Лекция 4. Генетика пластид и имтохондрий растений

Реклама
ГЕНЕТИКА ПЛАСТИД И
МИТОХОНДРИЙ РАСТЕНИЙ Лекция 4
раздел ГЕНЕТИКА КЛЕТОЧНЫХ ОРГАНЕЛЛ
дисциплина СТРУКТУРНАЯ ГЕНОМИКА
Словарик
Пропластиды – предшественники остальных типов пластид
Лейкопласты – пластиды запасающих тканей
Амилопласты – непигментированные лейкопласты, отвечают за
синтез и хранение гранул крахмала
Элайопласты – лейкопласты, служат для запасания жиров
Протеинопласты – лейкопласты, служат для запасания белков
Этиопласты – темновые пластиды, развиваются из пропластид в
темноте
Хлоропласты – зелёные пластиды, основной функцией которых
является фотосинтез
Хромопласты – окрашенные пластиды, содержат каротиноиды
Статолиты – рецепторы гравитации; крахмальные зерна и другие
включения в цитоплазме
Возникновение эукариотических клеток, а затем
и многоклеточных организмов, способных к
дифференцировке тканей: растений, животных
и грибов, неотъемлемо связанно не только с
возникновением сложного эукариотического
ядра, но и возникновением специализированных
энергетических органелл клетки – пластид и
митохондрий.
(Генетика растений, 2008)
Хлоропласты и митохондрии
Обеспечивают ключевые энергетические
функции растений – дыхание и фотосинтез
в хлоропластах трансформируется
энергия солнечного счета
в митохондриях трансформируется
энергия окисления пищевого субстрата
Происхождение
митохондрий и пластид
Эволюция геномов
клеточных органелл
митохондрии
Обмен генами в ходе эволюции
геномов клеточных органелл
митохондрии
растения
ядро
пластиды
животные
ядро
Взаимодействие
между геномами в
клетках растений
Схема взаимодействия
ядерного и
хлоропластного геномов
в синтезе
рибулозобисфосфаткарбоксилазы (РБФК)
БС – большая субъединица
РБФК
МС – малая субъединица
60 кДа белок – шаперон.
Отдельно
представлена структура
РБФК из 8 больших и 8
малых субъединиц
Генетика клеточных органелл.
Лекция 4. Генетика пластид и митохондрий растений
ГЕНЕТИКА ПЛАСТИД
История изучения генома пластид
1962 г.
Ганс Рис и Уолтер Плаут открыли ДНК
хлоропластов при исследовании
хламидомонады методами цитохимии
Hans Ris
Разнообразие пластид
Описаны в 1791 г. А. Компаретти
пластиды обеспечивают
пластический и энергетический
обмен, запасание метаболитов и
репродукцию
образуются из пропластид,
которые попадают в зиготу с
цитоплазмой
все типы пластид имеют одинаковый геном, то
есть являются стадиями дифференцировки
одних и тех же органелл
Особенности пластидной ДНК
Нуклеотидный
состав
• у высших видов растений Г-Ц (до 40%)
• содержание ГЦ пар в хлДНК может
соответствовать ядерной ДНК или нет
Форма хлДНК
• дц кольцевая
• встречаются димеры (голова-хвост),
катенаны и линейные ДНК
Размер и
плоидность хлДНК
• длина постоянна, видоспецифична
• гомогенны, множественны
Генетика клеточных органелл. Лекция 4
ГЕНЕТИКА ХЛОРОПЛАСТОВ
Локализация ДНК в хлоропластах
ДНК находится в строме
между тилакоидами,
компактизация – нуклеиод
Хлоропластная ДНК.
Общая характеристика
Наиболее распространенная
форма:
дц кольцевая молекула
Размер:
у высших растений – 120-160kb
у низших растений – 85-295 kb
Число копий в клетке:
от 400 до 50 000
Plant Name
Size of the genome
Copy
nos./plastd
Chlamydomonas
110-130 (~180) kb
80
Liverwort
121 kb (Marchantia)
30-40
Tobacco
155 kb
40-50
Maize
135 kb (200kb)
40-60
Nicotiana tabaccum
155.943 kb
60-80
Основные элементы хпДНК
наземных растений
Инвертированные повторы. IR
Уникальная особенность хпДНК,
вариации размеров IR влияют на
вариации размеров хпДНК
• IR представляют две идентичные
противоположно ориентированные
последовательности (0,5-30kb)
• содержат гены, кодирующие все типы
pРНК (5” – 16S, 23S, 4,5S, 5S – 3’) и 2
тРНК
Генетика клеточных органелл. Лекция 4
РЕПЛИКАЦИЯ ХПДНК
Репликация хп ДНК
Origin репликации находятся в D-петле в IR
1 – между 16S и 23S рРНК
2 – ниже 3’ 23S рРНК
Репликация хп ДНК. Образование РВ
Этапы репликации хп ДНК
А – В. Образование
2-х репликативных
вилок
С – D. «Слияние»
репликативных
вилок, элонгация
процесса
E. Декатенизация
Генетика клеточных органелл. Лекция 4
ТРАНСКРИПЦИЯ ХПДНК
Геном хпДНК
содержат около 120 - 150 структурных генов
1
• последовательности, необходимые для экспрессии
генетического аппарата (гены пластидных рРНК, TIF,
белков, тРНК, РНК-полимеразы, хеликазы и т.д.) – 50
2
• фотосинтетические гены, кодируют белковые
компоненты фотосистемы I и II, цитохромы, АТФсинтетазу, РБФК и т.д. – примерно 40 генов
3
• гены, аналогичные последовательностям NADдегирогеназы митохондрий – 11 последовательностей
РНК-полимеразы хлоропластов
В транскрипции участвуют не менее 3 РНК-полимераз:
• PEP – РНК-полимераза пластидного генома (близка
бактериальной)
• NER – 2 РНК-полимеразы, кодируемые в ядре клетки
PEP-полимераза хлоропластов
АКТИВНА НА СВЕТУ
• субъединичная струткрурв
• для активации фермента
необходима σ-субъединица,
которая кодируется в ядре и на
свету транспортируется в
хлоропласт
• транскрибирует фотосинтетические
гены с PEP-промоторов –
«типичных» бактериальных
промоторов
PEP-промоторы
Инициация
транскрипции
NER-полимераза хлоропластов
ТРАНСПОРТИРУЕТСЯ ИЗ
ЯДРА
• мономерная структура
• транскрибирует гены
«домашнего хозяйства» с
NER-промоторов
NER-полимераза обеспечивает
транскрипцию PEP-полимеразы
Генетика клеточных органелл. Лекция 4
РЕГУЛЯЦИЯ ЭКСПРЕССИИ ХПДНК
Регуляция экспрессии хп генов
Определяется факторами окружающей среды
и программой развития организма
МОДИФИКАЦИИ
транскрипция
Регуляция
количества РНК,
через процессинг
и стабильность
молекул
Топоизомеразы –
изменение топологии ДНК и
активности промоторов
Факторы инициации –
светозависимая регуляция
посттранскрипционные
трансляция
! посттрансляционные
Регуляция
инициации,
через SD и
белкиактиваторы
Процессинг хп мРНК
гены, организованны в полицистронные кластеры (подобно
оперонам), транскрибируются как полицистронные
предшественники
ПРОЦЕССИНГ:
• нарезание
• (авто) сплайсинг
• редактирование
Генетика клеточных органелл. Лекция 4
ТРАНСЛЯЦИЯ ХПДНК
Модели инициации трансляции.
Последовательность SD рядом с AUG
Модели инициации трансляции.
SD удалена от AUG
Модели инициации трансляции.
Независимо от SD
белок активатор
Модели инициации трансляции.
При участии SD и белка-активатора
белок активатор
Генетика клеточных органелл.
Лекция 4. Генетика пластид и митохондрий растений
ГЕНЕТИКА МИТОХОНДРИЙ
Отличие геномов митохондрий от
пластид
1. ПЛАСТИЧНОСТЬ
В ходе эволюции значительный обмен (включение) генами с ядром и
хлоропластами
2. НИЗКИЕ ТЕМПЫ МУТИРОВАНИЯ
Частота мутаций ниже
• в 10-20 раз по сравнению с ядерным геномом
• в 50-100 раз по сравнению с митохондриальным геномом животных
3. ПОВТОРЯЮЩИЕСЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ
• наличие малых и больших повторов
4. НАЛИЧИЕ ПЛАЗМИД
• в митохондриях присутствуют плазмиды (кольцевые и линейные
ДНК и РНК)
Геном митохондрий растений
ОБЪЕМ
менее 1% генома клетки
КОДИРУЕТ
от 11 до 36 генов рибосомальных белков
от 17 до 25 генов тРНК
от 3 до 5 генов рРНК
СОСТАВ ГЕНОВ НЕСТАБИЛЕН И
УНИКАЛЕН ДЛЯ КАЖДОГО ВИДА
Митохондриальный геном растений из
молекул разного размера
основная хромосома”, содержит большую часть генов, а кольцевые
формы меньшей длины, находящиеся в динамическом равновесии
как между собой, так и с основной хромосомой, образуются в
результате внутри- и межмолекулярной рекомбинации благодаря
наличию повторенных последовательностей
мтДНК арабидопсиса
(367 т.п.н) в 20 раз больше
мтДНК человека (17 т.п.н.)
В мтДНК арабидопсиса
закодировано 33 белка, 3
rРНК и 20 tРНК
Скачать