Το φαινόμενο της διπλής μονογονεϊκής κληρονομικότητας του μιτοχονδριακού DNA: μοριακή ανάλυση της πλήρους νουκλεοτιδικής αλληλουχίας δύο ομοειδικών μιτοχονδριακών γονιδιωμάτων με διαφορετικές οδούς κληρονόμησης στο είδος Mytilus galloprovincialis

Abstract

Several bivalve species are known to have two highly differentiated mitochondrial genomes one of which follows the standard maternal inheritance (type F) and the other is transmitted through the sperm (M). Thus, each genome obeys the rule of uniparental transmission. This exceptional phenomenon is known as doubly uniparental inheritance (DUI). This thesis attempts to investigate the functional role of the mtDNA in DUI. It presents the complete sequence of F and M genomes of the Mediterranean mussel Mytilus galloprovincialis and accomplishes a comparative analysis. The maternal and paternal mitochondrial genomes of Mytilus galloprovincialis have diverged by about 20% in nucleotide sequence but retained identical gene content and gene arrangement and similar codon usage bias. They both contain twelve protein genes, two rRNA genes, 23 tRNA genes and seven non coding sequences. In the particular M molecule the only case of recombination in a coding region between the two types is detected. The origin of a large insertion in the M molecule can be explained by a sequence of three genetic events. The identification of tRNA genes was based on their potential to form cloverleaf structures. Both F and M genomes contain two tRNA genes coding for methionine and possibly «role reversal» phenomena may have been involved in their formation. Non coding sequences capable of forming a stable stem and loop structure have been detected in the 5' end of protein genes. These regions may have a crucial functional role in the cleavage of the mitochondrial polycistronic primary transcript. The main control region of Mytilus mtDNA is characterized by its tripartite structure. Within these region lays the origin of replication of mtDNA heavy strand. The origin of replication of the light strand lies within the nad3 gene. The observed nucleotide content gradients are consistent with the assumptions of an asymmetrical replication model and guanine oxidation is apparently the most common source of damage in mussel mtDNA. The F and M sequences of the three DUI species paired according to their species rather than according to their mode of transmission. The hypothesis of multiple origins of DUI is rejected in favor of the hypothesis of «role reversal». Under the assumption of a relatively constant rate, the whole-genome data comparison indicates that the last wave of invasion and replacement of the M line by the F in M. galloprovincialis occurred much more recently than in the other species.

Το φαινόμενο της Διπλής Μονογονεϊκής Κληρονομικότητας (ΔΜΚ) του μιτοχονδριακού DNA αποτελεί τη μοναδική εξαίρεση στο βασικό βιολογικό κανόνα της μονογονεϊκής κληρονόμησης του οργανιδιακού DNA. Περιγράφει την ύπαρξη στο ίδιο είδος δύο μιτοχονδριακών γονιδιωμάτων (F και Μ) καθένα από τα οποία ακολουθεί μονογονεϊκό πρότυπο κληρονόμησης. Σκοπό της διατριβής αποτέλεσε η διερεύνηση του πιθανού λειτουργικού ρόλου του mtDNA στο φαινόμενο. Προσδιορίστηκε η πλήρης πρωτοδιάταξη των τύπων F και Μ του είδους Mytilus galloprovincialis ώστε να πραγματοποιηθεί η συγκριτική τους ανάλυση. Τα δύο μόρια είναι λειτουργικά. Διαθέτουν ίδια γονιδιακή οργάνωση, νουκλεοτιδική σύσταση και προτίμηση χρήσης κωδικών παρότι ο βαθμός διαφοράς είναι της τάξης του 20%. Περιλαμβάνουν δώδεκα πρωτεϊνικά γονίδια, δύο γονίδια rRNA, 23 γονίδια tRNA και επτά μη κωδικές περιοχές. Στο μόριο Μ εντοπίστηκε η μοναδική γνωστή περίπτωση ανασυνδυασμού σε κωδική περιοχή μεταξύ των δύο τύπων. Για τη δημιουργία μίας μεγάλης έκτασης παρεμβολής στο μόριο Μ προτείνονται τρία διαδοχικά γενετικά γεγονότα. Η ταυτοποίηση των γονιδίων tRNA βασίστηκε στο σχηματισμό τυπικών δευτεροταγών δομών. Στη δημιουργία των δύο γονιδίων tRNA-Methionine πιθανώς συνέβαλλε το φαινόμενο της «αντιστροφής ρόλων». Οι μη κωδικές περιοχές στο 5' άκρο πρωτεϊνικών γονιδίων, σχηματίζουν ενεργειακά σταθερές δευτεροταγείς δομές και ενδέχεται να έχουν λειτουργική σημασία στην ωρίμανση των μιτοχονδριακών mRNA. Η κύρια ρυθμιστική περιοχή του mtDNA του Mytilus χαρακτηρίζεται από τριμερή δομή και περιέχει το σημείο έναρξης της αντιγραφής της βαριάς αλυσίδας. Στην κωδική περιοχή του γονιδίου nad3 εντοπίστηκε το σημείο έναρξης της αντιγραφής της ελαφριάς αλυσίδας. Τα αποτελέσματα της συσχέτισης του νουκλεοτιδικού περιεχομένου με το χρόνο παραμονής της βαριάς αλυσίδας σε μονόκλωνη κατάσταση κατά την αντιγραφή, ήταν συμβατά με το πρότυπο της ασύγχρονης αντιγραφής. Ο τύπος της μεταλλαγής που επικρατεί είναι η οξείδωση της γουανίνης. Οι αλληλουχίες F και Μ των ειδών με ΔΜΚ ομαδοποιούνται ανάλογα με το είδος στο οποίο ανήκουν και όχι ανάλογα με τον τρόπο κληρονόμησης. Η ανεξάρτητη εμφάνιση του φαινομένου της ΔΜΚ στα τρία είδη δεν θεωρείται πιθανή. Αντίθετα, υπό την παραδοχή της «αντιστροφής ρόλων» και με την υπόθεση ότι ο εξελικτικός ρυθμός αυτών των γονιδιωμάτων είναι σταθερός, η ομαδοποίηση αντικατοπτρίζει την πολύ πιο πρόσφατη «εισβολή» του τύπου F στη σπερματική γραμμή στο M. galloprovincialis σε σχέση με τα άλλα είδη.