Il DNA mitocondriale, Dispense di Biologia Animale

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Il mitocondrio

Il genoma mitocondriale Esistono geni che risiedono al di fuori del nucleo che non utilizzano la segregazione associata al fuso meiotico o mitotico per distribuire copie di sé ai gameti o alle cellule figlie, rispettivamente Eredità non mendeliana = geni degli organelli che vengono ereditati indipendentemente dai geni nucleari Genoma del mitocondrio e del cloroplasto Genoma del mitocondrio e del cloroplasto == molecola di DNA soggetta a proprie forme di espressione e di regolazione. Codifica di norma tutti gli RNA e solo alcune delle proteine essenziali per la perpetuazione dell’organello

Eredità del DNA mitocondrialeEredità del DNA mitocondriale

Nell’uomo i mitocondri sono ereditati per linea materna. In assenza di mutazioni, ciascuno eredita un DNA identico a quello della madre Nella 2° generazione e in quelle successive, solo i discendenti per linea materna condividono lo stesso DNA mitocondriale Ipotesi di una antenata comune

Il genoma mitocondriale Forma I genomi degli organelli finora caratterizzati hanno la forma di una molecola circolare di DNA Qualche eccezione è rappresentata da alcuni eucarioti inferiori in cui il DNA mitocondriale è in forma di molecola lineare Numero Ogni organello possiede varie copie del suo specifico genoma (da 2 a 10). Ogni cellula contiene varie centinaia di mitocondri, con numero variabile in base al tessuto e alle esigenze dell’organismo

DNA mitocondriale umanoDNA mitocondriale umano

Nell’uomo il DNA mitocondriale è composto da 16,569 basi Transfer RNA genes Ribosomal RNA genes Complex III genes (cytochrome bc 1 complex) Complex IV genes (cytochrome c oxidase) Complex I genes (NADH dehydrogenase) Complex V genes (ATP synthase)

DNADNA mitocondrialemitocondriale umanoumano

22 geni per tRNA 2 geni per rRNA 13 regioni codificanti per proteine Tutti i polipeptidi prodotti nei mitocondri non sono enzimi completi ma subunità di complessi multimerici utilizzati per il trasporto di elettroni e per la sintesi di ATP.

DNA mitocondriale (mt DNA)

• D-loop (ansa di dislocazione): sito di controllo per la replicazione e la trascrizione. O H ,: origine di replicazione per il filamento pesante
• HSP, LSP: promotori per i filamenti pesante e leggero
• TFAM, Mt3,4 (fattori di trascrizione che legano i promotori nel D-loop
• TFAM è essenziale (il topo knock-out non sopravvive) Transfer RNA genes Ribosomal RNA genes Complex III genes (cytochrome bc 1 complex) Complex IV genes (cytochrome c oxidase) Complex I genes (NADH dehydrogenase) Complex V genes (ATP synthase)

DNA mitocondriale: regioni variabilDNA mitocondriale: regioni variabil

In Scienze forensi si utilizzano due regioni polimorfiche, (HV1 e HV2) costituenti il D-loop mitocondriale, lunghe complessivamente circa 600 bp

©Elio Messi, Università di Milano, 2002 Genoma mitocondriale DNA circolare a doppia elica, in copie multiple Non ci sono istoni Eredità citoplasmatica (per via materna) Alcune diversità nel codice genetico Codici mitocondriali Codon codice mammiferi Drosofila lieviti piante “universale” UGA STOP Trp Trp Trp STOP AUA I le Met Met Met I le CUA Leu Leu Leu Thr Leu AGA Arg Stop Ser Arg Arg

Replicazione del DNA

mitocondriale

Replicazione del DNA

mitocondriale

POLG = DNA polimerasi gamma Presenta similarità con la DNA polimerasi I di Escherichia Coli. Le regioni conservate includono il dominio COOH terminale responsabile dell’attività polimerasica e il dominio terminale NH 2 con attività esonucleasica 3’-5’ coinvolto nella correzione delle bozze. POLG2 = una subunità accessoria di POLG. E’ coinvolta nel riconoscimento del primer dell’ansa D e guida la subunità catalitica verso il 3’OH del primer. POLG e POLG2 formano un enzima stabile, ad alta fedeltà, con alta

Trascrizione del DNA mitocondrialeTrascrizione del DNA mitocondriale

Il DNA mitocondriale umano viene trascritto in un unico trascritto primario In seguito a processi maturativi sono rilasciati rRNA, tRNA e mRNA Il DNA mitocondriale è la struttura eucariotica che presenta la più alta analogia con l’operone batterico

Trascrizione del DNA mitocondrialeTrascrizione del DNA mitocondriale

TFAM = Fattore A di trascrizione mitocondriale. Insieme ad altre proteine determina l’inizio della trascrizione. Si lega ad intervalli regolari lungo la maggior parte dell’ansa D. Appartiene alla famiglia delle proteine HMG-box (alta mobilità). Le proteine HMG-box si pensa attivino la trascrizione del DNA aprendo le due eliche a valle del loro sito di legame. L’RNA polimerasi mitocondriale è stata indentificata in una varietà di specie incluso l’uomo. Studi effettuati nei mammiferi e nel lievito dimostrano che l’enzima richiede uno o più fattori sigma-like per legare in maniera specifica il promotore.

I mitocondri dei mammiferi

posseggono il sistema completo di

riparo per escissione di una base.

Gli altri meccanismi di riparo

presenti nel nucleo non sono stati

ancora identificati.

E’ altrettanto possibile che esista

un meccanismo di ricombinazione,

ma non sono state ancora

identificate le proteine coinvolte in

questo processo.

Riparo e ricombinazione

del DNA mitocondriale

Riparo e ricombinazione

del DNA mitocondriale

Le condizioni all’interno dell’organello sono diverse da quelle nel nucleo Il DNA dell’organello evolve ad un tasso distinto da quello nucleare Nei mammiferi il DNA mitocondriale accumula mutazioni più rapidamente di quello nucleare a causa dell’elevato numero di replicazioni, dell’assenza di istoni e di meccanismi di riparo. Il tasso di mutazione è 17 volte più grande rispetto a quello del DNA nucleare La quantità del DNA mitocondriale è l’1% del DNA nucleare Il DNA mitocondriale duplica durante tutta l’interfase, indipendentemente da quello nucleare. Nel corso della mitosi ogni cellula figlia riceve approssimativamente lo stesso numero di mitocondri

nDNA e mtDNA