VANJEDARNO NASLEĐIVANJE

Mitohondrijalni genom je najčešće cirkularni molekul DNK kojih u svakoj mitohondriji ima 5-20 kopijaa u ćeliji ima puno mitohondrija (humane ćelije jetre imaju oko 100 mt, a zrelo jaje i 10 miliona).Veličina mtDNK varira izmedju vrsta, ali je konstantna unutar vrste.Mitohondrijalna DNK viših eukariota je molekul od oko 13 000 -18 000 nukleotida, sa malo gena i uglavnom ne sadrži nekodirajuće regioneHumani mt genom ima samo 37 gena koji daju samo 13 od preko 80 subjedinica ATP kompleksa. Populacije mogu biti i visoko polimorfne za mtDNK. Genetička šifra je nešto drugačija kod mt genoma, izrodjenost koda je veća,transkripcija i translacija su specifične

• Kontrolni region je glavni regulatorni region i jedini nekodirajući u mtDNK životinja, najvarijabilniji. Sadrži početak replikacije i promotore za transkripciju Nalazi se između tRNAglu i tRNAphe kod većine ptica, kod kojih varira u dužini od 1028 bp kod Struthio camelus do 1580 bp kod Cyanoramphus auriceps, a kod sisara između 880 i 1400 bp. Variranje u dužini je usled variranja u broju tandemskih ponovaka i malih insercija/delecija obično na 5’ i 3’ krajevima kontrolnog regiona.

• velika baza mtDNK sekvenci za citohrom c oksidazu I se razvija sa ciljem da olakša inventarisanje biodiverziteta, konzervaciju i detekciju ilegalne trgovine vrstama

Genom hloroplasta je cirkularan i varira medju vrstama po veličini, generalno 8 do 10 puta veći i sa više gena od genoma mt kod životinja. Tipični genom hloroplasta ima oko 110 gena od kojih oko 50 daju produkte za fotosintezu. Karakteristično je za cp genom da ima ponavljajuće sekvence i duplicirane gene. Rekombinacija izmedju dupliciranih regiona daje veću varijabilnost. Broj hloroplasta po ćeliji varira izmedju vrsta i tkiva unutar jedinke.

funkcije produkata sa mt DNK, cpDNK

• Respiratorni lanac, proces oksidativne fosforilacije, fotosinteza• Posledica mutacija – pad energije potrebne za odvijannje biohemijskih

reakcija• mtDNK čoveka: 13 subjedinica respiratornog lanca – 5 proteinskih

kompleksa7 subjednica kompleksa I (NADH dehidrogenaze)3 subjedinica kompleksa IV (citohrom c oksidaze)2 subjedinice kompleksa V (ATP sintaze)citohrom b (subjedinica kompleksa III)

tRNK za svaku amino kiselinu12S i 16S rRNK za mitohondrijalne ribozome

Maternal Inheritance of mtDNA

Smeđe – citoplazma sa poky determinantama, zeleno – “normalna”Različiti rezultat se dobija pri recipročnom ukrštanju 2 tipa NeurosporaSitna ili normalna veličina kolonija je determinisane genima u citoplazmi

MATERINSKO NASLEĐIVANJE (UNIPARENTALNO)ad- ad+ su aleli jedarnih gena koji segregiraju mendelovski očekivano

Autonomno nasleđivanje hloroplasta

Jajna ćelija ima puno cp genomaPolen nema cp genome

Oboljenja kod ljudi i defekti na mtDNK(mitohondrijalne citopatije)

• ćelije obolelih osoba su mešavina mutantnih i normalnih mitohondrija - heteroplazmija.

• broj mutantnih mitohondrija korelisan je sa napretkom oboljenja – efekat „sa pragom” • Usled heteroplazmije, citoplazmatske segregacije i efekta sa pragom, kod članova jedne

porodice oboljenja vezana za mutacije na mtDNK mogu biti razlčito izražena, od najslabijih do najjačih simptoma.

• Organi koji su najviše pogodjeni mutacijama su nervi i mišići, tj. oni koji zahtevaju visoku energiju

• većina delecija na mtDNK je de novo po nastanku i ne nasledjuje se materinski. • oboljenja koja se nasledjuju materinski, preko mitohondrija:• LHON (Leberova nasledna optička neuropatija) javlja se u srednjim

godinama života kao potpuno ili delimično slepilo usled degeneracije optičkog nerva. Uzrok je 18 tačkastih mutacija genima u mtDNK koji kodiraju za proteine uključene u transportu elektrona. Defekti u ovom transportu rezultuju u inhibiciji oksidativne fosforilacije ATP.

• KEARNS-SAYRE SINDROM je encefalopatija, oboljenje mozga. Uzrok su duge delecije na različitim mestima mtDNK

•

•MERRF mioklonična epilepsija i iskrzana crvena mišićna vlakna • mitohondrije poprimaju abnormalni izgled. Uzrok je jedna nukleotidna zamena u genu za tRNK.

nesposobnost mitohondrija da produkuju dovoljne količine ATPnedostatak energije uzrokuje smrt ćelija i degeneracija nervnog i mišićnog tkiva. Heteroplazmične jedinke imaju prag od oko 65% mutantnih mitohondrija za nastanak simptoma

Otkrivanje procenta sa mutantnim alelom pomaže u analizama pedigrea.

mitohondrije i starenje

• Dijabetes, demencija, slabost mišića, gubitak vida i sluha, ataksija

• Akumulacija mutacija u mtDNK

• Toksini, slobodni radikali, akumulacija oštećenja mtDNK

• Respiratorni lanac slabi sa starošću u mozgu, mišićima skeleta, srcu i jetri

upotreba mtDNK u forensici

mtDNK se koristi kada su biološki ostaci degradirani ili u malim količinama– kosa, dlake, kosti, zubi

• 610 bp mtDNK iz kontrolnog regiona je sekvencionisano (Anderson Sequence, Cambridge reference sequence, Oxford sequence)

• Za označavanje odstupanja od te sekvence, odredjeni broj različitih bp se označava (A, T, G, or C)

• Npr. “tranzicija A u G na poziciji 263 će se obeležiti kao 263 G”• mtDNK sekvencioniranje je rigoroznije i vremenski komplikovanije nego

profilisanje jedarnne DNK• Pošto u telu čoveka ima trilioni ćelija i u svakoj hiljade kopija mtDNK,

nemoguća je potpuna homoplazmičnost (ista mtDNK sekvenca) u svim ćelijama, već heterpolazmija u odredjenom stepenu postoji

• Najpoznatiji slučaj forenzičke primene mtDNK analize živog sveta – identifikacija ilegalno prodavanog mesa sivog kita na japanskom i korejanskom tržištu– mtDNK analiza otkriva da 50% mesa potiče od

zaštićene vrste (portabilni PCR je uradio analizu u japanskom hotelu jer CITES ne dozvoljava slanje uzoraka retkih vrsta van teritorije

mtDNK populaciona baza podataka

• FBI Laboratorija, Armed Forces DNA Identification Laboratory, i druge, saradjivale su na kompilaciji baze podataka mtDNK (SWGDAM (Scientific Working Group on DNA Analysis Methods) Database

• SWGDAM Database (August 2002):– sadrži HV1 i HV2 sekvence Kavkazaca, Afrikanaca, Azijata, Nativnih amerikanaca i

Hispano grupa – sadrži 4,142 mtDNK sekvenci nesrodnih osoba u forenzičkom indeksu– sadrži 6,686 mtDNK sekvenci iz laboratorija gde se testira roditeljstvo, banaka krvi itd. – I to je malo da pruži poptunu sliku o sekvencama mtDNK neke populacije

Hipotetičko filogenetsko stablo na osnovu polimorfnosti mtDNK humanih populacija

Na osnovu mtDNK-divregencija među humanim populacijama

1979, Doug Wallace, Stanford, USA

materinski efekat

• nije nasleđivanje preko organela jednog roditelja već citoplazmatski uticaj na prenos jedarnih gena

• fenotip potomstva ne zavisi od genotipa jedinke već od genotipa majke.

• Ukoliko je jedan od jedarnih gena majke izmenjen, sadržaj citoplazme jajeta se menja i to utiče na fenotip zigota u razviću.

Genotipovi majke D/D i D/d daju desno uvijanje, koje je dominantno nad levim, koje se dobija iz d/d genotipa. Samo majka d/d genotipa može dati puža uvijenog na levo.

MATERINSKI EFEKAT je pojava da fenotip potomstva ne zavisi od genotipa jedinke već od genotipa majke Dominantni alel (D) daje desno uvijanje,a recesivni alel (d), u homozigotnom stanju, levo uvijanje.

odlaganje ekspresije muškog fenotipa i genotipa je karakteristika materinskog efekta gena.

• da bi se odredilo da li je nasledjivanje vanhromozomsko ili se radi samo o materinskom efektu, potrebna je F3.

• Testukrštanje: homozigotne (DD) ženke puža sa desnim uvijanjem ukrštene sa mužjacima sa levim uvijanjem (dd), potomci će svi biti Dd, sa desnim uvijanjem. Ako se oni ponovo ukrste sa dd, levo uvijenim mužjacima, u sledećoj generaciji svi će biti uvijeni u desno iako će odnos genotipova biti 1Dd : 1 dd. Ako se te dd ženke opet povratno ukrste sa dd levo uvijenim mužjacima, konačno će se dobiti 50% levo uvijenih fenotipova.

• ponovljena povratna ukrštanja će u slučaju da se radi o materinskom efektu dati jedinke muškog genotipa.

• Citoplazmatske determinante, proteinski molekuli, postavljaju ose tela Drosophila postavljanjem molekula u oociti

• Geni za polarnost jajeta se transkribuju sa genoma majke za vreme oogeneze i njihovi produkti deluju i pre i odmah nakon oplodjenja.

• Fenotip embriona je odredjen alelima prisutnim kod majke

• To su geni materinskog efekta• Majke sa mutacijom u ovim

genima daju abnormalne embrione • Obično su to recesivne mutacije i

ispoljavaju se kod homozigota

Gradijenti materinskih molekula u ranom embrionu kontrolišu stvaranje osa