Помощь по Теле2, тарифы, вопросы

Находящаяся в матриксе митохондриальная ДНК представляет собой замкнутую кольцевую двуспиральную молекулу, в клетках человека имеющую размер 16569 нуклеотидных пар, что приблизительно в 10 5 раз меньше ДНК, локализованной в ядре. В целом митохондриальная ДНК кодирует 2 рРНК, 22 тРНК и 13 субъединиц ферментов дыхательной цепи, что составляет не более половины обнаруживаемых в ней белков. В частности, под контролем митохондрального генома кодируются семь субъединиц АТФ-синтетазы, три субъединицы цитохромоксидазы и одна субъединица убихинол-цитохром-с -редуктазы. При этом все белки, кроме одного, две рибосомные и шесть тРНК транскрибируются с более тяжёлой (наружной) цепи ДНК, а 14 других тРНК и один белок транскрибируются с более лёгкой (внутренней) цепи.

На этом фоне геном митохондрий растений значительно больше и может достигать 370000 нуклеотидных пар, что примерно в 20 раз больше описанного выше генома митохондрий человека. Количество генов здесь также примерно в 7 раз больше, что сопровождается появлением в митохондриях растений дополнительных путей электронного транспорта, не сопряжённых с синтезом АТФ.

Митохондриальная ДНК реплицируется в интерфазе, что частично синхронизировано с репликацией ДНК в ядре. Во время же клеточного цикла митохондрии делятся надвое путём перетяжки, образование которой начинается с кольцевой бороздки на внутренней митохондриальной мембране. Детальное изучение нуклеотидной последовательности митохондриального генома позволило установить то, что в митохондриях животных и грибов нередки отклонения от универсального генетического кода. Так, в митохондриях человека кодон ТАТ вместо изолейцина в стандартном коде кодирует аминокислоту метионин, кодоны ТСТ и ТСС, обычно кодирующие аргинин, являются стоп-кодонами, а кодон АСТ, в стандартном коде являющийся стоп-кодоном, кодирует аминокислоту метионин. Что касается митохондрий растений, то, по-видимому, они используют универсальный генетический код. Другой чертой митохондрий является особенность узнавания кодонов тРНК, заключающаяся в том, что одна подобная молекула способна узнавать не один, но сразу три или четыре кодона. Указанная особенность снижает значимость третьего нуклеотида в кодоне и приводит к тому, что митохондрии требуется меньшее разнообразие типов тРНК. При этом достаточным количеством оказываются всего 22 различных тРНК.

Имея собственный генетический аппарат, митохондрия обладает и собственной белоксинтезирующей системой, особенностью которой в клетках животных и грибов являются очень маленькие рибосомы, характеризуемые коэффициентом седиментации 55S, что даже ниже аналогичного показателя у 70s-рибосом прокариотического типа. При этом две большие рибосомные РНК также имеют меньшие размеры, чем у прокариот, а малая рРНК вообще отсутствует. В митохондриях растений, напротив, рибосомы более сходны с прокариотическими по размерам и строению.

Свойства и функции ДНК.

ДНК, или дезоксирибонуклеиновой кислоты является основным наследственного материала, присутствующего во всех клетках организма и в основном предусматривает синяя печать ячейки функций, роста, воспроизводства и смерти. Структура ДНК, под названием double-stranded спиральной структуры была впервые описана Уотсон и Крик в 1953 году.

От затем огромный прогресс был достигнут в синтез, последовательности и манипуляции ДНК. ДНК в эти дни может быть виртуализации или проанализированы для мелочей и даже генов может быть вставлена чтобы вызвать изменения в ДНК функции и структуры.

Основное назначение наследственного материала - это хранение наследственной информации, на базе которой формируется фенотип. Большинство признаков и свойств организма обусловлено синтезом белков, выполняющих различные функции, Таким образом, в наследственном материале должна быть записана информация о структуре чрезвычайно разнообразных белковых молекул, специфика которых зависит от качественного и количественного состава аминокислот, а также от порядка расположения их в пептидной цепи. Следовательно, в молекулах нуклеиновых кислот должен быть закодирован аминокислотный состав белков.
Еще в начале 50-х годов было высказано предположение о способе записи генетической информации, при котором кодирование отдельных аминокислот в молекуле белка должно осуществлятья с помощью определенных сочетаний четырех различных нуклеотидов в молекуле ДНК. Для шифровки более чем 20 аминокислот необходимое количество сочетаний обеспечивается только триплетным кодом, т. е. кодом, включающим три рядом стоящих нуклеотида. В этом случае число сочетаний из четырех азотистых оснований по три равно 41= 64. Предположение о триплетности генетического кода позднее получило экспериментальное подтверждение, а за период с 1961 по 1964 г. был выяснен шифр, с помощью которого в молекулах нуклеиновых кислот записывается порядок аминокислот в пептиде.
Из табл. 6 видно, что из 64 триплетов 61 триплет кодирует ту или иную аминокислоту, причем отдельные аминокислоты шифруются более чем одним триплетом, или кодоном (фенилаланин, лейцин, валин, серии и т. д.). Несколько триплетов не кодируют аминокислот, и их функции связывают с обозначением концевого участка белковой молекулы.
Считывание информации, записанной в молекуле нуклеиновой кислоты, осуществляется последовательно, ко-Дон за кодоном, так, что каждый нуклеотид входит в состав лишь одного триплета.
Изучение генетического кода у живых организмов с разным уровнем организации показало универсальность этого механизма записи информации в живой природе.
Таким образом, исследованиями середины XX века раскрыт механизм записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот с помощью биологического кода, который характеризуется следующими свойствами: а) триплетностью - аминокислоты шифруются триплетами нуклеотидов - кодонами; б) специфичностью - каждый триплет кодирует лишь определенную аминокислоту; в) универсальностью - у всех живых организмов кодирование одних и тех же аминокислот осуществляется одинаковыми кодонами; г) вырожденностью - многие аминокислоты шифруются более чем одним триплетом; д) неперекрываемостью - считывание информации осуществляется последовательно триплет за триплетом: ААГЦТЦАГЦЦАТ.

Помимо записи и хранения биологической информации, функцией материала наследственности являются ее воспроизведение и передача новому поколению в процессе размножения клеток и организмов. Эта функция наследственного материала осуществляется молекулами ДНК в процессе ее редупликации, т. е. абсолютно точного воспроизведения структуры, благодаря осуществлению принципа комплементарности (см. 2.1).
Наконец, третьей функцией наследственного материала, представленного молекулами ДНК, является обеспечение специфических процессов в ходе реализации заключенной в ней информации. Эта функция осуществляется при участии различных видов РНК, обеспечивающих процесс трансляции, т. е. сборку белковой молекулы, происходящий в цитоплазме на основе информации, поступившей из ядра (см. 2.4). В ходе реализации наследственной информации, хранящейся в виде молекул ДНК в хромосомах ядра, выделяют несколько этапов.
1. Считывание информации с молекулы ДНК в процессе синтеза иРНК - транскрипция, которая осуществляется на одной из цепей двойной спирали ДНК- кодогенной цепи по принципу комплементарности (см. 2.4).
2. Подготовка продукта транскрипции к выходу в цитоплазму - созревание иРНК.
3. Сборка на рибосомах пептидной цепочки из аминокислот на основании информации, записанной в молекуле иРНК, с участием транспортных тРНК - трансляция (см. 2.4).
4. Формирование вторичной, третичной и четвертичной структур белка, что соответствует формированию функционирующего белка (простой признак).
5. Формирование сложного признака в результате участия продуктов нескольких генов (белков-ферментов или других белков) в биохимических процессах.

Структура двойной спирали ДНК, скрепленная с помощью только водородных связей, может быть легко разрушена. Разрыв водородных связей между полинуклеотидными цепями ДНК можно осуществить в сильнощелочных растворах (при рН > 12,5) или при нагревании. После этого цепи ДНК полностью разделяются. Такой процесс называют денатурацией или плавлением ДНК.

При денатурации изменяются некоторые физические свойства ДНК, например ее оптическая плотность. Азотистые основания поглощают свет в ультрафиолетовой области (с максимумом, близким к 260 нм). ДНК поглощает свет почти на 40 % меньше, чем смесь свободных нуклеотидов того же состава. Это явление называют гипохромным эффектом, а обусловлено оно взаимодействием оснований при их расположении в двойной спирали.

Любое отклонение от двухцепочечного состояния оказывает влияние на изменение величины этого эффекта, т.е. происходит сдвиг оптической плотности в сторону значения, характерного для свободных оснований. Таким образом, за денатурацией ДНК можно наблюдать по изменению ее оптической плотности.

При нагревании ДНК среднюю температуру диапазона, при котором происходит разделение цепей ДНК, называют точкой плавления и обозначают как Тпл . В растворе Тпл обычно лежит в интервале 85-95 °С. Кривая плавления ДНК всегда имеет одну и ту же форму, но ее положение на температурной шкале зависит от состава оснований и условий денатурации (рис. 1). Пары G-C, соединенные тремя водородными связями, являются более тугоплавкими, чем пары А-Т, имеющие две водородные связи, поэтому при увеличении содержания G-C-nap значение Тпл возрастает. ДНК, на 40 % состоящая из G-C (характерно для генома млекопитающих), денатурирует при Тпл около 87 °С, тогда как ДНК, содержащая 60 % G-C, имеет Тпл
около 95 °С.

На температуру денатурации ДНК (кроме состава оснований) оказывает влияние ионная сила раствора. При этом чем выше концентрация моновалентных катионов, тем выше Тпл . Значение Тпл также сильно меняется при добавлении к раствору ДНК таких веществ, как формамид (амид муравьиной кислоты HCONH2), который
дестабилизирует водородные связи. Его присутствие позволяет снизить Тпл , до 40 °С.

Процесс денатурации является обратимым. Явление восстановления структуры двойной спирали, исходя из двух разделений комплементарных цепей, называют ренатурацией ДНК. Для осуществления ренатурации, как правило, достаточно тудить раствор денатурированной ДНК.

В ренатурации участвуют две комплементарные последовап ности, которые были разделены при денатурации. Однако ренатл ровать могут любые комплементарные последовательности, кото способны образовать двухцепочечную структуру. Если совместно. отжигают одноцепочечные ДНК, происходящие из различных точников, то формирование двухцепочечной структуры ДНК называют гибридизацией.

Похожая информация.

Гены, оставшиеся в ходе эволюции в «энергетических станциях клетки», помогают избежать проблем в управлении: если в митохондрии что-то сломается, она может починить это сама, не дожидаясь разрешения из «центра».

Наши клетки получат энергию с помощью особых органелл, называемых митохондриями, которых часто так и называют энергетическими станциями клетки. Внешне они выглядят как цистерны с двойной стенкой, причём внутренняя стенка очень неровная, с многочисленными сильными впячиваниями.

Клетка с ядром (окрашено синим) и митохондриями (окрашены красным). (Фото NICHD / Flickr.com.)

Митохондрии в разрезе, выросты внутренней мембраны видны как продольные внутренние полосы. (Фото Visuals Unlimited / Corbis.)

В митохондриях происходит огромное количество биохимических реакций, в ходе которых «пищевые» молекулы постепенно окисляются и распадаются, а энергия их химических связей запасается в удобной для клетки форме. Но, кроме того, у этих «энергетических станций» есть своя ДНК с генами, которую обслуживают собственные молекулярные машины, обеспечивающие синтез РНК с последующим синтезом белка.

Считается, что митохондрии в очень далёком прошлом были самостоятельными бактериями, которых ели какие-то другие одноклеточные существа (с большой вероятностью, археи). Но однажды «хищники» вдруг перестали переваривать проглоченных протомитохондрий, удерживая их внутри себя. Началось долгое притирание симбионтов друг к другу; в итоге те, кого проглотили, сильно упростились в строении и стали внутриклеточными органеллами, а их «хозяева» получили возможность за счёт более эффективной энергетики развиваться дальше, во всё более и более сложные формы жизни, вплоть до растений и животных.

О том, что митохондрии когда-то были самостоятельными, говорят остатки их генетического аппарата. Разумеется, если живёшь внутри на всём готовом, необходимость содержать собственные гены пропадает: ДНК современных митохондрий в человеческих клетках содержит всего 37 генов - против 20-25 тысяч тех, что содержатся в ядерной ДНК. Многие из митохондриальных генов за миллионы лет эволюции перебрались в клеточное ядро: белки, которые они кодируют, синтезируются в цитоплазме, а потом транспортируются в митохондрии. Однако тут же возникает вопрос: а почему 37 генов всё-таки остались там, где были?

Митохондрии, повторим, есть у всех эукариотических организмов, то есть и у животных, и у растений, и у грибов, и у простейших. Иан Джонстон (Iain Johnston ) из Бирмингемского университета и Бен Уильямс (Ben P. Williams ) из Института Уайтхеда проанализировали более 2 000 митохондриальных геномов, взятых у различных эукариот. С помощью особой математической модели исследователи смогли понять, какие из генов в ходе эволюции были более склонны оставаться в митохондриях.

Исторически первое исследование такого рода было проведено с использованием митохондриальных ДНК. Ученые взяли выборку от аборигенов Африки, Азии, Европы, Америки и в этой, поначалу небольшой, выборке сравнивали митохондриальные ДНК разных индивидов друг с другом. Они обнаружили, что разнообразие митохондриальных ДНК выше всего в Африке. А поскольку известно, что мутационные события могут изменять тип митохондриальной ДНК, а также известно, как он может меняться, то, следовательно, можно сказать, какие типы людей от каких могли произойти мутационно. У всех людей, у которых брали анализ ДНК, именно у африканцев обнаружили гораздо бóльшую вариативность. Типы митохондриальных ДНК на других континентах были менее разнообразны. Значит, у африканцев было больше времени на то, чтобы накопить эти изменения. Они имели больше времени на биологическую эволюцию, если именно в Африке находят древние остатки ДНК, не свойственные мутациям европейского человека.

Можно утверждать, что генетикам по митохондриальным ДНК удалось доказать происхождение женщины в Африке. Они изучали также Y-хромосомы. Оказалось, что и мужчины происходят из Африки.

Благодаря исследованиям митохондриальной ДНК можно установить не только то, что человек произошел из Африки, но и определить время его происхождения. Время появления митохондриальной праматери человечества было установлено благодаря сравнительному изучению митохондриальной ДНК шимпанзе и современного человека. Зная темп мутационной дивергенции – 2-4 % за миллион лет – можно определить время разделения двух ветвей, шимпанзе и современного человека. Это произошло примерно 5 – 7 миллионов лет назад. При этом темп мутационной дивергенции считается постоянным.

Митохондриальная Ева

Когда говорят о митохондриальной Еве, не имеют в виду особь. Говорят о возникновении путем эволюции целой популяции особей со сходными признаками. Считается, что митохондриальная Ева жила в период резкого сокращения численности наших предков, приблизительно до десяти тысяч особей.

Происхождение рас

Изучая митохондриальную ДНК разных популяций, генетики высказали предположение, что еще до выхода из Африки популяция предков разделилась на три группы, давшие начало трем современным расам – африканской, европеоидной и монголоидной. Считается, что это произошло приблизительно 60 – 70 тысяч лет назад.

Сравнение митохондриальной днк неандартальца и современного человека

Дополнительные сведения о происхождении человека были получены при сравнении генетических текстов митохондриальной ДНК неандертальца и современного человека. Ученым удалось прочитать генетические тексты митохондриальной ДНК костных останков двух неандертальцев. Костные останки первого неандертальца были найдены в Фельдховерской пещере в Германии. Чуть позже был прочитан генетический текст митохондриальной ДНК неандертальского ребенка, который был найден на Северном Кавказе в Межмайской пещере. При сравнении митохондриальной ДНК современного человека и неандертальца были найдены очень большие различия. Если взять какой-то участок ДНК, то из 370 нуклеотидов отличаются 27. А если сравнить генетические тексты современного человека, его митохондриальную ДНК, то обнаружится отличие только по восьми нуклеотидам. Считается, что неандерталец и современный человек – совершенно отдельные ветви, эволюция каждого из них шла независимо друг от друга.

При изучении различия в генетических текстах митохондриальной ДНК неандертальца и современного человека была установлена дата разделения этих двух ветвей. Это произошло примерно 500 тысяч лет назад, а приблизительно 300 тысяч лет назад произошло их окончательное разделение. Считается, что неандертальцы расселились по Европе и Азии и были вытеснены человеком современного типа, который вышел из Африки на 200 тысяч лет позже. И, наконец, приблизительно 28 – 35 тысяч лет назад неандертальцы вымерли. Почему это произошло, в общем-то, пока не понятно. Может быть, они не выдержали конкуренции с человеком современного типа, а может быть, на это были иные причины.

© Г.М.Дымшиц

Сюрпризы митохондриального генома

Г.М. Дымшиц

Григорий Моисеевич Дымшиц, доктор биологических наук, профессор кафедры молекулярной биологии Новосибирского государственного университета, заведующий лабораторией структуры генома Института цитологии и генетики Сибирского отделения РАН. Соавтор и редактор четырех школьных учебников по общей биологии.

Со времени обнаружения в митохондриях молекул ДНК прошло четверть века, прежде чем ими заинтересовались не только молекулярные биологи и цитологи, но и генетики, эволюционисты, а также палеонтологи и криминалисты, историки и лингвисты. Такой широкий интерес спровоцировала работа А.Уилсона из Калифорнийского университета. В 1987 г. он опубликовал результаты сравнительного анализа ДНК митохондрий, взятых у 147 представителей разных этносов всех человеческих рас, заселяющих пять континентов. По типу, местоположению и количеству индивидуальных мутаций установили, что все митохондриальные ДНК возникли из одной предковой последовательности нуклеотидов путем дивергенции. В околонаучной прессе вывод этот интерпретировали крайне упрощенно - все человечество произошло от одной женщины, названной митохондриальной Евой (и дочери и сыновья получают митохондрии только от матери), которая жила в Северо-Восточной Африке около 200 тыс. лет назад. Еще через 10 лет удалось расшифровать фрагмент ДНК митохондрий, выделенный из останков неандертальца, и оценить время существования последнего общего предка человека и неандертальца в 500 тыс. лет назад .

Сегодня митохондриальная генетика человека интенсивно развивается как в популяционном, так и в медицинском аспекте. Установлена связь между рядом тяжелых наследственных заболеваний и дефектами в митохондриальных ДНК. Генетические изменения, ассоциированные со старением организма, наиболее выражены в митохондриях. Что же представляет из себя геном митохондрий, отличающийся у человека и других животных от такового у растений, грибов и простейших и по размеру, и по форме, и по генетической емкости? Как работает и как возник митохондриальный геном у разных таксонов? Об этом и пойдет речь в нашей статье.

Митохондрии называют энергетическими станциями клетки. Помимо наружной гладкой мембраны они имеют внутреннюю мембрану, образующую многочисленные складки - кристы. В них встроены белковые компоненты дыхательной цепи - ферменты, участвующие в преобразовании энергии химических связей окисляемых питательных веществ в энергию молекул аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Такой “конвертируемой валютой” клетка оплачивает все свои энергетические потребности. В клетках зеленых растений помимо митохондрий есть еще и другие энергетические станции - хлоропласты. Они работают на “солнечных батареях”, но тоже образуют АТФ из АДФ и фосфата. Как и митохондрии, хлоропласты - автономно размножающиеся органеллы - также имеют две мембраны и содержат ДНК.

В матриксе митохондрий, кроме ДНК, находятся и собственные рибосомы, по многим характеристикам отличающиеся от эвкариотических рибосом, расположенных на мембранах эндоплазматической сети. Однако на рибосомах митохондрий образуется не более 5% от всех белков, входящих в их состав. БOльшая часть белков, составляющих структурные и функциональные компоненты митохондрий, кодируется ядерным геномом, синтезируется на рибосомах эндоплазматической сети и транспортируется по ее каналам к месту сборки. Таким образом, митохондрии - это результат объединенных усилий двух геномов и двух аппаратов транскрипции и трансляции. Некоторые субъединичные ферменты дыхательной цепи митохондрий состоят из разных полипептидов, часть которых кодируется ядерным, а часть - митохондриальным геномом. Например, ключевой фермент окислительного фосфорилирования - цитохром-с-оксидаза у дрожжей состоит из трех субъединиц, кодируемых и синтезируемых в митохондриях, и четырех, кодируемых в ядре клетки и синтезируемых в цитоплазме. Экспрессией большинства генов митохондрий управляют определенные гены ядер.

Размеры и формы митохондриальных геномов

К настоящему времени прочитано более 100 разных геномов митохондрий. Набор и количество их генов в митохондриальных ДНК, для которых полностью определена последовательность нуклеотидов, сильно различаются у разных видов животных, растений, грибов и простейших. Наибольшее количество генов обнаружено в митохондриальном геноме жгутикового простейшего Rectinomonas americana - 97 генов, включая все кодирующие белок гены, найденные в мтДНК других организмов. У большинства высших животных геном митохондрий содержит 37 генов: 13 для белков дыхательной цепи, 22 для тРНК и два для рРНК (для большой субъединицы рибосом 16S рРНК и для малой 12S рРНК). У растений и простейших, в отличие от животных и большинства грибов, в митохондриальном геноме закодированы и некоторые белки, входящие в состав рибосом этих органелл. Ключевые ферменты матричного полинуклеотидного синтеза, такие как ДНК-полимераза (осуществляющая репликацию митохондриальной ДНК) и РНК-полимераза (транскрибирующая геном митохондрий), зашифрованы в ядре и синтезируются на рибосомах цитоплазмы. Этот факт указывает на относительность автономии митохондрий в сложной иерархии эвкариотической клетки.

Геномы митохондрий разных видов отличаются не только по набору генов, порядку их расположения и экспрессии, но по размеру и форме ДНК. Подавляющее большинство описанных сегодня митохондриальных геномов представляет собой кольцевые суперспирализованные двуцепочечные молекулы ДНК. У некоторых растений наряду с кольцевыми формами имеются и линейные, а у некоторых простейших, например инфузорий, в митохондриях обнаружены только линейные ДНК .

Как правило, в каждой митохондрии содержится несколько копий ее генома. Так, в клетках печени человека около 2 тыс. митохондрий, и в каждой из них - по 10 одинаковых геномов. В фибробластах мыши 500 митохондрий, содержащих по два генома, а в клетках дрожжей S.cerevisiae - до 22 митохондрий, имеющих по четыре генома.

Митохондриальный геном растений, как правило, состоит из нескольких молекул разного размера. Одна из них, “основная хромосома”, содержит большую часть генов, а кольцевые формы меньшей длины, находящиеся в динамическом равновесии как между собой, так и с основной хромосомой, образуются в результате внутри- и межмолекулярной рекомбинации благодаря наличию повторенных последовательностей (рис.1).

Рис 1. Схема образования кольцевых молекул ДНК разного размера в митохондриях растений.
Рекомбинация происходит по повторенным участкам (обозначены синим цветом).

Рис 2. Схема образования линейных (А), кольцевых (Б), цепных (В) олигомеров мтДНК.
ori - район начала репликации ДНК.

Размер генома митохондрий разных организмов колеблется от менее 6 тыс. пар нуклеотидов у малярийного плазмодия (в нем, помимо двух генов рРНК, содержится только три гена, кодирующих белки) до сотен тысяч пар нуклеотидов у наземных растений (например, у Arabidopsis thaliana из семейства крестоцветных 366924 пар нуклеотидов). При этом 7-8-кратные различия в размерах мтДНК высших растений обнаруживаются даже в пределах одного семейства. Длина мтДНК позвоночных животных отличается незначительно: у человека - 16569 пар нуклеотидов, у свиньи - 16350, у дельфина - 16330, у шпорцевой лягушки Xenopus laevis - 17533, у карпа - 16400. Эти геномы сходны также и по локализации генов, большинство которых располагаются встык; в ряде случаев они даже перекрываются, обычно на один нуклеотид, так что последний нуклеотид одного гена оказывается первым в следующем. В отличие от позвоночных, у растений, грибов и простейших мтДНК содержат до 80% некодирующих последовательностей. У разных видов порядок генов в геномах митохондрий отличается.

Высокая концентрация активных форм кислорода в митохондриях и слабая система репарации увеличивают частоту мутаций мтДНК по сравнению с ядерной на порядок. Радикалы кислорода служат причиной специфических замен Ц® Т (дезаминирование цитозина) и Г® Т (окислительное повреждение гуанина), вследствие чего, возможно, мтДНК богаты АТ-парами. Кроме того, все мтДНК обладают интересным свойством - они не метилируются, в отличие от ядерных и прокариотических ДНК. Известно, что метилирование (временная химическая модификация нуклеотидной последовательности без нарушения кодирующей функции ДНК) - один из механизмов программируемой инактивации генов .

Репликация и транскрипция ДНК митохондрий млекопитающих

У большинства животных комплементарные цепи в мтДНК значительно различаются по удельной плотности, поскольку содержат неодинаковое количество “тяжелых” пуриновых и “легких” пиримидиновых нуклеотидов. Так они и называются - H (heavy - тяжелая) и L (light - легкая) цепь. В начале репликации молекулы мтДНК образуется так называемая D-петля (от англ. displacement loop - петля смещения). Эта структура, видимая в электронный микроскоп, состоит из двуцепочечного и одноцепочечного (отодвинутой части Н-цепи) участков. Двуцепочечный участок формируется частью L-цепи и комплементарным ей вновь синтезированным фрагментом ДНК длиной 450-650 (в зависимости от вида организма) нуклеотидов, имеющим на 5"-конце рибонуклеотидную затравку, которая соответствует точке начала синтеза Н-цепи (ori H). Синтез L-цепи начинается лишь тогда, когда дочерняя Н-цепь доходит до точки ori L. Это обусловлено тем, что область инициации репликации L-цепи доступна для ферментов синтеза ДНК лишь в одноцепочечном состоянии, а следовательно, только в расплетенной двойной спирали при синтезе Н-цепи. Таким образом, дочерние цепи мтДНК синтезируются непрерывно и асинхронно (рис.3).

Рис 3. Схема репликации мтДНК млекопитающих.
Сначала формируется D-петля, затем синтезируется дочерняя Н-цепь,
потом начинается синтез дочерней L-цепи.

В митохондриях общее число молекул с D-петлей значительно превышает число полностью реплицирующихся молекул. Обусловлено это тем, что у D-петли есть дополнительные функции - прикрепление мтДНК к внутренней мембране и инициация транскрипции, поскольку в этом районе локализованы промоторы транскрипции обеих цепей ДНК.

В отличие от большинства эвкариотических генов, которые транскрибируются независимо друг от друга, каждая из цепей мтДНК млекопитающих переписывается с образованием одной молекулы РНК, начинающейся в районе ori H. Помимо этих двух длинных молекул РНК, комплементарных Н- и L-цепям, формируются и более короткие участки Н-цепи, которые начинаются в той же точке и заканчиваются на 3"-конце гена 16S рРНК (рис.4). Таких коротких транскриптов в 10 раз больше, чем длинных. В результате созревания (процессинга) из них образуются 12S рРНК и 16S рРНК, участвующие в формировании митохондриальных рибосом, а также фенилаланиновая и валиновая тРНК. Из длинных транскриптов вырезаются остальные тРНК и образуются транслируемые мРНК, к 3"-концам которых присоединяются полиадениловые последовательности. 5"-концы этих мРНК не кэпируются, что необычно для эвкариот. Сплайсинга (сращивания) не происходит, поскольку ни один из митохондриальных генов млекопитающих не содержит интронов.

Рис 4. Транскрипция мтДНК человека, содержащей 37 генов. Все транскрипты начинают синтезироваться в районе ori H. Рибосомные РНК вырезаются из длинного и короткого транскриптов Н-цепи. тРНК и мРНК образуются в результате процессинга из транскриптов обеих цепей ДНК. Гены тРНК обозначены светло-зеленым цветом.

Сюрпризы митохондриального генома

Несмотря на то, что в геномах митохондрий млекопитающих и дрожжей содержится приблизительно одинаковое количество генов, размеры дрожжевого генома в 4-5 раз больше - около 80 тыс. пар нуклеотидов. Хотя кодирующие последовательности мтДНК дрожжей высоко гомологичны соответствующим последовательностям у человека, дрожжевые мРНК дополнительно имеют 5"-лидерную и 3"-некодирующую области, как и большинство ядерных мРНК. Ряд генов содержит еще и интроны. Так, в гене box, кодирующем цитохромоксидазу b, имеется два интрона. Из первичного РНК-транскрипта автокаталитически (без участия каких-либо белков) вырезается копия большей части первого интрона. Оставшаяся РНК служит матрицей для образования фермента матуразы, участвующей в сплайсинге. Часть ее аминокислотной последовательности закодирована в оставшихся копиях интронов. Матураза вырезает их, разрушая свою собственную мРНК, копии экзонов сшиваются, и образуется мРНК для цитохромоксидазы b (рис.5). Открытие такого феномена заставило пересмотреть представление об интронах, как о “ничего не кодирующих последовательностях”.

Рис 5. Процессинг (созревание) мРНК цитохромоксидазы b в митохондриях дрожжей.
На первом этапе сплайсинга образуется мРНК, по которой синтезируется матураза,
необходимая для второго этапа сплайсинга.

При изучении экспрессии митохондриальных генов Trypanosoma brucei обнаружилось удивительное отклонение от одной из основных аксиом молекулярной биологии, гласящей, что последовательность нуклеотидов в мРНК в точности соответствует таковой в кодирующих участках ДНК. Оказалось, мРНК одной из субъединиц цитохром-с-оксидазы редактируется, т.е. после транскрипции изменяется ее первичная структура - вставляется четыре урацила. В результате образуется новая мРНК, служащая матрицей для синтеза дополнительной субъединицы фермента, последовательность аминокислот в которой не имеет ничего общего с последовательностью, кодируемой нередактированной мРНК (см. таблицу).

Впервые обнаруженное в митохондриях трипаносомы редактирование РНК широко распространено в хлоропластах и митохондриях высших растений. Найдено оно и в соматических клетках млекопитающих, например, в кишечном эпителии человека редактируется мРНК гена аполипопротеина.

Наибольший сюрприз ученым митохондрии преподнесли в 1979 г. До того времени считалось, что генетический код универсален и одни и те же триплеты кодируют одинаковые аминокислоты у бактерий, вирусов, грибов, растений и животных. Английский исследователь Беррел сопоставил структуру одного из митохондриальных генов теленка с последовательностью аминокислот в кодируемой этим геном субъединице цитохромоксидазы. Оказалось, что генетический код митохондрий крупного рогатого скота (как и человека) не просто отличается от универсального, он “идеален”, т.е. подчиняется следующему правилу: “если два кодона имеют два одинаковых нуклеотида, а третьи нуклеотиды принадлежат к одному классу (пуриновых - А, Г, или пиримидиновых - У, Ц), то они кодируют одну и ту же аминокислоту”. В универсальном коде есть два исключения из этого правила: триплет АУА кодирует изолейцин, а кодон АУГ - метионин, в то время как в идеальном коде митохондрий оба эти триплета кодируют метионин; триплет УГГ кодирует лишь триптофан, а триплет УГА - стоп-кодон. В универсальном коде оба отклонения касаются принципиальных моментов синтеза белка: кодон АУГ - инициирующий, а стоп-кодон УГА останавливает синтез полипептида. Идеальный код присущ не всем описанным митохондриям, но ни у одной из них нет универсального кода. Можно сказать, что митохондрии говорят на разных языках, но никогда - на языке ядра.

Как уже говорилось, в митохондриальном геноме позвоночных есть 22 гена тРНК. Каким же образом такой неполный набор обслуживает все 60 кодонов для аминокислот (в идеальном коде из 64 триплетов четыре стоп-кодона, в универсальном - три)? Дело в том, что при синтезе белка в митохондриях упрощены кодон-антикодонные взаимодействия - для узнавания используется два из трех нуклеотидов антикодона. Таким образом, одна тРНК узнает все четыре представителя кодонового семейства, отличающиеся только третьим нуклеотидом. Например, лейциновая тРНК с антикодоном ГАУ встает на рибосоме напротив кодонов ЦУУ, ЦУЦ, ЦУА и ЦУГ, обеспечивая безошибочное включение лейцина в полипептидную цепь. Два других лейциновых кодона УУА и УУГ узнаются тРНК с антикодоном ААУ. В целом, восемь разных молекул тРНК узнают восемь семейств по четыре кодона в каждом, и 14 тРНК узнают разные пары кодонов, каждая из которых шифрует одну аминокислоту.

Важно, что ферменты аминоацил-тРНК-синтетазы, ответственные за присоединение аминокислот к соответствующим тРНК митохондрий, кодируются в ядре клетки и синтезируются на рибосомах эндоплазматической сети. Таким образом, у позвоночных животных все белковые компоненты митохондриального синтеза полипептидов зашифрованы в ядре. При этом синтез белков в митохондриях не подавляется циклогексимидом, блокирующим работу эвкариотических рибосом, но чувствителен к антибиотикам эритромицину и хлорамфениколу, ингибирующим белковый синтез в бактериях. Этот факт служит одним из аргументов в пользу происхождения митохондрий из аэробных бактерий при симбиотическом образовании эвкариотических клеток .

Симбиотическая теория происхождения митохондрий

Гипотезу о происхождении митохондрий и растительных пластид из внутриклеточных бактерий-эндосимбионтов высказал Р.Альтман еще в 1890 г. За век бурного развития биохимии, цитологии, генетики и появившейся полвека назад молекулярной биологии гипотеза переросла в теорию, основанную на большом фактическом материале. Суть ее такова: с появлением фотосинтезирующих бактерий в атмосфере Земли накапливался кислород - побочный продукт их метаболизма. С ростом его концентрации усложнялась жизнь анаэробных гетеротрофов, и часть из них для получения энергии перешла от бескислородного брожения к окислительному фосфорилированию. Такие аэробные гетеротрофы могли с бOльшим КПД, чем анаэробные бактерии, расщеплять органические вещества, образующиеся в результате фотосинтеза. Часть свободно живущих аэробов была захвачена анаэробами, но не “переварена”, а сохранена в качестве энергетических станций, митохондрий. Не стоит рассматривать митохондрии как рабов, взятых в плен, чтобы снабжать молекулами АТФ не способные к дыханию клетки. Они скорее “существа”, еще в протерозое нашедшие для себя и своего потомства лучшее из убежищ, где можно затрачивать наименьшие усилия, не подвергаясь риску быть съеденными.

В пользу симбиотической теории говорят многочисленные факты:

- совпадают размеры и формы митохондрий и свободно живущих аэробных бактерий; те и другие содержат кольцевые молекулы ДНК, не связанные с гистонами (в отличие от линейных ядерных ДНК);

По нуклеотидным последовательностям рибосомные и транспортные РНК митохондрий отличаются от ядерных, демонстрируя при этом удивительное сходство с аналогичными молекулами некоторых аэробных грамотрицательных эубактерий;

Митохондриальные РНК-полимеразы, хотя и кодируются в ядре клетки, ингибируются рифампицином, как и бактериальные, а эвкариотические РНК-полимеразы нечувствительны к этому антибиотику;

Белковый синтез в митохондриях и бактериях подавляется одними и теми же антибиотиками, не влияющими на рибосомы эвкариот;

Липидный состав внутренней мембраны митохондрий и бактериальной плазмалеммы сходен, но сильно отличается от такового наружной мембраны митохондрий, гомологичной другим мембранам эвкариотических клеток;

Кристы, образуемые внутренней митохондриальной мембраной, являются эволюционными аналогами мезосомных мембран многих прокариот;

До сих пор сохранились организмы, имитирующие промежуточные формы на пути к образованию митохондрий из бактерий (примитивная амеба Pelomyxa не имеет митохондрий, но всегда содержит эндосимбиотические бактерии).

Существует представление, что разные царства эвкариот имели разных предков и эндосимбиоз бактерий возникал на разных этапах эволюции живых организмов. Об этом же говорят отличия в строении митохондриальных геномов простейших, грибов, растений и высших животных. Но во всех случаях основная часть генов из промитохондрий попала в ядро, возможно, с помощью мобильных генетических элементов. При включении части генома одного из симбионтов в геном другого интеграция симбионтов становится необратимой.

Новый геном может создавать метаболические пути, приводящие к образованию полезных продуктов, которые не могут быть синтезированы ни одним из партнеров по отдельности. Так, синтез стероидных гормонов клетками коры надпочечников представляет собой сложную цепь реакций, часть которых происходит в митохондриях, а часть - в эндоплазматической сети . Захватив гены промитохондрий, ядро получило возможность надежно контролировать функции симбионта. В ядре кодируются все белки и синтез липидов наружной мембраны митохондрий, большинство белков матрикса и внутренней мембраны органелл. Самое главное, что ядро кодирует ферменты репликации, транскрипции и трансляции мтДНК, контролируя тем самым рост и размножение митохондрий. Скорость роста партнеров по симбиозу должна быть приблизительно одинаковой. Если хозяин будет расти быстрее, то с каждым его поколением число симбионтов, приходящихся на одну особь, будет уменьшаться, и, в конце концов, появятся потомки, не имеющие митохондрий. Мы знаем, что в каждой клетке организма, размножающегося половым путем, содержится много митохондрий, реплицирующих свои ДНК в промежутке между делениями хозяина. Это служит гарантией того, что каждая из дочерних клеток получит по крайней мере одну копию генома митохондрии.

Цитоплазматическая наследственность

Помимо кодирования ключевых компонентов дыхательной цепи и собственного белоксинтезирующего аппарата, митохондриальный геном в отдельных случаях участвует в формировании некоторых морфологических и физиологических признаков. К таким признакам относятся характерные для ряда видов высших растений синдром NCS (non-chromosomal stripe, нехромосомно кодируемая пятнистость листьев) и цитоплазматическая мужская стерильность (ЦМС), приводящая к нарушению нормального развития пыльцы. Проявление обоих признаков обусловлено изменениями в структуре мтДНК. При ЦМС наблюдаются перестройки геномов митохондрий в результате рекомбинационных событий, ведущих к делециям, дупликациям, инверсиям или инсерциям определенных нуклеотидных последовательностей или целых генов. Такие изменения могут вызывать не только повреждения имеющихся генов, но и появление новых работающих генов.

Цитоплазматическая наследственность, в отличие от ядерной, не подчиняется законам Менделя. Это связано с тем, что у высших животных и растений гаметы от разных полов содержат несопоставимые количества митохондрий. Так, в яйцеклетке мыши имеется 90 тыс. митохондрий, а в сперматозоиде - лишь четыре. Очевидно, что в оплодотворенной яйцеклетке митохондрии преимущественно или только от женской особи, т.е. наследование всех митохондриальных генов материнское. Генетический анализ цитоплазматической наследственности затруднен из-за ядерно-цитоплазматических взаимодействий. В случае цитоплазматической мужской стерильности мутантный митохондриальный геном взаимодействует с определенными генами ядра, рецессивные аллели которых необходимы для развития признака. Доминантные аллели этих генов как в гомо-, так и в гетерозиготном состоянии восстанавливают фертильность растений вне зависимости от состояния митохондриального генома.

Изучение геномов митохондрий, их эволюции, идущей по специфическим законам популяционной генетики, взаимоотношений между ядерными и митохондриальными генетическими системами, необходимо для понимания сложной иерархической организации эвкариотической клетки и организма в целом.

С определенными мутациями в митохондриальной ДНК или в ядерных генах, контролирующих работу митохондрий, связывают некоторые наследственные болезни и старение человека . Накапливаются данные об участии дефектов мтДНК в канцерогенезе. Следовательно, митохондрии могут быть мишенью химиотерапии рака. Имеются факты о тесном взаимодействии ядерного и митохондриального геномов в развитии ряда патологий человека. Множественные делеции мтДНК обнаружены у больных с тяжелой мышечной слабостью, атаксией, глухотой, умственной отсталостью, наследующихся по аутосомно-доминантному типу. Установлен половой диморфизм в клинических проявлениях ишемической болезни сердца, что скорее всего обусловлено материнским эффектом - цитоплазматической наследственностью. Развитие генной терапии внушает надежду на исправление дефектов в геномах митохондрий в обозримом будущем.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований. Проект 01-04-48971.
Автор признателен аспиранту М.К.Иванову, создавшему рисунки к статье.

Литература

1. Янковский Н.К., Боринская С.А. Наша история, записанная в ДНК // Природа. 2001. №6. С.10-18.

2. Минченко А.Г., Дударева Н.А. Митохондриальный геном. Новосибирск, 1990.

3. Гвоздев В.А. // Сорос. образоват. журн. 1999. №10. С.11-17.

4. Маргелис Л. Роль симбиоза в эволюции клетки. М., 1983.

5. Скулачев В.П. // Сорос. образоват. журн. 1998. №8. С.2-7.

6. Игамбердиев А.У. // Сорос. образоват. журн. 2000. №1. С.32-36.

Вступление

Со времени обнаружения в митохондриях молекул ДНК прошло четверть ве-ка, прежде чем ими заинтересовались не только молекулярные биологи и цито-логи, но и генетики, эволюционисты, а также палеонтологи и криминалисты. Такой широкий интерес спровоцировала работа А. Уилсона из Калифорнийско-го университета. В 1987 г. он опубликовал результаты сравнительного анализа ДНК митохондрий, взятых у 147 представителей разных этносов всех человече-ских рас, заселяющих пять континентов. По типу, местоположению и количес-тву индивидуальных мутаций установили, что все митохондриальные ДНК воз-никли из одной предковой последовательности нуклеотидов путем диверген-ции . В околонаучной прессе вывод этот интерпретировали крайне упрощенно - все человечество произошло от одной женщины, названной митохондриаль-ной Евой (т. к. и дочери и сыновья получают митохондрии только от матери), которая жила в Северо-Восточной Африке около 200 тыс. лет назад. Еще через 10 лет удалось расшифровать фрагмент ДНК митохондрий, выделенный из ос-танков неандертальца, и оценить время существования последнего общего предка человека и неандертальца в 500 тыс. лет назад.

Сегодня митохондриальная генетика человека интенсивно развивается как в популяционном, так и в медицинском аспекте. Установлена связь между рядом тяжелых наследственных заболеваний и дефектами в митохондриальных ДНК. Генетические изменения, ассоциированные со старением организма, наиболее выражены в митохондриях. Что же представляет из себя геном митохондрий, отличающийся у человека и других животных от такового у растений, грибов и простейших и по размеру, и по форме, и по генетической емкости? Какова роль, как работает и как возник митохондриальный геном у разных таксонов в целом и у человека в частности? Об этом и пойдет речь в моем “маленьком и самом скромном” реферате.

В матриксе митохондрий, кроме ДНК, находятся и собственные рибосомы, по многим характеристикам отличающиеся от эвкариотических рибосом, рас-положенных на мембранах эндоплазматической сети. Однако на рибосомах ми-тохондрий образуется не более 5% от всех белков, входящих в их состав. Бóль-шая часть белков, составляющих структурные и функциональные компоненты митохондрий, кодируется ядерным геномом, синтезируется на рибосомах эндо-плазматической сети и транспортируется по ее каналам к месту сборки. Таким образом, митохондрии - это результат объединенных усилий двух геномов и двух аппаратов транскрипции и трансляции. Некоторые субъединичные ферме-нты дыхательной цепи митохондрий состоят из разных полипептидов, часть ко-торых кодируется ядерным, а часть - митохондриальным геномом. Например, ключевой фермент окислительного фосфорилирования - цитохром-с-оксидаза у дрожжей состоит из трех субъединиц, кодируемых и синтезируемых в мито-хондриях, и четырех, кодируемых в ядре клетки и синтезируемых в цитоплазме. Экспрессией большинства генов митохондрий управляют определенные гены ядер.

Симбиотическая теория происхождения митохондрий

Гипотезу о происхождении митохондрий и растительных пластид из вну-триклеточных бактерий-эндосимбионтов высказал Р. Альтман еще в 1890 г. За век бурного развития биохимии , цитологии , генетики и появившейся полвека назад молекулярной биологии гипотеза переросла в теорию, основанную на бо-льшом фактическом материале. Суть ее такова: с появлением фотосинтезирую-щих бактерий в атмосфере Земли накапливался кислород - побочный продукт их метаболизма. С ростом его концентрации усложнялась жизнь анаэробных ге-теротрофов, и часть из них для получения энергии перешла от бескислородного брожения к окислительному фосфорилированию. Такие аэробные гетеротрофы могли с бóльшим КПД, чем анаэробные бактерии, расщеплять органические ве-щества, образующиеся в результате фотосинтеза. Часть свободно живущих аэ-робов была захвачена анаэробами, но не “переварена”, а сохранена в качестве энергетических станций, митохондрий. Не стоит рассматривать митохондрии как рабов, взятых в плен, чтобы снабжать молекулами АТФ не способные к ды-ханию клетки. Они скорее “существа”, еще в протерозое нашедшие для себя и своего потомства лучшее из убежищ, где можно затрачивать наименьшие уси-лия, не подвергаясь риску быть съеденными.

В пользу симбиотической теории говорят многочисленные факты:

Совпадают размеры и формы митохондрий и свободно живущих аэробных бактерий; те и другие содержат кольцевые молекулы ДНК, не связанные с гистонами (в отличие от линейных ядерных ДНК);

По нуклеотидным последовательностям рибосомные и транспортные РНК митохондрий отличаются от ядерных, демонстрируя при этом удивительное сходство с аналогичными молекулами некоторых аэробных грамотрицательных эубактерий;

Митохондриальные РНК-полимеразы, хотя и кодируются в ядре клетки, ингибируются рифампицином, как и бактериальные, а эвкариотические РНК-полимеразы нечувствительны к этому антибиотику ;

Белковый синтез в митохондриях и бактериях подавляется одними и теми же антибиотиками, не влияющими на рибосомы эвкариот;

Липидный состав внутренней мембраны митохондрий и бактериальной плазмалеммы сходен, но сильно отличается от такового наружной мембраны митохондрий, гомологичной другим мембранам эвкариотических клеток;

Кристы, образуемые внутренней митохондриальной мембраной, являются эволюционными аналогами мезосомных мембран многих прокариот;

До сих пор сохранились организмы, имитирующие промежуточные формы на пути к образованию митохондрий из бактерий (примитивная амеба Pelomyxa не имеет митохондрий, но всегда содержит эндосимбиотические бактерии).

Существует представление, что разные царства эвкариот имели разных предков и эндосимбиоз бактерий возникал на разных этапах эволюции живых организмов. Об этом же говорят отличия в строении митохондриальных гено-мов простейших, грибов, растений и высших животных. Но во всех случаях ос-новная часть генов из промитохондрий попала в ядро, возможно, с помощью мобильных генетических элементов. При включении части генома одного из симбионтов в геном другого интеграция симбионтов становится необратимой. Новый геном может создавать метаболические пути, приводящие к образова-нию полезных продуктов, которые не могут быть синтезированы ни одним из партнеров по отдельности. Так, синтез стероидных гормонов клетками коры надпочечников представляет собой сложную цепь реакций, часть которых происходит в митохондриях, а часть - в эндоплазматической сети. Захватив гены промитохондрий, ядро получило возможность надежно контролировать функции симбионта. В ядре кодируются все белки и синтез липидов наружной мембраны митохондрий, большинство белков матрикса и внутренней мембраны органелл. Самое главное, что ядро кодирует ферменты репликации, транскрип-ции и трансляции мтДНК, контролируя тем самым рост и размножение мито-хондрий. Скорость роста партнеров по симбиозу должна быть приблизительно одинаковой. Если хозяин будет расти быстрее, то с каждым его поколением число симбионтов, приходящихся на одну особь, будет уменьшаться, и, в конце концов, появятся потомки, не имеющие митохондрий. Мы знаем, что в каждой клетке организма, размножающегося половым путем, содержится много мито-хондрий, реплицирующих свои ДНК в промежутке между делениями хозяина. Это служит гарантией того, что каждая из дочерних клеток получит по крайней мере одну копию генома митохондрии.

Роль клеточного ядра в биогенезе митохондрий

У мутантных дрожжей определенного типа имеется обширная делеция в митохондриальной ДНК, что ведет к полному прекращению белкового синтеза в митохондриях; в результате эти органеллы не способны выполнять, свою функцию. Так как при росте на среде с низким содержанием глюкозы такие мутанты образуют мелкие колонии, их называют цитоплазматическими му тантами petite .

Хотя у мутантов petite нет митохондриального синтеза белков и поэтому нормальных митохондрий не образуется, тем не менее такие мутанты содержат промитохондрии, которые в известной мере сходны с обычными митохондриями, имеют нормальную наружную мембрану и внутреннюю мeмбрану со слабо развитыми кристами. В промитохондриях имеются многие ферменты, кодируемые ядерными генами и синтезируемые на рибосомах цитоплазмы, в том числе ДНК - и РНК-полимеразы, все ферменты цикла лимонной кислоты и многие белки, входящие в состав внутренней мембраны. Это наглядно демонстрирует преобладающую роль ядерного генома в биогенезе митохондрий.

Интересно отметить, что, хотя утраченные фрагменты ДНК составляют от 20 до более чем 99,9% митохондриального генома, общее количество митохондриальной ДНК у мутантов petite всегда остается на том же уровне, что и у дикого типа. Это обусловлено еще мало изученным процессом aмплификации ДНК, в результате которого образуется молекула ДНК, состоящая из тандемных повторов одного и того же участка и равная по величине нормальной молекуле. Например, митохондриальная ДНК мутанта petite, сохранившая 50% нуклеотидной последовательности ДНК дикого типа, будет состоять из двух повторов, тогда как молекула, сохранившая только 0,1% генома дикого типа, будет построена из 1000 копий оставшегося фрагмента. Таким образом, мутанты petite могут быть использованы для получения в большом количестве определенных участков митохондриальной ДНК, которые, можно сказать, клонируются самой природой.

Хотя биогенез органелл контролируется главным образом ядерными генами, сами органеллы тоже, судя по некоторым данным, оказывают какое-то регулирующее влияние по принципу обратной связи; во всяком случае так обстоит дело с митохондриями. Если блокировать синтез белка в митохондриях интактных клеток, то в цитоплазме начинают в избытке образовываться ферменты участвующие в митохондриальном синтезе ДНК, РНК и белков, как будто клетка пытается преодолеть воздействие блокирующего агента. Но, хотя существование какого-то сигнала со стороны митохондрий и не вызывает сомнений, природа его до сих пор не известна.

По ряду причин механизмы биогенеза митохондрий изучают сейчас в большинстве случаев на культурах Saccharomyces carlsbergensis (пивные дрожжи и S . cerevisiae (пекарские дрожжи). Во-первых, при росте на глюкозе эти дрожжи обнаруживают уникальную способность существовать только за счет гликолиза, т. е. обходиться без функции митохондрий. Это дает возможность изучать мутации в митохондриальной и ядерной ДНК, препятствующие развитию этих органелл. Такие мутации летальны почти у всех других организмов. Во-вторых, дрожжи - простые одноклеточные эукариоты - легко культивировать и подвергать биохимическому исследованию. И наконец, дрожжи могут размножаться как в гаплоидной, так и в диплоидной фазе, обычно бесполым способом-почкованием (асимметричный митоз). Но у дрожжей встречается и половой процесс: время от времени две гаплоидные клетки сливаются, образуя диплоидную зиготу, которая затем либо делится путем митоза, либо претерпевает мейоз и снова дает гаплоидные клетки. Контролируя в ходе эксперимента чередование бесполого и полового раз-множения, можно многое узнать о генах, ответственных за функцию митохондрий. С помощью этих методов можно, в частности, выяснить, локализованы ли такие гены в ядерной ДНК или в митохондриальной, так как мутации митохондриальных генов не наследуются по законам Менделя, которым подчиняется наследование ядерных генов.

Транспортные системы митохондрий

Большая часть белков, содержащихся в митохондриях и хлоропластах импор-тируется в эти органеллы из цитозоля. В связи с этим возникают два вопроса: как клетка направляет белки к надлежащей органелле и каким образом эти белки проникают в нее?

Частичный ответ был получен при изучении транспорта в строму хлоропласта малой субъединицы (S) фермента рибулозо-1,5-бисфосфат-карбокси лазы. Если мРНК, выделенную из цитоплазмы одноклеточной водоросли Chlamydomonas или из листьев гороха, ввести в качестве матрицы в белоксинтезирующую систему in vitro, то один из многих образующихся белков будет связываться специфическим анти-S-антителом. S-белок, синтезируемый in vitro, называют пpo-S, так как он больше обычного S-белка примерно на 50 аминокислотных остатков. При инкубации белка пpo-S с интактными хлоропластами он проникает в органеллы и превращается там под действием пептидазы в S-белок. Затем S-белок связывается с большой субъединицей рибулозо-1,5-бисфосфат-карбоксилазы, синтезируемой на рибосомах хлоропласта, и образует с нею в строме хлоропласта активный фермент.

Механизм переноса S-белка неизвестен. Полагают, что пpo-S связывается с белком-рецептором, находящимся на наружной мембране хлоропласта или в месте контакта наружной и внутренней мембран, а затем переносится в строму через трансмембранные каналы в результате процесса, требующего затраты энергии.

Сходным образом осуществляется транспорт белков внутрь митохондрий. Если очищенные митохондрии дрожжей инкубировать с клеточным экстрактом, содержащим только что синтезированные радиоактивные дрожжевые белки, то можно наблюдать, что митохондриальные белки, кодируемые ядерным геномом, отделяются от немитохондриальных белков цитоплазмы и избирательно включаются в митохондрии-так же, как это происходит в интактной клетке. При этом белки наружной и внутренней мембран, матрикса и межмембранного пространства находят свой путь к соответствующему компартменту митохондрии.

Многие из вновь синтезированных белков, предназначенных для внутренней мембраны, матрикса и межмембранного пространства, имеют на своем N-конце лидерный пептид, который во время транспортировки отщепляется специфической протеазой, находящейся в матриксе. Для переноса белков в эти три митохондриальных компартмента необходима энергия электрохимического протонного градиента, создаваемого на внутренней мембране. Механизм переноса белков для наружной мембраны иной: в этом случае не требуется ни затрат энергии, ни протеолитического расщепления более длинного белка-предшественника. Эти и другие наблюдения позволяют думать, что все четыре группы митохондриальных белков транспортируются в органеллу с помощью следующего механизма: предполагается, что все белки, кроме тех, которые предназначены для наружной мембраны, включаются во внутреннюю мембрану в результате процесса, требующего затраты энергии и происходящего в местах контакта наружной и внутренней мембран. По-видимому, после этого первоначального включения белка в мембрану он подвергается протеолитическому расщеплению, которое приводит к изменению его конформации; в зависимости от того, как изменится конформация, белок либо закрепляется в мембране, либо «выталкивается» в матрикс или в межмембранное пространство.

Перенос белков через мембраны митохондрий и хлоропластов в принципе аналогичен переносу их через мембраны эндоплазматического ретикулума. Однако здесь есть несколько важных отличий. Во-первых, при транспорте в матрикс или строму белок проходит как через наружную, так и через внутреннюю мембрану органеллы, тогда как при переносе в просвет эндоплазматического ретикулума молекулы проходят только через одну мембрану. Кроме того, перенос белков в ретикулум осуществляется с помощью механизма направленного выведения (vectorial discharge)-он начинается тогда, когда белок еще не полностью сошел с рибосомы (котрансляционный импорт), а перенос в митохондрии и хлоропласты происходит уже после того, как синтез белковой молекулы будет полностью завершен (посттрансляционный импорт).

Несмотря на эти различия, и в том и в другом случае клетка синтезирует белки-предшественники, содержащие сигнальную последовательность, которая определяет, к какой мембране направится данный белок. По-видимому, во многих случаях эта последовательность отщепляется от молекулы-предшественника после завершения транспортного процесса. Однако некоторые белки сразу синтезируются в окончательном виде. Полагают, что в таких случаях сигнальная последовательность заключена в полипептидной цепи готового белка. Сигнальные последовательности еще плохо изучены, но, вероятно, должно быть несколько типов таких последовательностей, каждый из которых определяет перенос белковой молекулы в определенную область клетки. Например, в растительной клетке некоторые из белков, синтез которых начинается в цитозоле, транспортируются затем в митохондрии, другие - в хлоропласты, третьи - в пероксисомы, четвертые - в эндоплазматический ретикулум. Сложные процессы, приводящие к правильному внутриклеточному распределению белков, только сейчас становятся понятными.

Помимо нуклеиновых кислот и белков для построения новых митохондрий нужны липиды. В отличие от хлоропластов митохондрии получают бóльшую часть своих липидов извне. В животных клетках фосфолипиды, синтезированные в эндоплазматическом ретикулуме, транспортируются к наружной мембране митохондрий с помощью особых белков, а затем включаются во внутреннюю мембрану; как полагают, это происходит в месте контакта двух мембран. Основная реакция биосинтеза липидов, катализируемая самими митохондриями, - это превращение фосфатидной кислоты в фосфолипид кардиолипин, который содержится главным образом во внутренней митохондриальной мембране и составляет около 20% всех ее липидов.

Размеры и форма митохондриальных геномов

К настоящему времени прочитано более 100 разных геномов митохондрий. На-бор и количество их генов в митохондриальных ДНК, для которых полностью определена последовательность нуклеотидов, сильно различаются у разных ви-дов животных, растений, грибов и простейших. Наибольшее количество генов обнаружено в митохондриальном геноме жгутикового простейшего Rectinomo-nas americana - 97 генов, включая все кодирующие белок гены, найденные в мтДНК других организмов. У большинства высших животных геном митохон-дрий содержит 37 генов: 13 для белков дыхательной цепи, 22 для тРНК и два для рРНК (для большой субъединицы рибосом 16S рРНК и для малой 12S рРНК). У растений и простейших, в отличие от животных и большинства гри-бов, в митохондриальном геноме закодированы и некоторые белки, входящие в состав рибосом этих органелл. Ключевые ферменты матричного полинуклеоти-дного синтеза, такие как ДНК-полимераза (осуществляющая репликацию мито-хондриальной ДНК) и РНК-полимераза (транскрибирующая геном митохон-дрий), зашифрованы в ядре и синтезируются на рибосомах цитоплазмы. Этот факт указывает на относительность автономии митохондрий в сложной иерар-хии эвкариотической клетки.

Геномы митохондрий разных видов отличаются не только по набору ге-нов, порядку их расположения и экспрессии, но по размеру и форме ДНК. По-давляющее большинство описанных сегодня митохондриальных геномов пред-ставляет собой кольцевые суперспирализованные двуцепочечные молекулы ДНК. У некоторых растений наряду с кольцевыми формами имеются и линей-ные, а у некоторых простейших, например инфузорий, в митохондриях обнару-жены только линейные ДНК.

Как правило, в каждой митохондрии содержится несколько копий ее ге-нома. Так, в клетках печени человека около 2 тыс. митохондрий, и в каждой из них - по 10 одинаковых геномов. В фибробластах мыши 500 митохондрий, со-держащих по два генома, а в клетках дрожжей S. cerevisiae - до 22 митохон-дрий, имеющих по четыре генома.

DIV_ADBLOCK764">

Рис 2. Схема образования линейных (А), кольцевых (Б), цепных (В) олигомеров мтДНК. ori - район начала репликации ДНК.

Размер генома митохондрий разных организмов колеблется от менее 6 тыс. пар нуклеотидов у малярийного плазмодия (в нем, помимо двух генов рРНК, содержится только три гена, кодирующих белки) до сотен тысяч пар ну-клеотидов у наземных растений (например, у Arabidopsis thaliana из семейства крестоцветных 366924 пар нуклеотидов). При этом 7-8-кратные различия в ра-змерах мтДНК высших растений обнаруживаются даже в пределах одного се-мейства. Длина мтДНК позвоночных животных отличается незначительно: у человека - 16569 пар нуклеотидов, у свиньи - 16350, у дельфина - 16330, у шпорцевой лягушки Xenopus laevis - 17533, у карпа - 16400. Эти геномы схо-дны также и по локализации генов, большинство которых располагаются встык; в ряде случаев они даже перекрываются, обычно на один нуклеотид, так что по-следний нуклеотид одного гена оказывается первым в следующем. В отличие от позвоночных, у растений, грибов и простейших мтДНК содержат до 80% не-кодирующих последовательностей. У разных видов порядок генов в геномах митохондрий отличается.

Высокая концентрация активных форм кислорода в митохондриях и сла-бая система репарации увеличивают частоту мутаций мтДНК по сравнению с ядерной на порядок. Радикалы кислорода служат причиной специфических за-мен Ц®Т (дезаминирование цитозина) и Г®Т (окислительное повреждение гуанина), вследствие чего, возможно, мтДНК богаты АТ-парами. Кроме того, все мтДНК обладают интересным свойством - они не метилируются, в отли-чие от ядерных и прокариотических ДНК. Известно, что метилирование (време-нная химическая модификация нуклеотидной последовательности без наруше-ния кодирующей функции ДНК) - один из механизмов программируемой инактивации генов.

Размеры и строение молекул ДНК в органеллах

	Структура	Масса, млн. дальтон	Примечания
охон дриа	Животные	Кольцевая		У каждого отдельного вида все молекулы одного размера
Высшие ра стения	Кольцевая	Варьирует	У всех изученных видов имеются разные по величине кольцевые ДНК, в которых общее содержание генетической информации соответ-ствует массе от 300 до 1000 млн. дальтон в зависимости от вида
Грибы: Простейшие	Кольцевая Кольцевая Кольцевая Линейная
Хлор опла стов	Водоросли	Кольцевая Кольцевая
Высшие растения	Кольцевая		У каждого отдельного вида найдены молекулы только одного

Относительное количество ДНК органелл в некоторых клетках и тканях

Организм	Ткань или тип клеток	Число мол-л ДНК/органел-	Число орга- нелл в клетке	Доля ДНК орга-нелл во всей ДНК клетки, %
охон дриа
	Клетки линии L
	Яйцеклетка
Хлор опла стов		Вегетативные диплоидные клетки
Кукуруза

Функционирование митохондриального генома

Что же особенного в механизмах репликации и транскрипции ДНК митохондрий млекопитающих?

Комплементарий" href="/text/category/komplementarij/" rel="bookmark">комплементарные цепи в мтДНК значительно различаются по удельной плотности, поскольку содержат неодинаковое количе-ство “тяжелых” пуриновых и “легких” пиримидиновых нуклеотидов. Так они и называются - H (heavy - тяжелая) и L (light - легкая) цепь. В начале репли-кации молекулы мтДНК образуется так называемая D-петля (от англ. Displace-ment loop - петля смещения). Эта структура, видимая в электронный микро-скоп, состоит из двуцепочечного и одноцепочечного (отодвинутой части Н-цепи) участков. Двуцепочечный участок формируется частью L-цепи и компле-ментарным ей вновь синтезированным фрагментом ДНК длиной 450-650 (в зависимости от вида организма) нуклеотидов, имеющим на 5"-конце рибонук-леотидную затравку, которая соответствует точке начала синтеза Н-цепи (oriH). Синтез L-цепи начинается лишь тогда, когда дочерняя Н-цепь доходит до точки ori L. Это обусловлено тем, что область инициации репликации L-цепи доступ-на для ферментов синтеза ДНК лишь в одноцепочечном состоянии, а следовате-льно, только в расплетенной двойной спирали при синтезе Н-цепи. Таким обра-зом, дочерние цепи мтДНК синтезируются непрерывно и асинхронно (рис.3).

Рис 3. Схема репликации мтДНК млекопитающих. Сначала формируется D-петля, затем синтезируется дочерняя Н-цепь, потом начинается синтез дочерней L-цепи.

Кон-це гена 16S рРНК (рис.4). Таких коротких транскриптов в 10 раз больше, чем длинных. В результате созревания (процессинга) из них образуются 12S рРНК и 16S рРНК, участвующие в формировании митохондриальных рибосом, а так-же фенилаланиновая и валиновая тРНК. Из длинных транскриптов вырезаются остальные тРНК и образуются транслируемые мРНК, к 3"-концам которых при-соединяются полиадениловые последовательности. 5"-концы этих мРНК не кэ-пируются, что необычно для эвкариот. Сплайсинга (сращивания) не происхо-дит, поскольку ни один из митохондриальных генов млекопитающих не содер-жит интронов.

Рис 4. Транскрипция мтДНК человека, содержащей 37 генов. Все транскрипты начинают синтезироваться в районе ori H. Рибосомные РНК вырезаются из длинного и короткого транскриптов Н-цепи. тРНК и мРНК образуются в результате процессинга из транскриптов обеих цепей ДНК. Гены тРНК обозначены светло-зеленым цветом.

Хотите узнать какие еще сюрпризы способен преподнести митохон-дриальный геном? Отлично! Читаем дальше!..

Лидерную и 3"-некодирующую области, как и большинство ядерных мРНК. Ряд генов содержит еще и интроны. Так, в гене box, кодирующем цитохром-оксидазу b, имеется два интрона. Из первичного РНК-транскрипта автокатали-тически (без участия каких-либо белков) вырезается копия большей части пер-вого интрона. Оставшаяся РНК служит матрицей для образования фермента ма-туразы, участвующей в сплайсинге. Часть ее аминокислотной последовательно-сти закодирована в оставшихся копиях интронов. Матураза вырезает их, разру-шая свою собственную мРНК, копии экзонов сшиваются, и образуется мРНК для цитохромоксидазы b (рис.5). Открытие такого феномена заставило пере-смотреть представление об интронах, как о “ничего не кодирующих последова-тельностях”.

Рис 5. Процессинг (созревание) мРНК цитохромоксидазы b в митохондриях дрожжей. На первом этапе сплайсинга образуется мРНК, по которой синтезируется матураза, необходимая для второго этапа сплайсинга.

При изучении экспрессии митохон-дриальных генов Trypanosoma brucei обнаружилось удивительное отклонение от одной из основных аксиом молекулярной биологии, гласящей, что после-довательность нуклеотидов в мРНК в точности соответствует таковой в коди-рующих участках ДНК. Оказалось, мРНК одной из субъединиц цитохром-с-оксидазы редактируется, т. е. после транскрипции изменяется ее первичная структура - вставляется четыре урацила. В результате образуется новая мРНК, служащая матрицей для синтеза дополнительной субъединицы фермента, пос-ледовательность аминокислот в которой не имеет ничего общего с последова-Вирус" href="/text/category/virus/" rel="bookmark">вирусов , грибов, расте-ний и животных. Английский исследователь Беррел сопоставил структуру од-ного из митохондриальных генов теленка с последовательностью аминокислот в кодируемой этим геном субъединице цитохромоксидазы. Оказалось, что гене-тический код митохондрий крупного рогатого скота (как и человека) не просто отличается от универсального, он “идеален”, т. е. подчиняется следующему пра-вилу: “если два кодона имеют два одинаковых нуклеотида, а третьи нуклеоти-ды принадлежат к одному классу (пуриновых - А, Г, или пиримидиновых - У, Ц), то они кодируют одну и ту же аминокислоту”. В универсальном коде есть два исключения из этого правила: триплет АУА кодирует изолейцин, а кодон АУГ - метионин, в то время как в идеальном коде митохондрий оба эти трип-лета кодируют метионин; триплет УГГ кодирует лишь триптофан, а триплет УГА - стоп-кодон. В универсальном коде оба отклонения касаются прин-ципиальных моментов синтеза белка: кодон АУГ - инициирующий, а стоп-кодон УГА останавливает синтез полипептида. Идеальный код присущ не всем описанным митохондриям, но ни у одной из них нет универсального кода. Мож-но сказать, что митохондрии говорят на разных языках, но никогда - на языке ядра.

Различия между “универсальным” генетическим кодом и двумя митохондриальными кодами

Кодон	Митохондриальный код млекопитающих	Митохондриальный код дрожжей	“ Универсальный ”

Как уже говорилось, в митохондриальном геноме позвоночных есть 22 ге-на тРНК. Каким же образом такой неполный набор обслуживает все 60 кодонов для аминокислот (в идеальном коде из 64 триплетов четыре стоп-кодона, в уни-версальном - три)? Дело в том, что при синтезе белка в митохондриях упроще-ны кодон-антикодонные взаимодействия - для узнавания используется два из трех нуклеотидов антикодона. Таким образом, одна тРНК узнает все четыре представителя кодонового семейства, отличающиеся только третьим нуклеоти-дом. Например, лейциновая тРНК с антикодоном ГАУ встает на рибосоме на-против кодонов ЦУУ, ЦУЦ, ЦУА и ЦУГ, обеспечивая безошибочное включе-ние лейцина в полипептидную цепь. Два других лейциновых кодона УУА и УУГ узнаются тРНК с антикодоном ААУ. В целом, восемь разных молекул тРНК узнают восемь семейств по четыре кодона в каждом, и 14 тРНК узнают разные пары кодонов, каждая из которых шифрует одну аминокислоту.

Важно, что ферменты аминоацил-тРНК-синтетазы, ответственные за при-соединение аминокислот к соответствующим тРНК митохондрий, кодируются в ядре клетки и синтезируются на рибосомах эндоплазматической сети. Таким образом, у позвоночных животных все белковые компоненты митохондриаль-ного синтеза полипептидов зашифрованы в ядре. При этом синтез белков в ми-тохондриях не подавляется циклогексимидом, блокирующим работу эвкариоти-ческих рибосом, но чувствителен к антибиотикам эритромицину и хлорамфени-колу, ингибирующим белковый синтез в бактериях. Этот факт служит одним из аргументов в пользу происхождения митохондрий из аэробных бактерий при симбиотическом образовании эвкариотических клеток.

Значение наличия собственной генетической системы для митохондрий

Почему митохондриям необходима собственная генетическая система, тогда как другие органеллы, например пероксисомы и лизосомы ее не имеют? Этот вопрос совсем не тривиален, так как поддержание отдельной генетической сис-темы дорого обходится клетке, если учесть необходимое количество дополни-тельных генов в ядерном геноме. Здесь должны быть закодированы рибосом-ные белки, аминоацил-тРНК-синтетазы, ДНК - и РНК-полимеразы, ферменты процессинга и модификации РНК и т. д. Большинство изученных белков из митохондрий отличаются по аминокислотной последовательности от своих аналогов из других частей клетки, и есть основание полагать, что в этих органе-ллах очень мало таких белков, которые могли бы встретиться еще где-нибудь. Это означает, что только для поддержания генетической системы митохондрий в ядерном геноме должно быть несколько десятков дополнительных генов. При-чины такого “расточительства” неясны, и надежда на то, что разгадка будет найдена в нуклеотидной последовательности митохондриальной ДНК, не опра-вдалась. Трудно представить себе, почему образующиеся в митохондриях бел-ки должны непременно синтезироваться именно там, а не в цитозоле.

Обычно существование генетической системы в энергетических органеллах объясняют тем, что некоторые из синтезируемых внутри органеллы белков слишком гидрофобны, чтобы пройти сквозь митохондриальную мембрану из-вне. Однако изучение АТР-синтетазного комплекса показало, что такое объясне-ние неправдоподобно. Хотя отдельные белковые субъединицы АТР-синтетазы весьма консервативны в ходе эволюции, места их синтеза изменяются. В хлоропластах несколько довольно гидрофильных белков, в том числе четыре из пяти субъединиц F1-ATPазной части комплекса, образуются на рибосомах внутри органеллы. Напротив, у гриба Neurospora и в животных клетках весьма гидрофобный компонент (субъединица 9) мембранной части АТРазы синтези-руется на рибосомах цитоплазмы и лишь после этого переходит в органеллу. Различную локализацию генов, кодирующих субъединицы функционально эквивалентных белков у разных организмов, трудно объяснить с помощью какой бы то ни было гипотезы, постулирующей определенные эволюционные преимущества современных генетических систем митохондрий и хлоропластов.

Учитывая все вышесказанное, остается только предположить, что генетическая система митохондрий представляет собой эволюционный тупик. В рамках эндо-симбиотической гипотезы это означает, что процесс переноса генов эндосимбионта в ядерный геном хозяина прекратился раньше, чем был полностью завершен.

Цитоплазматическая наследственность

Последствия цитоплазматической передачи генов для некоторых животных, в том числе и для человека, более серьезны, нежели для дрожжей. Две сливающиеся гаплоидные дрожжевые клетки имеют одинаковую величину и вносят в образующуюся зиготу одинаковое количество митохондриальной ДНК. Таким образом, у дрожжей митохондриальный геном наследуется от обоих родителей, которые вносят равный вклад в генофонд потомства (хотя, спустя несколько генераций отдельные потомки нередко будут содержать митохондрии только одного из родительских типов). В отличие от этого у высших животных яйцеклетка вносит в зиготу больше цитоплазмы чем спермий, а у некоторых животных спермии могут вообще не вносить цитоплазмы. Поэтому можно думать, что у высших животных митохондриальный геном будет передаваться только от одного родителя (а именно по материнской линии); и действительно, это было подтверждено экспериментами. Оказалось, например, что при скрещивании крыс двух лабораторных линий с митохондриальной ДНК, слегка различающейся по пocледовательности нуклеотидов (типы А и В), получается потомство, содержа-

щее митохондриальную ДНК только материнского типа.

Цитоплазматическая наследственность, в отличие от ядерной, не под-чиняется законам Менделя. Это связано с тем, что у высших животных и расте-ний гаметы от разных полов содержат несопоставимые количества митохон-дрий. Так, в яйцеклетке мыши имеется 90 тыс. митохондрий, а в сперматозоиде - лишь четыре. Очевидно, что в оплодотворенной яйцеклетке митохондрии преимущественно или только от женской особи, т. е. наследование всех мито-хондриальных генов материнское. Генетический анализ цитоплазматической наследственности затруднен из-за ядерно-цитоплазматических взаимодействий. В случае цитоплазматической мужской стерильности мутантный митохон-дриальный геном взаимодействует с определенными генами ядра, рецессивные аллели которых необходимы для развития признака. Доминантные аллели этих генов как в гомо-, так и в гетерозиготном состоянии восстанавливают фертиль-ность растений вне зависимости от состояния митохондриального генома.

Хотелось бы остановиться на механизме материнского наследования генов путем приведения конкретного примера. Для того чтобы окончательно и бесповоротно понять механизм неменделевского (цитоплазматического) наследования митохондриальных генов, рассмотрим, что происходит с такими генами, когда две гаплоидные клетки сливаются, образуя диплоидную зиготу. В случае когда одна дрожжевая клетка несет мутацию, определяющую резистентность митохондриального белкового синтеза к хлорамфениколу, а другая - клетка дикого типа - чувствительна к этому антибиотику: мутантные гены легко выявить, выращивая дрожжи на среде с глицеролом, использовать который способны только клетки с интактными митохондриями; поэтому в присутствии хлорамфеникола на такой среде смогут расти только клетки, несущие мутантный ген. Наша диплоидная зигота вначале будет иметь митохондрии как мутантного, так и дикого типа. От зиготы в результате митоза отпочкуется диплоидная дочерняя клетка, которая будет содержать лишь небольшое число митохондрий. После нескольких митотических циклов в конце концов какая-то из новых клеток получит все митохондрии либо мутантного, либо дикого типа. Поэтому все потомство такой клетки будет иметь генетически идентичные митохондрии. Такой случайный процесс, в результате которого образуется диплоидное потомство содержащее митохондрии только одного типа, называют митотическо й се грегацие й . Когда диплоидная клетка с одним лишь типом митохондрий претерпевает мейоз, все четыре дочерние гаплоидные клетки получают одинаковые митохондриальные гены. Этот тип наследования называют неменде лев ским или цитоплазматическим в отличие от менделевского наследования ядерных генов. Передача генов по цитоплазматическому типу означает, что изучаемые гены находятся в митохондриях.

Изучение геномов митохондрий, их эволюции, идущей по специфическим законам популяционной генетики, взаимоотношений между ядерными и мито-хондриальными генетическими системами, необходимо для понимания слож-ной иерархической организации эвкариотической клетки и организма в целом.

С определенными мутациями в митохондриальной ДНК или в ядерных генах, контролирующих работу митохондрий, связывают некоторые наслед-ственные болезни и старение человека. Накапливаются данные об участии де-фектов мтДНК в канцерогенезе. Следовательно, митохондрии могут быть ми-шенью химиотерапии рака. Имеются факты о тесном взаимодействии ядерного и митохондриального геномов в развитии ряда патологий человека. Множес-твенные делеции мтДНК обнаружены у больных с тяжелой мышечной слабос-тью, атаксией, глухотой, умственной отсталостью, наследующихся по аутосомно-доминантному типу. Установлен половой диморфизм в клинических проявлениях ишемической болезни сердца, что скорее всего обусловлено мате-ринским эффектом - цитоплазматической наследственностью. Развитие ген-ной терапии внушает надежду на исправление дефектов в геномах митохон-дрий в обозримом будущем.

Как известно, для того чтобы проверить функцию одного из компонентов многокомпонентной системы, необходимой становится ликвидация даного компонента с последующим анализом произошедших изменений. Так как темой даного реферата является указание роли материнского генома для развития потомка, логично было бы узнать о последствиях нарушений в составе митохондриального генома вызванных различными факторами. Инструментом для изучения вышеуказанной роли оказался мутационный процесс, а интересующими нас последствиями его действия стали т. н. митохондриальные болезни.

Митохондриальные болезни представляют собой пример цитоплазмати-ческой наследственности у человека, а точнее «органелльной наследствен-ности». Это уточнение следует сделать, т.к. теперь доказано существование, по крайней мере, у некоторых организмов, цитоплазматических наследственных детерминант , не связанных с клеточными органеллами, - цитогенов(-Вечтомов, 1996).

Митохондриальные болезни - гетерогенная группа заболеваний, обусловленных генетическими, структурными, биохимическими дефектами митохондрий и нарушением тканевого дыхания. Для постановки диагноза митохондриального заболевания важен комплексный генеалогический, клинический, биохимический, морфологический и генетический анализ. Основным биохимическим признаком митохондриальной патологии является развитие лактат-ацидоза, обычно выявляется гиперлактатацидемия в сочетании с гиперпируватацидемией. Число различных вариантов достигло 120 форм. Отмечается стабильное повышение концентрации молочной и пировиноградной кислот в цереброспинальной жидкости.

Митохондриальные болезни (МБ) представляют собой существенную про-блему для современной медицины. По способам наследственной передачи среди МБ выделяют заболевания, наследуемые моногенно по менделевскому типу, при которых в связи с мутацией ядерных генов либо нарушаются структура и функционирование митохондриальных белков, либо изменяется экспрессия митохондриальной ДНК, а также болезни, вызываемые мутациями митохондри-альных генов, которые в основном передаются потомству по материнской линии.

Данные морфологических исследований, свидетельствующие о грубой патологии митохондрий: анормальная пролиферация митохондрий, полимор-физм митохондрий с нарушением формы и размеров, дезорганизация крист, скопления аномальных митохондрий под сарколеммой, паракристаллические включения в митохондрии, наличие межфибриллярных вакуолей

Формы митохондриальных заболеваний

1 . Митохондриальные болезни, вызванные мутациями митохондриальной ДНК

1.1.Болезни, обусловленные делециями митохондриальной ДНК

1.1.1.Синдром Кернса-Сейра

Заболевание проявляется в возрасте 4-18 лет, прогрессирующая наружная офтальмоплегия, пигментный ретинит, атаксия, интенционный тремор, атриовентрикулярная блокада сердца, повышение уровня белка в цереброспи-нальной жидкости более 1 г\л, "рваные" красные волокна в биоптатах скелет-ных мышц

1.1.2.Синдром Пирсона

Дебют заболевания с рождения или в первые месяцы жизни, иногда возможно развитие энцефаломиопатий, атаксии, деменции, прогрессирующей наружной офтальмоплегии, гипопластическая анемия , нарушение экзокринной функции поджелудочной железы, прогрессирующее течение

2 .Болезни, обусловленные точковыми мутациями митохондриальной ДНК

Материнский тип наследования, острое или подострое снижение остроты зре-ния на один или оба глаза, сочетание с неврологическими и костно-суставными нарушениями, микроангиопатия сетчатки, прогрессирующее течение с возмо-жностью ремиссии или восстановления остроты зрения, дебют заболевания в возрасте 20-30 лет

2.2.Синдром NAPR (невропатия, атаксия, пигментный ретинит)

Материнский тип наследования, сочетание нейропатии, атаксии и пигментного ретинита, задержка психомоторного развития, деменция, наличие "рваных" красных волокон в биоптатах мышечной ткани

2.3.Синдром MERRF (миоклонус-эпилепсия, "рваные" красные волокна)

Материнский тип наследования, дебют заболевания в возрасте 3-65 лет, мио-клоническая эпилепсия, атаксия, деменция в сочетании с нейросенсорной глу-хотой, атрофией зрительных нервов и нарушениями глубокой чувствительно-сти, лактат-ацидоз, при проведении ЭЭГ обследования выявляются генерализо-ванные эпилептические комплексы, "рваные" красные волокна в биоптатах скелетных мышц, прогрессирующее течение

2.4.Синдром MELAS (митохондриальная энцефаломиопатия, лактат-ацидоз, инсультоподобные эпизоды)

Материнский тип наследования, дебют заболевания в возрасте до 40 лет, непе-реносимость физических нагрузок, мигренеподобные головные боли с тошно-той и рвотой, инсультоподобные эпизоды, судороги, лактат-ацидоз, "рваные" красные волокна в биоптатах мышц, прогрессирующее течение.

3 .Патология, связанная с дефектами межгеномной коммуникации

3.1.Синдромы множественных делеций митохондриальной ДНК

Блефароптоз, наружная офтальмоплегия, мышечная слабость, нейросенсорная глухота, атрофия зрительных нервов, прогрессирующее течение, "рваные" крас-ные волокна в биоптатах скелетных мышц, снижение активности ферментов дыхательной цепи.

3.2.Синдром делеции митохондриальной ДНК

Аутосомно-рецессивный тип наследования

Клинические формы:

3.2.1.Фатальная инфантильная

а) тяжелая печеночная недостаточность б)гепатопатия в)мышечная гипотония

Дебют в периоде новорожденности

3.2.2.Врожденная миопатия

Выраженная мышечная слабость, генерализованная гипотония, кардиомиопа-тия и судороги, поражение почек, глюкозурия, аминоацидопатия, фосфатурия

3.2.3.Инфантильная миопатия

возникает в первые 2 года жизни, прогрессирующая мышечная слабость, атро-фия проксимальных групп мышц и утрата сухожильных рефлексов, течение быстро прогрессирующее, летальный исход в первые 3 года жизни.

4 .Митохондриальные болезни, обусловленные мутациями ядерной ДНК

4.1.Заболевания, связанные с дефектами дыхательной цепи

4.1.1.Дефицит комлекса 1 (NADH:CoQ-редуктаза)

Начало заболевания до 15 лет, синдром миопатии, задержка психомоторного развития, нарушение сердечно-сосудистой системы, судороги, резистентные к терапии, множественные неврологические нарушения, прогрессирующее тече-ние

4.1.2.Дефицит комплекса 2 (сукцинат-CoQ-редуктаза)

Характеризуется синдромом энцефаломиопатии, прогрессирующие течение, су-дороги, возможно развитие птоза

4.1.3.Дефицит комплекса 3 (CoQ-цитохром С-оксидоредуктаза)

Мультисистемные нарушения, поражение различных органов и систем, с вовле-чением центральной и периферической нервной системы, эндокринной систе-мы, почек, прогрессирующее течение

4.1.4.Дефицит комплекса (цитохром С-оксидаза)

4.1.4.1.Фатальный инфантильный врожденный лактат-ацидоз

Митохондриальная миопатия с почечной недостаточностью или кардиомиопа-тия, дебют в неонатальном возрасте, выраженные дыхательные нарушения, диффузная мышечная гипотония, течение прогрессирующее, летальный исход на первом году жизни.

4.1.4.2.Доброкачественная инфантильная мышечная слабость

Атрофии, при адекватном и своевременном лечении возможна быстрая стаби-лизация процесса и выздоровление к 1-3 годам жизни

5 .Синдром Менкеса (трихополиодистрофия)

Резкая задержка психомоторного развития, отставание в росте, нарушение рос-та и дистрофические изменения волос,

6 . Митохондриальные энцефаломиопатии

6.1.Синдром Лея (подострая невротизирующая энцефаломиелопатия)

Проявляется после 6 месяцев жизни, мышечная гипотония, атаксия, нистагм, пирамидные симптомы, офтальмоплегия, атрофия зрительных нервов, часто от-мечается присоединение кардиомиопатии и легкого метаболического ацидоза

6.2.Синдром Альперса (прогрессирующая склерозирующая полидистрофия)

Дегенерация серого вещества мозга в сочетании с циррозом печени, дефицит комплекса 5 (АТФ-синтетаза), задержка психомоторного развития, атаксия, деменция, мышечная слабость, течение заболевания прогрессирующее, небла-гоприятный прогноз

6.3.Дефицит Коэнзима-Q

Метаболические кризы, мышечная слабость и утомляемость, офтальмоплегия, глухота, снижение зрения, инсультоподобные эпизоды, атаксия, миоклонус-эпилепсия, поражение почек: глюкозурия, аминоацидопатия, фосфатурия, эндо-кринные нарушения, прогрессирующее течение, снижение активности фермен-тов дыхательной цепи

7 .Заболевания, связанные с нарушением метаболизма молочной и пировиноградной кислот

7.1.Дефицит пируваткарбоксилазы Аутосомно-рецессивный тип наследования, дебют заболевания в неоната-льном периоде, симптомокомплекс "вялого ребенка", судороги, резистентные к терапии, высокие концентрации кетоновых тел в крови, гипераммониемия, ги-перлизинемия, снижение активности пируваткарбоксилазы в скелетных мышцах

7.2.Дефицит пируватдегидрогеназы

Проявление в неонатальном периоде, черепно-лицевая дизморфия, судороги, резистентные к терапии, нарушение дыхания и сосания, симптомокомплекс "вя-лого ребенка", дисгинезии мозга, выраженный ацидоз с высоким содержанием лактата и пирувата

7.3.Снижение активности пируватдегидрогеназы

Проявление на первом году жизни, микроцефалия, задержка психомоторного развития, атаксия, мышечная дистония, хореоатетоз, лактат-ацидоз с высоким содержанием пирувата

7.4.Дефицит дигидролипоилтрансацетилазы

Аутосомно-рецессивный тип наследования, дебют заболевания в неонатальном периоде, микроцефалия, задержка психомоторного развития, мышечная гипотония с последующим повышением мышечного тонуса, атрофия дисков зрительных нервов, лактат-ацидоз, снижение активности дигидролипоилтранс-ацетилазы

7.5.Дефицит дигидролипоилдегидрогеназы

Аутосомно-рецессивный тип наследования, дебют заболевания на первом году жизни, симптомокомплекс "вялого ребенка", дисметаболические кризы со рво-той и диареей, задержка психомоторного развития, атрофия дисков зрительных нервов, лактат-ацидоз, повышение содержания в сыворотке крови аланина, α-кетоглутарата, α-кетокислот с разветвленной цепью, снижение активности ди-гидролипоилдегидрогеназы

8 .Заболевания, обусловленные дефектами бета-окисления жирных кислот

8.1.Недостаточность Ацетил-CoA-дегидрогеназы с длинной углеродной цепью

Аутосомно-рецессивный тип наследования, дебют заболевания в первые месяцы жизни, метаболические кризы со рвотой и диареей, симптомокомплекс "вялого ребенка", гипогликемия, дикарбоксиловая ацидурия, снижение актив-ности ацетил-CoA-дегидрогеназы жирных кислот с длинной углеродной цепью

8.2.Недостаточность Ацетил-CoA-дегидрогеназы со средней углеродной цепью

Аутосомно-рецессивный тип наследования, дебют заболевания в неонатальном периоде или первые месяцы жизни, метаболические кризы со рвотой и диареей,

мышечная слабость и гипотония, часто развивается синдром внезапной смерти, гипогликемия, дикарбоксиловая ацидурия, снижение активности ацетил-CoA-дегидрогеназы жирных кислот со средней углеродной цепью

8.3. Недостаточность Ацетил-CoA-дегидрогеназы жирных кислот с короткой углеродной цепью

Аутосомно-рецессивный тип наследования, различный возраст дебюта заболевания, снижение толерантности к физическим нагрузкам, метаболичес-кие кризы со рвотой и диареей, мышечная слабость и гипотония, увеличение экскреции с мочой метилсукциновой кислоты, ацетил-CoA-дегидрогеназы жирных кислот с короткой углеродной цепью

8.4.Множественная недостаточность Ацетил-CoA-дегидрогеназ жирных кислот

Неонатальная форма : черепно-лицевая дизморфия, дисгинезии мозга, тяжелая гипогликемия и ацидоз, злокачественное течение, снижение активности всех ацетил-СоА-дегидрогеназ жирных кислот,

Инфантильная форма: симптомокосплекс "вялого ребенка", кардиомиопатия, метаболические кризы, гипогликемия и ацидоз

8.5.Снижение активности всех ацетил-СоА-дегидрогеназ жирных кислот

Форма с поздним дебютом: периодические эпизоды мышечной слабости, мета-болические кризы, гипогликемия и ацидоз менее выражены, интеллект сохра-нен,

9 .Ферментопатии цикла Кребса

9.1.Дефицит фумаразы

Аутосомно-рецессивный тип наследования, дебют заболевания в неонатальном периоде или периоде новорожденности, микроцефалия, генерализованная мы-шечная слабость и гипотония, эпизоды летаргии, быстро прогрессирующая эн-цефалопатия, неблагоприятный прогноз

9.2.Дефицит сукцинатдегидрогеназы

Редкое заболевание, характеризующееся прогрессирующей энцефаломиопатией

9.3.Дефицит альфа-кетоглутаратдегидрогеназы

Аутосомно-рецессивный тип наследования, неонатальный дебют заболевания, микроцефалия, симптомокомплекс "вялого ребенка", эпизоды летаргии, лактат-ацидоз, быстро прогрессирующее течение, снижение содержания ферментов цикла Кребса в тканях

9.4.Синдромы дефицита карнитина и ферментов его метаболизма

Дефицит карнитин-пальмитоилтрансферразы-1, аутосомно-рецессивный тип наследования, ранний дебют заболевания, эпизоды не кетонемической гипогли-кемической комы, гепатомегалия, гипертриглицеридемия и умеренная гиперам-мониемия, снижение активности карнитин-пальмитоилтрансферразы-1 в фибробластах и клетках печени

9.5.Дефицит карнитин-ацилкарнитин-транслоказы

Ранний дебют заболевания, сердечно-сосудистые и дыхательные нарушения, симптомокомплекс "вялого ребенка", эпизоды летаргии и комы, повышение концентрации эфиров карнитина и длинной углеродной цепью на фоне сниже-ния свободного карнитина в сыворотке крови, снижение активности карнитин-ацилкарнитин-транслоказы

9.6.Дефицит карнитин-пальмитоилтрансферразы-2

Аутосомно-рецессивный тип наследования, мышечная слабость, миалгии, миоглобинурия, снижение активности карнитин-пальмитоилтрансферразы-2 в скелетных мышцах

Аутосомно-рецессивный тип наследования, миопатический симптомокомплекс, эпизоды вялости и летаргии, кардиомиопатия, эпизоды гипогликемии, снижение уровня карнитина в сыворотке крови и увеличение его экскреции с мочой.

Проанализировав такой ‘страшный’ список патологий, связанных с теми или другими изменениями функционирования митохондриального(и не только) генома возникают определенные вопросы. Что же собой представляют продукты митохондриальных генов и в каких именно супермега-жизненноважных клеточных процессах они принимают участие?

Как оказалось, некоторые из вышеперечисленных патологий могут возни-кать при нарушениях синтеза 7 субъединиц НАДН-дегидрогеназного комплек-са, 2 субъединиц АТФ-синтетазы, 3 субъединиц цитохром-с-оксидазы и 1 субъединицы убихинол-цитохром-с-редуктазы(цитохром b), которые и являют-ся генными продуктами митохондрий. Исходя из этого можно сделать вывод о существовании ключевой роли данных белков в процессах клеточного дыхания, окисления жирных кислот и синтеза АТФ, переноса электронов в электронтран-спортной системе внутренней мт мембраны, функционирования антиоксидант-ной системы и т. д.

Судя по последним данным о механизмах апоптоза, многие ученые пришли к выводу о наличии центра контроля апоптоза именно...

Роль митохондриальных белков также была показана при применении антибиотиков, блокирующих мт синтез. Если клетки человека в культуре ткани обработать антибиотиком, например тетрациклином или хлорамфениколом, то после одного-двух делений их рост прекратится. Это связано с ингибированием митохондриального белкового синтеза, приводящим к появлению дефектных митохондрий и как следствие к недостаточному образованию АТР. Почему же тогда антибиотики можно использовать при лечении бактериальных инфекций? Есть несколько ответов на этот вопрос:

1. Некоторые антибиотики (такие, как эритромицин) не проходят через внутрен-нюю мембрану митохондрий млекопитающих.

2. Большинство клеток нашего тела не делятся или делятся очень медленно, поэтому столь же медленно происходит и замена существующих митохондрий новыми (во многих тканях половина митохондрий заменяется примерно за пять дней или еще дольше). Таким образом, количество нормальных митохондрий снизится до критического уровня только в том случае, если блокада митохондриального белкового синтеза будет поддерживаться на протяжении многих дней.

3. Определенные условия внутри ткани препятствуют проникновению некоторых препаратов в митохондрии наиболее чувствительных клеток. Например, высокая концентрация Са2+ в костном мозге приводит к образованию Са2+-тетрациклинового комплекса, который не может проникнуть в быстро делящиеся (и потому наиболее уязвимые) предшественники клеток крови.

Эти факторы дают возможность использовать некоторые препараты, ингиби-рующие митохондриальный синтез белка, в качестве антибиотиков при лечении высших животных. Только два таких препарата оказывают побочное действие: длительное лечение большими дозами хлорамфеникола может привести к нарушению кроветворной функции костного мозга (подавить образование эритроцитов и лейкоцитов), а длительное применение тетрациклина - к поврежде-нию кишечного эпителия. Но в обоих случаях еще не вполне ясно, вызываются ли эти побочные эффекты блокадой биогенеза митохондрий или какими-то иными причинами.

Вывод

Структурно-функциональные особенности мт генома состоят в следу-ющем. Во-первых, установлено, что мтДНК передается от матери всем ее

потомкам и от ее дочерей всем последующим поколениям, но сыновья не передают свою ДНК (материнское наследование). Материнский характер

наследования мтДНК, вероятно, связан с двумя обстоятельствами: либо доля отцовских мтДНК так мала (по отцовской линии может передаваться не

более одной молекулы ДНК на 25 тыс. материнских мтДНК), что они не могут быть выявлены существующими методами, либо после оплодотворения блоки-руется репликация отцовских митохондрий. Во-вторых, отсутствие комбинати-вной изменчивости - мтДНК принадлежит только одному из родителей, сле-довательно рекомбинационные события, характерные для ядерной ДНК в мейо-зе, отсутствуют, а нуклеотидная последовательность меняется из поколения в поколение только за счет мутаций. В-третьих, мтДНК не имеет интронов

(большая вероятность, что случайная мутация поразит кодирующий район ДНК), защитных гистонов и эффективной ДНК-репарационной системы -все это определяет в 10 раз более высокую скорость мутирования, чем в ядерной ДНК. В-четвертых, внутри одной клетки могут сосуществовать одновременно нормальные и мутантные мтДНК -явление гетероплазмии (присутствие толь-ко нормальных или только мутантных мтДНК называется гомоплазмией). Наконец, в мтДНК транскрибируются и транслируются обе цепи, а по ряду ха-рактеристик генетический код мтДНК отличается от универсального (UGA кодирует триптофан, AUA кодирует метионин, AGA и AGG являются стоп-

кодонами).

Эти свойства и вышеуказанные функции мт-генома сделали иссле-дование изменчивости нуклеотидной последовательности мтДНК неоценимым инструментом для врачей, судебных медиков, биологов-эволюционистов,

представителей исторической науки в решении своих специфических задач.

Начиная с 1988 г., когда было открыто, что мутации генов мтДНК лежат в основе митохондриальных миопатий (J. Y. Holt et al., 1988) и наследственной оптической нейропатии Лебера (D. C. Wallace, 1988), дальнейшее систематичес-кое выявление мутаций мт-генома человека привело к формированию концеп-ции митохондриальных болезней (МБ). В настоящее время патологические му-тации мтДНК открыты в каждом типе митохондриальных генов.

Список литературы

1. Скулачев, митохондрии и кислород, Сорос. образоват. журн.

2. Основы биохимии: В трех томах, М.: Мир, .

3. Nicholes D. G. Bioenergetics, An Introd. to the Chemiosm. Th., Acad. Press, 1982.

4. Stryer L. Biochemistry, 2nd ed. San Fransisco, Freeman, 1981.

5. Скулачев биологических мембран. М., 1989.

6. , Ченцов ретикулум: Строение и некоторые функции // Итоги науки. Общие проблемы биологии. 1989

7. Ченцов цитология. М.: Изд-во МГУ, 1995

8. , Сфера компетенции митохон-дриального генома // Вестн. РАМН, 2001. ‹ 10. С. 31-43.

9. Holt I. J, Harding A. E., Morgan -Hughes I. A. Deletion of muscle mitochondrial DNA in patients with mitochondrial myopathies. Nature, 1988, 331:717-719.

10. и др. Геном человека и гены предрасположенности. СПб., 2000

11. , Митохондриальный геном. Новосибирск, 1990.

12. // Сорос. образоват. журн. 1999. №10. С.11-17.

13. Роль симбиоза в эволюции клетки. М., 1983.

14. // Сорос. образоват. журн. 1998. №8. С.2-7.

15. // Сорос. образоват. журн. 2000. №1. С.32-36.

Киевский Национальный Университет им. Тараса Шевченка

Биологический факультет

Реферат

на тему:

“Роль материнского генома в развитии потомка”

с туд е нта IV курса

кафедры биохимии

Фролова Артема

Киев 2004

План :

Вступление...............................................................................1

Симбиотическая теория происхождения митохондрий......2

Роль клеточного ядра в биогенезе митохондрий...................................5

Транспортные системы митохондрий.....................................................7

Размеры и форма митохондриальных геномов..................10

Функционирование митохондриального генома...............14

Значение наличия собственной генетической системы для митохондрий..............................................................................19

Цитоплазматическая наследственность..............................20