Митохондриальные плазмиды

ЛЕКЦИЯ 3
ГЕНОМ МИТОХОНДРИЙ РАСТЕНИЙ
1. Организация молекул митохондриальной ДНК растений
разных систематических групп
2.Изменчивость структуры молекул митохондриальной ДНК
3.Митохондриальные плазмиды
4.Гены митохондрий
5.Интроны митохондриальных генов. Гены интронов
6.Ядерные и пластидные ДНК-последовательности в
митохондриальном геноме растений
7.Репликация митохондриального генома растений
Обнаружение
митохондриальной
ДНК в клетках
• Электронно-микроскопический метод:
нити, дающие окрашивание с ДНК-красителями
которые разрушались нуклеазами, увидеть в
митохондриях удалось в начале 60-х годов
Оказалось, что мтДНК основных систематических групп
эукариот:
простейших,
растений,
грибов
животных
значительно отличаются друг от друга по структуре
Параметры мтДНК растений
• Мт ДНК высших растений – менее 1% от
всей ДНК клетки, очень редко достигает 1015% (гипокотиль дыни).
• Плавучая плотность ДНК мт растений
колеблется незначительно: 1,705-1,707, что
соответствует 48% ГЦ-пар.
• Размеры мт геномов колеблются очень
сильно: 180-2500 тпн.
В семействе тыквенных (Сucurbitaceae)
330 тпн
арбуз
2500 тпн
дыня
Виды молекул митохондриальной ДНК:
•
•
•
•
•
большие «геномные» кольца (крайне
редко)
система меньших колец разных длин
линейные молекулы
катенированные кольца
розеткообразные молекулы: до 50
петель с одним ДНК центром (подобие
нуклеоидов пластид)
Сигма-подобные
структуры мтДНК
Chenopodium album
х10
Большие рекомбинационные повторы
- особенность митохондриальной ДНК растений
Модель структуры митохондриального генома
Brassica campestris
218 kb
полный геном –
большое кольцо
135 kb
83 kb
два малых кольца –
результат рекомбинации
по двум повторам
основного кольца
Recombination in mtDNA of Arabidopsis thaliana.
The mtDNA contains a direct repeat (I) and an inverse repeat (II).
Рекомбинационные повторы
обнаружены почти во всех изученных
митохондриальных геномах
У пшеницы их 10 (!),
у кукурузы - 5 прямых и
1 инвертированный
При таком количестве повторов
число субгеномных колец может быть огромным.
Рекомбинация молекул
мтДНК пшеницы
[A]: образование изомера –
рекомбинация по
инвертированному повтору
( IR ) copy-1 и соpy -2.
[B] и [C]: образование двух
комплементарных
субгеномных молекул при
рекомбинации по прямому
повтору ( DR ) Copy-2 и -3,
and и две копии R5
[D]: образование
аберрантной молекулы MC,
имеющей лишнюю
копию кластера Copy-3/2
и R5 повтора при
рекомбинации по повтору
R6
B
C
A
D
Не все повторяющиеся
последовательности способны
рекомбинировать
??? Чем отличаются
рекомбинирующие повторы от
нерекомбинирующих, неясно
Собственных ферментов-рекомбиназ
эти последовательности не кодируют
Размеры больших повторов
Для большинства повторов:
– от 1000 пн до 10000пн.
Наименьший из известных больших повторов - 266 пн.
Необычно большие повторы:
– у ЦМС- формы петунии
у F- ревертанта ЦМС-Т кукурузы
пн.
-
252 000 пн
165 000
Малые повторы в митохондриальных ДНК
растений
•Размер – от 6-7 до нескольких сот нуклеотидов
??? Происхождение малых повторов неясно
Малые повторы участвуют в редких рекомбинациях,
что иногда приводит к образованию больших повторов
Показано, что при изменении внешних условий и при культивировании
в пробирке, митохондрии могут дестабилизироваться, часть генома при
этом утрачивается или преобразуется, что может иметь адаптационный
смысл
Модель образования большого повтора
с помощью малых повторов в мтДНК растений
А
R1
I
Исходная
основная
кольцевая
молекула
R2
R1
R2
В
R2
R1
R1
R2
R1, R2 – малые повторы
III
II
R2
R1
R1
R1
С
D
R2
R2
R2
большие
повторы
Новая молекула с
большим рекомб.
повтором и
большой делецией
Модель рекомбинации мтДНК
табака
Две субгеномные молекулы, C и D,
образуются в результате
рекомбинации по повторам
(в черных участках P кольца).
SacI фрагменты:
P:
19- и 5.4-kb
rec1
C и D: 11.8- и 12.6-kb.
Светло-серые фрагменты –
3 повторяющиеся
последовательности
CMSII мт геном содержит только C молекулы
Митохондриальные плазмиды –
малые линейные и кольцевые ДНК- и РНКмолекулы, не гомологичные геномной мтДНК.
Размер мт плазмид колеблется от 1000 до 30000пн.
.
Митохондриальная плазмида mp1 of Chenopodium album
– разные структурные модификации
Электронные фото различных молекул митохондриальных
плазмид ( mp1 ) Chenopodium album
(a - g) Типичные сигма-подобные структуры mp1.
(a) Двунитчатый кольцевой мономер (1.3 kb) с однонитевым хвостом
(170 пн); (b) Двунитчатый кольцевой мономер с однонитевым хвостом
400 п.о.; (c - g) двунитчатые кольца 1.3 kb с двунитевым хвостом
длиной 0.1 kb (c), 0.6 kb (d), 0.9 kb (e), 1.2 kb (f), and 3.4 kb (g).
Плазмиды в митохондриях
найдены у многих культурных растений –
кукурузы, сорго, бобов и др.
плазмиды, скорее всего, произошли
из других клеточных геномов и, возможно,
из других организмов
???
Три основные категории плазмид
в митохондриях растений :
кольцевые ДНК-плазмиды
свекла
фасоль
сорго
ДНК
рис
кукуруза
подсолнечник
линейные ДНК- плазмиды,
РНК-плазмиды.
Плазмид у одного вида может быть
несколько типов – у риса их четыре
Плазмиды могут утрачиваться без каких-то
видимых последствий для растений
Кольцевые плазмидоподобные молекулы в
митохондриальном геноме риса
Линейные ДНК-плазмиды
– уникальная группа репликонов
Имеют высокий процентАТ-пар
и терминальные инвертированные повторы
У кукурузы – два типа линейных плазмид (S, R)
Линейные плазмиды способны интегрироваться
митохондриальный геном
в
! Некоторые последовательности линейных плазмид
гомологичны вирусным РНК-полимеразам.