Пример генотипической предетерминации цитоплазмы

Наследование направления завитка раковины у пресноводного моллюска прудовика (Limnaea). Встречаются раковины двух типов: левозакрученные и правозакрученные. Направление закручивания раковины определяется одной парой аллелей: правозакрученность D доминирует над левозакрученностью d.

При реципрокных скрещиваниях гибриды F₁ , имеющие один и тот же генотип Dd, различаются по фенотипу. В скрещивании ♀DD х ♂dd все гибридные особи имеют материнский тип завитка – правозакрученные раковины. В скрещивании ♀dd х ♂DD потомство также имеет материнский тип завитка, т.е. левозакрученную раковину.

При этом типе наследования фенотип потомков соответствует генотипу матери, в не генотипу зигот, их которых они развиваются, т.е. организм матери воздействует на цитоплазму яйцеклетки еще до ее оплодотворения через белки, поступающие из окружающих ее клеток. Результатом этого воздействия является та или иная ориентация митотического веретена при втором делении дробления, т.е. определенное расположение центриолей. А от этого в конечном счете зависит направление завитка раковины.

Ну и, наконец, известны примеры псевдоцитоплазматической наследственности, когда через цитоплазму передаются различные субмикроскопические инфекционные частицы (вирусы, бактерии, риккетсии), которые могут размножаться в цитоплазме и тем самым имитировать цитоплазматическое наследование.

Примеры:

1) у мышей некий вирус вызывает рак молочной железы; передается по материнской линии через молоко (фактор молока);

2) безсамцовые линии у дрозофилы – в их клетках живет спирохета, вызывающая гибель самцов на стадии зародыша;

3) у парамеций в цитоплазме имеются включения (риккетсии), названы каппа - частицами: продуцируют парамецин, который убивает инфузорий, не несущих каппа-частиц.

Геном митохондрий

Митохондрии – «энергетические станции» клетки, ответственные за продукцию АТФ путем окислительного фосфорилирования (ОФ). Внутренняя мембрана митохондрий образует кристы, на которых располагаются грибообразные АТФ-сомы. В них-то и содержатся белки ОФ, в том числе АТФ-синтетаза.

Большинство полипептидов, участвующих в процессе ОФ, а их более 70, кодируются ядерной ДНК. После сборки на рибосомах клетки (80S) они транспортируются в митохондрии. Лишь небольшое число полипептидов (около 10) кодируется митохондриальным геномом.

В отличие от белков, все транспортные РНК (22 типа), участвующие в синтезе белка in situ, являются продуктом самих митохондрий. Кроме того, митохондриальная (мтДНК) кодирует два типа рРНК.

ДНК в митохондриях двуспиральная, кольцевая, суперскрученная и, как правило, имеет большее содержание G C-пар, чем ядерная.

У животных размер мтДНК обычно менее 20 тпн: у человека – 16 569 пн, у дрозофилы – 18 400 пн. У дрожжей размер мтДНК существенно больше – около 80 тпн, а у растений еще больше – 100 – 2000 тпн.

В матриксе митохондрии есть нуклеоиды, подобные таковым в бактериальных клетках, каждый из которых содержит по нескольку копий мтДНК: например, в клетках дрожжей каждая митохондрия имеет 10-30 нуклеоидов, и в каждом находится 4-5 молекул ДНК. Поскольку у дрожжей в одной клетке содержится от 1 до 45 митохондрий, в ней может быть от 40 до 6750 молекул, т.е. суммарное количество мтДНК в клетке может достигать 540 000 тпн, что примерно в 40 раз больше количества ядерной ДНК(13990 тпн).

Всего в диплоидных клетках дрожжей S. cerevisiae имеется 16 пар хромосом. Хромосомы дрожжей очень маленькие (от 229 до 1530 тпн), их даже нельзя увидеть в световой микроскоп. В геноме дрожжей выявлено 6085 генов, т.е. ~ 1000 пн на 1 ген. Геном E.coli – 4639 тпн и ~ 4290 генов.

Теперь более подробно о митохондриальной ДНК человека. Она представляет собой замкнутую двухцепочечную спираль. Цепи сильно различаются по содержанию нуклеотидов G и C, причем гуанин-богатая тяжелая цепь (Н) – это главная кодирующая цепь, содержащая гены рРНК, большинства белков и тРНК, в то время как цитозин-богатая легкая цепь (L) включает лишь один структурный ген белка (ND6) и 8 из 22 генов тРНК. Всего имеется 37 митохондриальных генов (13 генов белков ОФ, 2 гена рРНК и 22 гена тРНК).

Интересно, что митохондриальный геном млекопитающих по по своей структуре имеет большее сходство с геномом прокариот, чем с геномом эукариот: митохондриальные гены лишены интронов и транскрибируются двумя большими блоками всего лишь с двух промоторов в виде двух длинных информационных РНК. Гены тРНК располагаются между структурными генами, отделяя их друг от друга.

Репликация и транскрипция начинаются в контрольном районе (КР), который состоит из 1122 пн. В этом районе сконцентрировано большинство регуляторных, т.е. некодирующих последовательностей.

Данные по секвенированию индивидуальных мтДНК из разных популяций человека выявили высокую степень вариабельности контрольного района. Гипервариабельные сегменты составляют в нем примерно 710 пн.

Репликация Н-цепи мтДНК начинается с синтеза 7S ДНК- короткого сегмента, который сразу же спаривается с родительской цепью. В результате образуется трехцепочечный район- так называемая Д-петля. Пройдя 2/3 генома вдоль L–цепи, репликация достигает точки инициации репликации легкой цепи (О_L). Синтез L-цепи идет в обратном направлении вдоль матрицы Н-цепи. Разнонаправленность и асинхронность –отличительные особенности процесса репликации митохондриальной ДНК.

Транскрипция митохондриального генома человека также имеет свои особенности. Каждая цепь считывается, начиная с соответствующего промотора Р_L,Р_H1 и P_H2 ,которыерасположены в контрольном районе.

Сначала особый белок расплетает мтДНК. Специфическая мтРНК-полимераза движется вдоль расплетенной цепи и образует 2 протяженные молекулы полицистронной мРНК. Затем специфическая эндонуклеаза разрезает полицистронную РНК, высвобождая рибосомальные, транспортные и матричные РНК.

Трансляция митохондриальной мРНК происходит на 55S рибосомах митохондрий, каждая из которых состоит из одной большой (39S) и одной малой (28S) субъединиц. Полисомы здесь не образуются.

Митохондриальная ДНК млекопитающих имеет уникальный, отличный от ядерного генетический код, где, например, UGAкодирует триптофан, AGA и AGG являются стоп-кодонами.

Геном хлоропластов

Геномы хлоропластов и митохондрий похожи. ДНК хлоропластов (хпДНК) тоже двунитчатая, кольцевая, сверхскрученная. Размеры молекулы хпДНК составляют 80-600 тпн.

Число копий хпДНК на одну клетку, например, в листьях свеклы, составляет 4-8 на нуклеоид, при этом 4-18 нуклеоидов находятся в одном хлоропласте, а в клетке – примерно 40 хлоропластов. В итоге в каждой клетке может быть до 6000 молекул хпДНК.

Геномы хлоропластов у высших растений варьируют по длине, но имеют общие черты. В геноме есть так называемые инвертированные повторы (IR_A иIR_B). Гены, находящиеся в составе этих повторов, присутствуют в геноме в двух копиях, в их число входят гены всех 4-х рРНК. Более короткая область ДНК, расположенная между инвертированными повторами, называется «короткая однокопийная последовательность», или SSC (short single cоpy sequence), а с противоположной стороны находится LSC (long single copy sequence» - «длинная однокопийная последовательность».

Рассмотрим в качестве примера генетическую карту хлоропластной ДНК печеночного мха Marshantia polymorpha. Синим цветом показаны гены, кодирующие продукты, участвующие в трансляции (rpl и rps- белки большой (large) и малой (small ) субъединиц рибосом; 4.5; 5; 16 и 23S – рРНК); красным – гены субъединиц РНК – полимеразы; зеленым- гены белков фотосинтеза; желтым- ген пермеазы. Имеются также гены 32-х типов тРНК (на схеме не показаны). Часть белков, необходимых для фотосинтеза и других функций хлоропластов, поступает из клетки.

В некоторых генах, кодирующих белки и тРНК, найдены интроны. Все мРНК, которые образуются в геноме хлоропластов, транслируются на собственных рибосомах хлоропластов.

В заключение необходимо сказать, что геном митохондрий и пластид называется плазмон, в отличие от генома ядерного, а их гены – плазмогены.

Лекция № 8

Тема лекции: Основные закономерности изменчивости

План лекции:

1. Классификация типов изменчивости

2. Мутационная теория де Фриза

3. Множественный аллелизм

4. Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости
Н.И. Вавилова

5. Классификация мутаций

6.Плейотропный эффект мутаций

7. Экспрессивность и пенетрантность мутаций

8. Условные мутации

9. Методы учета мутаций

10. Спонтанные и индуцированные мутации

11. Генные мутации