktory (podjednotkové složení, vazebné afinity; funkce hlavních proteinových faktorů); funkce CPSF73; funkce PAP I/II a srovnání s PAP gamma; funkce Cst64tau a alternativní polyadenylace; CR-APA a UTR-APA – vysvětlení na uvedených příkladech; utváření 3´konce mRNA pro replikačně-dependentní histony, alternativní polyadenylace a její spojení s procesem stárnutí, rakovinou, diferenciací a dediferenciací buněk a spermatogenezí
10. Přednáška „RNA regulony“ – koncept RNA regulonů; kombinační RNA regulony, USER kód; varianty metodiky CLIP; princip metod „Ribosome profiling“ a CLASH; funkce proteinu Puf3 u kvasinek; RNA regulony Pumilio proteinů u kvasinky; ELAV proteiny, funkce proteinu HuR a autoregulace jeho exprese pomocí alternativní polyadenylace; eIF4E – RNA regulon, proteinová rodina eIF4E, funkce eIF4E2 ve zprostředkování hypoxické translace
11. Přednáška – „Andrej Šušor“ – fáze růstu a maturace savčího oocytu, transkripce během maturace oocytu, typy RNA granul v oocytu, cytoplasmic streaming, role lokalizované distribuce a translace RNA v oocytu, zóny aktivní translace v oocytu, signalizace mTOR během maturace oocytu (mTOR, 4E-BP1) nebo prezentace rešerší.
Sylabus je platný pro rok 2024, v roce 2025 se může jemně lišit.
S
Last update: Mašek Tomáš, RNDr., Ph.D. (03.09.2025)
Learning outcomes -
Upon successful completion of the course, the student demonstrates achievement of the following learning outcomes, formulated in accordance with the accreditation standards of the Ministry of Education, Youth and Sports of the Czech Republic and Charles University:
The student defines the fundamental concepts of RNA molecular biology and describes the importance of post-transcriptional regulation of gene expression in eukaryotic cells. The student explains why translation represents a key regulatory step of gene expression and distinguishes between transcriptional and post-transcriptional levels of regulation.
The student lists the major RNA-binding protein domains, identifies their structural and sequence characteristics, and provides examples of RNA-binding proteins with modular domain organization. The student explains the principles of recognition of specific RNA sequence and structural motifs and evaluates the functional significance of RNA-binding protein modularity.
The student describes the organization of rRNA genes and the major steps of eukaryotic ribosome biogenesis. The student identifies key endonucleases, snoRNAs, and protein factors involved in pre-rRNA processing and explains the functional compartmentalization of the nucleolus. The student outlines the main stages of pre-40S and pre-60S ribosomal subunit maturation, describes their export from the nucleus, and interprets the significance of ribosome heterogeneity in human physiology and disease.
The student describes the composition and structure of the ribosome, distinguishes its functional centers, and explains the mechanical and catalytic principles of translation initiation, elongation, and termination. The student analyzes the mechanisms ensuring decoding accuracy, explains the role of rRNA in peptide bond catalysis, and compares bacterial, eukaryotic, and mitochondrial ribosomes in terms of structure and function.
The student defines the tRNA cycle, classifies aminoacyl-tRNA synthetases into major classes, and explains their role in ensuring translation fidelity. The student describes pre-tRNA transcription and maturation, major post-transcriptional base modifications in tRNA, and analyzes the origin, classification, and biological functions of tRNA-derived fragments (tsRNAs).
The student distinguishes individual steps of eukaryotic translation initiation, explains the function of initiation factors eIF1, eIF1A, and eIF2, and interprets the significance of open and closed conformations of the small ribosomal subunit. The student compares cap-dependent initiation with IRES-mediated translation and analyzes differences between cellular and viral initiation mechanisms.
The student explains mechanisms of translational regulation mediated by the ISR, UPR, and mTOR signaling pathways. The student identifies key regulatory kinases and target proteins of these pathways and evaluates their roles in cellular homeostasis, stress responses, metabolic regulation, and antiviral defense.
The student describes the principles of mRNA localization within the cell, explains mechanisms of mRNA transport to centrosomes and other cellular structures, and interprets the regulatory significance of localized translation. The student provides an overview of experimental methods used to study mRNA localization and evaluates their methodological limitations and potential artifacts.
The student defines the concept of RNA regulons, explains principles of coordinated regulation of mRNA groups by RNA-binding proteins, and provides examples of proteins involved in mRNA stabilization or decay.
The student describes the formation and function of RNP granules, explains the principle of phase separation, and summarizes mechanisms of RNA surveillance and degradation.
The student defines the process of mRNA polyadenylation, distinguishes constitutive and alternative polyadenylation, and analyzes the biological significance of alternative polyadenylation site usage in cellular differentiation, aging, tumorigenesis, and spermatogenesis.
The student analyzes scientific literature in the field of RNA molecular biology, interprets experimental data, critically evaluates methodological approaches, and justifies conclusions of published studies. Based on a literature review, the student prepares a scientific presentation, summarizes key findings, formulates original conclusions, and presents results in a clear and professional manner.
Last update: Mašek Tomáš, RNDr., Ph.D. (09.01.2026)
Po úspěšném absolvování předmětu student prokazuje dosažení následujících výsledků učení, formulovaných v souladu s akreditačními standardy Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy České republiky a Univerzity Karlovy:
·Student definuje základní pojmy molekulární biologie RNA a popíše význam posttranskripční regulace genové exprese v eukaryotických buňkách. Vysvětlí, proč translace představuje klíčový regulační krok genové exprese, a rozliší transkripční a posttranskripční úrovně regulace.
·Student vyjmenuje hlavní RNA‑vazebné domény proteinů, identifikuje jejich strukturální a sekvenční charakteristiky a uvede příklady RNA‑vazebných proteinů s modulárním uspořádáním domén. Vysvětlí principy rozpoznávání specifických sekvenčních a strukturních motivů RNA a zhodnotí funkční význam modularity RNA‑vazebných proteinů.
·Student popíše organizaci genů pro rRNA a hlavní kroky biogeneze eukaryotického ribozómu. Identifikuje klíčové endonukleázy, snoRNA a proteinové faktory podílející se na zpracování pre‑rRNA a vysvětlí funkční kompartmentaci jadérka. Uvede hlavní fáze maturace pre‑40S a pre‑60S ribozomálních podjednotek, popíše jejich export z jádra a interpretuje význam heterogenity ribozómů ve fyziologii a patologii člověka.
·Student popíše složení a strukturu ribozómu, rozliší jeho funkční centra a vysvětlí mechanické a katalytické principy iniciace, elongace a terminace translace. Analyzuje mechanismy zajišťující přesnost dekódování genetické informace, vysvětlí roli rRNA v katalýze peptidové vazby a porovná bakteriální, eukaryotický a mitochondriální ribozóm z hlediska struktury a funkce.
·Student definuje tRNA cyklus, klasifikuje aminoacyl‑tRNA syntetázy do hlavních tříd a vysvětlí jejich úlohu v zajištění fidelity translace. Popíše transkripci a maturaci pre‑tRNA, hlavní posttranskripční modifikace bází v tRNA a analyzuje vznik, dělení a biologickou funkci tRNA‑odvozených fragmentů (tsRNA).
·Student rozliší jednotlivé kroky eukaryotické iniciace translace, vysvětlí funkci iniciačních faktorů eIF1, eIF1A a eIF2 a interpretuje význam otevřené a uzavřené konformace malé ribozomální podjednotky. Porovná cap‑dependentní iniciaci translace s IRES‑zprostředkovanou translací a analyzuje rozdíly mezi buněčnými a virovými iniciačními mechanismy.
·Student vysvětlí mechanismy regulace translace prostřednictvím signálních drah ISR, UPR a mTOR. Identifikuje klíčové regulační kinázy a cílové proteiny těchto drah a zhodnotí jejich roli v buněčné homeostáze, stresové odpovědi, metabolické regulaci a antivirové obraně.
·Student popíše princip lokalizace mRNA v buňce, vysvětlí mechanismy transportu mRNA do centrozómů a dalších buněčných struktur a interpretuje regulační význam lokalizované translace. Uvede přehled experimentálních metod používaných ke studiu lokalizace mRNA a zhodnotí jejich metodická omezení a možné artefakty.
·Student definuje pojem RNA regulon, vysvětlí principy koordinované regulace skupin mRNA pomocí RNA‑vazebných proteinů a uvede příklady proteinů stabilizujících nebo destabilizujících mRNA.
·Popíše vznik a funkci RNP granulí, vysvětlí princip fázové separace a shrne mechanismy RNA surveillance a degradace RNA.
·Student definuje proces polyadenylace mRNA, rozliší konstitutivní a alternativní polyadenylaci a analyzuje biologický význam alternativního využití polyadenylačních míst v buněčné diferenciaci, stárnutí, nádorové transformaci a spermatogenezi.
·Student analyzuje odbornou literaturu z oblasti molekulární biologie RNA, interpretuje experimentální data, kriticky zhodnotí použité metodické přístupy a odůvodní závěry publikovaných studií. Na základě literární rešerše zpracuje odbornou prezentaci, shrne klíčové poznatky, formuluje vlastní závěry a odborně a srozumitelně prezentuje výsledky.
Last update: Mašek Tomáš, RNDr., Ph.D. (09.01.2026)
