Mitochondrialny

DNA

Paula

Gawryszewska

Biotechniques” 1995

Badanie mtDNA

http://www.cstl.nist.gov/biotech/strbase/pub_pres//ValloneASHGposter20
02.pdf

Podstawowe informacje o

mtDNA

•

występuje w komórce w setkach-tysiącach kopii ( w mitochondrium do 10 kopii)

•

wysoki polimorfizm

•

znacznie wyższe tempo mutacji niż DNA jądrowy

•

99,9% dziedziczony po matce

•

mało systemów naprawczych mtDNA

•

brak histonów

•

obecności dużej ilości wolnych rodników

•

choroby

•

różne formy i rozmiary

•

różna złożoność mtDNA

•

względna stałość

•

model do badania przodków

Science, 1999

Zwierzęcy a roślinny

mtDNA

Tabela 1. Charakterystyka jądrowych (nDNA) i mitochondrialnych (mtDNA) genomów zwierząt i roślin oraz genomu
chloroplastowego roślin (cpDNA).

Alberts, 2002

Różnice w kodonach mtDNA

Różnice między uiwersalnym a miochondrialny kodem genetycznym

Porównanie zawartości genomów
mitochondrialnych

Mitochondrial function and
biogenesis, 2004

- oddychanie/fosforylacja
oksydacyjna

- rRNA i tRNA

- białka rybosomalne

-dojrzewanie RNA,

-Import białek

-transkrypcja

Mitochondrial function and
biogenesis, 2004

5 genów występujących we wszystkich mitochondrialnych genomach

Science, 1999

Zwierzęta

• Małe koliste genomy o wielkości od 14 kb (C. elegans) do 42 kb

(Plactopen magellanicus), zawartość informacyjna jest bardzo zbliżona,
zwykle jest to 16kb.

• 37 genów: (13 genów kodujących białka łańcucha oddechowego, 22 tRNA,

2 rRNA)

• Nie stwierdzono intronów, a sekwencje międzygenowe są zasadniczo

bardzo krótkie.

• Bardzo silnie upakowany

• Ewolucja doprowadziła do maksymalnej redukcji rozmiaru, przy

pozostawieniu niezbędnych sekwencji kodujących.

• Brak rekombinacji

cd. zwierzęta

• Szybkie tempo mutacji

• Kod genetyczny różni się od standardowego

• Uproszczony mechanizm transkrypcji - z jednego dwukierunkowego

promotora powstają dwa główne transkrypty, które następnie podlegają
złożonej i słabo poznanej obróbce posttranskrypcyjnej, stanowiącej
zapewne główny poziom regulacyjny

mtDNA ludzkie

12S rRNA

16S rRNA

Frontiers in Bioscience,2009

Cell Press, 2009

Pętla D w ludzkim mtDNA

Hans-Jürgen Bandelt,
2006

Pętla D w procesie transkrypcji

.

3 rodzaje replikacji

Cell Press, 2009

Ubytek mtDNA u

zwierząt

• Redukcja liczby kopii mtDNA (wymagane czynniki jądrowe
zaangażowane w replikację oraz zapas dNTP)

• Redukcja liczby kopii mtDNA do mniejszej niż 30% normalnej
zawartości mtDNA

• Stały zasób dNTP jest potrzebny do replikacji mtDNA

• Nukleotydy są transportowane albo z cytozolu albo wynikają z
drogi mitochondrialnego odzysku.

• W nie replikujących się tkankach poziom cytozolowych
deoksyrybonukleotydów jest niski i odzysk mitochondrialnego
dNTP jest głównym źródłem nukleotydów.

fosforylacji przez kinazy difosfonukleotydowe

NDPK

Biochemica
Et Biophysica
Acta, 2009

Mutacje w genach jądrowych

odpowiedzialnie za ubytek mtDNA

Biochmica et Biophysica Acta, 2009

Nature Genetics, 2008

Model generacji
delecji mtDNA
podczas
naprawy DSB

Liczba sekwencji

powtórzonych

Nature Genetics, 2008

Sporadyczne

delecje mtDNA w

oocycie

Nature Genetics, 2008

Jak zapobiec delecjom?

• Indukowane przez błędy w replikacji i niewiele można zrobic by

temu zapobiec.

• Podywżenie antyoksyadnótw i zmiatacza ROS powinno zapobiec

indukcji DSBs i również produkcji delecji mtDNA.

• Rozumienie mechanizmów zaangażowanych w naprawę mtDNA i

identyfikację kluczowych czynników zaangażowanych w delecje w
tkankach człowieka jest pierwszym krokiem.

Rośliny

• Największe rozmiary

• Bardzo wysoka częstość rekombinacji

• Zawiera liczne sekwencje powtórzone

• Dwukierunkowa wymiana genetyczna miedzy

mitochondriami (i chloroplastami), a jądrem (u

okrytonasiennych)

• Różnorodne zestawy kodowanych w mtDNA genów.

• Występowanie genu 5S rRNA (u pierwotniaka Reclinomonas

americana)

• Geny mitochondrialne, niespotykane u innych Eukaryota

odpowiedzialne są u roślin za szereg nietypowych fenotypów,
np. męską niepłodność, wrażliwość na pewne toksyny grzybowe czy
zaburzenia wybarwienia liści.

• Uniwersalny kod genetyczny

• Redagowanie (editing)

• Występują introny

• Trans-splicing

cd. rośliny

After Unseld et al. 1997

Journal of Experimental Botany, Vol. 61, No. 3, pp. 657–671, 2010

Dwie drogi powstawania

mitotypów

Journal of Experimental Botany, 2010

The Neurological Institute of New York

Punktowe mutacje:

•MELAS - miopatia mitochondrialna,
endefalopatia, kwasica mleczanowa,
występowanie incydentów podobnych do
Udarów. Mutacja 3243A>G

•MERRF – padaczka miokloniczna z
występowaniem „włókien szmatowatych” w
mięśniach. Mutacja 8344A>G

•NARP – neurogenna miopaia z ataksją i
zwyrodnieniem barwnikowym siatkówki
Mutacja 8998T>G

•LHON - dziedziczna neuropatia nerwu
wzrokowego. Mutacja 11778A>G

An Introduction to Genetic Analysis, 2000

Hipoteza teorii starzenia

Podsumowanie

•

MtDNA zwierząt różni się od roślin.

•

Istnieją co najmniej trzy rodzaje replikacji u zwierząt.

•

MtDNA zwierząt charakteryzuje się małym, okrągłym, ale upakowanym genomem. D-

loop,w którym zachodzi inicjacja replikacji i transkrypcji. Zawiera również regiony

superzmienne (HV1, HV2 i HV3), które służą do analiz kryminalistycznych. Dziedziczony

wyłącznie po matce.

•

MtDNA roślin charakteryzuje się m.in. dużymi rozmiarami, rekombinacją homologiczną,

dużą ilością dużych i krótkich powtórzeń, charakterystyczną stechiometrią heteroplazmy

•

Na spadek mtDNA wpływa ilość dNTP. Mutacje w enzymach biorących udział w syntezie

dNTP wpływają na powstanie różnych chorób u ludzi (np. PEO, syndrom Alper-

Huttenlocher)

•

Delecje w mtDNA powstają podczas naprawy DSB lub asynchronicznej replikacji.

Powodują powstanie wielu chorób (CPEO , Zespół Kearnsa i Sayre'a, MNGIE, Zespół

szpikowo-trzustkowy Pearsona). Są one nieodwracalne. Lokalizują się w regionie O

H

i O

L

.

•

Badanie mtDNA pozwala min. na badanie :śladów biologicznych oraz przodków.

Bibliografia