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.