1

2 Часть белков эндосимбионта до сих пор функционируют в митохондриях (ферменты окислительного фосфорилирования, компоненты рибосом) Добавились новые белки (белки системы митохондриального импорта) Часть белков потеряна в ходе эволюции. Митохондрии произошли от α-протеобактерий: PMID:

3 Потеря белков митохондрией в ходе эволюции в основном происходила на ранних этапах: Из 370 белков бактериального предка 161 не найдены в митохондриях Млекопитающих. Из 161 потерянного белка 115 (71%) ни найдены ни в одном организме => потеря произошла еще до дивергенции эукариот. LECA – last eukariotic common ancestor Opisthokonts – общий предок грибов и многоклеточных животных PMID:

4 Потеря белков митохондрией: Часть белков потеряна полностью в связи с потерей функции (ферменты ответственные за синтез компонентов клеточной стенки) Часть белков локализованы и функционируют в других клеточных компартментах, поскольку их гены перенесены в ядро => их продукты могут выполнять свои функции не в митохондриях (ферменты биосинтеза гема частично работают в митохондрии, другая часть ферментов участвует в биосинтезе жирных кислот вне митохондрии)

5 Потерянные бактериальные белки часто заменялись другими неортологичными белками Например, RNA polymerase γ, POLRMT и TWINKLE имеют высокую гомологию с ферментами Т3/Т7 фагов. PMID:

6 Перенос происходит из-за высокой частоты мутаций в связи с близостью дыхательной цепи. Ортологичные гены у разных видов организмов могут находиться в разных геномах – митохондриальном или ядерном. Перенос бактериальных генов из митохондриального генома в ядерный

7 Все белки, необходимые для репликации, транскрипции и трансляции мтДНК расположены в ядерном геноме.

8 Для репликации и экспрессии мт генома, в котором сохранились всего несколько генов, необходима сложная ферментативная система. Почему в мтДНК вообще остались какие-то гены? Почему не все гены перенеслись в ядро? Гидрофобным белкам трудно транспортироваться в митохондрии от места их синтеза Действительно в мт ДНК остались гены двух самых гидрофобных из всех митохондриальных белков – субъединицы 1 цитохром с оксидазы и цитохрома b

9 Почему в мтДНК вообще остались какие-то гены? Почему не все гены перенеслись в ядро? Из-за разницы в генетическом коде трудно переместить некоторые гены в ядро Регуляция экспрессии генов митохондрий важна для контроля обмена веществ. На эту экспрессию могут непосредственно влиять компоненты дыхательной цепи, а также электрохимический потенциал.

10 В ходе эволюции происходило увеличение числа субъединиц в больших мультиферментных митохондриальных комплексах Это может компенсировать мутации в старых субъединицах В единственном комплексе, гены всех компонентов которого локализованы в ядре – комплексе II - не менялось число субъединиц Новые субъединицы участвуют в регуляции работы комплексов Почему новые субъединицы добавлялись в комплексы? PMID:

11 1.Митохондрии произошли от α-протеобактерий 2.Часть белков эндосимбионта до сих пор функционирует в митохондриях Большая часть предковых генов перенесена в ядерный геном В геноме митохондрий человека осталось закодировано 13 белков 3. Часть белков эндосимбионта потеряна в ходе эволюции Потеря белков митохондрией в основном происходила на ранних этапах эволюции Некоторые утраченные белки заменены неортологичными 4.В митохондриальный протеом в ходе эволюции добавились новые белки В связи с возникновением новых функций у митохондрий по сравнению с бактериальным предком В ходе эволюции происходило увеличение числа субъединиц в больших мультиферментных митохондриальных комплексах

12 МтДНК организована в ДНК-белковые комплексы – нуклеоиды. Нуклеоид содержит 1-10 копий мтДНК и белки, участвующие в репликации и транскрипции ДНК. Соматические клетки Млекопитающих содержат молекул мтДНК. The influence of ATP-dependent proteases on a variety of nucleoid-associated processes Journal of Structural Biology Volume 179, Issue 2, August 2012, Pages 181–192 Luboš Ambroa, Vladimír Pevalaa, Jacob Bauera, Eva Kutejová

13 TFAM (mitochondrial transcription factor A) участвует в пространственной организации нуклеоида: Имеет гомологию с ДНК-связывающими белками HMG (high mobility group), которые участвуют в пространственной организации ядерного хроматина. PMID:

14 TFAM (mitochondrial transcription factor A) участвует в пространственной организации нуклеоида. PMID:

15 Open circle Supercoiled circle Эти две формы составляют большинство у многоклеточных животных Head-to-tail circular dimer В клетках Млекопитающих показано наличие мтДНК в нескольких формах: PMID:

16 Catenane Их количество значительно варьирует: 10% у мыши, более 30% в клетках человека линии НЕК У мыши не обнаружено катенанов из более чем 4х молекул ДНК В человеческих клеточных линиях встречаются катенаны из 8ми молекул ДНК. У человека количество катенанов коррелирует с числом копий мтДНК. PMID:

17 Также организована мтДНК у некоторых растений, малярийного плазмодия и некоторых грибов: линейные геномы, соединенные Head-to-tail формируют многомерную сеть, в которой постоянно происходит репликация и рекомбинация. Структуры, образованные при рекомбинации найдены также в мозге человека и мыши, но не обнаружены в других тканях. МтДНК из сердца крысы, мыши, кролика, а также человеческих младенцев не образует сети, а имеет нормальную кольцевую двуцепочечную структуру. мтДНК в сердечной мышце взрослого человека организована в многомерную сеть, содержащий множество геномов. PMID:

18 1.МтДНК Млекопитающих организована в ДНК-белковые комплексы – нуклеоиды В одной клетке около 1000 нуклеоидов TFAM (mitochondrial transcription factor A) участвует в пространственной организации мтДНК в нуклеоидах 2. В клетках Млекопитающих мтДНК имеет разные формы: Open circle Supercoiled circle Head-to-tail circular dimer Catenane, в тканях человека их количество коррелирует с числом копий мтДНК мтДНК в сердечной мышце взрослого человека организована в многомерную сеть, содержащий множество линейных геномов.

19 Мт ДНК кольцевая двуцепочечная молекула. Её цепи называются L (light) и H (heavy) из-за разницы в плавучей плотности в градиенте хлористого цезия. Н-цепь богата G, в L-цепи G значительно меньше PMID:

20 Генетический код в мтДНК несколько отличается от универсального Универсальный генетический код Митохондриальный генетический код Дополнительный Met: Met способен восстанавливаться после окисления метионинсульфоксидредуктазой.

21 Существенная разница в нуклеотидном составе между двумя цепями Небольшой размер генома Некоторые кодоны редки или отсутствуют в мтДНК: Из 111 геномов: в не менее чем 76 нет одного или более кодонов (в среднем отсутствует 1.6 кодонов) В 101 хотя бы 1 кодон встречается менее трех раз (в среднем 4.3 кодона)

22 Митохондриальный геном человека содержит 37 генов: На L-цепи – 8 тРНК + 1 мРНК На Н-цепи – 2 рРНК + 14 тРНК +12 мРНК. Гены мтДНК у животных не содержат интронов. PMID:

23 1.Мт ДНК кольцевая двуцепочечная молекула. Её цепи сильно отличаются по нуклеотидному составу и называются L (light) и H (heavy) Генетический код в мтДНК отличается от универсального Некоторые кодоны редки или отсутствуют в отдельных мтДНК 2. Митохондриальный геном человека содержит 37 генов: 2 рРНК 22 тРНК 13 мРНК.

24 Генетика митохондрий МтДНК подвержена мутациям. Гомоплазмия – ни в одной молекуле мтДНК нет мутаций ИЛИ во всех молекулях мтДНК присутствует мутация Гетероплазмия – мутация присутствует в НЕКОТОРЫХ молекулах мтДНК.

25 МтДНК реплицируется в течение всего клеточного цикла, не зависимо от репликации в ядре, поэтому мутации в мтДНК при гетероплазмии накапливаются. При делении клетки с гетероплазмией возникает мозаичное распределение ДНК с мутацией.

26 Пациенты с гетероплазмией часто имеют разный уровень содержания мутантной ДНК в разных органах и даже в клетках одного органа. Дисфункция возникает при превышении определенного порога содержания мутантной мтДНК. Этот порог различен при разных заболеваниях. В среднем заболевание проявляется, когда: 50-60% мтДНК несет делецию Более 90% тРНК несет мутацию

27 При гомоплазмии все потомки больной матери будут также больными. 90% наследственной оптической нейропатии Лебера Мт ДНК передается только по материнской линии, т.к. мтДНК попадает в зиготу только из яйцеклетки, а мтДНК спермия деградирует в цитоплазме ооцита.

28 Мать с гетероплазмией может передать потомству разный уровень мутантной мтДНК, а может вообще не передать мутацию. 10% нейропатий Лебера: вероятность передачи заболевания потомству неизвестна

29 1. МтДНК в клетке может присутствовать в двух состояниях: гомоплазмия и гетероплазмия. 2. Мутации в мтДНК при гетероплазмии накапливаются. 3. При делении клетки с гетероплазмией возникает мозаичное распределение ДНК. 4. Пациенты с гетероплазмией часто имеют разный уровень содержания мутантной ДНК в разных клетках. 5. Мт ДНК передается только по материнской линии. 6. При гомоплазмии все потомки больной матери будут также больными. 7. Мать с гетероплазмией может передать потомству разный уровень мутантной мтДНК, а может вообще не передать мутацию.

30 В мт ДНК есть единственный некодирующий участок NCR (non-coding region), расположенный между генами tRNA Pro и tRNA Phe. NCR (D-loop) содержит: Ориджин репликации O H Участки регуляции репликации CSB (conserved sequence blocks) Участок терминации репликации TAS (termination- associated sequence) Промоторы для обеих цепей LSP и HSP1 NCR CSB TAS PMID:

31 В некоторых молекулах мтДНК присутствует оцДНК (650нт), которая гибридизуется с материнской L-цепью в районе NCR, при этом формируется трицепочечная структура, которая называется D-loop (displacement loop). Считается, что D-loop образован репликацией, инициированной в ОН и терминированной в TAS. PMID:

32 NCR содержит: Ориджин репликации O H и дополнительные ориджины (ori b) Участки регуляции репликации CSB (conserved sequence blocks) Участок терминации репликации TAS (termination- associated sequence). Предположительно один из белков MTERF может связываться с TAS. Промоторы для обеих цепей LSP и HSP1 Ori b PMID:

33 Репликация мтДНК DNA pol γ Mt SSB – single strand DNA binding protein Mt DNA helicase TWINKLE Topoisomerases RNase H1 PMID:

34

35 Существует 3 модели репликации мтДНК: 1.Strand displacement model - однонаправленный ассиметричный синтез 2.Strand-coupled model - двунаправленный синтез с образованием θ- cтруктур 3. RITOLS (RNA Incorporated Through Out Lagging Strand) – промежуточные продукты содержат протяженные участки РНК PMID:

36 RITOLS (RNA Incorporated Through Out Lagging Strand) COSCOFA – conventional strand-coupled Okazaki-fragment associated Как образуется РНК? Синтезируется как РНК- праймер или ранее образованная РНК продевается через репликативный комплекс, гибридизуясь с материнской цепью ДНК PMID:

37 Как образуется РНК? Синтезируется как РНК- праймер Ранее образованная РНК продевается через репликативный комплекс, гибридизуясь с материнской цепью ДНК Репликация инициируется вблизи ORI H, отстающая цепь состоит из РНК, затем заменяется на ДНК: Печень цыпленка: А+С Печень мыши: В RITOLS (RNA Incorporated Through Out Lagging Strand) PMID:

38 Recombination-dependent replication Показана у Candida, предположительно так может реплицироваться ДНК в сердце человека. PMID:

39 1. Существует 3 модели репликации мтДНК: Strand displacement model – однонаправленный ассиметричный синтез с Ori Н, затем синтез второй цепи с Ori L. Вероятно, происходит редко. Strand-coupled model - двунаправленный синтез с образованием θ-cтруктур. RITOLS – отстающая цепь синтезируется в виде РНК, которая затем заменяется на ДНК. 2. Репликация мтДНК в сердце человека, вероятно, происходит параллельно с рекомбинацией.

40 Хеликаза TWINKLE не обладает праймазной активностью => РНК- полимераза POLRMТ синтезирует РНК- праймеры для ДНК- полимеразы γ: на ORI Н : POLRMT связывается с LSP, чтобы синтезировать полноразмерный транскрипт. Он разрезается или терминируется с образованием РНК- праймера длиной нуклеотидов PMID: PMID: Инициация репликации

41 на ORI L: POLRMT синтезирует праймер длиной около 25 нуклеотидов PMID:

42 В удалении РНК-затравок участвует РНКаза Н1. Возможно также участие хеликазы DNA2 и эндонуклеазы FEN1: если Pol γ встречает на своем пути РНК-затравку, не удаленную РНКазой Н, формируется flap-структура, содержащая РНК. РНК затем удаляется хеликазой DNA2 и Flap-эндонуклеазой FEN1. Затем лигаза сшивает разрыв в цепи.

43 1. РНК-праймеры для ДНК-полимеразы γ синтезирует РНК-полимераза POLRMТ. 2. РНК-праймеры удаляются РНКазой Н1 или, возможно, с участием хеликазы DNA2 и эндонуклеазы FEN1.

44 DNA pol γ Mt SSB – single strand DNA binding protein Mt DNA helicase TWINKLE Topoisomerases RNase H1