Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Анализ первичной структуры субъединиц и генов АТФ-синтазы хролопластов, митохондрий и бактерий

ВАК РФ 03.00.04, Биохимия

Автореферат диссертации по теме "Анализ первичной структуры субъединиц и генов АТФ-синтазы хролопластов, митохондрий и бактерий"

? Г 5 иа

1 ГУ ' ]

1 и . : •'

КАЗАХСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. АЛЬ-ФАРАБП

На правах рукописи

УДК 577.15

Караганова Лида Нарпмановна

АНАЛИЗ ПЕРВИЧНОЙ СТРУКТУРЫ СУБЪЕДИНИЦ И ГЕНОВ АТФ-СИНТАЗЫ ХЛОРОПЛАСТОВ, МИТОХОНДРИЙ И БАКТЕРИЙ.

03. 00. 04-биохимия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Алматы 1996

Рабога выполнена на кафццре физиологии и био/.и ми и растений биологического фахультега КазГУ им. Аль-Фараби

Научные руковадитсли: доктор биолм'ичсских наук, профессор

Иващенхо А.Т. кандидат биологических наук Караснюк ТА.

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор

Бейсембаева Р.У. хандидаг биологических наук, енс Утеулкн К. Р.

Ведущая оргашвдпия: Инсппут молекулярной биологии и биохимии ии. Аитхожина

Зашита состоится "_"_1996г. в_чао._мин,

иа заседании снецишпиированного Ученого совета К 14/A.Û113 при биологическом факультете Казахского государственного национального университета им. Аль-Фарабн. г. Алмагы, 480121, нр. Аль-Фараби, 71

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Университета. Автореферат разослан 11 12 " апреля 1996 г. Ученый секретарь

Актуальность проблемы, ЛТФ-синтяза является клгэчезым ферментом тсргоойсспечсит к:г-гок рпсгсннН, животных и бактерий. Она состоит аз дзух секторов - водорастворимого (Р1), самостоятельно функционирующего как гидролаза, и мсмбраносвязапного (Ро), формирующего в мембране протонный канал п вместе с Р1 участвующего я синтезе ЛТФ. Этот фермент является компонентом сопрягают»« мембран бахтернК, хлероплапзд, митохогилжй и интересен не только с биохимической точка зрения, ко и с гснгтнческой н эволюционной, поскольку гены суб¡.единиц АТФ-сг.итаты имеются о геномах прокяриот и ядра эукариог, а тах же а геномах митохондрий и хлсраплэстоз. 1С настоящему времени установлены многие смкиокиспотяме и !!ухлеотед!!Ь!3 последовательности субъедшшц АТФ-сннтазы из многих источников, что позволяет систематизировать их » виде базы данных к провести компьютерный анализ.

Одновременное изучение аминокислотных последовательностей субъедшшц АТФ-сингазы н соответствующих иухлеоткдньи последовательностей их генов позволят выявить особенности ксянрозания аминокислот в различных геномах (яярз, шпохогщрия, хлоропласта), дает возможность выяснить эволюционные изменения первичной структуры субъедиинц фермента и будет -способствовать . пониманию взаииодейстгия генетических систем клеточных ортчиелл а процессе эяслжцгн. Корргхтаое изучение этих проблем облегчается тем,- по гены рядя голсяэгнчных субъединиц АТФ-сшпаш локализованы а геяомах агра, млтохепдрнй и хлороплзстов.

Пяль н задачи исследований: Целью настолщей работы издаюсь изучение

аминокислотных последовательностей и соотасгетоутоших нухлеотадньп

«

последовательностей генов субъеднниц АТФ-сиитазм баятеркй, ингсхс.'шрий и хлоропластов для выявления сходства и особоггостеЯ маяехуяярно-генмичссхнх свойств фермояа этих структур и выяснения позмолсносто перенося генов АТФ-сннтазы между органеллэми в процессе'эготоцка, В езязн с зтич были поставлены следующие задачи:

I. Определить особенности нуклеотндных последовательностей генов гомологичных субъединиц АТФ-синтазы а геномах ядра, хлоропластов и митохондрий;

2 Оценить степень гомологии аминокислотных последовательностей н соответствующих нухлеопщных последовательностей генов субьеднннц АТФ-синтазы;

3.Выявить эволюционные изменения первичной структуры субъединиц АТФ-еннтазы и их генов;

4.Изучить возможность переноса генов, кодирующих субъедини-цы АТФ-скнтазы, между геномами органелл в процессе эволюции.

Научна^ новизна. Создана обширная база данных генов субьединкц АТФ-синтазы, которая включает: 46 генов, локализованных п хяороняастной ДНК, 53' генов, локализованных в мнтохомдриалыюй ДНК и 104 гена из ядерных геномов эукарнот и геномов прокариот для 58 объектов (бактерии, растения, водоросли, грибы, дрожжи, животные). На основании расчета частоты встречаемости кодоиов генов АТФ-синтазы геномов хлоропластов, ядра эукарнот и геномов прокариот была выявлена высокая положительная корреляция между отношениями нуклеотндов Т:С и А:в о третьем положении кодонов. На основании расчета степени гомологии первичной структуры субъединиц к нуклеотндных последовательностей генов АТФ-синтазы из различных объектов установлены их филогенетические отношения, построены эволюционные деревья и рассчитаны скорости молекулярной эволюции для отдельных субъсдшшц данного ферма: того комплекса.

Теоретическое и практическое значение.

Выявленные особенности нуклеотндных последовательностей генов АТФ-синтазы бактерий, хлоропластом и митохондрий отражают определенную специфичность строения ДНК геномов ядра, хлоропластов и митохондрий, которую необходима учитывать в генно-инженерных исследованиях. Показано, что субъедаиицы АТФ-синтазы могут быть использованы в качестве

злекулярно-генетичесхих маркеров геномов ядра, митохондрий н юропластов при соматической гибридизации.

Апробация работы. Материалы работы были доложены и обсуждены на ¡ух межвузовских конференциях студентов si аспирантов в КаэГУ им. Аль-арпби (Алматы, 1993, 1994), на 1-м Мегкдународном совещании по .злскулярно-генешческим маркерам растений в Киеве (Киса, 1994).

Щ?ШШШШ_По результатам исследовании опубликовано в работ.

аходякя в печати 3 статьи.

Структура я объем работы Диссертационная работа состоит из ааедения,-1лав, включающих обзор лнтерагурм, описания материалов я методов :слсдования, результатов исследования, а также заключен);.! к аыводоя. Работа шожена на 137 страницах машинописною текста, содержит б рисунков а 31 (блицу. Список литературы включает 120 работ.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Создан банк данных аминокислотных последовательностей субъединиц ГЕ) АТФ-синтачы и нуклеотидных последовательностей геноз, ходорующих in СЕ в ядерном, хлоропластом л митохондриалыгом геномах. Банк содержит 38 генов, кодирующих СЕ АТФ-синтазы: 46 генов, из хлоропластом* геномов alp), 58 генов из митохондриальных геномов (matp), 104 гена из ядерных гномов эукариот и геномов прокариот (r.atp) 58 объектез (растения, грибы и рожжи, бактерии, животные). В качестве нсгочншгоя информации об чинокислотиых последовательностях СЕ и нутотеотошшх «осяедоватеяыгсстзх

шов, кодирующих эти СЕ АТФ-синтпзы мы псяояьзогали первичные

»

убликяиия. Ниже приведен перечень обьектоз, содержашикез в базе данных с каэаиием сокращенна соответствующих им названий.

Ana - Anabaena strain РСС 7120, Bfi - Bacillus firrr.s, ВГг - Bacteroidts fragil'j, me - Haciüus niegaterinm, Cly - Cytophaga lytira, Eco - Escherichia ceji, Ffs -lavobacteriiim ferrugineum,- Rb! - RhodopjrKdomoaa» fcbitica, Rru -

Rhodospirillum rubrum, Sac - Suifolobus acidccaldaruis, Syn - Synechococcus 630 Sye - Synccftocysiis ¿303, Tba - Thermophilic bacterium PS3, Val - Vibr alginoiyticus, Ani - Aspergiiius niduian:, Cpa - Candida parapsiiopsb, Kir Kluyveromyces fragiUis, Ncr - N'eurospora crassa, Pan - Podospora anserma, See Saccharomyces ccrevisiae strain JM6 and J69-1B, »gl - Torutopsis giabrata, Ara Arabidopsis thalicna, Cr« - Chtaraydomonas reinherdii, Egr - Euglena gracilis, Gm.; Glycine max, Han - Heiiantluss annus, Hvu - Hordeura vulgare , fhb - Hev< brasiliensii, Iba - Jpcmoea batatas, Mpo - Marchuntia polymorpha, Npl - Nicotian plurnbaginifoüa, Ntfi - Nicotiana tabacurn, Огл - Oenothera bertcriana, Ods Qdontclla sinensis, Osb - Oryza sativum, Pet - Petunia hybrida, Pmo - Pint TConlicoSa, Pyl - Py'aitlla liUoraiis, Psa - Pisuimi sativum, Rsa - Kaphanus sativun Sbc - Sugar beet, Sc) - Spmacia okracca, Tae - Tiiticura aestivum, Vfe. - Vicia fab; •Zma - Zea mays, Bta - Bos taurus, Che - Cocii'obius heterotrophic, Dme Drosophüa indano^aster, Dys - Drosophila yaktiba, Ech - Echinoidea, GGa - Gallu galius doracsticus, Gmo -Gadus morhua. He,a - Homo sapiens, Mtttu - Mus musculu: Pan- Paramecium curelia, Pli - Paraccnirotus üvidus, Rrio - R:\ttus norvegicus, Xla Xcnopus lacvis.

Для обработки данных были созданы: программа перевода нуклеошдпы: послгдовательностей в аминокислотные с учетом отличий митохондриалыюп кода от универсального; программа расчета частоты встречаемости ходонов дщ гекоз субъеданшц АТФ-оштазы, с учетом принадлежности it их субъедншк отдельным классам оргьшпмо» i; отдельным геномам клетей; npoi рамки расчета степени го>:ологш: между первичными структурами однотипим; субъсдшшц АТФ-шнтазь!, а также соотастствузощимн им нуклг&тидиым1 последовательностями. Длл проведения филогенетического анализ; использована программа построения эволюционных деревьев на основе степеш; гомологи;! аминокислотных последовательностей субъеднниц ферм ей ге (Rzhetsky & Ney, 1992). Скорости молекулярной -эьохюцип субьеднниц АТФ-синтазы определяли по методу Кнмура (Ккмура. 1985). "Работа проводилась на персональном компьютере IBM PC/AT 386.

J

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ I. АНАЛИЗ ЧАСТОТЫ ВСТРЕЧАЕМОСТИ КОДОНОЗ 3 ГЕНАХ АТФ-СННТАЗЫ В ряде исследований, посвященных. анализу нухлсотндных ледовательнос1ей, отмечается, что различные организмы используют оннмн'шыс кодоны не одинаково, что обуславливается рядом причин ¡ександров и еоавт.,1990; Юрина н Одинцова, 1992; Campbell & Gorwi 1990; mada & Sugira, 1991; Murray et al., 1989).

Созданный нами банк данных нуклеотндных последовательностей генов, шруюших субъсдншщы АТФ-сннтазного комплекса, позволил рассчитать' тоты встречаемости колонов б нуклеотидных послеяоватеяыюсгях этих гекоз проанализировать особенности использования кодоноо в генах одного »мента в зависимости от места кодирования его субъединнц к сономнческого положения объекта.

Извссию, что в универсальном коде все ямкиохнелоты, за исключением конина н трипюфаиа, колируются от двух до шести синонимичными юнами. В данной работе ьсе серии синонимичных кодоноз были разделены пары, имеющие в третьем положении пурииэзыг или пиримнднновые к'отнлы (габл. 1). Несмотря на то, чго для Arg и Leu сущсстзует по две пары юнпмичных кодоноа, оканчивающихся на А и G, а ддя Ser, оканчивающихся Т и С, частота использования этих пар кодонов приведена отдельно.

Для генов АТФ-синзазы, локализованных в геноме хлороптастов, вне исимости от таксономической принадлежности объехта, у всех пер юничнчных кодонов, имеющих в третьем положении лурнноаые или знмидннопые нуклеотнды, чаще используется А по сравнению с G , И Т по ¡вненню с С. Причем отношенняА:0 иТ:С могут достигать нескольких пищ. Сходная закономерность я предпочтении использования енпошшичных юнов с Т и Л в третьем положении наблюдается ддя генов АТФ-синтазы, сализованных в геноме митохондрий (табл. 1). Это предпочтение может был. нь большим (для Pro A:G~!2.3), так н незначительным (для Val Т:С=1.2).

Таблица

Частота встречаемости кодонов в генах А'ГФ-синтазы , локализоьанных в геномах хясропластои, митохондрий я ялра эукариот " геномов {фокариог.

Колоны и

аминокисл

Хда-

ропх

Мню

хсидр

Ядро

Цнаисбак и фоюбак

Колоны ч амшюхисл.

Хло-

рош.

Ми го-

хотр.

Я;фо Э)*»р

Цияиобд

И фоюба

Число ]ТИОЗ

N=13

м=зз

Ч»СЛО 1С310Й

N=46

N^58

N=33

ОСТ

А!а Д1а

631

367

-Д1

373 _2£1

214

ТТА ТТО

!.ец ¡,¿4

625

666 _161

155 Лй

64

ОСА

от.

А1а Д1а.

305 _111

233 _21

157 _21

121

стт

он

1.еи

290

21К

142

77

Ji.iL

СОТ

шс

Агв Аш.

201 _4Й

"69

156

_£5.

132

СТА

£Ш

1.еи

132

—25.

304 92

63 167

57

СОА Шй

Ап> Аг£

13Й

95

16 -Ш.

ААА АДС

433 112

2X8

234 284

163 -2И-

АОА

дш.

Агв Аи

196 _31

120

16

(IV _£2

14 _2_

ттт ХГС

РЬе

302

453

_242

123

ш.

«2 209

ААТ

ддс.

Аяп

Лаа

4)4

27К 170

126

И6

64

201

сст их

Рго

258

175

90

138 _£1

60

ОАТ

ТОТ

ЮС.

Азо СУ8

387 33

171

55 Л

269 12 17 Л

151

3 17

ССА ТСТ

тсс

Рго

Яег _S.il.

134 Ы 228 -Ш

234

162 .102

118 207

26 ПС

64

С.АА

01я

Оа

479 _±1£

32К

170 _1М

193

ТСА 1Ш

Яег

151

47

259 57

Ь9

¿4

-Ж-

ОАА

ООГ ШС.

01и 01У

£1х

742

449 _1М

285

238 99

330 276 395

370 229

-Ж,

ЛОТ

Ясг

ДС£_£г;

АСТ АСС.

ТНг

153

350 Л1

125 96 196

.Ш

50

201 _Ш5.

42

66 .221.

ООА

01у

САС Л

САТ САС АТТ

етл

И» Не V?.!

350

79

652 22 421

297

112

549

205|

116

60 53 338 21 ПО

41

25 . 178 81

АСА

ТАТ

ТМг

248

263

34Я

_8;

• 114

274 220 163 123

108 95 233 211

45 К1 167 234

В генах ЛТФ-синтаэы прокариот отношение Т:С и Л:С в третьем сложении колонов может быть кяк больше единицы, т« и меньше. То есть ^позначного предпочтения одних нуклеотидов над другими в генах ггрокарйот е наблюдается. Гены ядерного генома зухариот тоже не имеют строго прелеленной тенденции предпочтительного использования одних иуклеотмдоа ад друшми в третьем положении колона (табл. !).

Таким образом, дтя генов СЕ АТФ-синтазы проквриот тенденции в редлочгении использования колонов с какими либо нуклеотидямн в третьем оложеини отличаются от таковых, для генов СЕ АТФ-синтазы; окализованных а геномах хлороапастов н митохондрий. Поскольку енетический аппарат пнанобвктернй и пурпурных бактерий рзссиатрнеямт 1 ачсстве эволюционных предшественников соответственно геиомоэ лоролластов и митохондрий, полученные данные свидетельствуют о том, что в. |ронессе эволюции хлороиласты н мнтохо;цфкп приобрела ярко выраженную ■енденнию в предпочтении использования а генах АТФ-синтазы кодекса с Тя V нуклеотидямн в третьем положении. Основываясь на данных по частоте ^пользования колонов в генах АТФ-сннтазы этих клеточных органелл можно включить, что хотя перенос генетического материала между хлоро пластами и «итохондрнями мало вероятен, направление в котором шла эволюция геномов тип органелл после их возникновения в клетке, совпадает.

Рассчитана без разделения на аминокислоты суммарная частота >стречаемоетм колонов с Т, С, А, О в третьем положении в генах АТФ- «шгтазы 1яя растений, водорослей, животных, Грибов, дроясжей, бактернЯ с учетом их юкалнзаинн в геномах клсточных органелл. Показано, что отношения ходоноа К.Х ПХХС я ХХА.ХХО (где XX- первое и второе положение нуклеотидов) (оррелятивно изменяются от 0,16 до 11,28 для всех генов АТФ-сгнгтази в >азисимости от локализации в геномах органелл и таксе номпчеехой фина.х1с«носп1 объекта. Для восьми пар точек была выявлена линейная (ависимость между отношениями Т:С и А:0 для генов АТФ-синтззы различных

таксонов, с коэффициентом корреляции равным 0,99, и уравнением прямо! Т:С= 1,42 Л:0-»,08( рас.!).

Рис.! Взаимосвязь отношений Т:С и АЮ нуклеотндов » третьем положен»: кодонов для генов АТФ-синтазы различных таксонов: 1-фотагрсфные бактерии, 2- цианобактерии, 3 - бактерии, 4 - грибы и дрожжи -гшр, 5 - растения - па1р, 6- животные - па1р, 7- растения- сглр,!!- водоросли -са(р.

2.РАСЧЕТ СТЕПЕНИ ГОМОЛОГИИ СУБЪЕДИНИЦ АТФ-С!IIIТАЗЫ И ИХ ГЕНОВ.

Для ¿анализа степени гомологии аминокислотных последовагелькостс субъедишщ АТФ-синтазы бактерий, митохондрий I! хлоропластов нуклеотндных последовательностей генов, кодирующих данные субъединши нами было проведено выравнивание этих последовательностей. Затем был рассчитана степень гомологии. между однотипными субъединнцами составлены соответствующие, таблицы гомологии аминокислоты последовательностей СЕ А, В, О, В, Е и I, г, Н, К и нуклеогидны последовательностей генов, кодирующих данные СЕ.

Результаты исследования показали, что меньше Bvero изменялись в ходе эволюции хлоропластные и миюхондриальные СЕ А, В ¡s Н, I. По-видимому консервативность данных СЕ связана с их функциональной значимостью для всего АТФ-сиитазного комплекса: СЕ А и В иссут каталитические центры, СЕ Н и I участвуют в связывании факторов Fo и Fl между собой и определяют протонную проводимость. Высокая степень гомологии внутри хлоропластяого генома говорит о незначительной межвидовой дивергенции ялорспластаых генов. Гены СЕ В и Е находятся рядом, а у некоторых видов растений даже перекрываются. Степени юмолопш аминокислотных (табл. 2)' и соответствующих нуклеотшшыт последовательностей СБ В и Е одинаковых объектов отличаются значительно, различаются и скорости их филоенегнчсских изменений.

У разных видов степень гомологии геноя, кодируют«:; одну и ту «се субьедшпшу, родственных геноме.-, (хясроплпстсп или митохондрий) гысокв. Например, степень гомологии нуклеотяднън последовательностей СЕ А дта пшеницы и кукурузы, пшеницы и горохе, кукурузы и города .96%, 84%, 84% дчя CFoF-'l и 98%. 92%, 92% для MFoFi, соответственно.

Степень юнологин геноз, ходируюшх одни и те же СБ у од;шахо?ых видов, локализованных в разных геионех (митохокдрняльиом и хлоропластом, хлоропластном н ядгриом), значительно отличается. Так, гены, кодирующие СЕ А в хлоропластом геноме (catpA) и гены, кодирующие ту же CE п митохондриальном геноме (mstpA), для пшеницы, гороха, кукурузы имеют степень гомологии 56%, 58%, 57% соответственно. Для СЕ Н степень гомологии между хлоропластоыми и митояоиярнальнымн нуклеотпднымн последовательностями генов для видов Zma, Тае, Psa, Nía, составляет 46%, 45%, 47%, 43%, соответственно.

Это же наблюдение справедливо и для аминокислотных последовательностей СЕ фермента, хот, степень гомологии нухлготцяных последовательностей по сравнению с аминокислотными посяедояательмоетями СЕ АТФ-сшгтазы немногим ниже. Например, дгт CEA CFoFI степень

ТАБЛИЦА 2

гомолога ышвяксдотшх посксосАтегьиосгей es в/г атв-сжатАза

2 3 4 5 С 7 в 9 10 It 12 13 14 is 1В

1 CAACHVU 90/04 07/34 90/73 07/93 69/63 99/99 ee/se SI/23 81/37 ое/гз 07/te ее/19 еа/г:9 es/га 67/19

2 CAACIBA юг/j оо 86/35 94/77 01/83 91/71 90/вЗ 00/04 81/37 81/33 ео/го 60/21 67/26 es/se 63/24 67/22

3 CAACMPO 100/100 es/63 S7/SJ 07/93 07/53 97/54 eo/3t et/3s б5/г7 07/18 67/ie еа/гз 63/26 67/20

4 CAACNTA lOO/SOO 92/73 02/81 50/73 91/74 eo/эз 81/42 ео/гэ 67/21 67/24 67/31 65/M 67/22

5 ГААС05А 100/160 90/64 97/90 97/96 ЕО/33 ei/38 o7/at 67/16 67/19 67/27 ве/21 ва/19

0 CAACPSA 100/100 90/64 90/65 ßO/Sö W/35 е5/гб na/st 65/te 67/27 ea/27 Б6/20

7 CAACTAZ 100/100 97/97 во/зз ei/37 ее/аз 67/18 67/19 63/20 SS/22 &3/20

в СЛАС2МА 100/100 ео/зз 80/37 рв/гз еа/18 67/10 67/23 ьа/22 67/10

9 MAAPAVA lOO'lOO 67/69 65/34 68/ЙЯ 07/27 ЬЯ/М ео/эо 09/24

tí> NAA CSÏÎÎ ico/loo в в/зе 60/27 BS/31 70/28 65/32 69/2«

i t NAACTBA 100/100 65/23 65/27 79/47 67/65 65/2»

Í2 »MACREl 100/100 77/34 Св/21 65/24 70/21

13 NAACRRU ЮО'ЮО es/гз 65/23 72/24

1« NAACBFI 100/100 ВО/47 66/21

15 МДАС8МЕ 1 DO/1 00 63/27

16 NAACECQ . 100/100

гомологии нуклеотндиых последовательностей 76-36%, а для яминокислоших последовательностей 83-97%, для СЕ Ü, соотьететаснио, 79-99% и 87-99% . Па основе полученных данных можно сделать вывод, что в процессе эволюции не происходило переноса генов АТФ-синтазы между органеллами н, следовательно, эволюцноннроаали они независимо друг от друга.

У ФИЛОГЕНЕТИЧЕСКИЕ СВЯЗИ ПЕРВИЧНОЙ СТРУ'СТУРЫ СУПЪЕДШШЦ АТФ-СИНТАЗЫ

Гены АТФ-сннтазы имеются во всех геномах про- И эуотрнот, что позволяет изучать родство различных организмов и строить глобальные филогенетические деревья. Сравнение аминокислотных последовательностей СЕ АТФ-синтазы хлоропластного, мнтохондрнального и ядерного происхождение позволило вмягг.тъ родство мехду таксономическими группами, опргдезиггь возможные пути эволюции данного фермента и на их основе построить филогенетические деревья. Для построения филогенетических деревьев 'были использопаны данные компьютерного анализа гомологии ашшсхносотких последовательностей СЕ А, Н и I АТФ-синтазного комплекса, кодируемых хлороплпетным, митохондркальным и ядерным геномами (рис. 2-4).

Исследование нуклеотидных последовптелы.'остсй однотипных СЕ АТФ-сннтазы показывают, что степень гомологии для СЕ, кодируемых хлоропластным геномом (catp А, В, Е, ¡, F, Н) выше 50%, причем для СЕ А, В, I, Н она максимальна - 66-96%, 72-99%, 76-91%, 65-98% соответственно (Таблица 2). Степень гомологии генов, кодирующих СЕ А, В, I, Н в хлорспластнах. высших растений и цианобактерий тоже высока (59-73%), в то время как степень гомологии между генами А ГФ-с.штазы цианобактерий и других бактерий имеет широкий разброс (26-68%). . "..■■■

Сравнивая гены митохондрий и Rhodospirülum rubrum, кодирующие гомологичные СЕ АТФ-синтазы, было выявлено, что степень сходства их составляет ;пя СЕ А - 59-60% у растений и 63% у животных, а для СЕ Н - 4649% у грибов и 48-51% у растений. ДНК друшх бактерий (ТЪа, Вте, Е«>,

м

-i

Mi

.i—i—a

XLA-

ТАЕ Q. til

ZMA r O X

OEN o f-

OSA

NPLJ

RRU-

RBL

ECO o

VAL Cí a

BME

TBA

ANA

SYN J

TA 11" 2 tr

ZMA O O

PSA с o Q.

NTA O §

SOL J

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

% дивергенции

Рис. 2 Филогенетическое дерево, построенное lis основе гомологии аминокислотных последовательностей СЕ А АТФ-сннтазы

Val, Bfi) для субъедш'иц A, i н Н при сравнении их с гомологичными мтохондриальными генами грибов, растении н животаыл, а тлкхсе между собой, показывают более низкую степень гомологии.

Результаты сравнения аминокислотных посягдозазсльностей субьедиииц А, Н и I АТФ-синтазы из хлорогшастов растений с таковыми из миюхоидрий растений показывают, что СЕ АТФ-синтазы т.ш клеточных opiaiiejui исходят из различит ветвей (рис. 2-4). Эти данные свидетельствуют в пользу монофилетического происхождения геномов как ялороплаетов, так и миюхоидрий. Из рисунков видно, что субъединици АТФ-синтазы хяорепяпстои óлизки к ферменту цнансбахтериП, тогда как субьедгшнцы АТФ-с&штазь' миюхоидрий растений не только близки к субъедг.пмцзм фермента митохондрий животных и грибов, но и также и к субъединицам АТФ-синтазы фототрофной бактерии Rodospiriütirn rubrum. Ншш результаты доказывают предположение ряда риторов (Брода, 1978; Kagawa, ¡934) о том, что предшественниками хлоропластоз являются циякобактернн,» а' предшес ¡пенниками митохондрий являются фотозрофные бактерии.

Созданная б.чзи данных позволила также''срааннть скорости молекулярной эволюции'субъедииин АТФ-синтазы хлоропластоз, миготендриП н бактерий, рассчитанные на основе таблиц степени гомологии аминокислотных последовательностей. При этом использованы виды, находящиеся на разных уровнях эволюционного развития. Так, для отдельных субьедиииц АТФ-синтазы хлоропластов скорость молекулярной эволюции рассчитана на основе сравнения степени дивергенции водорослей, мхов, двудольных л однодольных растений, для митохондрий растений скорость молекулярной зволгацнл рассчитана для ряда обьектои, включающих водоросли, грибы, двудольные и однодольные растения. Скорость эводмцнн субьедиииц АТФ-синтазы бактерий рассчитана на основе дишшк по степени гомологии (дивергенции) однотипных субьедиииц зубактерий. фототрофных бактерий н циаиобактерий. Скорость эволюционных замен аминокислот на сайт в год (кМ) определяли с учетом числа

-1

100

• <!о ¿0 -тЬ б!) 51 40 30 20 10

НУи-

[тле -ура (1-гмА

1_08А

NTA РЕТ HAN I—ОЕК гЧ—РБА _5ВЕ -AN1 -NCR

_5СЕ "

— ЕСО -ВП -ВМЕ _ТВА ГАЫА

-

СМ А МРО гГчГГА

гмА ТАЕ 1-Р8А

0

% дивергенции

Рис. 3 Филогенетическое дерево, построениное на основе гомологии аминокислотных последовательностей СЕ И ЛТФ-синпиы

лег, прошедших после эволюционной дивергенции двух цепей от общей для них предково» цепи (Кчмура, 1985). Полученные данные представлены и таблице 3.

Таблица 3

Скоросгь молекулярной эволюции субъединиц АТФ-снитазы хлоропластов и митхондрнн растений и бактерий

Субьединнцы А'ГФ-синтазы замены аминокислот на сайт в год)

хлор г> п ласты митохондрии бактерии

H 0,06 10-» 0,41 10» 0,16 10-'

I 0,39 10 » 1,2610» 0,24 Î0-»

Л 0,3210-» 0,3510-» 0,08 10-'

В 0,31 10-' - 0,07 10'

Е 0.8910' - 0,20 10»

G - - 0,16 10»

1) - 0,20 10»

F 0,94'10-' - 0,27 10-»

Как видно m таблицы 3 хлоропластные субьсдшшцы I, A, D эволюционируют приблизительно с равной скоростью. Наименьшей скоросп,» из представленных субъединнц обладает CE ÎI АТФ-синтазы хлсролластсз. Скорость замен на аминокислотный сайт в год для нее составила 0,0610 ', что на порядок меньше чем для других СЕ, важных для каталша.. Нужно отметить, что темпы молекулярной эволюции однотипных СЕ АТФ-шптазы хлоропластов н митохондрий рястеиий не всегда совпадают. Скоросп. молекулярной эволюции СЕ В хлоропластоз и митохондрий одинакова, чего нельзя сказать про CE I и H. CE ÎI жгтохог-дрнй растений накапливала аминокислотные замены со скоростью, почти на порядок превышающий таковую для CE H хлоропластов и сопоставима со скоростью молекулярной эволюции для СЕ В.

т % дивергенции

Рис. 4 Филогенетическое дерево, построенное на основе гомологии аминокислотных последовательностей СЕ 1 ЛТФ-синтазы

IL восьми проанализированных CE ЛТФ-Шитпы бжтериП тпбоше консервативны каталитические СЕ Л и В. Они накаплизают ампнсхнслошые замены сс скоростью, значительно меньшей, чем СЕ А и В хлоропластов и митглондрий растении.

Таким обоазом, скорость молекулярной эволюции гомологичных субъединнц АТФ-сг -тазы различна для геномов хлоропластов, митохондрий и бактерии. Несмотря на то, что для ряда СЕ хлоропластоз к м.тгохондрнй растений скорости молекулярной эволюции однотипных субъсдпнкц совпадают, характер аминокислотных замен, происходящих в процессе злоягации этих кдеючиых оргзнелл не одинаков, и следовательно эпол'синочиряг.али oîï:î независимо друг ог друга.

ВЫВОДЫ

1. Частота использования пурииовьк (A.G) или пнрнмидинопых ÇT.Q нуклеотидов в третьем положении пар сниогшчи'шых кодопоп з ген" ЛТФ-' спнппм различна для геномов хлоропластов, митохондрий, ядра зукг.ркст и геномов прокариот и кроме этого изменяется в зависимости от таксономической принадлежности вида. Отношения Т:С и A:G изменяются для генома хлоропластов в пределах 1,8 - 6,6; генома митохондрий - 1,2 - 12,3; генома ядра эукармот - 0,37 - 3,8; генома прокариот - 0,27 - 1,9.

2. Для универсального генетического хода используемого в геномах хлоропластов, ядра эукарпот и геномах прокариот отношения Т: С и A: G в третьем положении кодоиоь всех генов СЕ АТФ-синтазы изменяются взаимосвязано от 0,16 до 11,28 с коэффициентом корреляции 0,99 .

3. Гены гомологичных субъедниц АТФ-синтазы, лохализованиные в хлоропластах и митохондриях преимущественно используют Т по сравнению С С и А по сравнению с G в третьем положении кодонов для псек аминокислот. Гены различных субьединнц АТФ-синтазы, локализованные а этих органеллах имеют такую же тенденцию использования нуклеотндов.

4. Аминохиаютше посаедашешюсш гомологичных е^Сидаииц АТФ-сшиазы, иокашиовашшх с хлоропласт и м»гго&оцдршк одного вида растения, отличаются друг т друга больше, чей аминокислотные «(кмедовжашносш этах хсе субъедшшц, вокалюовшшых и ыитохоидриих или хнорошысгаа. разных внцоз расгетш.

5. Согласно построенным фшютклическиц передьим по аминэхисзедиигг посдсдов.исшлюсгяи нескольких субьсущшщ АТФ-сшггазы №№:л.>' хлороадисюз «меот близкое родство с ¡таюмоа цианобактсрий ^>аихЬасоаи=', г геномы шпохондрий с шюыои пурпурных базаернй 11о<кн;ш1шя тиЬгат. Полученные дашч.ге сиидегельсшуют о иопэфылелгаххеш ироисхаедсанн геноказ хлорошшегов н интококдрнй.

6. Скорссга колскужрион эволюции гомолопешмх субгединиц ЛТФ-штшы разд;:чкь! для гаюмоц хлороилаегов, иитохошцпш и бактерий к в¿рькруют йгш гаижоа хлоропласта» в ир^даых. (0,06 -0,94)10', для гаюио;» икп)>:о;!Др!1£ растений в пределах. (0,41-1,26) -10' н шюыо» бактерий в пределах (0,07- 0,27) -[О9 змшюхнелот на сайт в гол.

Т. Перепое генов ЛХФ-сжгглзы межчу гаммами орппючд в процесс« эполюцнн ые происходят, чю обусдашшпаася отличием шпохокдркалыюго гашмчссшго када ох- универсального н различием частот использования колонок в разных гепоаах оргаисгШ.

Список опубликозакшх работ но тек е дпсссргации:

1. Караганова Л.Н., Карнашк "ГЛ., Усмишисз ТА, Иващепко Л.Т. Особешюсга яевдльзовашш кодоцоз по третьему положению г, генах АТФ-енптази хлоро пластов, шггокондркн и СахтсркС. // Воспик К аз ГУ. 1995. Выи2.

.с.75-32.' '

2. Каражапова А.Н., Карншю»: ТЛ.» Усашгаев Т.А., Корягниа Е., Изадашо Л.Т. Аьига пуюшякдных и аминокислотных пошедогзтсшгбегёа гонопогкчпых гаюа кпегочиш органом Н Сб. "Д#к»шровашшс научные работы" Ллыглы 1595, выпЛ. с. 64,

3. Карпсшок Т.Д.., Караганова Л. Н., Гончарова А. В., Шашстсо LT.OcoCchhoctii использован ¡ш муклсогидол в грсгьем положении кодопа в •снах клеточных срганпл. // Сб.'Деноииропштме научные работ". Алнэты 996, вын.2. с.50

4. iCarazhanova Л. N.. Karpcn.uk Т, A., Goridiaiova А. V., Usenah'ev Т. А., vashchcnko А. Т. The pccularilics оГ nucleotide usage in third codcn position of \TP synthase genes in chloroplasts, mitochondria and bactciium.// Всспшк КазГУ га англ. нзыкс, серия естс.тиептлх паук , 1996 вын.1, с. 21.

5. KLarazhanova A. N., Karpcrwk T.A., Goacharova A..V., Ivashehenko A.T. Phytogenclic analysis оГ amino acid sojucncas of several subunits оГ ATl'-synthafc,// Вестник КазГУ на англ. языке, серия cctecnramut наук, 1996. вын.1, с 35.

6. Пиащсцко Л.Т., Каражпиопа А. II., Карпеток Т. А., Усеналисв 'Г. А., Пан вар Р.А., Гончарова A. D. Эволюционные изменения субгедшшц АТФ-емггалы и рибулозоднфосфапсдрбокс.иызы высших paeiaiv.fi. II В кш'Молскулярпо-генетческис паркеры й селекция растений", Mart. кенф. Киен. Aipapua наука. 1994. с. 90.

1учряжа«ова Лида Наркиаккьсш

>:jf!Or.OIUIACtYvl'. 1/ШТОХ011Д1'iÍЯЛЛП ЖОПЕ ЬЛ1СШ'ИЯЛл1>ЛТФ-СШГГАЗАПЫЦ ГШЩСГННЦ ЖЭ1Ш СУБЕОЛКСШиППУШÍ БП'ШШ1

PC1TIK к,¥тшымьпi ллыктау

03,С«Э.04-бно.хк к ля

АТФ-е:«оетз rsumn \aiimi г;атс^дагы смкыгклшкилык; ходоидирында пуртя}^ (Л, G) неыесе гагриимдшгдк (Г, С) чуxxcvi вдтсрипц орпяишсу жиЫп зукариаттардм!; хдороиуясг, тгто,хо1црт, вдро гскомдирмцда жсшс ггрокаркоттар гсиои&лщя ерг^л! боляды, opi ол т^рдщ таксоноиняс1.яш ба&виашяи шгерсд'и Укяаерсацды гоимапц аодта барлыж; гсятердм •(mhuiÍ! оршмаекдн кодоидармидагы Т:С жопе А.С

мухдгопгдгсрлщ жряиноем 6¡p-6ipÍMCn бийланысш хоэффгпрггнгпл корргяядеагсн €,59. шгсргд! Eip турге ¡агльш осшд'ьлсрдй

:лоро!1аагтары иг в штгохок.др.-ггларыдда орналас*.;ш ЛТФ-с ni п-гиш ы i row од oí itn лги; суойодшаисрвдсп гитшу-пихолядарьсны!!, {icrreaín орнадас} jggccmm e^r¡p,íi Tïpre ксатэтии осшдктсриил митохондрия иснсс; ялброцласт хгноидарьшда бодат^ш эдгнгадашкмлдарьиил; рсгпмин ориалас; ^гхшлшдоын измрак, бодадм. ATfD-craïîaaa фсрмсшЫц с у бболЫLuc р ¡идет Й2дк"!здеаг5ллдар£»ишц penis тЬбгл бойьшша о«ы оргаиеддаиардьи коямцнздык, ишгу тин:; корсгтстаг фивотакгшкалъ!*, ахштары к,|рмлды XnopojiaixT, ¿Екгохоадрия знэие «лро гсномдарында AT'IX иитажки i гоксдо:кязык, cySfeihmixffipbdn моягкуд&аык, эаолюциаяы*; да» вдр<&адаитгы эргуря!.

Karazlianova Aida Narimanovna

ANALYSIS OF THE PRIME STRUCTURE OF SUBUNITS AND GENES OF ATP-SYNTHASE FROM CHLOROPLASTS, MITOCHONDRIA AND BACTERIUM 03.00.04-biochemistry

Frequencies of purine (A, G) or pyrimidine (T, C) nucleotides in the third position of synonymous codons in the genes of ATP-synthase are different for chloroplast, mitochondrial and nuclear genomes of eukaryotes and genomes of prokaryotes and they also change according to the taxonomic source of genes. For the universal genetic code, which is used in chloroplast and nuclear genomes of eukaryotes and genomes of prokaryotes, the ratios of T: C and A: G in the third codon position for all genes of subunits of ATP-synthase are positively correlated with a correlation coefficient of 0.99. The difference between amino acid sequences localised in chloroplast and mitochondrial genomes within a single species of plant is greater than the difference between sequences from mitochondrial genomes or between sequences from chloroplast genome of different species of plants. Phylogenese trees were constructed on the basis of amino acid sequences of ATP-synthase from chloroplast, mitochondrial and nuclear genomes. These trees show the origin of organelles. The rates of molecular evolution of homologous subunits of ATP-synthase are different for genomes ofchloroplasts, mitochondria and nuclei.