1 / 43

Mimojaderné genetické elementy

Mimojaderné genetické elementy. Genom plastidů a mitochondrií. Vlastnosti semiautonomních organel. ohraničení dvouvrstevnou membránou množení dělením vlastní DNA a ribozomy (70S) syntéza malé části vlastních proteinů přesun genů do jaderného genomu endosymbiotického původu

jenny
Download Presentation

Mimojaderné genetické elementy

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Mimojaderné genetické elementy Genom plastidů a mitochondrií

  2. Vlastnosti semiautonomních organel • ohraničení dvouvrstevnou membránou • množení dělením • vlastní DNA a ribozomy (70S) • syntéza malé části vlastních proteinů • přesun genů do jaderného genomu • endosymbiotického původu • úloha v energetickém metabolismu

  3. Původ plastidů a mitochondrií * Gillham 1994 Pozn.: strom eukaryot byl modernizován

  4. Primární, sekundární a terciární endosymbióza – různé počty membrán (příp. nukleomorf) Glaucophyta Primární (1,6 mld let) - Glaucophyta - Rhodophyta - Chlorofyta Sekundární - Euglenophyta - Chlorarachniophyta - Chromalveolata

  5. Transientní endosymbióza(plž Elysia chlorotica) - aktivní chloroplasty řasy Vaucheria chloroplasty zůstávají aktivní po dobu 8 měsíců (jak fungují???) protein (MSP) přítomen v genomu plže !!! (Rumpho et al. 2008 PNAS) Rumpho M. et al., 2000

  6. Funkce plastidů fotosyntéza – konverze světelné energie – asimilace uhlíku redukce sulfátu a nitritu syntéza škrobu syntéza mastných kyselin syntéza aminokyselin syntéza nukleotidů syntéza pigmentů + syntéza nukleových kyselin,proteinů

  7. Stromuly chloroplastů (tubulární útvary) - výměna genetického materiálu a proteinů? - komunikace s jinými organelami (ER, mitochondrie?) Schattat M et al. Plant Cell 2012;24:1465-1477 Hanson M, Sattarzadeh A. Plant Cell 2013;25:2774-2782: … a přece se přenášejí (?)

  8. Mitochondrie Vnitřní membrána: • dýchací řetězec • ATP syntáza Matrix: • Krebsův cyklus - tvorba ATP a uhlíkových skeletů pro anabolické dráhy - disipace přebytku redukovaných koenzymů - další role v indukci PCD, skladování Ca2+

  9. Reprodukce dělením PLASTIDY: Kombinace prokaryotického FtsZ a eukaryotického dynaminového kroužku Vnitřní: 1. FtsZ 2. FtsZ + dynamin 3. Dynamin Vnější: Dynamin (role ER?) Lopez-Juez E., 2007 MITOCHONDRIE: u vyšších rostlin asi FtsZ chybí, další faktory, role ER

  10. Plastom a chondriom versus jaderný genom

  11. Funkce genů v plastomu (a chondriomu) + geny pro rRNA a tRNA (u mitochondrií některé chybí!)

  12. Lokalizace proteinů kódovaných jádrem • (predikce Target P u Arabidopsis– Emanuelsson et al., J Mol Biol) • Mitochondrie ~ 10% (cca 2500 genů) • Plastidy ~ 14% (cca 3500 genů) • Celkem cca 1/4 genů nutná pro fungování organel • mnoho z těchto genů ale primárně nepochází z daného endosymbionta (tj. původem jsou jaderné či z druhého endosymbionta) • mnoho genů (proteinových produktů) využito pro jiné funkce v buňce

  13. Osudy genů endosymbionta Arabidopsis nukleom: cca 26 tis.plastom: 87 bílkovin v plastidu: ~ 3500 Předpokládaný endosymbiont cca 4500 genů (analogie dnešní sinice: cca 3000 – 7000 genů) Leister D., TRENDS in Genetics 19: 47, 2003.

  14. Předpokládané příčiny přenosu organelových genů do jádra • možnost komplexnější regulace exprese genů a • buněčných aktivit • možnost využití genů pro druhotné funkce • vyšší mutační rychlost v organelách • - možnost rekombinace (opravy mutací) v jádře při pohlavním rozmnožování • - ALE zachované geny – vysoce konzervované (?) • (možnost rekombinace mezi molekulami – důsledky!) Produkty přenesených genů musí být importovány zpět do příslušné organely (jsou-li tam potřeba)!

  15. Transport proteinů do plastidu majoritně: TOC-TIC translokony (kanály + chaperony!) Transitní peptid: 30-100 amk (2-4 tis. proteinů), mitochondrie: TOM-TIM Inaba and Schnell; Biochem J (2008) OM – outer membrane ER-CP – glykoproteiny Uncleaved TP

  16. Transport do tylakoidů Lumen: prokaryotické transportní systémy Tylakoidní membrána – spontánní inkorporace (společně s plastidově kódovanými proteiny)

  17. Recentní funkční přesuny genů do jádra(získá-li transitní peptid, může postupně vymizet z organelového genomu) • Fúze se signální sekvencí genu, jehož produkt je již importován • Příklad: mitochondriální Rps11 paralogy rýže kódované jádrem využívají signální sekvence Cox, a podjednotky mitochondriální ATPázy (zbytky mt genu jsou stále transkribovány) Kadowaki et al., EMBO J. 1996

  18. Recentní funkční přesuny • Inzerce do genu, jehož produkt je importován, a alternativní sestřih zachovávající též původní produkt • Příklad: mitochondriální Rps14 kódovaný jádrem u rýže v genu pro sdhB sukcinátdehydrogenázu B Kubo et al., PNAS 96:9207, 1999

  19. Proč si organely některé geny udržely? • Většinou transmembránové proteiny • – asi problém s transportem či balením

  20. Přenos DNA z organel do jaderného genomu jestále aktivní proces!!! • rostlinné jaderné genomy obsahují velké množství organelové (plastidové) DNA • i z recentních integrací (kopie celých plastidových genomů) • - u rýže celkově přes 800 kbp

  21. Přenosy genů z organel • v experimentálních podmínkách u tabáku pozorována velmi vysoká frekvence přenosu transgenu z plastidu do jádra • v somatických buňkách 1 z 18.000 • - v pylu (degradace plastidů!) 1 z 11.000 • - ve vaječných buňkách 1 z 250.000

  22. Dědičnost organelové DNA Dědičnost zpravidla uniparentální (většinou z mateřské buňky) několik mechanismů, nejasné: • Chlamydomonas, otcovská organelová DNA eliminována pravděpodobně vlivem metylace na replikační schopnost organelového genomu (jinak metylace DNA ani RNAi v organelách neprobíhá) • některé vyšší rostliny – otcovské plastidy eliminovány při oplodnění

  23. Plastidová DNA (cpDNA) • dsDNA, cirkulární (snad základní forma) • obsah G-C zpravidla nižší než v jádře • velké množství kopií (~30-100) na plastid • 20-40 organel/jaderný genom • bez histonů, navázány proteiny (Hu), organizace do nucleoidů • tvoří 10-20% celkové DNA v listech

  24. Typický cp genom – základní uspořádání kruhová molekula DNA rozdělena na „long“ a „short“ oblasti (LSC a SSC) jedinečné oblasti,odděleny IR rRNA (rrn) a tRNA (trn) geny (uspořádání v clusterech připomíná uspořádání v E. coli) rekombinace mezi repeticemi (oddělují LSC a SSC) vede k převrácení SSC

  25. Strukturní komplexita plastidové DNA [Lilly et al. Plant Cell. 13:245]

  26. Velikost chloroplastového genomu • 70 - 200kb • vyšší rostliny 120 – 170 kb • nižší Eukaryota do 200 kb

  27. Plastidové genomy

  28. Velikost genomu mitochondrií • S. cerevisiae 84 kb • savci 16 kb • produkty podobné • vyšší rostliny stovky tisíc kb • (x řasy – malý chondriom 16 kb) • ekonomizace v průběhu evoluce?

  29. Genom mitochondrií

  30. Genom mitochondrií kukuřice (Zea mays): několik kruhových molekul: „master“molekula(570 kb): - subgenomické kruhové molekuly odvozené od „master“ subgenomické vznikají rekombinací mezi repeticemi (šipky)

  31. Komplexita mt DNA- důvod? Backert et al. Trends Plant Sci 2:478 Lineární a lasovité (sigmoidální) molekuly vznikají replikací valivou kružnicí

  32. Exprese chloroplastového genomu většinou uspořádání do operonů – kotranskripce - další zpracování na dílčí úseky (stabilní ribonukleoproteinové jednotky) plastidy vyšších rostlin asi 30 transkripčních jednotek (vymezeny promotorem a terminátorem) - dvě polymerázy PEP, NEP (plastid, nucleus-encoded pol.) - promotory pro PEP podobné bakteriálním (sekvence –10 a –35) - většinou promotory pro obě polymerázy transkript není až na výjimky modifikován čepičkou ani polyadenylován, u některých dochází k editaci (velmi zřídka) Polycistronní RNA psbB psbT psbH petB petD Intron Intron psbN Monocistronní RNA

  33. transkripční jednotky plastidového genomu

  34. Model expresepsbBoperonu Barkan A. Plantphysiol 2011;155:1520-1532 - významná role pentatricopeptide-repeat proteinů (i v editování)

  35. Exprese mitochondriálního genomu • - transkript není modifikován čepičkou ani polyadenylován • - transkripty velmi často „editovány“ • RNA Editing • objeven právě u mitochondrií rostlin • i u některých chloroplastových genů vyšších rostlin • Definice: jakýkoli proces (kromě sestřihu), který způsobí změnu v RNA sekvenci, tak že je odlišná od komplementární sekvence DNA

  36. Editace transkriptů v organelách přeměna C na U cytosin deamináza nebo výměna (odstranění) nukleotidové báze • mnoho mitochondriálních transkriptů editována (tRNA, i protein kódující) • přeměna zejména C na U (zřídka opačně) • guide RNA a editozóm (role PPR, mechanismus?)

  37. Introny organel • Stejný gen v různých druzích může mít různé introny ve stejné pozici • Stejné nebo podobné intronynacházeny v nepříbuzných genech a druzích (introny I. a II. typu) • Neobvyklá distribuce a fylogenetická analýza potvrzují, že byly získávány a ztráceny v celém průběhu evoluce

  38. Transkripční regulace exprese u chloroplastů • celková • exprese většiny genů se zvyšuje / snižuje ve stejném okamžiku • genově specifická regulace • sigma faktory pro PEP • př.psbD/psbC promotor reaguje na světlo

  39. Kontrola exprese chloroplastové DNA- PEP a NEP - vzájemná regulace, překryvné, nezastupitelné- jaderně kódované sigma faktory PEP komplexu(některé  společné pro plastidy i mitochondrie, transkripci většinou spouští více ) σ

  40. Kontrola exprese chloroplastové DNA

  41. Regulace jaderných genů, jejichž produkty se uplatňují v plastidech signály od plastidu směrem k jádru „zasahují“ promotorové oblasti genů, které se účastní odpovědi na světlo reakce na měnící se (a často stresové) podmínky plná exprese podmíněna přítomností funkčních plastidů (při špatném vývoji nebo poškozeníplastidů jsou jaderné geny pro proteiny fotosyntézy exprimovány slabě) Signály:- prekurzor biosyntézy chlorofylu - funkční plastidová genová exprese (při přechodu z heterotrofie na autotrofii) - komponenty elektronového transportu fotosyntézy - redoxsignalizace (Trx, GSH, askorbát, …) - metabolity - ROS

  42. Vztahy genomu a plastomu:kompatibilita a inkompatibilita u mezidruhových hybridů pupalky Oenothera sp. (biparentální přenos plastidů) Jaderný a organelové genomy procházejí koevolučními změnami, vzájemně se doplňují, - regulace exprese (!), editace, …

  43. Gene DesignationGene Product I. Genetic System Chloroplast RNA genes rDNA Ribosomal RNAs (16S, 23S, 4.5S, 5S) trn Transfer RNAs (30 species) Gene transcription rpoA, B, C RNA polymerase a, b, b’ subunits ssb ssDNA-binding protein Protein synthesis rps2,3,4,7,8,11 30S ribosomal proteins (CS) 2, 3, 4, 7, 8, 11 rps12, 14, 15, 16, 18, 19 CS12, 14, 16, 18, 19 rpl2, 14, 16, 20, 22 50S ribosomal proteins (CL) 2, 14, 16, 20, 22 infA Initiation factor I II. Photosynthesis Photosynthetic proteins rbcL RUBISCO large subunit atpA, B, E ATP synthetase CF1a, b, e subunits atpF, H, I ATP synthetase CF0I, III, IV subunits psaA, B, C Photosystem I A1, A2, 9-kDa protein psbA, B, C, D, E Photosystem II D1, 51 kDa, 44 kDa, D2, Cytb559-9kDa psbF, G, H, I Photosystem II Cytb559-4kDa, G, 10Pi, I proteins petA, B, D Electron transport Cytf, Cytb6, IV subunits Respiratory proteins ndhA, B, C, D NADH dehydrogenase (ND) subunits 1, 2, 3, 4 ndhE, F NDL4L, 5 III. Others Maturase matK Protease clpP Envelope membrane protein cemA Genes Encoded in the Chloroplast Genomes in Higher Plants

More Related