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 ~80 kb Plants ~100 kb to 2 Mb (lots of non-coding mtDNA)

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 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 Quando un eteroplasmon si divide per via asessuale, le cellule figlie contengono solo uno o l’altro tipo di organelli Nello zigote di un organismo eterogametico, tutto il citoplasma deriva dall’uovo della madre

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 mat- va 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