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

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 Обнаружение митохондриальной ДНК в клетках

Параметры мтДНК растений Мт ДНК высших растений – менее 1% от всей ДНК клетки, очень редко достигает 10-15% (гипокотиль дыни). Плавучая плотность ДНК мт растений колеблется незначительно: 1,705-1,707, что соответствует 48% ГЦ-пар. Размеры мт геномов колеблются очень сильно: тпн. В семействе тыквенных (Сucurbitaceae) 330 тпн 2500 тпн дыня арбуз

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 х 10

Большие рекомбинационные повторы - особенность митохондриальной ДНК растений 218 kb 135 kb 83 kb Модель структуры митохондриального генома Brassica campestris полный геном – большое кольцо 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.

[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 D A B C Рекомбинация молекул мтДНК пшеницы

Не все повторяющиеся последовательности способны рекомбинировать Собственных ферментов-рекомбиназ эти последовательности не кодируют ??? Чем отличаются рекомбинирующие повторы от нерекомбинирующих, неясно

Размеры больших повторов Для большинства повторов: – от 1000 пн до пн. Наименьший из известных больших повторов пн. Необычно большие повторы: – у ЦМС- формы петунии пн - у F- ревертанта ЦМС-Т кукурузы пн.

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 R1, R2 – малые повторы большие повторы Новая молекула с большим рекомб. повтором и большой делецией Исходная основная кольцевая молекула А В D R1 С R2 I II III

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 : 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 РНК- молекулы, не гомологичные геномной мтДНК. Размер мт плазмид колеблется от 1000 до пн. Митохондриальная плазмида mp1 of Chenopodium album – разные структурные модификации

(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). Электронные фото различных молекул митохондриальных плазмид ( mp1 ) Chenopodium album

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 линейные ДНК- плазмиды, РНК-плазмиды. Плазмиды могут утрачиваться без каких-то видимых последствий для растений ДНК кукуруза фасоль свекласорго рис подсолнечник Плазмид у одного вида может быть несколько типов – у риса их четыре

Кольцевые плазмидоподобные молекулы в митохондриальном геноме риса

Имеют высокий процентАТ-пар и терминальные инвертированные повторы У кукурузы – два типа линейных плазмид (S, R) Линейные плазмиды способны интегрироваться в митохондриальный геном ! Некоторые последовательности линейных плазмид гомологичны вирусным РНК-полимеразам. Линейные ДНК-плазмиды – уникальная группа репликонов