1 потерян
advertisement
ЛЕКЦИЯ 6 ПРОИСХОЖДЕНИЕ МИТОХОНДРИЙ И ХЛОРОПЛАСТОВ ПЕРЕНОС ОРГАНЕЛЬНЫХ ГЕНОВ В ЯДРО 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Организмы – предшественники митохондрий Митохондриальный геном Reclinomonas аmericana Эволюционная редукция генома митохондрий Редукция органельных геномов Внутриклеточное изменение локализации генов Гипотезы происхождения митохондрий Происхождение пластид Зеленое животное Elysia chlorotica Симбиотическая теория происхождения органелл Предположения о формировании клеточных органелл в результате слияния клеток эукариот с бактериями возникли еще в конце 19 века. Реанимирована симбиотическая теория в 70-е годы 20 века Lynn Margulis мама четверых детей Her theory that life evolved through cooperation and symbiosis, not through competition, was once scoffed at, and is now gaining widespread respect Как производили поиск бактерий - предшественников митохондрий? Анализ генов малой субъединицы рРНК альфа-протеобактерии Анализ других высококонсерватиных белков и их генов ( cob, Cox) позволил выявить три наиболее близкие к митохондриям группы альфа-протеобактерий: Rhodospirillum, анаэробы фотосинтетики Bradyrhizobium, Rickettsia «экстремалы» гетеротрофы патогены Возбудитель брюшного тифа, облигантный внутриклеточный паразит Rickettsia prowazekii унес 20—30 млн жизней в 1 мировую войну и несколько млн во 2-ую мировую В кольце – митохондриальные геномы разных видов Геном Rickettsia prowazekii – кольцо размером 1111523 п.н., 834 гена; геном E.coli - 4288 гена • У риккетсий в геноме более 24% некодирующей ДНК – больше чем у всех других изученных микроорганизмов. • У риккетсий утрачены гены ферментов гликолиза, а также большинство генов синтеза аминокислот и нуклеотидов. Скорее всего, риккетсии и митохондриальные геномы эволюционировали независимо от общего бактериального предка, при этом происходил процесс редукции генов, уникальный для каждого генома. Клетки, инфицированные риккетсиями Жгутиковые простейшие - Jakobids «Филогенетическая брешь» между эукариотическим и митохондриальными геномами будет уменьшаться при дальнейшем исследовании Одни из древнейших эндосимбиотических эукариот Jakobids имеют ряд общих черт в ультраструктурной организации с ретромонадами - группой простейших, не содержащих митохондрий Митохондриальный геном R. аmericana – самый насыщенный генами из всех известных сегодня митохондриальных геномов, в нем выявлено 97 генов 4 гена РНКполимеразы 18 генов белков, найденных у R. аmericana, не выявлено больше ни в одном митохондриальном геноме. Самое удивительное – присутствие 4 генов rpo A-D. У родственного вида Jakoba libera два из четырех генов rpo отсутствуют. str E.coli R. americana мт M. polymorpha мт S10 S12 S7 fusA S10 L2 S19 S7 S3 L16 S12 S7 S10 L2 S19 S3 L16 S12 S7 S10 L2 S19 S3 L16 L2 S19 S3 L16 S12 S7 A. castellanii мт spc E.coli R. americana L29 S17 мт alpha L14 L24 L5 S14 S8 L6 L18 L14 L5 S14 S8 L6 L18 L5 S14 S8 S5 L30 L15 secY L36 S13 S11 secY S13 S11 S4 rpoA L17 rpoA M. polymorpha мт A. castellanii S13 S11 мт L14 L5 S13 S11 У R. аmericana – типичная для бактериальных геномов кластерная организация генов. Порядок рибосомальных белковых генов фактически повторяет организацию этих генов в четырех оперонах кишечной палочки Число генов в митохондриях различных организмов варьирует от 5 (апикомплекса) до 97 ( R. аmericana). Но даже эта большая цифра – ничто по сравнению с 1000 и более генов бактерий-предшественников Выделенный мотив (или отличающийся от него на 1 нуклеотид) предшествует не менее пятидесяти белоккодирующим генам мтДНК AAAACTATAAGAAATAGTTATTTAAAAAAAAGGAAAAAAAAATG……………tufA TATGTGGGATTTCTTTGTGTGCTTAGAGAAAGGAATGTATATTTTATG……nad1 TTAATGTTTTTAATATTTTTGATATAGTAAAGGAAAATAAGATG…………….nad11 TTAATTATTTAATATTTTTATTATTTTAAAAGGATTCTTATATG………………rps7 ATTCAAAGAAAATATTATAATAATTAATATGGGAATTTATTTTATG………….rpoB ATAGAAGTGTTTGTATTTTTTAATATAAAAAGGTTGGTATAATATG……… nad4L GTTTCAAAACTTATTTTTAAGTAAAATGAAAGGATATTTATATG…………….cox2 TATAATTATAAATTCATAGAAAATAAAAAAAAGATAATCGCTTATG……… cox1 TATTGTATTTATAAATAATAAAAAAAACAAAGGAAATTCAAAATG…………..cox3 ****** 3’ UUUCCUCAAGUAGGUCGA…… 16S рРНК Предполагаемые мотивы Shine-Dalgarno в генах митохондриальных белков R.americana. Возможное комплементарное взаимодействие между SD-последовательностями и 3’-концом митохондриальной 16S рРНК указано звездочками В митохондриальных геномах R. аmericana сохранился скорее всего бактериальный способ инициации трансляции: между 2-м и 12-м нуклеотидами выше инициирующего кодона большинства белковых генов находится последовательность, похожая на SD – нигде более в митохондриальных системах такого не было найдено! Белок-кодирующие гены с идентифицированной функцией в митохондриальной ДНК Reclinomonas americana Синтез АТФ и транспорт электронов Комплекс I Комплекс II Комплекс III Комплекс IV Комплекс V nad1, 2, 3, 4, 4L, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 sdh 2, 3, 4 cob cox 1, 2, 3 atp 1, 6, 8, 9, 3 Трансляция Белки малой субъединицы рибосомы Белки большой субъединицы рибосомы Фактор элонгации Транскрипция Core РНК-полимераза Сигма-подобный фактор Импорт / созревание белков Белок сборки цитохром оксидазы Transporter SecY-типа ABC transporter rps 1, 2, 3, 4, 7, 8, 10, 11, 12, 13, 14, 19 rpl 2, 5, 6, 11, 14, 16, 1, 10, 18, 19, 20, 27, 31, 32, 34 tufA rpo A, B, C rpo D cox 11 secY yejR, U, V, W Утрата генов в эволюционном процессе Гены, функции которых перестали быть востребованы, исчезли, вероятно, очень рано – ни в одном из исследованных геномов не найдено никаких генов биосинтеза липидов, нуклеотидов и аминокислот. Часть генов утрачивается, а их функцию начинают выполнять ядерные гены Гены тРНК в митохондриях у многих простейших у Paramecium aurelium только 3 гена тРНК гены РНК-полимеразы Гораздо реже – приобретение генов Единичные исключения: • • • тРНК, плазмидные гены грибов, mutS – ген репарации в мтДНК кораллов Изменение локализации генов в митохондриях человека и большинства животных из 90 генов электронно-транспортной цепи осталось 13. У некоторых эукариот гены II комплекса еще встречаются в митохондриях. То же случилось с белками миторибосом Наружная мембрана Межмембранное пространство Внутренняя мембрана H+ H+ H+ Фумарат Сукцинат H+ O2 Cytb ND1 ND2 ND3 ND6 ND4 ND5 ND4L e- e- e - e- e- H2O COXI A8 A6 COXIII CoQ Cytc Cубъединицы: МтДНКкодируемые: яДНКкодируемые: Комплекс I Комплекс II 7 Комплекс III 0 >41 4 Синдром Лея Синдром Лея Лейкодистрофия параганглиома 1 10 AТФ AДФ Комплекс IV Комплекс V 3 10 Синдром Лея кардиоэнцефалопатия 2 ≈14 Процесс переноса генов в ядро продолжается и на данном этапе эволюции Пример - функциональный перенос гена cox2 бобовых. в процессе эволюции У сои имеется 2 копии этого гена – активная в ядре и неактивная в митохондриях, а у ее близкого родственника митохондриальный ген уже потерян. Ряд белков теплового шока служат хаперонами митохондриальных генов: вероятнее всего, гены БТШ изначально располагались в митохондриях. Гипотезы происхождения митохондрий, то есть образования эукариотической клетки Archaebacterium Archezoan (мито–) Эукариот (мито+) A Грам– бактерия α-протеобактерия Archaebacterium (метаноген) Эукариот (мито+) B α-протеобактерия А – двуступенчатый процесс, изначально образуется амитохондриальный эукариот (аrchezoan, мито–) при слиянии археобактерии и грам-отрицательной бактерии, после чего митохондрии приобретаются путем эндосимбиоза с α-протеобактериями . В – одновременное образование эукариотического ядра и митохондрий при слиянии требующей водорода метанообразующей археобактерии (хозяина) с водород-продуцирующим симбионтом (α-протеобактерией) В середине 80-х годов была открыта группа эукариотических организмов, не содержащих митохондрии: Archezoa или Archeoprotista. К ним относятся микроспоридии, метамонады, трихомонады. У Archezoa примитивная клеточная архитектура – слабо развитая система эндомембран, отсутствие пероксисом и необычная рибосомальная РНК Giardia lamblia, как оказалось, уже имеет митохондрии, но очень примитивные Симбиотическая схема приобретения митохондрий и образования эукариот Схема, отражающая эволюцию живых организмов Цветным выделены пластид-содержащие ветви Скорее всего, Archeoprotista являются потомками эукариот-анаэробов, которые предшествовали появлению «коронной группы» - грибов, растений, животных Отсутствие митохондрий у эукариот не обязательно свидетельствует об их эволюционной древности: может происходить вторичная утрата митохондрий, связанная с паразитическим образом жизни: (например, Entamoeba hystolitica) Гидрогеносомы встречаются у некоторых анаэробных простейших и некоторых грибовхитридиомицетов, обитающих в рубце жвачных животных Их размер – 1 мк, они связаны с мембранами клетки Гидрогеносомы – органеллы, продуцирующие водород видоизмененные митохондрии??? Подобно митохондриям, они окружены двойной мембраной, вырабатывают АТФ и даже иногда имеют кристы В отличие от митохондрий, они продуцируют молекулярный водород, не имеют цитохромов и обычно не имеют ДНК Белки теплового шока, связанные с биогенезом митохондрий, у Archezoa транспортируются и размещаются в гидрогеносомах ! Недавно в гидрогеносомах аэробных ресничных простейших нашли ДНК, сходную с мтДНК Водородная гипотеза происхождения первых эукариот археобактерия хозяин водород-зависимый автотроф эубактерия + симбионт могли дышать, но выделяли водород как лишний продукт метаболизма водородвыделяющий гетеротроф Зависимость хозяина от водорода, выделяемого симбионтом – селективная сила, приведшая к ..возникновению симбиотических эукариотических клеток Гипотетические первые эукариоты Предлагаемые иные варианты «эволюционных сценариев» (A) Потомки исходной клетки – эндосимбионта, имеющего митохондрии (В ) Химерное происхождение митосом и гидрогеносом от ряда последовательных эндосимбиозов Митосомы – органеллы,подобные митохондриям, но не содержащие ДНК Динамика появления на Земле основных групп живых организмов Наст. время -0,5 -1,5 -3,5 -3,8 биллионы лет Образовались первые многоклеточные организмы Возникли первые эукариоты Появились первые прокариоты, в т.ч. цианобактерии Земля остыла, образовались твердые породы Скорее всего, за 2 биллиона лет было испробовано множество вариантов различных симбиозов Становление в эволюции эукариотической клетки – долгий процесс проб и ошибок Вероятнее всего, на ранних этапах эволюции эукариотической клетки многократно стихийно возникали ассоциации примитивных клетокпредшественников с различными бактериями , но лишь определенный тип эндосимбиоза привел к прогрессу. Процесс очень длительный - более 2 биллионов лет происходило формирование эукариотической клетки на основе прокариотической, еще предположительно биллион лет потребовался для возникновения многоклеточных организмов. >1000.000.000.000 лет Происхождение пластид Подобно митохондриям, хлоропласты появились в клетке в результате эндосимбиоза Цианобактерии Общепринято, что предки пластид цианобактерии спирулина Симбиоз простейшего с желтой водорослью Примитивные 1- клеточные эукариоты, захватывая фотосинтетических прокариот, превратили их во внутриклеточные компоненты, продуцирующие энергию – пластиды Первичные симбиозы привели к возникновению красных, зеленых водорослей и наземных растений Размеры генома цианобактерий – от 2700 до 6400 тпн. величина пластома – от 89 тпн до 292 тпн. В секвенированном геноме цианобактерии Synechocystis – 3229 генов, Генов пластома – 200 - 50 генов Хлоропласты Rhodophyta с примитивной структурой ламелл Дерево «генных потерь» пластидного генома 59 потеряно 33 потеряно Odontella (123) 18 потеряно 77 потеряно Porphyra (182) Сyanophora (128) 12 потеряно 1 потерян 1 потерян Euglena Marchantia (57) (83) Pinus Nicotiana (69) (76) Zea (76) Oryza (76) 5 потеряно Древние пластиды (>205 генов) 1 потерян 110 потеряно 4 3 7 потеряно потеряно потеряно 1 потерян Цианобактерии (>2000 генов) Как и в случае с митохондриями, редукция привела к сохранению 1-5% первоначального числа генов Совершенно необычный результат был получен при исследовании пластома динофлагеллят: у Heterocapsa triquetra и, возможно, других динофлагеллят отдельные гены, как рРНК, так и белок-кодирующие, локализуются в миникольцах ДНК (2-10 т.п.н.). Каждое миникольцо несет по одному гену, кроме того, в некодирующей области все они содержат характерную консервативную последовательность Heterocapsa triquetra – обладатель уникального пластидного генома Такая организация пластома несколько напоминает мини-кольцевые ДНК-молекулы в мт геномах некоторых мезозойских животных Вторичные симбиозы - возникали и возможно еще возникают при поглощении фаготрофными простейшими уже не цианобактерий, а эукариотических 1-клеточных водорослей, несущих пластиды У криптомонад и хлорарахниофитов сохранились остатки ядер их эукариотических эндосимбионтов в виде нуклеоморфов В нуклеоморфах выявлено по 3 мини-хромосомы У хлорарахниофитов – 13 тпн геном нуклеоморфа и семь белковых генов с миниатюрными интронами У криптомонад в нуклеоморфах – 555 тпн, 38 генов без интронов, гены расположены плотнейшим образом на мини-хромосомах Какие гены прежде всего остаются в органеллах? • • кодирующие белки биоэнергетических мембран (фотосинтеза и дыхания); участвующие в экспрессии органельных генов Из более чем 3000 генов Synechocystis только 46 сохранились во всех 24 секвенированных хлоропластных геномах, при этом 44 из них относятся к двум вышеназванным группам А какие гены «задерживаются» в митохондриях? Три гипотезы набора генов в митохондриях: - Гидрофобная гипотеза - в митохондриях остаются гены, чьи продукты очень гидрофобны и с трудом проходят через мембраны; -Токсическая гипотеза – гены, перенесенные в новый компартмент, могут там оказаться токсическими (не получила подтверждений пока); - Важность окислительно-восстановительного регулирования генной активности в митохондриях. Такие данные были получены для хлоропластных фотосинтетических генов – их нехватка или инактивация может приводить к появлению неправильных акцепторов или не тех доноров электронов, что может привести к образованию высокотоксичных супероксидных радикалов, к фотооксидации. Доказательства для митохондрий не получены. Морские моллюски с «солнечными батареями» Моллюск Placida cf. Dendritica с хлоропластами водоросли, сохраненными и функционирующим в клетках моллюска Elysia chlorotica Моллюск питается, высасывая содержимое клеток из водоросли Vaucheria. Хлоропласты сохраняются и функционируют в клетках моллюска Моллюск Pteraeolidia ianthina, «пасущаяся» на колониях бурых одноклеточных водорослей, (zooxanthellae) Электронно-микроскопические фотографии, видны интактные хлоропласты в клетках моллюска Размер животных 1-6 см Разные формы моллюсков E. chlorotica Нити водоросли Vaucheria litorea (1-2 мм в диаметре) Vaucheria litorea Симбиоз Elysia chlorotica с водорослью >8 месяцев Как поддерживается такой длительный симбиоз??? Как хлоропласты выживают и функционируют без своих ядер??? Версии: • ядра водоросли где-то прячутся; • хлоропластный геном Vaucheria имеет необычно большую автономию; • белки, кодируемые хп геномом Vaucheria, необычно стабильны; • происходит переадресация митохондриальных или других белков животных с аналогичными или похожими функциями в хлоропласты Elysia • происходит горизонтальный перенос генов из водоросли в клетки моллюска Электронная микроскопия, ДНК гибридизация – ядер не выявили Хп генов больше, чем у высших растений, но все же не достаточно пока неизвестно ферменты пентозного цикла и глюконеогенеза - универсальны для хп и мт, возможно, пластиды Elysia используют митохондриальные. Обе субъединицы rbc гена кодирует пластом Под подозрением фосфорибулокиназа – ее нет ни в ядрах, ни в мт моллюска А. Первичный симбиоз простейшего с цианобактерией В. Вторичный симбиоз гетеротрофа с фотоавтотрофной водорослью. Перенос генов из ядра n1 n2 C. Третичный симбиоз с хромофитом Сохраняются оба ядра, n2 может сильно редуцироваться (потеряться) D. Симбиоз моллюска с водорослью-хромофитом Ядра водоросли n2 теряются, хлоропласты сохраняются в клетках, выстилающих пищеварительный тракт Какие еще загадки таит природа?
