Mitochondrialny DNA Paula Gawryszewska

Badanie mtDNA Biotechniques” 1995

http://www.cstl.nist.gov/biotech/strbase/pub_pres//ValloneASHGposter2002.pdf

Podstawowe informacje o mtDNA występuje w komórce w setkach-tysiącach kopii ( w mitochondrium do 10 kopii) wysoki polimorfizm znacznie wyższe tempo mutacji niż DNA jądrowy 99,9% dziedziczony po matce mało systemów naprawczych mtDNA brak histonów obecności dużej ilości wolnych rodników choroby różne formy i rozmiary różna złożoność mtDNA względna stałość model do badania przodków Science, 1999

Zwierzęcy a roślinny mtDNA Tabela 1. Charakterystyka jądrowych (nDNA) i mitochondrialnych (mtDNA) genomów zwierząt i roślin oraz genomu chloroplastowego roślin (cpDNA). Alberts, 2002

Różnice w kodonach mtDNA Różnice między uiwersalnym a miochondrialny kodem genetycznym

Porównanie zawartości genomów mitochondrialnych Mitochondrial function and biogenesis, 2004

oddychanie/fosforylacja oksydacyjna - rRNA i tRNA - białka rybosomalne dojrzewanie RNA, Import białek transkrypcja Mitochondrial function and biogenesis, 2004

5 genów występujących we wszystkich mitochondrialnych genomach Science, 1999

Zwierzęta Małe koliste genomy o wielkości od 14 kb (C. elegans) do 42 kb (Plactopen magellanicus), zawartość informacyjna jest bardzo zbliżona, zwykle jest to 16kb. 37 genów: (13 genów kodujących białka łańcucha oddechowego, 22 tRNA, 2 rRNA) Nie stwierdzono intronów, a sekwencje międzygenowe są zasadniczo bardzo krótkie. Bardzo silnie upakowany Ewolucja doprowadziła do maksymalnej redukcji rozmiaru, przy pozostawieniu niezbędnych sekwencji kodujących. Brak rekombinacji

cd. zwierzęta Szybkie tempo mutacji Kod genetyczny różni się od standardowego Uproszczony mechanizm transkrypcji - z jednego dwukierunkowego promotora powstają dwa główne transkrypty, które następnie podlegają złożonej i słabo poznanej obróbce posttranskrypcyjnej, stanowiącej zapewne główny poziom regulacyjny

mtDNA ludzkie 12S rRNA 16S rRNA Frontiers in Bioscience,2009

Pętla D w ludzkim mtDNA Cell Press, 2009

Pętla D w procesie transkrypcji . Hans-Jürgen Bandelt, 2006

3 rodzaje replikacji Cell Press, 2009

Ubytek mtDNA u zwierząt Redukcja liczby kopii mtDNA (wymagane czynniki jądrowe zaangażowane w replikację oraz zapas dNTP) Redukcja liczby kopii mtDNA do mniejszej niż 30% normalnej zawartości mtDNA Stały zasób dNTP jest potrzebny do replikacji mtDNA Nukleotydy są transportowane albo z cytozolu albo wynikają z drogi mitochondrialnego odzysku. W nie replikujących się tkankach poziom cytozolowych deoksyrybonukleotydów jest niski i odzysk mitochondrialnego dNTP jest głównym źródłem nukleotydów.

fosforylacji przez kinazy difosfonukleotydowe NDPK Biochemica Et Biophysica Acta, 2009

Mutacje w genach jądrowych odpowiedzialnie za ubytek mtDNA Biochmica et Biophysica Acta, 2009

Model generacji delecji mtDNA podczas naprawy DSB Nature Genetics, 2008

Liczba sekwencji powtórzonych Nature Genetics, 2008

Sporadyczne delecje mtDNA w oocycie Nature Genetics, 2008

Jak zapobiec delecjom? Indukowane przez błędy w replikacji i niewiele można zrobic by temu zapobiec. Podywżenie antyoksyadnótw i zmiatacza ROS powinno zapobiec indukcji DSBs i również produkcji delecji mtDNA. Rozumienie mechanizmów zaangażowanych w naprawę mtDNA i identyfikację kluczowych czynników zaangażowanych w delecje w tkankach człowieka jest pierwszym krokiem.

Rośliny Największe rozmiary Bardzo wysoka częstość rekombinacji Zawiera liczne sekwencje powtórzone Dwukierunkowa wymiana genetyczna miedzy mitochondriami (i chloroplastami), a jądrem (u okrytonasiennych) Różnorodne zestawy kodowanych w mtDNA genów.

cd. rośliny Występowanie genu 5S rRNA (u pierwotniaka Reclinomonas americana) Geny mitochondrialne, niespotykane u innych Eukaryota odpowiedzialne są u roślin za szereg nietypowych fenotypów, np. męską niepłodność, wrażliwość na pewne toksyny grzybowe czy zaburzenia wybarwienia liści. Uniwersalny kod genetyczny Redagowanie (editing) Występują introny Trans-splicing

After Unseld et al. 1997

Journal of Experimental Botany, Vol. 61, No. 3, pp. 657–671, 2010

Dwie drogi powstawania mitotypów Journal of Experimental Botany, 2010

The Neurological Institute of New York

LHON - dziedziczna neuropatia nerwu wzrokowego. Mutacja 11778A>G Punktowe mutacje: MELAS - miopatia mitochondrialna, endefalopatia, kwasica mleczanowa, występowanie incydentów podobnych do Udarów. Mutacja 3243A>G MERRF – padaczka miokloniczna z występowaniem „włókien szmatowatych” w mięśniach. Mutacja 8344A>G NARP – neurogenna miopaia z ataksją i zwyrodnieniem barwnikowym siatkówki Mutacja 8998T>G LHON - dziedziczna neuropatia nerwu wzrokowego. Mutacja 11778A>G An Introduction to Genetic Analysis, 2000

Hipoteza teorii starzenia

Podsumowanie MtDNA zwierząt różni się od roślin. Istnieją co najmniej trzy rodzaje replikacji u zwierząt. MtDNA zwierząt charakteryzuje się małym, okrągłym, ale upakowanym genomem. D-loop,w którym zachodzi inicjacja replikacji i transkrypcji. Zawiera również regiony superzmienne (HV1, HV2 i HV3), które służą do analiz kryminalistycznych. Dziedziczony wyłącznie po matce. MtDNA roślin charakteryzuje się m.in. dużymi rozmiarami, rekombinacją homologiczną, dużą ilością dużych i krótkich powtórzeń, charakterystyczną stechiometrią heteroplazmy Na spadek mtDNA wpływa ilość dNTP. Mutacje w enzymach biorących udział w syntezie dNTP wpływają na powstanie różnych chorób u ludzi (np. PEO, syndrom Alper-Huttenlocher) Delecje w mtDNA powstają podczas naprawy DSB lub asynchronicznej replikacji. Powodują powstanie wielu chorób (CPEO , Zespół Kearnsa i Sayre'a, MNGIE, Zespół szpikowo-trzustkowy Pearsona). Są one nieodwracalne. Lokalizują się w regionie OH i OL. Badanie mtDNA pozwala min. na badanie :śladów biologicznych oraz przodków.

Bibliografia