Zmienność DNA pozajądrowego

Wykład XIV

DNA pozajądrowy

 ctDNA (cytoplazmatyczny =

pozajądrowy)

• mtDNA (mitochondrialny)
• cpDNA = chlDNA (chloroplastowy)

CECHY mtDNA

• mała cząsteczka, od 16-20 tys.pz
• charakter haploidalny
• kolisty, czysty (bez histonów)
• Zasadniczo brak intronów (u niższych

eukariotów są), DNA repetytywnego,

pseudogenów i elementów ruchomych

• brak zmetylowanych zasad

• region kontrolny (pętla D, D loop)

zawiera operon do replikacji i
transkrypcji

• układ genów swoisty dla dużych

grup systematycznych (owady,
nicienie, kręgowce)

• dziedziczy się po matce
• nie podlega rekombinacji
• szybkie tempo gromadzenia
mutacji

• mtDNA wyłamuje się z reguły uniwersalności

kodu genetycznego

AGA i AGG = stop (w jądrowym Arg)
AUA = Met (w jądrowym Leu)
AUA i AUU = kodon inicjujący (AUG w

jądrowym)

• geny mitochondrialne nie mają wspólnej

przeszłości z genami jądrowymi – konsekwencja

endosymbiotycznego pochodzenia

• Pętla D składa się z 1 274 pz i zawiera

operon do replikacji łańcucha H i

transkrypcji łańcucha L i H

• Replikacja mtDNA u ssaków zachodzi w

sposób asynchroniczny:

- każda z dwu nici (H bogata w puryny i L

bogata w pirymidyny) miejsce inicjacji ma

w innym regionie - najpierw replikuje się

nić H

- gdy zreplikuje się około 70%
nici H - rozpoczyna się synteza
nici L.

Transkrypcja nici H

przebiega zgodnie z ruchem

wskazówek zegara, a nici L

odwrotnie.

• mtDNA koduje:
- 22 rodzaje tRNA
- 2 rodzaje rRNA
- 13 białek łańcucha oddechowego:
     cytochrom b
     3 podjednostki oksydazy
      cytochromowej
     2 podjednostki syntazy ATP
     7 podjednostek
     dehydrogenazy

    Polimorfizm mtDNA u
człowieka

• Znana

jest

kompletna

sekwencja

ludzkiego mtDNA (od 16 558 do 16 576

pz, 657 miejsc polimorficznych, w tym

141 w regionie kontrolnym).

• Na podstawie badań sekwencji wykryto

w polskiej populacji 2 europejskie typy

mtDNA i jeden kaukazki.

• Liczba wykrywanych typów mtDNA jest

zależna od 2 czynników:

- liczby badanych miejsc restrykcyjnych
- stopnia zmienności mtDNA w obrębie

populacji

Przyczyny częstych mutacji w

mtDNA

• mniejsza wydajność systemu naprawczego
• większa częstość replikacji
• zwiększenie tolerancji na substytucje w

terminalnym nukleotydzie kodonu

• nie chroni go struktura chromatynowa
• mutaganami są wolne rodniki
powstające jako uboczny
produkt oddychania

• Efekt mutacji mtDNA w fenotypie
zależy od:
- procentu zmutowanych cząsteczek u

danej osoby

- do jakiej tkanki trafią większe ilości

cząsteczek zmutowanych

• Efekt mutacji częściej pojawia się u

osób starszych

• Najszybciej mutuje region kontrolny

czyli pętla D

• W regionie pętli D wyróżnia się

obszary (segmenty) o dużej
zmienności = sekwencje
Andersona.

• Zmienność w obrębie tych

sekwencji pomiędzy osobnikami
niespokrewnionymi wynosi 3%.

• Region ten jest wykorzystywany

do identyfikacji osobników np. ze
śladów biologicznych oraz do
ustalania pokrewieństwa

Przykłady chorób

mitochondrialnego DNA

• Choroba Parkinsona
• CPEO (chroniczny postępujący paraliż

mięśni oka)

• Cukrzyca
• Dystonia
• Zespół Lebera (neuropatia
oczna) – mutacja w genie
12SrRNA, zwykle 100%
cząst. mtDNA jest zmutowanych

Zmiany w mt DNA mogą być także

wywoływane przez mutację w genach

jądrowych - kodujących białka

strukturalne mitochondriów lub białka

związane z regulacją ich funkcji.

• W chorobach wynikających ze zmian w

mtDNA dziedziczonych w sposób

matczyny stwierdza się różnorodność

objawów wśród tej samej rodziny,

• gdyż w komórce najczęściej koegzystują

ze sobą DNA niosące patogenną mutację

i DNA niezmutowane i jest to tzw.

heteroplazmia.

CECHY cpDNA

• występuje w chloroplastach i innych

plastydach

• podobny do bakteryjnego
• Wielkość od 140 do 200 kpz (zależy

od gat.)

• kolisty
• „czysty” (nie tworzy
kompleksów z histonami)
• brak zmetylowanych zasad
• rybosomy 70S

• cpDNA koduje:
- rRNA (16S, 5S, 4,5S, 23S)
- tRNA (dla 32 tRNA u Marchantia polymorpha)
- syntetazy aminoacylo-tRNA
- polimerazy RNA, DNA oraz białka niezbędne do

replikacji DNA i ekspresji genów

- białka rybosomalne
- białka bezpośrednio
związane z fotosyntezą
(białka wiążące chlorofil,
białka cytochromu b,f itp.)
Większość (2/3) białek
Chloroplastowych
Jest kodowana w DNA
jądrowym,.

Pochodzenie mtDNA i cpDNA

• Teoria endosymbiozy
Mitochondria i chloroplasty powstały na

drodze endosymbiozy, w którą weszły

bakterie wolnożyjące na bardzo wczesnym

etapie ewolucji z progenotami czyli

przodkami komórek Eucaryota.

Teoria ta opiera się na większym
podobieństwie budowy
i ekspresji genów tych organelli
do bakterii niż do eukariotów

SYSTEMY NAPRAWCZE DNA

• Zmiany w składzie lub w strukturze DNA

(powstają na skutek mutacji, błędów w
replikacji i rekombinacji) są naprawiane
przez SPECJALNY SYSTEM ENZYMÓW
NAPRAWCZYCH

• Procesy reperacyjne DNA zachodzą:
- w okresie przedreplikacyjnym
- w czasie replikacji
- w okresie postreplikacyjnym

• Reperacja uszkodzeń DNA

wywołanych mutagenami

chemicznymi:

- zasady azotowe po dezaminacji mogą

samorzutnie oddysocjować

- mogą być wycinane endonukleazami
- uzupełnienie przez polimerazę DNA
- pęknięcia zespalane przez ligazy
• Reperacja uszkodzeń DNA

wywołanych mutagenami fizycznymi

- UV-dimery (fotodimery) są usuwane

przez fotoliazę

- przez UVr-endonukleazy

Uvr-endonukleazy, kompleks enzymów, z których
jeden (uvrA) koduje biało rozpoznające uszkodzony
nukl. (dimer pirymidynowy)

• Inne, uvrB i uvrC wycinają w
• odległości 7pz na końcu 5’ i
• w odl. 5pz na koncu 3’,
• Ten odcinek 12pz jest usuwany
• przez helikazę kod.
• przez gen uvrD,
• Teraz polimeraza DNA i ligaza