wykład 14

Temat: Dziedziczenie pozajądrowe

Poza jądrem geny znajdują się w:

• DNA organelli (mitochondria, chloroplasty)

• kinetoplastach (u pierwotniaków)

• plazmidach

• wirusach i bakteriach - te znajdują si ę w cytoplazmie i przekazywane najczęściej przez komórkę jajową

DZIEDZICZENIE CHLOROPLASTOWE

• cpDNA (chloroplastowe DNA) jest wysoce konserwatywny i stabilny ewolucyjnie

• cpDNA jest silnie upakowany, niewiele sekwencji nie kodujących

• ramki odczytu zachodzą na siebie

• wielkość genomu cpDNA: 120-160 kb (kilopar zasad)

• wyjątki: Nicotiana accuminati - 171 kb, Geranium - 217 kb

• krótkie (poniżej 100 kb) sekwencje powtórzeniowe (mikrosatelity), wyjątek stanowi region 10-76 kb z genami rRNA

• może istnieć w dwóch orientacjach (izoformach)

• zmiany ewolucyjne cpDNA - większość to niewielkie insercje i delecje (1-106 pz)

• u grochu największa delecja - cały rejon rRNA

• u motylkowatych inwersja fragmentu 50kb zbliżyła geny rbcL i psbA

• u pszenicy inwersja 25 kb zbliżyła geny atpA i rbc2

TEST DZIEDZICZENIA CYTOPLAZMATYCZNEGO

• tylko u roślin i to obupłciowych

• organelle komórkowe są zwykle przekazywane z komórką jajową

• jeżeli matka jest formą A - w genomie chloroplastowym chlorozy na liściach, jeśli ojciec jest formą B - liście normalne

• matka A x ojciec B = potomstwo jak forma mateczna, występują chlorozy (dziedziczenie cytoplazmatyczne)

• matka B x ojciec A - potomstwo jak forma ojcowska, bez chloroz (dziedziczenie jądrowe)

Dziedziczenie ojcowskie może zachodzić, jeśli w plemnikach jest dużo cytoplazmy i znajdują się w niej mitochondria.

Białka kodowane przez chloroplasty

• rbcw - fosfokarboksylaza (duża podjednostka) apoproteiny dla PSI i PSII

• cytochrom bc, f, apocytochrom b558

• 6 z 9 podjednostek ATPazy

• białka wiążące rybosomy

• białka wiążące herbicydy

• czynniki translacji

• podjednostki polimerazy RNA

• geny tRNA i rRNA chloroplastowego

• białka związane z odpornością na antybiotyki i związki toksyczne

• białko psbA - odporność na atrazynę (herbicyd)

DZIEDZICZENIE MITOCHONDRIALNE

• modna jest wysoce konserwatywny i stabilny genetycznie

• jest silnie upaowany, niewiele sekwencji niekodujących

• przykłady:

• gen kodującyc podjednostkę II oksydazy cytochromowej u ryżu, żyta i marchwii

• u ogórka brak intronów

• geny cytochromu b i oxi3 u drożdży

• ramki odczytu zachodzą na siebie (rzadko)

• wielkość mtDNA bardzo zmienna

• melon - 2400 kb

• kukurydza - 570 kb

• wiesiołek (wieciołek?) - 195 kb

• zwierzęta - 15-18 kb

• grzyby 18-75 kb

HETEROPLAZMA

W genomach mitochondrialnych, głównie roślin wyższych, są długie i krótkie jednostki powtarzane. Rekombinacje krótkich jednostek powtórzonych są rzadkie i nieodwracalne, dlatego generowane cząsteczki są nieliczne. Tak powstaje stan zwany heteroplazmą. W tym samym organizmie występują dwa typy cząstek mtDNA obecne na tych samych poziomach stechiometrycznych. Proporcje te ulegają zmienności, m.in. ze zmian w genotypie jądrowym i na skutek stresu. Heteroplazma stanowi źródło zmienności genetycznej

• zwierzęta - rzadkie zjawisko, u człowieka miopatia

• u roślin - częste, związane z męską sterylizacją

• u zwierząt częste mutacje, rzadkie rekombinacje w mt DNA

• u roślin rzadkie mutacje, częste rekombinacje w mt DNA

BIAŁKA KODOWANE

• enzymy związane z procesem oddychania:

• 3 podjednostki oksydazy cytochromowej

• cytochrom d

• 4 podjednostki ATPazy

• białka warunkujące odporność na antybiotyki

• inne: 21s, mRNA, 16s rRNA

GENOMY MITOCHONDRIALNE ROŚLIN

• Cucumis dativus - 1500 kb

• Cucurbita sp - 800 kb

Różnice w kodzie genetycznym mitochondrialnym i uniwersalnym

kodon	kod uniwersalny	mt DNA (ssaki)	mt DNA (drożdże)	mt DNA roślin
UGA	stop	Trp	Trp	stop
AUG	Ile	Met	Ile	Ile
AGA, AGG	Arg	Stop	Arg	Arg
UGG	Arg	Arg	Arg	Trp

Geny mitochondrialne u człowieka - 16,6 kb

- parkinsonizm

- dystonia

Porównanie mt DNA w różnych organizmach

	zwierzeta	grzyby	rośliny
wielkość	14-46 kb	17-180 kb	184-2400 kb
nie kodujący DNA	b.mało	różnie	b. dużo
mutacje	częste	rzadkie	b. rzadkie
rekombinacje	brak	rzadkie	b. częste
introny	brak	brak	b. dużo
odstępstwa od uniwersalnego	częste	na ogół nie	na ogół nie

Inne miejsca pozajądrowego DNA

• płciowość bakterii (plazmid F)

• właściwości paraliżujące pantofelka (cząsteczki kappa - Endobacter taenospiralis)

• niezgodność płciowa u komara - bakterie Wolbachia piplents

• niezgodność stosunków płci u Drosophila (czynnik SR)

• nadwrażliwość na CO2 u Drosophila - wirus z grupy rhabdowirusów

• męska sterylność u kukurydzy - plazmidy

MOLEKULARNE MECHANIZMY EWOLUCJI

• hipotetyczne wczesne fazy ewolucji:

• bulion pierwotny => kondesacja rybonukleotydów => powstanie RNA (samoreplikuje się, a DNA nie) => reakcje katalizowane przez RNA => utworzenie mechanizmów transkrypcji tRNA, mRNA, rRNA, kodu genetycznego, synteza białek => utworzenie genomu z RNA => odwrotna transkrypcja => DNA (bo RNA ma niską stabilność) => Progenota (geny zawierające introny i chromosomy z DNA) => pierwotne komórki => => podziały komórkowe => rozdział na Eubacteria, Archebacteria i Eucaryota

• teoria wspólnego przodka - nie!

• raczej kilku, którzy „pokrzyżowali się” - koncepcja wielu wspólnych przodków

METODY BADAŃ

• sekwencje genów kodujących 16S rRNA

• są one bardzo konserwatywne, więc można przeanalizować zmiany w długim okresie

• `wspólny' przodek - komórki będące przodkami miały tę samą sekwencję

PIERWOTNIE W EWOLUCJI KODEM GENETYCZNYM BYŁ KOD DWÓJKOWY, stąd odstępstwa w stosunku do uniwersalnego kodu genetycznego u mt i cp DNA

Ewolucja organelli komórkowych:

bakterie purpurowe => mitochondria

cyjanobakterie => chloroplasty

powoli genom jądrowy przyjmuje funkcje genomów chloroplastowych i mitochondrialnych

• wymiana DNA między organellami i jądrem zachodziła w przeszłości i zachodzi obecnie

• promotory genów chloroplastowych są bardzo podobne do typowych promotorów bakteryjnych

• geny kodujące rRNA w mt DNA u Eucaryota są homologiczne z genami rRNA współczesnych bakterii purpurowych

KOMPLARTMENCJA KOMÓREK W EWOLUCJI

wytworzenie otoczki jądrowej ==> wutworzenie ER => wchłonięcie bakterii purpurowych (mt DNA) => wchłonięcie cyjanobakterii (cpDNA)

EWOLUCJA GENÓW

• niektóre geny ewoluują bardzo powoli

• geny kodujące cytochromy

• geny kodujące histony

• geny kodujące rRNA

• inne bardzo szybko (bez wpływu na fenotyp)

• pseudogeny

• introny

• odcinki międzygenowe

• geny mitochondrialne (niektóre)

EWOLUCJA GENÓW STRUKTURALNYCH

• duplikacja

• geny z rodziny beta globin

• geny z rodziny Hox

• tasowanie eksonów

• geny z rodziny proteaz serynowych

• domeny wiążące niektórych genów, np. ADH kukurydzy, GAPDH kury

• jak mogło powstać białko długości 200 aminokwasów (20 do 200 kombinacji), by było funkcjonalne?

• pojedyncze substytucje

• tasowanie 5 eksonów o długości 200 aminokwasów

EWOLUCJA GENÓW RODZINY HOX

• duplikacja

• geny Hox człowieka i myszy i geny homeotyczne muszki owocowej są bardzo podobne

• są wynikiem wielokrotnych duplikacji

EWOLUCJA INTRONÓW

• koncepcja późnego powstania intronów

• Progenota miały geny ciągłe

• introny to inwazyjne transpozony, zdolne do samowycinania się na poziomie RNA

• introny bez wpływu na dobór naturalny

• koncepcja wczesnego powstania intronów

• introny przed Progenota

• w trakcie ewolucji introny były eliminowane

• introny mają wpływ na dobór naturalny

SAMOLUBNY GEN

• DNA pasożytniczy, śmieci molekularne, rak genomu

• introny, sekwencje przerywnikowe między genami, repetetywny DNA, retrotranspozony, pseudogeny

• pasożytniczy DNA stanowi od 50 do 80% DNA

• „DNA nie istnieje dla sprawowania nadzoru nad dziedziczeniem cech i metabolizmem komórki. Jego jedyną funkcją jest przeżycie i replikowanie się - całe organizmy żywe są jedynie środkami do tego celu” (R. Dawkins, Samolubny gen)

---