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DNA EXTRANUCLEARE
GENOMA CLOROPLASTI
GENOMA MITOCONDRI
Origin of mitochondria and
chloroplasts:
Both mitochondria and chloroplasts are
believed to be derived from:
Endosymbiotic bacteria = free-living
prokaryotes that invaded ancestral
eukaryotic cells and established a
mutually beneficial relationship.
Mitochondria - derived from a
photosynthetic purple bacterium
that entered a eukaryotic cell >
billion years ago.
Chloroplasts - derived from a
photosynthetic cyanobacterium.
Many (most) required mitochondria and
chloroplast proteins are coded by
nuclear genes in the nuclear
genome.
Organization of the mtDNA genome:
•
mtDNAs occur in all aerobic eukaryotic cells and generate energy for
cell function by oxidative phosphorylation (producing ATP).
•
Most mtDNA genomes are circular and supercoiled (linear mtDNAs
occur in some protozoa and some fungi).
•
In some species %GC is high, allowing easy separation of pure mtDNA
from nuclear DNA by gradient centrifugation.
•
mtDNAs lack histone-like proteins (like bacteria).
•
Copy number is high, multiple genomes per mitochondria and many
mitochondria per cell (makes mtDNA easy to isolate and PCR).
•
Size of mtDNA varies widely.
•
Humans and other vertebrates
~16 kb
(all of the mtDNA codes gene products)
•
•
Yeast
Plants
(lots of non-coding mtDNA)
~80 kb
~100 kb to 2 Mb
Replication of the mtDNA genome:
• Replication is semi-conservative (like nuclear
DNA replication) and uses DNA polymerases
specific to the mitochondria.
• Occurs throughout the cell-cycle (not just S
phase).
• Mitochondria (organelle) are not synthesized
de novo, but grow and divide like other cells
(e.g., mitosis).
mtDNA replication
Contents of the mtDNA genome:
•
mtDNA contains genes for:
•
•
•
•
tRNAs
rRNAs
cytochrome oxidase, NADH-dehydrogenase, &
ATPase subunits.
Mitochondria’s genetic information also occurs in the
nuclear DNA:
•
•
•
•
DNA polymerase, replication factors
RNA polymerase, transcription factors
ribosomal proteins, translation factors, aa-tRNA
synthetase
Additional cytochrome oxidase, NADH, ATPase
subunits.
Transcription of the mtDNA genome:
•
mRNAs from the mtDNA are synthesized and
translated in the mitochondria.
•
Gene products encoded by nuclear genes are
transported from the cytoplasm to the mitochondria.
•
Mammalian and other vertebrate mtDNAs are
transcribed as a single large RNA molecule
(polycistronic)
•
In plants and yeast (mtDNA is much larger):
•
•
•
Gaps between genes are large
Introns occur (do not occur in animal mtDNA)
Transcription is monocistronic
Translation of the mtDNA genome:
• Mitochondria mRNAs do not have a 5’ cap
(yeast and plant mt mRNAs have a leader).
• Specialized mt initiation factors (IFs),
elongation factors (EFs), and release factors
(RFs) are used for translation.
• AUG is the start codon (binds with fMet-tRNA
like bacteria).
• Only plants use the “universal” genetic code.
Codes for mammals, birds, and other
organisms differ slightly.
il C.G. è composto da triplette nucleotidiche. Tre nucleotidi di un mRNA
specificano un aminoacido in un prodotto polipeptidico; ogni codone è quindi
costituito da tre ribonucleotidi.
il C.G. non è sovrapposto. Ogni nucleotide dell’mRNA appartiene soltanto ad
un codone (fanno eccezione rari casi di geni sovrapposti).
il C.G. è privo di interpunziioni. Non ci sono forme di punteggiatura nelle
regioni codificanti: durante la traduzione i codoni sono letti consecutivamente.
il C.G. è degenerato. Tutti gli aminoacidi, eccetto due, sono specificati da più
di un codone.
il C.G. è ordinato. I diversi codoni che specificano per lo stesso aminoacido o
per aminoacidi con proprietà chimiche simili differiscono , di solito, per un
singolo nucleotide.
il C.G. contiene codoni di inizio (AUG) e di termine (UAA; UAG; UGA).
il C.G. è quasi universale. Con pochissime eccezioni (mitocondri dei
mammiferi, dei lieviti e di altri organismi), i codoni hanno lo stesso significato –
specificano per lo stesso aminoacido – in tutti gli organismi viventi, dai virus alle
piante, agli esseri umani.
CODICE MITOCONDRIALE
PIANTE
Mutanti mtDNA: quando una cellula di tipo selvatico produce un
mutante petite, il suo mtDNA può presentare la delezione di un
lungo tratto. La regione di mtDNA che rimane nel petite (D o F)
viene amplificata mediante duplicazioni in tandem, per cui si
forma un cromosoma di lunghezza approssimativamente normale
Useful applications of mtDNA:
•
Easy to isolate and PCR (high copy #).
•
Most mtDNA is inherited maternally. Can be used to
assess maternal population structure (to the exclusion
of male-mediated gene flow)
•
Because it is “haploid” effective population size of
mtDNA is smaller that of a nuclear gene.
•
As a result, mtDNA substitutions fix rapidly and
typically show higher levels of polymorphism.
Useful for:
•
•
•
•
Maternity analysis
Phylogenetic systematics
Population genetics (and conservation genetics)
Forensics (maternal ID)
DNA dei CLOROPLASTI
Chloroplast genomes (cpDNA):
•
Chloroplast organelles are the site of photosynthesis
and occur only in green plants and photosynthetic
protists,
•
Like mtDNA, chloroplast genome is:
•
•
•
Circular, double-stranded
Lacks structural proteins
%GC content differs
•
Chloroplast genome is much larger than animal
mtDNA, ~80-600 kb.
•
Chloroplast genomes occur in multiple copies and
carry non-coding DNA.
•
Complete chloroplast sequences have been determined
for several organisms (tobacco 155,844 bp; rice
134,525 bp).
GENOMA Marchantia
polymorpha 121 kb
cpDNA organization:
• Nuclear genome encodes some chloroplast
components, and cpDNA codes the rest,
including:
• 2 copies of each chloroplast rRNA (16S,
23S, 4.5s, 5S)
• tRNAs (30 in tobacco and rice)
• 100 highly conserved ORFs (~60 code for
proteins required for transcription,
translation, and photosynthesis).
• Genes are coded on both strands (like
mtDNA).
cpDNA of rice
cpDNA translation- similar to
prokaryotes:
• Initiation uses fMet-tRNA.
• Chloroplast specific IFs, EFs, and
RFs.
• Universal genetic code.
Rules of non-Mendelian inheritance for mtDNA
and cpDNA:
• Ratios typical of Mendelian segregation do
not occur because meiotic segregation is not
involved.
• Reciprocal crosses usually show uniparental
inheritance because zygotes typically receive
cytoplasm only from the mother.
• Mechanisms that degrade paternal
mtDNA/cpDNA exist.
Examples of non-Mendelian inheritance:
•
Mutant [poky] Neurospora possess altered mtDNA cytochrome
complements that lead to slow growth.
•
[poky] phenotype is inherited with the cytoplasm.
protoperitheca (sexual mating type)
conidia
(asexual mating type)
Reciprocal crosses of poky and wild-type Neurospora.
MUTAZIONI DNA
CLOROPLASTI
Mutazioni in geni nucleari possono portare a foglie di
colore bianco (albine, muoiono ad esaurimento nutrienti
contenuti nel seme)
Es. in mais: C/c X C/c, ¼ progenie è c/c, bianca. Queste
mutazioni possono coinvolgere la sintesi della clorofilla
Mutazioni cpDNA: modello che spiega la
generazione di una delezione mediante il
crossing over in una ripetizione diretta
Destino genetico di una mutazione
nel DNA di un organello
Eteroplasmon:
cellula con DNA
normali e mutanti
Nello zigote di
un organismo
eterogametico,
tutto il
citoplasma
deriva dall’uovo
della madre
Quando un
eteroplasmon
si divide per via
asessuale, le
cellule figlie
contengono
solo uno o
l’altro tipo di
organelli
Examples of non-Mendelian inheritance:
•
Variegated-shoot phenotypes in four o’clocks
Mixed chloroplasts
White/green
Mutant chloroplast
White
non-photosynthetic
Normal chloroplast
Green
photosynthetic
Modello che spiega i risultati ottenuti dagli
incroci in Mirabilis jalapa relativamente
all’eredità autonoma dei cloroplasti
Chloroplasts are inherited
via the seed cytoplasm
3 types of eggs (female):
Normal
Mutant
Mixed
Assumption:
Pollen (male) contributes
no information
Eredità uniparentale in Chlamydomonas reinhardtii (protista
fotosintetico): Ruth Sager isolò nel 1954 un mutante sensibile
alla streptomicina (sms) che mostrava un pattern di eredità
inatteso. Sm-r mat+ x sm-s mat- =
tutta progenie sm-r; sm-s mat + x sm-r mat- = tutta progenie
sm-s
Sager dedusse che in Chlamydomonas
doveva esistere un misterioso “genoma
uniparentale” ossia un gruppo di geni
che avevano trasmissione uniparentale
attraverso il genitore mat +, in tutti gli
incroci.
Questo misterioso genoma è il DNA del
cloroplasto (cpDNA). Si dimostrò che
nello zigote il cpDNA del genitore matva per qualche ragione distrutto!!
Sterilità maschile
citoplasmatica
 La sterilità maschile nelle piante è
spesso di origine citoplasmatica e viene
trasmessa per via materna. Le piante
portatrici di sterilità maschile non
producono polline funzionale. La sterilità
maschile citoplasmatica viene sfruttata in
agricoltura per la produzione di seme
ibrido che dà origine a piante più alte e
vigorose