Zmienność DNA pozajądrowego

Wykład XIII

DNA pozajądrowy

 ctDNA (cytoplazmatyczny =

pozajądrowy)

• mtDNA (mitochondrialny)
• cpDNA = chlDNA (chloroplastowy)

CECHY mtDNA

• mała cząsteczka, od 16-20 tys.pz
• charakter haploidalny
• kolisty, czysty (bez histonów)
• Zasadniczo brak intronów (u niższych

eukariotów są), DNA repetytywnego,

pseudogenów i elementów ruchomych

• brak zmetylowanych zasad

• region kontrolny (pętla D, D loop)

zawiera operon do replikacji i
transkrypcji

• układ genów swoisty dla dużych

grup systematycznych (owady,
nicienie, kręgowce)

• dziedziczy się po matce
• nie podlega rekombinacji
• szybkie tempo gromadzenia
mutacji

• mtDNA wyłamuje się z reguły uniwersalności

kodu genetycznego

AGA i AGG = stop (w jądrowym Arg)
AUA = Met (w jądrowym Leu)
AUA i AUU = kodon inicjujący (AUG w

jądrowym)

• geny mitochondrialne nie mają wspólnej

przeszłości z genami jądrowymi – konsekwencja

endosymbiotycznego pochodzenia

• Pętla D składa się z 1 274 pz i zawiera

operon do replikacji łańcucha H i

transkrypcji łańcucha L i H

• Replikacja mtDNA u ssaków zachodzi w

sposób asynchroniczny:

- każda z dwu nici (H bogata w puryny i L

bogata w pirymidyny) miejsce inicjacji

(ori) ma w innym regionie - najpierw

replikuje się nić H

    (wewnętrzna)
- gdy zreplikuje się około 70%
  nici H - rozpoczyna się synteza
  nici L.

• mtDNA koduje:
- 22 rodzaje tRNA
- 2 rodzaje rRNA
- 13 białek łańcucha oddechowego:
     cytochrom b
     3 podjednostki oksydazy
        cytochromowej
     2 podjednostki syntazy ATP
     7 podjednostek
       dehydrogenazy

    Polimorfizm mtDNA u
człowieka

• Znana jest kompletna sekwencja

ludzkiego mtDNA (od 16 558 do
16 576 pz)

• Wykryto

657

miejsc

polimorficznych (w tym 141 w
regionie kontrolnym – pętla D).

• Na

podstawie

badań

sekwencji

wykryto

polskiej

populacji

europejskie typy mtDNA i jeden

kaukazki.

• Liczba wykrywanych typów mtDNA

jest zależna od 2 czynników:

- liczby badanych miejsc restrykcyjnych
-stopnia zmienności mtDNA w obrębie

populacji

Przyczyny częstych mutacji w

mtDNA

• mniejsza wydajność systemu naprawczego
• większa częstość replikacji
• zwiększenie tolerancji na substytucje w

terminalnym nukleotydzie kodonu

• nie chroni go struktura chromatynowa
• mutaganami są wolne rodniki
powstające jako uboczny
produkt oddychania

• Efekt mutacji mtDNA w fenotypie
zależy od:
- procentu zmutowanych cząsteczek u

danej osoby

- do jakiej tkanki trafią większa liczba

cząsteczek zmutowanych

• Efekt mutacji częściej pojawia się u

osób starszych

• Najszybciej mutuje region kontrolny

czyli pętla D

• Najszybciej mutuje region kontrolny

czyli pętla D

• W pętli D wyróżnia się obszary

(segmenty) o dużej zmienności =
sekwencje Andersona.

• Zmienność w obrębie tych sekwencji

pomiędzy osobnikami
niespokrewnionymi wynosi 3%.

• Region ten jest wykorzystywany do

identyfikacji osobników np. ze śladów
biologicznych oraz do ustalania
pokrewieństwa

Przykłady chorób

mitochondrialnego DNA

• Choroba Parkinsona
• CPEO (chroniczny postępujący paraliż

mięśni oka)

• Cukrzyca
• Dystonia
• Zespół Lebera (neuropatia
oczna) – mutacja w genie
12SrRNA, zwykle 100%
cząst. mtDNA jest zmutowanych

Zmiany w mt DNA mogą być także

wywoływane przez mutację w genach

jądrowych - kodujących białka

strukturalne mitochondriów lub białka

związane z regulacją ich funkcji.

• W chorobach wynikających ze zmian w

mtDNA dziedziczonych w sposób

matczyny stwierdza się różnorodność

objawów wśród tej samej rodziny,

• gdyż w komórce najczęściej koegzystują

ze sobą DNA niosące patogenną mutację

i DNA niezmutowane i jest to tzw.

heteroplazmia.

CECHY cpDNA

• występuje w chloroplastach i innych

plastydach

• podobny do bakteryjnego
• Wielkość od 140 do 200 kpz (zależy od gat.)
• kolisty
• „czysty” (nie tworzy
kompleksów z histonami)
• brak zmetylowanych zasad
• rybosomy 70S

• cpDNA koduje:
- rRNA (16S, 5S, 4,5S, 23S)
- tRNA (dla 32 tRNA u Marchantia polymorpha)
- syntetazy aminoacylo-tRNA
- polimerazy RNA, DNA oraz białka niezbędne do

replikacji DNA i ekspresji genów

- białka rybosomalne
- białka bezpośrednio
związane z fotosyntezą
(białka wiążące chlorofil,
białka cytochromu b,f itp.)
Większość (2/3) białek
Chloroplastowych
Jest kodowana w DNA
jądrowym.

Pochodzenie mtDNA i cpDNA

• Teoria endosymbiozy
Mitochondria i chloroplasty powstały na

drodze endosymbiozy, w którą weszły

bakterie wolnożyjące na bardzo wczesnym

etapie ewolucji z progenotami czyli

przodkami komórek Eucaryota.

Teoria ta opiera się na większym
podobieństwie budowy
i ekspresji genów tych organelli
do bakterii niż do eukariotów

Na te Święta co nadchodzą,

Życzę ciepła i miłości.

Niech Cię ludzie nie zawodzą,

I niech uśmiech w sercu gości...

SYSTEMY NAPRAWCZE DNA

•

Zmiany w składzie lub w strukturze DNA
(powstają na skutek mutacji, błędów w
replikacji i rekombinacji) są naprawiane
przez SPECJALNY SYSTEM ENZYMÓW
NAPRAWCZYCH

•

Procesy reperacyjne DNA zachodzą w czasie:

- przedreplikacyjnym
- podczas replikacji
- w okresie postreplikacyjnym

• Reperacja uszkodzeń DNA

wywołanych mutagenami

chemicznymi:

- zasady azotowe po dezaminacji mogą

samorzutnie oddysocjować

- mogą być wycinane endonukleazami
- uzupełnienie przez polimerazę DNA
- pęknięcia zespalane przez ligazy
• Reperacja uszkodzeń DNA

wywołanych mutagenami fizycznymi

- UV-dimery (fotodimery) są usuwane

przez fotoliazę

- przez UVr-endonukleazy

Uvr-endonukleazy, kompleks enzymów, z których
jeden (uvrA) koduje biało rozpoznające uszkodzony
nukl. (dimer pirymidynowy)

• uvrB i uvrC wycinają w
• odległości 7pz na końcu 5’ i
• w odl. 5pz na koncu 3’,
• Ten odcinek 12pz jest usuwany
• przez helikazę kod.
• przez gen uvrD,
• Teraz polimeraza DNA i ligaza

• Naprawa pęknięć jednoniciowych
-

powstają np. w wyniku działania promieni

jonizujących

- działanie ligazy DNA

• Naprawa pęknięć dwuniciowych

- powstają w wyniku działania pr.

jonizujących, mutagenów chemicznych lub
podczas rearanżacji genomowych (np.
receptorów limfocytów T i B)

- zaangażowane są 4 grupy genów, których

produkty są związane z łączeniem końców
niehomologicznych NHEG (non-
homologious end-joining)

• Naprawa uszkodzeń DNA w czasie

replikacji u E. coli – polimeraza
DNA III

- usuwa mylnie włączone zasady
- częstość błędnie włączanych nukleotydów

wynosi 10

-9

- właściwości korekcyjne – podjednostka E

wycina w kierunku 3’ do 5’

- gen mut A łatwo mutuje (mutacja

mutatorowa)

Znane są też mutacje antymutatorowe

obniżające częstość mutacji spontanicznych

• System naprawy SOS (Save Our

Souls) DNA u E.coli

- geny represorowe genów SOS–

lexA, lambda, recA

- geny kontrolujące podziały – umu
- geny kontrolujące enzymy

naprawcze – uvr

- geny kontrolujące rekombinację -

rec

System naprawy SOS

(Save Our Souls) DNA u

E.coli

• Jest to odpowiedź na uszkodzenie

DNA.

• Najczęstszym komórkowym

sygnałem aktywującym odpowiedź
SOS jest obecność jednoniciowego
DNA

SOS

• System SOS regulują dwa kluczowe

białka:

LexA

RecA

• LexA jest represorem transkrypcji,

przyłączającym się do sekwencji

operatorowych (zazwyczaj

określanych jako kaseta SOS, ang.

SOS box).

• LexA reguluje proces transkrypcji

około 48 genów, w tym lexA i recA

Podczas inicjacji procesu

białko RecA przyłącza ssDNA

• prowadząc do powstania kompleksów RecA–

ssDNA.

• RecA–ssDNA aktywuje autoproteazową

aktywność LexA, czego skutkiem jest rozpad
LexA i jego degradacja.

• Brak represora powoduje transkrypcję

genów SOS i dalsze przekazywanie sygnału
w komórce, zahamowanie podziału komórki
i wzrost syntezy białek odpowiedzialnych za
śmierć komórki.

• Gdy uszkodzenie DNA jest

naprawione bądź pominięte przy
użyciu polimeraz lub rekombinacji,
ilość jednoniciowego DNA w
komórce ulega zmniejszeniu –

• maleje wiązanie LexA do kaset SOS
• i zostaje przywrócona prawidłowa

ekspresja genów.

NER

• Naprawa przez wycięcie

nukleotydu (ang. nucleotide
excision repair, NER) – mechanizm
naprawy DNA w komórkach mający
na celu usuwanie uszkodzeń DNA
spowodowanych czynnikami
chemicznymi lub fizycznymi, takimi
jak promieniowanie UV.