1 Лекция 2: Митохондриальный протеом Структура мтДНК Генетика митохондрий

окислительного фосфорилирования, компоненты рибосом)

Часть белков потеряна в ходе эволюции.

Добавились новые

белки (белки системы митохондриального импорта)

Митохондрии произошли от α-протеобактерий:

PMID: 23151580
 

ранних этапах:

Из 370 белков бактериального предка 161 не найдены в

митохондриях Млекопитающих.

Из 161 потерянного белка 115 (71%) не найдены ни в одном организме => потеря произошла еще до дивергенции эукариот.

Ортологичная группа (COG): совокупность всех потомков данного предкового гена.

LECA – last eukariotic common ancestor

Opisthokonts – общий предок грибов и многоклеточных животных

PMID: 22902511

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)

polymerase γ, POLRMT и TWINKLE имеют высокую гомологию с ферментами

Т3/Т7 фагов.

PMID: 22902511 COG – кластеры ортологичных групп (генов)

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

в ядерном геноме.

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
В мт ДНК остались гены двух самых гидрофобных из всех митохондриальных белков – субъединицы 1 цитохром с оксидазы и цитохрома b

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.

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: 22902511

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
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

копий мтДНК и белки, участвующие в репликации и транскрипции ДНК.
Соматические

клетки млекопитающих содержат 1000-10.000 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
L’uboš Ambroa, Vladimír Pevalaa, Jacob Bauera, Eva Kutejová

гомологию с ДНК-связывающими белками HMG (high mobility group), которые участвуют

в пространственной организации ядерного хроматина.

PMID: 22056802

22465614

животных
Head-to-tail circular dimer

В клетках млекопитающих показано наличие мтДНК в нескольких

формах:

PMID: 21290399
 

в клетках человека линии НЕК.

У мыши не обнаружено катенанов

из более чем 4-х молекул ДНК.
В человеческих клеточных линиях встречаются катенаны из 8-ми молекул ДНК.

У человека количество катенанов коррелирует с числом копий мтДНК.

PMID: 21290399
 

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, содержащую множество молекул.

PMID: 21290399

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.

tRNAMet
PMID:24822055

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)

и H (heavy) из-за разницы в плавучей плотности в градиенте

хлористого цезия.
Н-цепь богата G, в L-цепи G значительно меньше

PMID: 22137970
 

+ 1 мРНК
На Н-цепи – 2 рРНК + 14 тРНК

+9 мРНК (из них 2 бицистронных).
Гены мтДНК у животных не содержат интронов.

PMID: 22137970
 

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

11 мРНК, кодирующие 13 белков.

40 лет назад (Arnberg et al, 1971; Kasamatsu et al,

1971; Robberson et al, 1972)

PMID:5289384

расположенный между генами tRNA Pro и tRNA Phe.
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).

PMID:24709344

в широких пределах 1-95%.

Есть организмы, у которых D-loop не

встречается – например, дрозофила.

b)

Промоторы для обеих цепей LSP и HSP1

Участки регуляции репликации CSB

(conserved sequence blocks)

Участок терминации репликации TAS (termination-associated sequence). Предположительно один из белков MTERF может связываться с TAS

Считается, что D-loop образован репликацией, инициированной в OH и терминированной в TAS.

иTwinkle

Деградация D-loop: нуклеаза MGME1

C D-loop связаны белки: PolgB и ATAD3p

(модель Strand displacement)





D-loop необходима для того, чтобы 2 вилки репликации

могли разойтись

Третья цепь ДНК в области D-loop создает более открытую конформацию ДНК, делая её доступной для ферментов

Синтез и деградация D-loop может регулировать содержание нуклеотидов в митохондрии, а этот фактор в свою очередь влияет на репликацию и другие процессы.

D-loop – элемент, необходимый для сборки нуклеоида и его связывания с внутренней мембраной через белок ATAD3p

регуляции репликации CSB, участок терминации репликации TAS

В NCR некоторых мтДНК

за счет образования 7S ДНК длиной около 650 нуклеотидов формируется трицепочечная структура, которая называется D-loop (displacement loop)

Считается, что D-loop образована репликацией, инициированной в OH и терминированной в TAS

Функции D-loop неизвестны. Они могут быть связаны с:
регуляцией репликации
рекомбинацией мтДНК
образованием открытой конформации для доступа ферментов
формированием нуклеоида и его ассоциацией с внутренней мембраной

мтДНК нет мутаций ИЛИ во всех молекулах мтДНК присутствует мутация
Гетероплазмия

– мутация присутствует в НЕКОТОРЫХ молекулах мтДНК

в ядре, поэтому мутации в мтДНК при гетероплазмии накапливаются.
При делении

клетки с гетероплазмией возникает мозаичное распределение ДНК с мутацией.

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

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.

а может вообще не передать мутацию.
10% нейропатий Лебера: вероятность

передачи заболевания потомству неизвестна

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.