Molecular Biology of the Cell

Die genetischen Systeme von
Mitochondrien und Plastiden
Alberts et al. (2008)
Molecular Biology of the Cell
5th Edition, Garland Science
Chapter 14
DNA im Zellkern und Mitochondrien
Alberts et al. 2004
Fluoreszenzmikroskopische Aufnahme einer Euglena-Zelle:
rot: DNA; grün: Mitochondrien; gelb: Überlagerung
Mitochondriale DNA in menschlichen Zellen
Garrido et al. 2003, MBC 14:1583-1596
Proteine in Mitochondrien und Chloroplasten
werden von zwei getrennten genetischen
Systemen codiert
Vergleich von Mitochondrien und
Chloroplasten
mtDNA-Molekül im Moment des Ablaufs
der DNA-Replikation
Pfeile: Replikationspunkte
gelb: neu synthetisierte DNA
Relativbeiträge von Organellen-DNA in
einigen Zellen und Geweben
Organismus Gewebe
oder Zellart
DNAMoleküle je
Organell
Organellen
je Zelle
OrganellenDNA in %
der GesamtDNA
mitochondriale DNA
Ratte
Leber
5-10
1000
1
Hefe
vegetativ
2-50
1-50
15
Frosch
Ei
5-10
10 000 000
99
Chloroplasten-DNA
Chlamydomonas
vegetativ
ca. 80
1
7
Mais
Blätter
20-40
20-40
15
Mitochondriale Genome





Organellen-DNA in Nucleoiden verpackt (ähnlich
Bakterien, Nucleoid-Proteine entsprechen
funktionell den Histonen)
DNA an Innenmembran angeheftet
Mitochondriale Genome von 6.000 bp
(Malariaerreger Plasmodium) bis 300.000 bp
(einige Landpflanzen)
Mitochondriale DNA meist ringförmig,
gelegentlich linear
Mensch: ringförmiges mitochondriales Genom
von 16.500 bp
Größenverhältnisse von
mitochondrialen Genomen



Rickettsia: pathogenes
Bakterium, das mit den
endosymbiontischen
Vorfahren der
Mitochondrien verwandt ist
rot: codierende
Sequenzen; blau: nicht
codierend oder unbekannte
Funktion
Die Größe des Genoms
korreliert nicht mit der Zahl
der Proteine, die codiert
sind (Mensch 13,
Arabidopsis 32 bei 22x
größerem Genom!)
Gray et al 1999, Science 283:1476-1481
Verlagerung von Genen
des Endosymbionten in
den Zellkern







Gen verlässt Organellgenom,
wird in Kerngenom integriert,
erhält einen funktionellen
Promotor,
das cytosolisch translatierte
Protein wird in das Organell
aufgenommen (Zielsteuerungssignal notwendig!),
Proteinimportmaschinerie
entsteht,
 massive Verlagerung von
Genen in den Zellkern,
jedes Mal Erwerb von Promotor
und Zielsteuerungssignal nötig
Dyall et al. 2004, Science 304:253-257
Welche Proteine werden von
mitochondrialen Genomen codiert?



In allen
Genomen
vorhanden:
rns und rnl
 rRNAs
cob 
Cytochrom b
cox 1 und
cox 3 
Untereinheiten der
CytochromOxidase
Das mitochondriale Genom des Menschen





13 proteincodierende Gene (Untereinheiten der NADHDehydrogenase, Cytochrom-Oxidase, UbiquinolCytochrom c-Oxidoreduktase und ATP-Synthase)
2 rRNA-Gene
22 tRNA-Gene
Sehr dichte "Genpackung"  kaum Raum für nicht
codierende Sequenzen
Im Cytosol 30 tRNAs, in Mitochondrien nur 22 
gelockerte Codon-Nutzung
Der genetische Code ist nicht universell



Mitochondrien in Tieren und Pilzen verwenden einen
veränderten genetischen Code
Mitochondrien in Pflanzen verwenden den "Standard
Code", aber die mRNA wird "editiert" (z.B. CGG (Arg) 
UGG (Trp))
Entstehung und mögliche Funktion vollkommen unklar
Lodish et al. 2003
Weitere ungewöhnliche Eigenschaften
von Organellengenomen






Die Evolutionsrate von Organellengenomen ist ca.
10x höher als im Zellkern (kleineres Genom, viele
Kopien, weniger effiziente Reparaturmechanismen?)
Menschliche mitochondriale DNA hat einen einzigen
Promotor
 beide DNA-Stränge werden symmetrisch
transkribiert
Die beiden Transkripte werden durch Nukleasen in
mRNAs, tRNAs und rRNAs gespalten
mRNAs haben kein 5' cap aber poly A
In Pflanzen und Pilzen enthalten mitochondriale
Gene Introns (die bakteriellen Vorläufer jedoch
nicht!)
Zusammenfassung: Mitochondriale
Genome





DNA ist in Nucleoiden verpackt an der
Innenmembran angeheftet
Größe und Gen-Gehalt sind sehr variabel in
unterschiedlichen Spezies
meist ringförmig
mitochondriale Genome können tRNAs, rRNAs,
Untereinheiten von Atmungskettenkomplexen
und Untereinheiten von Ribosomen codieren
mitochondriale Genome haben einen
veränderten genetischen Code
Chloroplasten-Genome







ebenfalls als Nukleoide organisiert und an der
Innenmembran angeheftet
immer ringförmig
Größe 70.000 bis 300.000 bp
Entfernt verwandte Pflanzen (z.B. Tabak und
Lebermoos) haben fast identische ChloroplastenGenome
Chloroplasten-Gene codieren Proteine der
Transkription, Translation, Photosynthese und
Biosynthese kleiner Moleküle
Promotoren und Terminatoren sehr ähnlich zu
Bakterien
Chloroplasten benutzen den "Standard"
genetischen Code
Das Chloroplasten-Genom höherer
Pflanzen enthält ca. 120 Gene
Die Vererbung der Organellen-Gene
folgt nicht den Mendelschen Regeln
Beispiel: cytoplasmatische Vererbung in Hefe
Lodish et al. 2003
Figure 14-62 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
„Petite“-Mutanten in Hefe


Hefemutanten, die auf Medien
mit limitierender Menge an
fermentierbaren Kohlenstoffquellen wachsen, bilden kleine
Kolonien  „petite“ (Ephrussi
et al. 1949)
„Cytoplasmic petite“: Defekte in
mitochondrialer DNA





[rho+] = WT mtDNA
[rho-] = Mutationen oder
Deletionen in mtDNA
[rho°] = mtDNA fehlt
„Nuclear petite“: Mutation im
Kerngenom (folgt Mendelscher
Vererbung)
„Petite“-Mutanten haben
schlecht entwickelte Cristae
(Abb. A: WT; B: Petite-Mutante)
Figure 14-64 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Biparentale versus uniparentale Vererbung

biparental (z.B. Hefe)
Lodish et al. 2003

uniparental = i.d.R.
maternal (z.B. Mensch)
Heteroplasmie



Zellen mit Mischpopulationen von
Genomen sind heteroplasmisch
Ein Gemisch aus normalen und
fehlerhaften Genomen kann sich
durch mitotische Segregation
aufteilen
Beispiel: Panaschiertes
Blatt, das z.B. aus dem
Pollen einen Anteil
defekter Chloroplasten
geerbt hat
Zusammenfassung: Vererbungsmechanismen
von Organellengenomen




Organellengene werden cytoplasmatisch
vererbt und folgen nicht den Mendelschen
Regeln
Die Vererbung ist biparental (Hefe),
uniparental (=maternal, Mensch) oder eine
Mischform davon (z.B. Chloroplasten)
Ein und dieselbe Zelle kann unterschiedliche
Genome enthalten = Heteroplasmie
Heteroplasmische Genome können sich im
weiteren Wachstum des Organismus entmischen
und Defekte in der Funktion der Gewebe
hervorrufen (z.B. panaschiertes Blatt)
Warum haben Mitochondrien und
Chloroplasten ihre eigenen genetischen
Systeme?


Nur ein paar wenige
Proteine werden vom
Organell synthetisiert
(1 bis max. 10%)
Mindestens 90
kerncodierte Proteine
sind alleine für die
Proteinsynthese in
Organellen notwendig!
Prozesse für die Biogenese von
Zellorganellen






Biosynthese und Transport von Membranlipiden
Biosynthese und Transport von
Membranproteinen
Biosynthese und Transport von löslichen
Proteinen
Replikation und Verteilung von DNA
(Mitochondrien und Chloroplasten)
Teilung der Organellen
Transport der Organellen in die Tochterzelle
 Die Teilung der
Organellenmembranen erfolgt
durch spezialisierte ProteinMaschinerien


1. Möglichkeit: Teilung durch eine
Maschinerie, die die Membran von außen
durchschnürt (Dynamin-verwandte
Proteine)
2. Möglichkeit: Teilung durch eine
Maschinerie, die im Inneren des Organells
wirkt (FtsZ-verwandte Proteine)
Dynamin
ist eine cytosolische GTPase, die an die
Einschnürung eines Clathrinbeschichteten Vesikels beim Vorgang
des Knospens aus der Membran bindet.
Sie ist am Abschluss der Vesikelbildung
beteiligt.
(Alberts et al.)
Bildung und Abschnürung eines
Clathrin-beschichteten Vesikels
Struktur und Funktion von Dynamin
GED = GTPase effector domain
PRD = Proline-rich domain
PH = Pleckstrin homology domain, bindet an Membranen (Phosphoinositide)
Ferguson and De Camilli 2012, Nature Reviews Molecular Cell Biology
Modell für Dynamin „Powerstroke“
Morlot and Roux 2013
Annu. Rev. Biophys.
Dynamin-Funktion bei der Endocytose
Ferguson and De Camilli 2012, Nature Reviews Molecular Cell Biology
Dynamin als "universelles Schneidewerkzeug"
für intrazelluläre Membranen
•
•
•
•
Beteiligt bei der Endozytose,
Teilung der Mitochondrien,
Teilung der Chloroplasten,
Teilung von Peroxisomen etc.
Praefcke and McMahon 2004, Nat. Rev Mol. Cell Biol. 5:133-147
Dynamine in einer Säugerzelle
Ferguson and De Camilli 2012, Nature Reviews Molecular Cell Biology
Dynamin-like proteins (DLPs)
Ferguson and De Camilli 2012, Nature Reviews Molecular Cell Biology
Dynamin als "universelles Schneidewerkzeug"
für intrazelluläre Membranen
Praefcke and McMahon 2004,
Nat. Rev Mol. Cell Biol. 5:133-147
Exkurs: Teilung der
Plasmamembran von Bakterien
Bakterien können keine Proteinringe
von außen assemblieren!
 Die Teilung der Plasmamembran
muss von innen erfolgen
Die Zellteilung bei dem Bakterium E. coli

Binäre Teilung: Replikation
des Chromosoms, dann
Einwachsen und Teilung der
Plasmamembran und Aufbau
der Zellwand
Das Protein FtsZ



FtsZ ist eine bakterielle GTPase, die strukturell mit
Tubulin verwandt ist
FtsZ bildet einen Ring am Äquator der Zelle auf der
Innenseite der Plasmamembran
Der FtsZ-Ring koordiniert die Assemblierung aller
weiteren Proteine, die für die Zellteilung benötigt
werden
Bakterielles FtsZ

FtsZ-GFP in Bacillus

FtsZ-Protofilamente
in vitro
Das Protein FtsZ



E. coli
FtsZ ist bei der Teilung
von Chloroplasten
beteiligt
In einigen Algenarten
kommt FtsZ auch in
Mitochondrien vor
 weiterer Hinweis für
endosymbiontischen
Ursprung dieser
Organellen
Chloroplasten (Rotalge)
Vergleich von FtsZ in Bakterien und Plastiden
FtsZ-Stammbaum
Ringe und Spiralen aus Dynamin und FtsZ
Pro- und eukaryotische GTPasen teilen
Zellen, Mitochondrien und Chloroplasten
Zusammenfassung: Teilung von
Zellorganellen








Viele Zellorganellen sind sehr dynamisch; d.h. sie unterliegen
fortwährenden Teilungs- und Fusionsprozessen
Spätestens bei der Cytokinese müssen sich die Zellorganellen
teilen
Die Teilung der Membranen erfolgt durch Proteinmaschinerien
– sie erfolgt nicht spontan
Dynamin ist eine universelle Maschinerie, die intrazelluläre
Membranteilungsvorgänge vermittelt
Dynamin assembliert von außen auf die Membranoberfläche
und bildet einen Ring, der die Membran nach GTP-Hydrolyse
teilt
Bakterien teilen sich durch Assemblierung eines FtsZ-Ringes
an der inneren Oberfläche der Plasmamembran
FtsZ-Homologe gibt es in Organellen, die durch Endosymbiose
entstanden sind (Chloroplasten und einige Mitochondrien)
Im Verlauf der Evolution von Mitochondrien wurde FtsZ durch
Dynamin ersetzt