Λέκτορας, Εργαστήριο Γενετικής Εξωπυρηνική κληρονομικότητα βιβλίο Λουκά – Ενότητα 10.6 βιβλίο Klug – Ενότητα 9.2 Λίλα Κουμάντου Λέκτορας, Εργαστήριο Γενετικής Τμήμα Βιοτεχνολογίας koumandou@aua.gr 210-5294645 17 Δεκεμβρίου 2018

Κύτταρο Οι γονότυποι που έχουμε αναλύσει μέχρι τώρα καθορίζονται από γονίδια που βρίσκονται στα χρωμοσώματα μέσα στον πυρήνα του κυττάρου. Στα ευκαρυωτικά κύτταρα όμως (όπως των ανθρώπων, των ζώων και των φυτών) εκτός από τον πυρήνα υπάρχουν και άλλα οργανίδια. Ειδικότερα, τα μιτοχόνδρια, καθώς και οι χλωροπλάστες στα φυτά, περιέχουν το δικό τους DNA. Σε αυτό το μάθημα θα δούμε από που προήλθε αυτό το DNA, τι γονίδια περιέχει και πώς κληρονομείται. Εικόνα από κεφάλαιο 2 (βιβλίο Klug)

Επιμέρους Ενότητες Προέλευση μιτοχονδρίων και χλωροπλαστών Επιμέρους Ενότητες Προέλευση μιτοχονδρίων και χλωροπλαστών Μοριακή γενετική των οργανιδίων To DNA των μιτοχονδρίων To DNA των χλωροπλαστών Εξωπυρηνική κληρονομικότητα (Κληρονομικότητα των γονιδίων των χλωροπλαστών. Κληρονομικότητα των μιτοχονδριακών γονιδίων. Μητρική επίδραση. Κυτταροπλασματική αρρενοστειρότητα στα φυτά. Κυτταροπλασματική μεταφορά συμβιούντων οργανισμών (μολυσματική κληρονομικότητα). Μοριακή γενετική των οργανιδίων. Προβλήματα). pg. 691-693 (Λουκά, Γενετική, κεφάλαιο 10)

Προέλευση μιτοχονδρίων και χλωροπλαστών Αυτογενής υπόθεση: τα οργανίδια εξελήχθηκαν προοδευτικά ως τροποποιήσεις της κυτταροπλασματικής μεμβράνης. Ενδοσυμβιωτική υπόθεση: τα οργανίδια αυτά ήταν κάποτε προκαρυωτικά κύτταρα ελευθέρας διαβίωσης. https://endosymbiotichypothesis.wordpress.com/history-the-formation-of-the-endosymbiotic-hypothesis/ Σύμφωνα με την ενδοσυμβιωτική υπόθεση, ένα βακτήριο που εγκλείστηκε σε ένα αρχέγονο ευκαρυωτικό κύτταρο, αντί να αφομιωθεί ως τροφή από το μεγαλύτερο κύτταρο, επέζησε και πολλαπλασιάστηκε μαζί με το ευκαρυωτικό κύτταρο. Με την πάροδο του χρόνου τα μικρά κύτταρα εξειδικεύτηκαν στην παραγαωγή ενέργειας, ενώ χάνοντας πολλά γονίδιά, δεν μπορούσαν πλέον να επιζήσουν ανεξάρτητα άπό το ευκαρυωτικό κύτταρο. Ταυτόχρονα το ευκαρυωτικό κύτταρο χάνοντας κι αυτό κάποια γονίδια έγινε εξαρτώμενο από τον επισκέπτη του στην παραγωγή ενέργειας. Ο «επισκέπτης» ήταν πλέον ένα προγονικό μιτοχόνδριο. Κατά τον ίδιο τρόπο, ένα αρχέγονο φωτοσυνθετικό κυανοβακτήριο, που βρήκε κατοικία σε ένα αρχέγονο ευκαρυωτικό κύτταρο, μετατράπηκε τελικά σε χλωροπλάστη. Το είδος της σχέσης κατά την οποία δύο οργανισμοί ζουν μαζί με αμοιβαία ωφέλεια ονομάζεται συμβίωση. Στην προκειμένη όμως περίπτωση, ο ένας οργανισμός ζει μέσα στον άλλο σε μια ενδοσυμβιωτική σχέση. Επειδή λοιπόν ο οργανισμός είναι ένα ενδοσυμβίωτο, η υπόθεση είναι γνωστή και ως υπόθεση του ενδοσυμβίωτου.

Προέλευση μιτοχονδρίων και χλωροπλαστών Παρατηρήσεις που υποστηρίζουν την ενδοσυμβιωτική υπόθεση: Οι προκαρυωτικοί οργανισμοί (βακτήρια) στερούνται πυρηνικής μεμβράνης. Το DNA τους περιορίζεται σε ορισμένες περιοχές, τις πυρηνοειδείς. Τέτοιες περιοχές υπάρχουν επίσης στους χλωροπλάστες και στα μιτοχόνδρια. Σπάνιες εξαιρέσεις στο (3) αφορούν στα γραμμικά μόρια DNA στα μιτοχόνδρια ορισμένων πρωτοζώων και στους χλωροπλάστες του φύκους Acetabularia.

Προέλευση μιτοχονδρίων και χλωροπλαστών Παρατηρήσεις που υποστηρίζουν την ενδοσυμβιωτική υπόθεση: Οι προκαρυωτικοί οργανισμοί (βακτήρια) στερούνται πυρηνικής μεμβράνης. Το DNA τους περιορίζεται σε ορισμένες περιοχές, τις πυρηνοειδείς. Τέτοιες περιοχές υπάρχουν επίσης στους χλωροπλάστες και στα μιτοχόνδρια. Αν οι χλωροπλάστες και τα μιτοχόνδρια προέρχονται από βακτήρια ελεύθερης διαβίωσης, τότε θα έπρεπε να έχουν γονίδια και τους μηχανισμούς έκφρασης αυτών των γονιδίων, όπως και συμβαίνει στην πραγματικότητα. Τα βακτηριακά χρωμοσώματα είναι κυκλικά όπως το cpDNA και το mtDNA. Σπάνιες εξαιρέσεις στο (3) αφορούν στα γραμμικά μόρια DNA στα μιτοχόνδρια ορισμένων πρωτοζώων και στους χλωροπλάστες του φύκους Acetabularia.

Προέλευση μιτοχονδρίων και χλωροπλαστών Παρατηρήσεις που υποστηρίζουν την ενδοσυμβιωτική υπόθεση: Ομοιότητα στη διάταξη των γονιδίων rRNA στους χλωροπλάστες και στα βακτήρια. Επίσης, μερικά γονίδια των χλωροπλαστών είναι διατεταγμένα σε οπερόνια με την ίδια σειρά γονιδίων όπως το E. coli. Στα οργανίδια, τα συστήματα μεταγραφής και μετάφρασης μοιάζουν περισσότερο με εκείνα των βακτηρίων παρά με τα αντίστοιχα συστήματα έκφρασης των πυρηνικών γονιδίων των ίδιων των κυττάρων: α) Το αντιβιοτικό ριφαμπικίνη παρεμποδίζει τη μεταγραφή στα οργανίδια και στα βακτήρια, ενώ δεν επιδρά στην ευκαρυωτική πολυμεράση. Η μεταγραφή του mtDNA παρεμποδίζεται από την ακριδίνη και το βρωμιούχο αιθίδιο, ενώ του πυρηνικού DNA από την α-αμανιτίνη. Σπάνιες εξαιρέσεις στο (3) αφορούν στα γραμμικά μόρια DNA στα μιτοχόνδρια ορισμένων πρωτοζώων και στους χλωροπλάστες του φύκους Acetabularia.

Προέλευση μιτοχονδρίων και χλωροπλαστών β) Η ακολουθία των αμινοξέων και η δομή των υπομονάδων της RNA πολυμεράσης του χλωροπλάστη μοιάζουν περισσότερο με εκείνες των προκαρυωτικών παρά με εκείνες των ευκαρυωτικών. γ) Η δομή των υποκινητών στα γονίδια των οργανιδίων μοιάζει περισσότερο με εκείνη των προκαρυωτικών παρά με των ευκαρυωτικών. δ) Τα αντιβιοτικά χλωραμφαινικόλη, τετρακυκλίνη και μακρολίδια παρεμποδίζουν την πρωτεϊνοσύνθεση στα οργανίδια και στα βακτήρια, αλλά όχι στα ευκαρυωτικά, όπου η μετάφραση παρεμποδίζεται από το κυκλοεξιμίδιο. ε) Οι ακολουθίες των βάσεων στα rRNA γονίδια των μιτοχονδρίων και των χλωροπλαστών είναι περισσότερο όμοιες με τις αντίστοιχες βακτηριακές παρά με τις ακολουθίες των rRNA γονιδίων στα ευκαρυωτικά. στ) Τα μεγέθη των ριβοσωμάτων των οργανιδίων μοιάζουν περισσότερο με εκείνα των προκαρυωτικών παρά με των ευκαρυωτικών. ζ) Η πρωτεϊνοσύνθεση στα οργανίδια αρχίζει με φορμυλομεθειονίνη, όπως γίνεται στην προκαρυωτική πρωτεϊνοσύνθεση. Σπάνιες εξαιρέσεις στο (3) αφορούν στα γραμμικά μόρια DNA στα μιτοχόνδρια ορισμένων πρωτοζώων και στους χλωροπλάστες του φύκους Acetabularia.

http://classes. midlandstech http://classes.midlandstech.edu/carterp/Courses/bio225/chap10/table002.htm Archaea were originally thought to be the most ancient group and bacteria were thought to be more closely related to eukaryotes. rRNA studies indicate the three lineages arose from a common ancestor. Fossil evidence points to the existence of prokaryotes 3.5 billion years ago, whereas eukaryotes evolved about 1.4 billion years ago. Similiarities between prokaryotic cells and eukaryotic organelles provides evidence for the endosymbiotic theory, which suggests eukaryotic cells evolved from prokaryotic cells living inside one another.

http://alonsolivingenvironment. blogspot http://alonsolivingenvironment.blogspot.gr/2010/04/endosymbiotic-theory.html

Επιμέρους Ενότητες Προέλευση μιτοχονδρίων και χλωροπλαστών Επιμέρους Ενότητες Προέλευση μιτοχονδρίων και χλωροπλαστών Μοριακή γενετική των οργανιδίων To DNA των μιτοχονδρίων To DNA των χλωροπλαστών

To DNA των μιτοχονδρίων Ηλεκτρονική μικροφωτογραφία ενός κυττάρου όπου φαίνεται ο πυρήνας (Ν) και τα μιτοχόνδρια (Μ). https://en.wikipedia.org/wiki/Mitochondrion#/media/File:Chondrocyte-_calcium_stain.jpg By Robert M. Hunt - Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=7194969 https://en.wikipedia.org/wiki/Mitochondrion#/media/File:Mitochondria,_mammalian_lung_-_TEM.jpg Ηλεκτρονική μικροφωτογραφία μιτοχονδρίων από πνεύμονα θηλαστικού. Ηλεκτρονική μικροφωτογραφία του mtDNA στο βάτραχο Xenopus laevis.

To DNA των μιτοχονδρίων Μήκος του mtDNA: 16-18 kb στα ζώα, 78 kb στη ζύμη, >100 kb στα φυτά. Μητρική κληρονομικότητα του mtDNA σε όλους τους πολυκύτταρους ζωϊκούς οργανισμούς που έχουν μελετηθεί (Equus, Homo, Rattus, Mus, Xenopus, Drosophila, Heliothis).

To DNA των μιτοχονδρίων Το μιτοχονδριακό DNA ελέγχει τη σύνθεση πρωτεϊνών που συμμετέχουν ή σχετίζονται με την αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων, και μερικών πρωτεϊνών, rRNA και tRNA απαραίτητων για τη μιτοχονδριακή πρωτεϊνοσύνθεση. Οι υπόλοιπες αναγκαίες πρωτεΐνες κωδικοποιούνται από πυρηνικά γονίδια, μεταφράζονται από ριβοσώματα στο κυτταρόπλασμα, και τα παραγόμενα προϊόντα μεταφέρονται στο μιτοχόνδριο.

Τα μιτοχόνδρια εξαρτώνται από προϊόντα γονιδίων του πυρήνα. Fig 9.8 Klug

Αναπνευστική αλυσίδα στα μιτοχόνδρια http://www.genome.jp/kegg-bin/show_pathway?map=map00190&show_description=show

Τα μιτοχόνδρια εξαρτώνται από προϊόντα γονιδίων του πυρήνα.

Χάρτης του ανθρώπινου μιτοχονδριακού DNA ~17 kb 2 rRNA 22 tRNA 13 ORFs

Το ανθρώπινου mtDNA δεν έχει ιντρόνια

Λιγότερα (22) tRNA γονίδια στο mtDNA απ’ ότι στον πυρήνα (>32). To DNA των μιτοχονδρίων Τα γονίδια βρίσκονται στις δύο αλυσίδες στο mtDNA του ανθρώπου, οπότε η RNA πολυμεράση μεταγράφει και τις δύο αλυσίδες. Έτσι, παράγονται δύο μεγάλα ενιαία μόρια RNA τα οποία μετά θραύονται για να παράξουν ξεχωριστά tRNA και mRNA. Λιγότερα (22) tRNA γονίδια στο mtDNA απ’ ότι στον πυρήνα (>32). Υπάρχουν διαφορές στο γενετικό κώδικα μεταξύ του mtDNA και του DNA του πυρήνα.

50% των γονιδίων στο mtDNA του ανθρώπου δεν έχουν ένα πλήρες κωδικόνιο λήξης

Διαφορές στο γενετικό κώδικα των μιτοχονδρίων

Επιμέρους Ενότητες Προέλευση μιτοχονδρίων και χλωροπλαστών Επιμέρους Ενότητες Προέλευση μιτοχονδρίων και χλωροπλαστών Μοριακή γενετική των οργανιδίων To DNA των μιτοχονδρίων To DNA των χλωροπλαστών pg. 687-691 (Λουκά, Γενετική, κεφάλαιο 10)

To DNA των χλωροπλαστών http://bio3400.nicerweb.com/Locked/media/ch09/DNA-chloroplast.html (Εικόνα 10.22 βιβλίο Μ. Λουκά) Ηλεκτρονική μικροφωτογραφία του cpDNA στο μαρούλι μήκους 150 kb (το μεγάλο κυκλικό μόριο στο κέντρο). Τα μικρά κυκλικά μόρια ανοίκουν στο φάγο ΦΧ174.

To DNA των χλωροπλαστών Η πρωτεϊνοσύνθεση στους χλωροπλάστες ελέγχεται από τη συνδυασμένη δράση γονιδίων των χλωροπλαστών και πυρηνικών γονιδίων. Μητρική κληρονομικότητα του cpDNA στα αγγειόσπερμα, αλλά πατρική στα γυμνόσπερμα.

Τα μιτοχόνδρια και οι χλωροπλάστες εξαρτώνται από προϊόντα γονιδίων του πυρήνα. Fig 14.32 Hartwell «Γενετική: από τα γονίδια στα γονιδιώματα»

Μήκος του cpDNA 120-200 kb στα φυτά. To DNA των χλωροπλαστών Μήκος του cpDNA 120-200 kb στα φυτά. Nicotiana tabacum: 155.844 bp Marchantia polymorpha (βρυόφυτο): 121.024 bp 136 γονίδια: 4 για rRNA, 31 για tRNA, 90 για πρωτεΐνες (20 περίπου εμπλέκονται στη φωτοσύνθεση). Τα γονίδια που εμπλέκονται στη μετάφραση καταλαμβάνουν το 50% του cpDNA. (Στα φύκη από πολύ μικρότερο μέχρι 1500 kb.)

A conventional chloroplast genome The dinoflagellate chloroplast genome

Παρατηρούμε ότι τα γονίδια για ριβοσωμικό RNA (16S και 23S rRNA) εμφανίζονται >1 φορές στο γονιδίωμα (εκτός από το μπιζέλι) και ότι υπάρχουν εκτεταμένες επαναλαμβανόμενες περιοχές. Τέτοιες επαναλαμβανόμενες περιοχές έχουν βρεθεί σχεδόν στο cpDNA όλων σχεδόν των φυτικών ειδών (άγνωστη λειτουργία?... possibly stabilize cp genome, if lost result in more rearrangements)

Μήκος του cpDNA 120-200 kb στα φυτά. To DNA των χλωροπλαστών Μήκος του cpDNA 120-200 kb στα φυτά. (Στα φύκη από πολύ μικρότερο μέχρι 1500 kb.) Διαφορετική πυκνότητα από το πυρηνικό DNA (χαμηλό ποσοστό GC), μπορεί να διαχωριστεί με φυγοκέντρηση διαβάθμισης πυκνότητας. Πολυπλοειδές: ο αριθμός των αντιγράφων ποικίλλει μεταξύ των ειδών, αλλά ακόμα και εντός του είδους.

To DNA των χλωροπλαστών Chlamydomonas: 75 αντίγραφα cpDNA ανά χλωροπλάστη. Σίτος: μέχρι και 1000 μόρια cpDNA ανά χλωροπλάστη στα νεαρά φύλλα. Σπανάκι: 30-200 μόρια cpDNA ανά χλωροπλάστη ανάλογα με την ηλικία του φύλλου. Η πολυπλοειδία δίνει σε πολλούς χλωροπλάστες μια συνολική ποσότητα DNA μεγαλύτερη από εκείνη των βακτηρίων, αλλά το κάθε μόριο είναι πολύ πιο μικρό σε μέγεθος από το γονιδίωμα των βακτηρίων, και κωδικοποιεί πολύ λιγότερα γονίδια. Το cpDNA εστιάζεται σε περιοχές του χλωροπλάστη που λέγονται πυρηνοειδείς και βάφονται έντονα με χρωστικές του DNA. Οι περιοχές αυτές δεν διαχωρίζονται από το υπόλοιπο κύτταρο με μεμβράνη, όπως οι πυρήνες στα ευκαρυωτικά.

Race et. al. (1999) Trends in Genetics 15: 364-370 Rubisco (καρβοξυλάση της 1, 5-διφωσφορικής ριβοξυλόζης): εμπλέκεται στη φωτοσύνθεση. Η μικρή υπομονάδα του ενζύμου κωδικοποιείται από ένα πυρηνικό γονίδιο και η μεγάλη στο cpDNA.

To DNA των χλωροπλαστών Στενή εξελικτική σχέση μεταξύ προκαρυωτικών και χλωροπλαστών: Πολλά γονίδια των χλωροπλαστών έχουν αναμφισβήτητα προκαρυωτική προέλευση, π.χ. η RNA πολυμεράση των χλωροπλαστών μοιάζει πολύ περισσότερο με αυτή των βακτηρίων παρά με αυτή του πυρήνα ενός φυτού. Οπερόνια παρόμοια με E. coli (π.χ. για ριβοσωμικές πρωτεΐνες) Διάταξη rRNA γονιδίων παρόμοια με E. coli

Kάποια γονίδια των χλωροπλαστών περιέχουν ιντρόνια