№ | Слайд | Текст |
1 |
 |
Лекция 7 Взаимодействие геномов клетки Мутации пластидной имитохондриальной ДНК 1. Участие генов ядра в репликации и экспрессии пластидной ДНК Р Ретроградная регуляция 2. 3. Механизмы внутриклеточного распределения продуктов ядерных генов 4. Спонтанные мутации органельных геномов И Индуцированные мутации органельной ДНК М Мутации, вызванные ядерными генами-мутаторами 5. Культивирование растений in vitro и мутации |
2 |
 |
Типы генов в органеллах и у свободноживущих предшественниковSynechocystis Пластиды Rickettsia Митохондрии Число генов в геноме Фотосинтез и дыхание Трансляция Биосинтез кофакторов Биосинтез аминокислот Клеточные процессы Транспорт.и пермеазы Метаболизм липидов Транскрипция Регулят. функции Энерг. метаболизм Биосинтез нуклеотидов Репликация и репарация ДНК 160 140 120 100 80 60 40 20 0 |
3 |
 |
I - Ядерные гены участвуют в образовании и жизнедеятельности органелл:Взаимодействие ядерного и органельного геномов – на каждом этапе развития органелл репликация ДНК органелл осуществляется ферментами ядерного кодирования и специальными белковыми факторами; транскрипция и трансляция осуществляется в большинстве случаев ферментами ядерного кодирования и специальными белковыми факторами ; процессинг, сплайсинг, РНК-редактирование органельных генов выполняют в основном ферменты ядерного кодирования. |
4 |
 |
ND 7 – 35RbcL – хпДНК COB 1 – 10 RbcS - яДНК COX 3 – 10 ATP 2 – 14 РНК и белки рибосом – совместное кодирование у всех эукариот мтДНК яДНК II . Ядерные геномы совместно с органельными кодируют субъединицы белков либо отдельных белков сложных многокомпонентных комплексов: Пластиды высших растений Мт животных Самые яркие примеры |
5 |
 |
Развитие хлоропластов из пропластид происходит под воздействиемвнешних сигналов Свет Координированная экспрессия ядерных и пластидных генов |
6 |
 |
Cхема биогенеза пластид и ядерно-хлоропластного взаимодействия геномов |
7 |
 |
Ядерные "фотогены" – гены, экспрессия которых зависит от светаКонтролируют в основном компоненты фотосинтетического аппарата При освещении экспрессия их возрастает в 100 и более раз Мутанты gun (genome uncoupled) c нарушенной ядерно-пластидной координацией экспрессируют ряд ядерных фотогенов в условиях, когда развитие пластид подавлено При отсутствии света либо полностью блокированы, либо экспрессируются на очень низком уровне |
8 |
 |
Регулирующая роль ядерных генов в функционировании пластид являетсябесспорной. Верно ли обратное – зависит ли экспрессия ядерных генов от процессов, происходящих в пластидах? Гипотеза: Пластиды индуцируют какой-то сигнал, необходимый для экспрессии фотосинтетических генов ядра Что это за сигнал? |
9 |
 |
Влияние пластид на экспрессию генов ядраВероятно, пластидный сигнал формируется с участием какого-то продукта ранней экспрессии пластидного генома (до 48-72 часов от начала прорастания) Норфлуразон (фотодеструкция хп) Хлорамфеникол (трансляция) Тагетитоксин (транскрипция) Эффект отмечен только при воздействии до 48 часов от начала прорастания Вещества-ингибиторы Снижение транскрипции ряда генов ядра (rbcS и др.) |
10 |
 |
В некоторых случаях пластидный сигнал может регулировать экспрессиюядерных генов и в отсутствие света Существуют множественные сигнальные пути от хлоропластов к ядру Показано, что экспрессия одних генов ядра растений в большей степени изменяется при повреждении пластид по сравнению с другими генами |
11 |
 |
Природа регуляторных сигналов пока не известна, однако очевидно, чтоони воспринимаются Гено-специфичными элементами промоторов ядерных генов Ядерный ген N 5‘ UTR Пластидный сигнал 2 Пластидный сигнал 1 |
12 |
 |
Наиболее детально процесс взаимодействия геномов ядра и митохондрийизучен у дрожжей Специфические белки – активаторы трансляции митохондриальных генов, взаимодействуют с 5‘- UTR областями митохондриальных транскриптов Активаторы выявлены практически для всех мт генов они могут регулироваться внешними факторами, что позволяет адаптировать трансляцию к изменяющимся условиям среды |
13 |
 |
Ретроградная регуляция:Ядро Функциональное состояние митохондрий влияет на экспрессию ядерного генома Мт При этом нужно учитывать, что Количество белков, импортируемых в митохондрии из цитозоля для нормального функционирования клетки – до 4 тысяч |
14 |
 |
1 2 3 4Экспрессия одних ядерных генов различается между мутантными штаммами Экспрессия других ядерных генов не зависит от изменений в мтДНК 4 штамма дрожжей с одинаковым ядерным геномом, но с разным состоянием генома митохондрий Мт геном потерян Делеция в 1 гене Полноценный мт геном Сохранилось 700пн от всего мт генома |
15 |
 |
При митохондриальных дисфункциях экспрессия СIT1 не меняется, а СIT2увеличивается в 30-40 раз. Данная регуляция осуществляется с помощью специальных генов группы RTG. Изменение экспрессии гена цитратсинтазы СIT2 дрожжей - самый изученный пример ретроградной регуляции Сit2 75%-ое сходство Mit СIT Сit1 СIT1 и СIT2 Древний ген в мт Перенос гена в ядро Дупликация гена в ядре |
16 |
 |
Самая сложная внутриклеточная регуляция экспрессии генов у растений –3 генома; У двух видов растений: арабидопсиса и бобов - идентифицировали ядерные гены, контролирующие число копий митохондриальной ДНК в клетке; Механизмы ядерно-плазменного взаимодействия - множественные, на всех уровнях экспрессии генома Несмотря на ряд интересных фактов, понимание взаимодействия геномов клетки у растений находится пока на зачаточном состоянии. |
17 |
 |
Механизмы внутриклеточного распределения продуктов ядерных геновКак направляются в митохондрии такие белки? Более 90% мт белков кодируется ядром и транслируется на цитоплазматических рибосомах При этом ряд мт белков не имеет в ядре собственных генов, а транскрибируется с тех же матриц, что и цитоплазматические белки |
18 |
 |
Регуляторные механизмы локализации белков внутри клеткиПервый способ регуляции – более универсальный При транскрипции гена тРНК-синтетазы образуются две мРНК различной длины С одной мРНК молекулы – два белка, т.к. два инициирующих кодона Митохондриальный HTS Цитоплазматический HTS Различаются дополнительной последовательностью на 5’ конце – митохондриальный сигнал Митохондриальный белок Mod5 Ядерный белок Mod5 A. 5’ 5’ 3’ B. 3’ 5’ HTS 3’ MOD5 UTR AUG(+61) AUG(+1) UTR. AUG(+1) AUG(+31) |
19 |
 |
Cпонтанные мутации органельных геномовБыли обнаружены раньше, чем появилась наука о нехромосомной наследственности Пестролистность – первые описанные спонтанные мутации пластома Цитоплазматическая стерильность пыльцы – первые описанные спонтанные мутации митохондриального генома |
20 |
 |
Пестролистность в основном изучалась у родов Antirrhinum и OenotheraПестролистные растения в популяции Oenothera появлялись примерно с частотой ~ 0,3% Частота спонтанных мутаций хлорофилл-дефектности в пластоме колеблется у разных видов и составляет в среднем 0.01-1.3% |
21 |
 |
Пестролистные формы получены для самых разных декоративных видоврастений |
22 |
 |
Пластидные мутации по своему фенотипическому проявлению делятся на триосновные группы: c нарушениями в световой и темновой фазах фотосинтеза и/или дефектной окраской листьев – от светло-зеленых до белых; с приобретенной резистентностью к гербицидам; с приобретенной резистентностью к антибиотикам |
23 |
 |
Одноклеточная зеленая водоросль Chlamydomonas -классический объект дляизучения пластидных мутаций в 50-60ые годы В хлоропластах четырех видов Сhlamydomonas было обнаружено большее разнообразие геномных перестроек, чем описано для более чем 200 видов наземных растений Рут Сэджер – автор классических работ по хлоропластной генетике Сhlamydomonas C. reinhardtii, C. smithii, C. eugametos, C. moewusii |
24 |
 |
Митохондриальные мутации интенсивно изучались на культурах дрожжей,нейроспоры и других грибов Были обнаружены несколько классов мутаций: плейотропные мутации - к ним относятся petite – мутации дыхательной недостаточности, а также мутации mit,- имеющие фенотип petite, но сохранившие систему митохондриального белкового синтеза мутации антибиотикоустойчивости |
25 |
 |
Ядерная ДНК млекопитающихЯдерная ДНК высших растений митохондриальная ДНК высших растений митохондриальная ДНК млекопитающих Примерно одинакова ~ ~ В 50-100 раз выше, чем у растений |
26 |
 |
Митохондриальная ДНК покрытосеменных – самая стабильная частьклеточного генома Мт хп я Ядерные ДНК покрытосеменных изменяются в 2 раза быстрее, чем хлоропластные, а хлоропластные в 3 раза быстрее, чем митохондриальные ДНК. Частота точечных мутаций |
27 |
 |
Является ли этот феномен результатом более низкой частоты мутированияили следствием более эффективной репарации возникших замен с сохранением абсолютной идентичности обеих копий? Пока неясно Большие инвертированные повторы хлоропластной ДНК отличаются повышенной стабильностью Частота нуклеотидных замен в этих районах по крайней мере в три-четыре раза ниже, чем в остальных |
28 |
 |
Почему митохондриальные ДНК высших растений имеют необычно низкийуровень точковых мутаций ? Высокая репарационная активность? Высокая точность ДНК-полимеразы? Ответа пока нет |
29 |
 |
Из 281 проанализированных видов покрытосеменных у двух – Pelargoniumhortorum и Plantago rugelii уровень спонтанных мутаций мтДНК оказался в десятки раз выше, чем у всех остальных, приближаясь к таковому в мтДНК позвоночных. ??? ! ! ! Хлоропластные ДНК этих двух видов практически не отличаются от других по уровню спонтанных мутаций, так что эти виды нельзя отнести к быстро эволюционирующим |
30 |
 |
Структурные перестройки геномаМитохондрии Хлоропласты В то время как митохондриальные ДНК высших растений отличаются значительной вариабельностью размеров и структуры молекул, порядок генов в хлоропластной ДНК высших растений почти не изменялся. Так, Marchantia, отделенная от табака по крайней мере 400 миллионами лет эволюции, имеет всего одну инверсию в хлоропластном геноме. Три инверсии отличают хпДНК табака от хпДНК риса (рис.9.1). В то же время, митохондриальный геном двух различных цитоплазм (Т и N) кукурузы, разделенных не более 100 тыс. лет эволюции, различается не менее чем 30 перестройками [Palmer, 1990]. Вариабельность размеров и структуры молекул Порядок генов в хлоропластной ДНК высших растений почти не изменялся Nicotiana Marchantia Три инверсии отличают хпДНК табака от хпДНК риса 400 млн лет эволюции Одна инверсия в хлоропластном геноме |
31 |
 |
В целом, хлоропластный геном эволюционирует по принципу «используй илиизбавляйся» “use it or loose it” Утрата половины пластидного генома бесцветной эвгленоидной водорослью Astasia longa Малое количество псевдогенов, утрата фотосинтетических генов растениями - паразитами |
32 |
 |
Мито - склад неиспользуемых последовательностейВ митохондриях Epiphagus сохраняются ряд фотосинтетических генов пластидного происхождения В то же время в самих пластидах Epiphagus эти гены элиминируются |
33 |
 |
Горячие точки при структурных реорганизациях органельных геномовСравнение структурных мутаций у родственных видов и родов растений показывает, что чаще всего они происходят в определенных местах – так называемых горячих точках (hot spot) Природа горячих точек не выяснена ??? Возможной причиной горячих точек в хлоропластном геноме являются АТ- богатые области ДНК молекулы Возможно, они связаны с наличием коротких повторяющихся последовательностей |
34 |
 |
В митохондриальных геномах самых разных организмов, начиная от дрожжейи кончая высшими эукариотами, в т.ч. человеком, обнаруживаются крупные делеции Эти мутации существуют обычно в гетероплазматическом состоянии Горячие точки при возникновении этих делеций связывают (как и для хлоропластной ДНК) с повторами в митохондриальном геноме |
35 |
 |
Прямой повтор длиной 13 пар нуклеотидов причинно связан свозникновением крупной (5 т.п.н.) делеции в митохондриальной ДНК человека Но! Три из четырех 13-нуклеотидных повторов не связаны ни с какими крупными делециями 13 п.О. Ааgcccataaaaataaaaattataacaaaccctgaga…………..Actcaaaaccatacctctcacttcaacctccctcacca L K M L N T N Y H L P P S P L A A * |
36 |
 |
Индуцированные мутации органельных геномовЦель индуцирования мутаций органелл: Понять, как устроены и как экспрессируются органельные геномы Попытаться решить ряд прагматических задач Урожайность Синтез определенных необходимых человеку веществ Устойчивость к разным стрессам |
37 |
 |
Индукция органельных мутаций химическими мутагенамиИспользовали: интеркалирующие в ДНК флуоресцентные красители Антибиотики Нитрозосоединения N-нитрозо-N-метил-мочевина (НММ) и N-нитрозо-N-этил-мочевина (НЭМ) Бромистый этидий и акридины Оказались наиболее эффективными |
38 |
 |
Chlorina подсолнечникамтДНК нейроспора ??? NO O ? ? CH3—N—C—NH2 Мт ДНК крыс Мт ДНК дрожжей |
39 |
 |
Реорганизация хлоропластной ДНК у мутантов подсолнечника,индуцированных нитрозо-метил мочевиной (рестриктный анализ с эндонуклеазой HindIII) ?/Pst ?/HindIII chl1 chl2 chl3 chl5 chl6 chl7 N chl8 chl9 chl10 chl11 chl12 N |
40 |
 |
Мутации органельных геномов, индуцированные ядерными генами-мутаторамиУ разных видов растений описаны природные изоляты, в которых частота пластомных мутаций в сотни и даже тысячи раз превышает спонтанный уровень Причина: рецессивные ядерные гены, названные генами-мутаторами |
41 |
 |
|
42 |
 |
ЯдроВ гомозиготном состоянии гены-мутаторы вызывают дестабилизацию хлоропластного генома Возникшие пластидные мутации далее наследуются по материнскому типу и уже не зависят от генотипа ядра Мутабильность ядерных генов у растений -носителей генов-мутаторов не повышается |
43 |
 |
Механизм действия генов-мутаторов окончательно не выясненОчевидно, происходит нарушение какого-то компонента системы репликации - репарации пластид, кодируемого ядром |
44 |
 |
Ген chm арабидопсиса, вызывает наследственные изменения не только впластидах (пестролистность) но и в митохондриях Предположение: Наблюдаемые аномальные митохондриальные фрагменты предсуществовали у растений дикого типа, а гены-мутаторы способствовали их амплификации и вытеснению нормальных молекул |
45 |
 |
Мутации хлоропластных ДНК при культивировании тканей in vitroКультура пыльников растений широко используется для получения гаплоидных растений Хлоропластная ДНК таких альбиносов имеет огромные делеции, иногда до 80% всей молекулы Условия культивирования каким-то непонятным пока образом провоцируют эти мутации, почему-то именно у злаков Но у злаков – регенерантов из пыльников очень большая доля альбиносных растений в культуре ( иногда до 80-100%) |
46 |
 |
Мутации ДНК хлоропластов и митохондрий претерпевают особенно долгийпуть сегрегации, последовательно На уровне: Многие возникающие мутации элиминируются на этом пути Органеллы Клетки Целого организма |
47 |
 |
На сегодня хватит |
«Перестройки генома в онтогенезе» |
http://900igr.net/prezentacija/biologija/perestrojki-genoma-v-ontogeneze-187339.html