Лекция 4. Генетика пластид и имтохондрий растений
advertisement
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
