Лекция 3. Генетика митохондрий. МИТОХОНДРИАЛЬНЫЙ ГЕНОМ. 4. промоторы для обеих цепей LSP и HSP. Структура мтДНК. Зона гипервариабельности.


Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте его и откройте на своем компьютере.
ГЕНЕТИКА
МИТОХОНДРИЙ. Часть 1.
Лекция 3

раздел ГЕНЕТИКА КЛЕТОЧНЫХ ОРГАНЕЛЛ

дисциплина
СТРУКТУРНАЯ
ГЕНОМИКА

НЕХРОМОСОМНАЯ
НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ

Генетика клеточных органелл. Лекция
3

ЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКАЯ ГЕНЕТИКА

Раздел генетики, изучающий структуру и
функционирование цитоплазматических геномов

(пластид, плазмид, митохондрий)

ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ И ИЗУЧЕНИЯ
ЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКИХ ГЕНОМОВ

Генетика клеточных органелл. Лекция
3

История открытий

НЕХРОМОСОМНАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ

Карл Корренс

(1864

1933)

Эрвин Баур

(1875

1933)

1909
-
1910 гг.


открытие явления

детерминация признаков организма
факторами, локализованными не в
ядре, а в цитоплазме

К. КОРРЕНС

Однородительская передача признака

1909 г.


К.
Корренс

обнаружил,
что зеленая или пёстрая
окраска листьев
Mirabilis

jalapa

наследуется не по Менделю и
зависит от материнского
растения

( из Инге
-
Вечтомов, 1996)

Mirabilis jalapa
(
ночная красавица)

В опытах Менделя
реципрокные
скрещивания всегда
давали одинаковый

результат

Э. БАУР

Открытие пластидной наследственности

1909 г.


описал наследование признаков
при скрещивании пестролистных растений
Pelargonium


1910 г.


опубликовал результаты
экспериментов с пестролистными
растениями львиного зева

Antirrhinum

majus
, дал правильную интерпретацию
явления (хлоропласты)

Pelargonium zonale

(герань зональная)


Antirrhinum majus

(львиный зев)

а



зеленые листья,
б



пестрые листья,
в



белые листья;

I, II,
III


результаты скрещивания различных материнских растений (а, б, в) с
разными отцовскими

развитие
пестролистности

обусловлено
мутацией,
возникающей в
ДНК
хлоропластов и
нарушающей в
них синтез

хлорофилла

История

открытий
.

Б
.

ЭФРУССИ

1940
-
е г.


изучал у
Saccharomyces

cerevisiae

наследование способности к
дыханию (нормальные и дыхательно
-
некомпетентные дрожжи)

Борис Самойлович

Эфрусси

(1901

1979)

Признак способности/неспособности
к дыханию у дрожжей определяется
митохондриями (утрата активности
цитохромоксидазы
)

Нормально дышащие дрожжи
образуют крупные матовые колонии и
растут на глюкозе (ферментация) и углероде (этаноле или глицерине, за счет
их окисления).

Мутантные дрожжи
, не способные к дыханию, на глюкозе образуют мелкие
блестящие колонии (вегетативные карликовые колонии), а на этаноле,
глицерине не растут совсем.

История

открытий
.

ЦМС


1930
-
е гг.

М.
Роудс

(США ) и М.И.
Хаджинов

(СССР)
открыли материнский тип наследования
стерильности пыльцы у кукурузы

М.И. Хаджинов

Маркус Мортон


Роудс

Стерильность пыльцы, вызванная
цитоплазматическими факторами,
носит название цитоплазматической
мужской стерильности (ЦМС)

История

открытий
.

ЦМС


Кукуруза


однодомное растение, женские цветки
которого собраны в початок, а мужские


в
метелку. Иногда в метелке могут быть
недоразвитые пыльники со стерильной пыльцой

наследуется

по материнской линии, через цитоплазму яйцеклетки


возникла
в ходе эволюции цветковых и проявляется в популяциях
растений спонтанно.


обусловливается

ядерно
-
цитоплазматическими отношениями
(проявляется во взаимодействии ядерного генома с ДНК митохондрий)


выражается

в дегенерации большинства пыльцевых зерен и пыльников
на определенных этапах их развития

Видеоролик «Цитоплазматическое наследование»

МИТОХОНДРИАЛЬНЫЙ

ГЕНОМ

Генетика клеточных органелл.

Лекция 3. Генетика митохондрий

Словарик

Плазмогены



гены, локализованные в цитоплазме, способные к
авторепродукции

и передаче наследственной информации


Ортологичные

гены


гомологичные гены филогенетически
родственных организмов, разошедшихся в процессе
видообразования


Катенаны



соединения, молекулы которых состоят из двух или
более циклов, продетых один

ИСТОРИЯ ВОПРОСА

Генетика клеточных органелл.

Лекция 3. Генетика митохондрий

История изучения
генома

митохондрий

Hans Tuppy

Gottfried Schatz

1963 г.


Маргит

Насс
-
Эдельсон

и

Сильвен

Насс


открыли
мт

ДНК
(методы
электронной микроскопии)


1964 г.

Эллен
Харлсбруннер
,

Ханс

Туппи
,
Годфрид

Шоц

открыли
мт

ДНК
(методы
биохимические)

Особенности геномов клеточных
органелл

Гены органелл находятся в полиплоидном
состоянии

Гены органелл не объединяются в зиготе в
равных соотношениях

Гены органелл случайно распределяются при
митотическом делении клетки

Гены органелл не подчиняются законам
Менделя, которые опи
сывают распределение
аутосомных генов в потомстве

МИТОХОНДРИИ

Генетика клеточных органелл.

Лекция 3. Генетика митохондрий

Клеточные органеллы


митохондрии

Митохондрии


клеточные органеллы, присутствующие в клетках
эукариотических организмов, осуществляющие реакции клеточного
дыхания с выделением энергии, которая запасается в виде
аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ)

Общие сведения

Митохондрии произошли от α
-
протеобактерий


Часть белков
эндосимбионта

до сих пор функционирует в
митохондриях

Большая часть предковых генов перенесена в ядерный геном

В геноме митохондрий человека осталось закодировано 13 белков


Часть белков
эндосимбионта

потеряна в ходе эволюции

Потеря белков митохондрией в основном происходила на ранних этапах
эволюции

Некоторые утраченные белки заменены
неортологичными


В
митохондриальный

протеом

в ходе эволюции добавились
новые белки

В связи с возникновением новых функций у митохондрий по сравнению с
бактериальным предком

В ходе эволюции происходило увеличение числа субъединиц в больших
мультиферментных

митохондриальных комплексах

Часть белков
эндосимбионта

до
сих пор
роаботает

в
митохондриях
(ферменты
окислительного
фосфорилирования
,
компоненты рибосом)


Часть белков
потеряна в ходе
эволюции


Добавились новые
белки (белки системы
митохондриального

импорта)

НАСЛЕДОВАНИЕ
МИТОХОНДРИАЛЬНОЙ
ДНК

Генетика клеточных органелл.

Лекция 3. Генетика митохондрий

Наследование мтДНК

по материнской
линии

СТРУКТУРА

МИТОХОНДРИАЛЬНОЙ
ДНК

Генетика клеточных органелл.

Лекция 3. Генетика митохондрий

Многокопийность

Митохондрия
содержит от
2
до
10
молекул
мтДНК

(1000
-
8000 копий на
клетку) единого
гаплотипа

Свойства
мтДНК

Компактность
.

Гены
р
РНК

чередуются с генами
т
РНК
.
Межгенные

участки
представлены короткими, в несколько нуклеотидов, вставками.


Исключение

-

петля смещения, или D
-
петля, протяженностью 1,1
т.п.н
. Это не кодирующая
структура, обеспечивает ассоциацию
мтДНК

на мембране органеллы и содержит сайты,
необходимые для инициации и регуляции процессов репликации и транскрипции
мтДНК
.

Свойства
мтДНК

Нестабильность


митохондриальный

геном нестабилен


скорость эволюции
(
мутирования
)
мтДНК

превышает таковую для ядерной ДНК
в
10
-
20

раз

мтДНК

ПОДВЕРЖЕНА МУТАЦИЯМ


Гомоплазмия



ни в одной молекуле
мтДНК

нет мутаций или во всех
молекулах
мтДНК

присутствует мутация

Гетероплазмия



мутация присутствует в некоторых молекулах
мтДНК

мтДНК

реплицируется
независимо
от репликации в ядре
,
поэтому мутации в
мтДНК

при
гетероплазмии

накапливаются


при
делении клетки с
гетероплазмией

возникает
мозаичное
распределение

ДНК с
мутацией

Гетероплазмия

Митотическая сегрегация генов

Сегрегация



разделение
по какому
-
либо признаку

при

гомоплазмии

все

потомки

больной

женщины

будут

больными,

т
.
к
.

мтДНК

попадает

в

зиготу

из

яйцеклетки,

а

мтДНК

спермия

в

основном

деградирует

в

цитоплазме

ооцита


90%
случаев
наследственной
оптической
нейропатии

Лебера

Гомоплазмия
.

Эффект

при
гетероплазмии

уровень содержания
мутантной ДНК в разных органах и
даже в клетках одного органа различен


дисфункция возникает при превышении
определенного
порога

(70%)
содержания
мутантной
мтДНК
.


этот порог различен при разных
заболеваниях

Гетероплазмия
.

Эффект

При
гетероплазмии

женщина
может передать потомству разный
уровень мутантной
мтДНК
, а
может вообще не передать мутацию

10%
случаев
нейропатий

Лебера
: вероятность передачи
заболевания потомству неизвестна

мтДНК. Форма

мтДНК



кольцевая
дц

молекула, присутствует
в органелле в виде
ковалентно

замкнутой
суперспирализованной формы,
ассоциированой

с внутренней мембраной
митохондрии, формирует ДНК
-
белковые
комплексы


нуклеоиды



Tfam

(
mitochondrial

transcription

factor

A)

участвует

в

пространственной

организации

нуклеоида

Компактизация

мт

ДНК
.

Компактизация

мт

ДНК.
Нуклеоид
.

н
уклеоид

содержит
1
-
10 копий
мтДНК

и белки, участвующие в
репликации и транскрипции ДНК

о
pen circle

supercoiled

circle

Основные формы у
многоклеточных
животных

head
-
to
-
tail circular
dimer

с
at


-

катенаны

10% у мыши, более 30%

у мыши состоят не
более чем из 4 молекул
ДНК.

у человека встречаются
катенаны

из 8 молекул
ДНК

Формы
мтДНК

о
pen circle

supercoiled circle

мтДНК

в сердечной мышце
взрослого человека организована
в
многомерную сеть
,
содержащий множество
линейных геномов, в которой
постоянно происходит
репликация и рекомбинация

мтДНК

в сердечной
мышце
.

Строение дц мтДНК


в
мтДНК

выделяют
H

(
heavy
)
тяжелую и
L

(
light
) легкую цепи


цепи комплементарны, но
различаются по удельной
плотности, т.к. содержат разное
количество «тяжелых» пуриновых

(G)

и «легких» пиримидиновых
(C)
нуклеотидов


в
мтДНК

присутствует
оцДНК


оц ДНК

оцДНК

гибридизуется

с материнской
L
-
цепью в районе
NCR

(
non
-
coding
region
), формируя
трехцепочечную

структуру


D
-
петлю

(
displacement
loop



петля смещения
)
.


D
-
loop

регион образован
репликацией, инициированной в
О
Н

и
терминированной в
TAS


У человека D
-
петля участок из 710 пар
нуклеотидов


Регуляторные участки в
мтДНК

CSB

TAS

единственный
некодирующий

участок
NCR

в
мт

ДНК
расположен между генами
tRNA

Pro

и

tRNA

Phe

D
-
loop

Phe

Pro

CSB

TAS

Ori H

LSP

HSP1

Ori b


Регуляторные участки в
D
-
петле.


NCR


1.
ориджин

репликации
O
H

и дополнительные
ориджины

(
ori

b
)

2.
участки регуляции репликации
CSB

(
conserved sequence blocks)

3.
участок терминации репликации
TAS

(termination
-
associated
sequence)
. Белок
MTERF


(
mitochondrial transcription termination
factor
1
) может
связываться с
TAS

4.
промоторы для обеих цепей
LSP

и
HSP

Ori b

Ori b


Основные элементы
NCR


Зона
гипервариабельности



D
-
петля

содержит консервативные
и вариабельные участки

Структура
мтДНК

наиболее изменчив
гипервариабельный

сегмент I
расположенный между позициями 16024
п.н
. и 16400
п.н
.

Гипервариабельные

сегменты


Геном
мтДНК

человека

13 генов


кодирующих
белки

Геном
мтДНК

человека

22 гена


кодирующих
белки

Геном
мтДНК

человека (37 генов)

2 гена


кодирующих
белки


Приложенные файлы

  • pdf 1270762
    Размер файла: 5 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий