Зачем митохондриям собственные гены. Митохондриальная днк и семейная история Митохондрии содержат днк гены которой

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Генетика митохондрий

1. Формальная генетика митохондрий

В отличие от пластид, митохондрии содержатся у всех эукариот: у растений, животных и грибов. Митохондрии всех трех царств выполняют одну и ту же функцию, и структура у них в целом сходна. Митохондрии представляют собой округлые структуры размером от 1 мкм (рис. 1).

Рис. 1 Электронная микрофотография митохондрий листового мезофилла

Однако, в ряде случаев митохондрии могут быть объединены в достаточно длинную трубчатую изогнутую структуру. Внутреннее содержимое митохондрий называется матрикс. Матрикс содержит тонкие фибриллы и гранулы. Было выяснено, что гранулы -- это митохондриальные рибосомы, отличающиеся по размеру и плотности от рибосом цитоплазмы. Митохондрии, как и другие органеллы, окружены наружной двойной мембраной. Наружная мембрана митохондрий сходна с наружной мембраной пластид, ядра и с мембраной эндоплазматического ретикулума. Внутренняя мембрана митохондрий образует впячивания -- кристы. Именно на поверхности внутренней мембраны расположены все основные ферментные ансамбли, обеспечивающие функции митохондрий. Существуют методы разделения внутренней и внешней мембраны митохондрий. Поскольку наружная мембрана митохондрий менее плотная и необратимо набухает в растворе фосфата, это приводит к ее разрыву и отделению от внутренней. После обработки фосфатом изолированных митохондрий при помощи центрифугирования можно разделить внешние и внутренние мембраны этих органелл. Если посмотреть на них в электронный микроскоп, то они выглядят как прозрачные полые сферы, причем объем сферы, образованной внутренней мембраной, намного выше, чем объем сферы внешней мембраны. Поэтому объемную структуру митохондрий легко представить себе как большой шар, помещенный внутри маленького шара. В этом случае у внутренней мембраны возникнут многочисленные складки, так называемые кристы. Активность процессов, протекающих в митохондриях, непосредственно связана с количеством и размером крист. Чем больше поверхность крист и, следовательно, поверхность внутренней мембраны, тем активнее идут эти процессы. Следовательно, внутренняя мембрана митохондрий изменяется в размерах в зависимости от функционального состояния органелл.

Внутренние и наружные мембраны различаются между собой по плотности (внутренняя более плотная), по проницаемости (внутренняя обладает высокоспецифичной проницаемостью, наружная неспецифичной), разным составом ферментов и разным соотношением белков к липидам.

Внутренняя мембрана митохондрий уникальна по своему строению. Она содержит многокомпонентные комплексы белков-ферментов, которые осуществляют перенос электронов, окислительное фосфолирование, синтез цепи жирных кислот, а также белки, которые регулируют перенос небольших молекул во внутреннюю полость митохондрий.

Митохондрии так же, как и пластиды, никогда не возникают «de novo». Даже у организмов, живущих в анаэробных условиях, структуры, подобные митохондриям, есть. Если, например, выращивать один и тот же штамм дрожжей в аэробных и анаэробных условиях, то в клетках, выросших в анаэробных условиях, изменяется размер митохондрий, но не снижается их количество.

Деление митохондрий так же, как и пластид, осуществляется при помощи амитоза, с образованием гантелевидных фигур и их последующей перешнуровкой.

В некоторых случаях удалось показать синхронность деления митохондрий с ядром клетки и достаточно точное их распределение по дочерним клеткам у некоторых биологических объектов. Так, у инфузорий показана полная синхронность деления митохондрий вместе с ядром клетки. В митотически делящихся клетках растений и делящихся сперматоцитах аскариды было показано, что митохондрии достаточно точно распределяются вдоль веретена деления.

Исторически, почти вся формальная генетика митохондрий была изучена на грибах и, главным образом, на дрожжах. У остальных организмов имеются только отдельные факты связи тех или иных признаков с митохондриями. Жизненный цикл дрожжей представлен на рисунке

Рис. 2 Жизненный цикл Saccharomyces cerevisiae

Дрожжи -- одноклеточный, но многоядерный организм. Значительную часть своей жизни они находятся в гаплофазе и, следовательно, их ядра гаплоидны. Гаплоидные клоны, обладающие противоположными половыми факторами (или типами скрещиваемости), А и а, могут сливаться друг с другом. Гаплоидные клоны с одинаковыми типами скрещиваемости не могут участвовать в оплодотворении. После оплодотворения ядра сливаются и образуются диплоидные клоны. В диплоидных клонах происходит споруляция и мейоз, образуется аск, дающий начало гаплоидным клонам двух противоположных типов скрещиваемости А и а в равных пропорциях. Естественно, что простые менделевские гены будут расщепляться точно так же, как и ген, контролирующий половой фактор, т.е. будут давать расщепление 1:1.

Дрожжи в зиготной фазе являются гетерозиготными и могут размножаться двояко: вегетативным и генеративным путем. При вегетативном размножении они просто делятся, и в образовавшиеся клетки попадает несколько диплоидных ядер. Кроме того, вегетативное размножение может происходить и при помощи почкования. В образовавшихся почках ядра тоже, диплоидные. Естественно, что при вегетативном размножении никакого расщепления ядерных генов не происходит -- гетерозиготы остаются гетерозиготами.

При генеративном размножении происходит мейоз и образуются клетки с гаплоидными ядрами, называемые аскоспорами. Аскоспоры гаплоидны, и расщепление у них происходит на равное количество аскоспор с доминантным и рецессивным аллелями, т.е. 1:1.

Таким образом, если расщепления 1:1 не наблюдается, то это могло бы указывать нам на то, что эти гены, возможно, неменделевские и, следовательно, возможно, цитоплазматические.

Существование внеядерного мутанта у дрожжей впервые продемонстрировал французский исследователь Б. Эффрусси еще в 1949 г. Эти мутанты проявляли дефекты дыхания и слабый рост. Они не содержали некоторые цитохромы. Такие мутанты можно было получить в большом количестве (иногда до 100 %) под действием акридиновых красителей. Но и спонтанно они могут возникать с частотой до 1 %. Эти мутанты получили название «petite », от французского слова «маленький».

При скрещивании этих мутантов с нормальными штаммами все потомство было без исключения нормальным. Хотя по другим генетическим маркерам, таким, как потребность в аденине, тиамине, расщепление по факторам полового типа было нормальным -- 1:1.

Если из первого поколения гибридов случайно выбирать клетки и скрещивать их опять с мутантами petite , все потомство было опять нормальным, правда, иногда появлялись и редкие мутантные выщепенцы с частотой менее 1%. Т.е. они появлялись практически с той же частотой, что и спонтанное возникновение этих мутантов. Можно было опять отбирать эти гибриды и скрещивать с нормальными с тем же результатом. Если исходить из того, что это мутации ядерных генов, то это можно было бы представить, как результат расщепления по 20 независимым локусам. Возникновение мутанта с одновременной мутацией в 20 локусах событие практически невероятное.

Р. Райт и Д. Ледерберг получили убедительные доказательства того, что данные мутанты не являются ядерными. Схема их эксперимента была следующей. При слиянии клеток дрожжей ядра сливаются не сразу, и в этот момент можно отсадить почки, содержащие еще гаплоидные ядра как одного, так и другого родителя. Такие гаплоидные почки спонтанно диплоидизируются (А --> АА; а --> аа). Если один штамм, например, с мутацией petite помечен неспособностью расти на аргинине, а второй -- не petite , помечен неспособностью расти на триптофане, то, отбирая почки у таких гибридов, мы отбираем родительские штаммы по ядерным генам. Что же происходит с цитоплазматическими? В результате эксперимента Р. Райта и Д. Ледерберга было выявлено следующее. Из 91 клона было обнаружено 6 клонов, у которых ядро было такое же, как и у не petite мутанта, а фенотип типичный petite . Следовательно, данный фенотип определяется не ядром, а независимо от него, и данную мутацию можно было назвать неядерной.

В дальнейшем были обнаружены и ядерные мутации petite . Всего таких мутантов было обнаружено около 20. Все они нормально менделировали и потомство аскоспор давало нормальное расщепление 2:2, хотя фенотипически они были очень схожи с цитоплазматическими мутантами. При скрещивании цитоплазматических petite с ядерными было обнаружено, что у зигот появляется способность к нормальному дыханию, а затем происходит расщепление 2: Таким образом, тест на комплементарность доказывал то, что мы имеем дело с мутантами разной локализации. Обнаружение ядерных и цитоплазматических мутантов с нарушенной функцией митохондрий указывало также и на то, что не все функции этих органелл кодируются цитоплазматическими генами. Часть из них кодируют ядерные гены.

В дальнейшем Б. Эффрусси обнаружил еще один такой же фенотип, как petite , но наследование данной мутации происходило другим образом. При скрещивании мутантов petite с нормальными клетками все потомство приобретало свойство медленно расти, а расщепление было 0:4. Первый тип цитоплазматических мутантов, который давал только нормальное потомство, в связи с этим был назван нейтральным, а второй, который давал только мутантное, был назван супрессивным, или доминантным, petite . Супрессивность в данном случае это своего рода доминирование. Но это доминирование особого рода, когда рецессивный аллель не просто скрывается в гетерозиготе, он попросту исчезает совсем. Многочисленные опыты показали, что и супрессивные мутанты petite также являются цитоплазматическими, так как факторы, обуславливающие их появление, не наследуются вместе с ядром.

В дальнейшем молекулярные исследования выявили, что супрессивные мутанты petite в отличие от нейтральных обладают более короткими молекулами митохондриальной ДНК, состоящими практически только из АТ-пар. Вероятнее всего, эффект супрессивности основан на более быстром размножении таких митохондриальных ДНК и вследствие этого вытеснением нормальных митохондриальных ДНК.

Таким образом, в цитоплазматических мутантах типа petite имеют место либо сравнительно небольшие делеции в митохондриальной ДНК (нейтральные мутанты petite ), либо тотальные перестройки митохондриального генома -- (супрессивные мутанты petite ).

Кроме того, были обнаружены мутанты с неполной супрессивностью, т.е. способностью давать определенный процент особей нормального типа 10, 20, 30 и даже около 50 процентов.

Оказалось, что степень супрессивности зависит от воздействий внешней среды -- температуры, субстрата и т.д. Ядерные мутанты не проявляли такой зависимости, что позволило отличать неполно супрессивные цитоплазматические petite от ядерных.

После получения данных о цитоплазматических мутантах устойчивости к антибиотикам у хламидомонады, стали получать мутации устойчивости к антибиотикам и у дрожжей. Целый ряд таких мутантов - также оказался цитоплазматическим. При скрещивании, например, эритромицинчувствительных с эритромицинустойчивыми ERs х ERr , все потомство было эритромицинчувствительным Ers (т.е. таким же, как и дикий тип) и не происходило никакого расщепления. Такой же результат был продемонстрирован и с мутантами устойчивости к другим антибиотикам. Однако, если сразу после образования зиготы отбирать почки, то среди них можно найти и мутантные фенотипы.

При дигибридном скрещивании, т.е. при скрещивании двух цитоплазматических мутантов, чувствительных к разным антибиотикам, например устойчивых к хлорамфениколу, но чувствительных к эритромицину с чувствительными к хлорамфениколу, но устойчивыми к эритромицину CrERs х CsERr , в потомстве преобладал фенотип только одного из родителей -- CrERs . Вместе с тем, при отборе из почек сразу после оплодотворения были обнаружены не только родительские классы фенотипов, но и рекомбинанты: CrERr и CsERs , т.е. чувствительные или устойчивые к обоим антибиотикам. Наличие рекомбинантов впервые показало, что и митохондриальные гены могут рекомбинировать так же, как и ядерные. Вместе с тем, в отличие от экспериментов по рекомбинации пластидных генов у хламидомонады, у дрожжей была обнаружена полярность рекомбинации, т.е. неравное количество рекомбинантных фенотипов в зависимости от направления скрещивания. Полярность рекомбинации была объяснена как наличие специального генетического фактора пола в геноме митохондрий. Этот фактор был обозначен как щ+ и щ-. Родительская форма, имеющий фактор щ+, т.е. женский родитель, обеспечивает преимущественную передачу (более высокую частоту передачи) своих маркеров. При скрещивании однополых по этому митохондриальному фактору родителей полярности рекомбинации не наблюдается и получается равное число рекомбинантов. Сам половой фактор митохондрий наследуется независимо от пола организма.

В действительности имеется ли пол у органелл цитоплазмы -- митохондрий в общепринятом смысле? Можно считать, что имеется, если мы считаем, что у кишечной палочки он есть.

Но главное заключалось в том, что при помощи множества полученных мутаций и обнаружения рекомбинации митохондриальных генов стало возможным их картирование.

В экспериментах по скрещиванию мутаций типа petite с мутациями устойчивости к антибиотикам было выяснено, что, по крайней мере, все супрессивные мутации petite в скрещиваниях утрачивают гены устойчивости к антибиотикам. Как было выяснено, это происходит потому, что супрессивные petite имеют обширные области поражения митохондриальной ДНК, и в этом случае ожидать рекомбинации просто невозможно. При индукции мутаций дыхательной недостаточности у мутантов с устойчивостью к тем или иным антибиотикам оказывалось, что иногда маркеры устойчивости утрачивались. При получении мутантов с дыхательной недостаточностью, используя в качестве исходной формы мутантов с двойной устойчивостью к антибиотикам, у полученных дефектных по дыханию мутантов могли быть потеряны оба маркера устойчивости или только один из них. Это свидетельствовало о том, что мутанты с дыхательной недостаточностью представляют собой ту или иную степень делетирования митохондриальной ДНК, и, следовательно, это также можно было использовать для картирования генома митохондрий.

У нейроспоры в 1952 г. К. Митчелом был обнаружен первый медленно растущий мутант, названный впоследствии MI -1 (сокращение от английского «материнское наследование» -- maternal inheritance ). Наследование этой мутации происходило в зависимости от направления скрещивания, и все потомство было таким же по фенотипу, как и материнская форма. Вероятно, это происходит потому, что при оплодотворении мужская гамета у нейроспоры не привносит цитоплазмы. На связь этой спонтанно возникшей мутации с митохондриями указывало не только материнское наследование и различия в реципрокных скрещиваниях, но и то, что у них отсутствовали цитохромы a и b в системе переноса электронов.

Впоследствии были получены и другие медленно растущие штаммы у нейроспоры, связанные с дыхательной недостаточностью митохондрий. Некоторые из них, например, мутанты MI -3 и MI -4, как оказалось, наследовались так же, как и мутант MI -1, в то время как другая часть, например, мутанты С115 и С117 проявляли обычное менделевское моногибридное наследование. Это напоминает и о других аналогичных случаях, когда фенотип органелл, и хлоропластов, и митохондрий изменяется при возникновении как ядерных, так и цитоплазматических мутаций, что свидетельствует, что и цитоплазматические и ядерные генетические системы совместно контролируют их функции.

В дальнейшем было обнаружено несколько генов супрессоров, введение которых восстанавливало скорость роста у медленно растущих мутантов. Интересно отметить, что каждый из этих супрессоров восстанавливал скорость роста только у одного из мутантов. Например, ген супрессор, названный f , восстанавливал скорость роста у цитоплазматичкого мутанта MI -1, но не у другого цитоплазматического мутанта MI -3 или MI -4, и не у ядерных мутантов С115 и С117 . Аналогичным образом действовали и другие супрессоры. Если через множество поколений путем скрещиваний вывести гены супрессоры из грибов, то мутантный цитоплазматический фенотип снова проявится. Аналогичное взаимодействие ядерных и цитоплазматических генов можно наблюдать и у высших растений, например, при наследовании признака мужской стерильности у многих растений.

При скрещивании ядерных и цитоплазматических медленно растущих мутантов между собой было показано независимое наследование ядерных и цитоплазматических генов.

Например, при скрещивании дикий тип х (MI -1 х С115 ) потомство F 1 (MI -1 х С115 ) было фенотипически однородным -- все особи были медленно растущими, а потомство возвратных или анализирующих скрещиваний дикий тип х (MI -1 х С115 ) уже не содержало мутаций MI -1 и расщеплялось по ядерному гену С-115 в соотношении 1:1.

Скрещивание цитоплазматических мутантов между собой не давало каких-то новых результатов, так как цитоплазматические мутанты, по крайней мере, у нейроспоры при половом воспроизведении демонстрируют строго материнское наследование. Между тем разные цитоплазматические мутанты, хотя и обладали в принципе одинаковым фенотипом -- замедленным ростом -- фенотипические различия между ними все же можно было выявлять, так как они обладали разной степенью замедления этого роста. Однако строгое материнское наследование при половом воспроизведении не позволяло объединить в цитогету (цитоплазматическую гетерозиготу) две цитоплазматические мутации, что делало невозможным рекомбинации цитоплазматических генов и, следовательно, их картирование.

Выход из этого положения был найден при помощи слияния гифов нейроспоры, что позволило соединять в одной клетке различные как ядерные, так и неядерные геномы.

При создании различных цитогет были получены следующие результаты:

MI -1 / дикий тип -- все потомство только дикого типа;

MI -3 / дикий тип -- часть потомства дикого типа, а другая часть растет со скоростью, свойственной мутанту MI -3;

MI -1 / MI -З -- большая часть потомства с фенотипом MI -3 и небольшая часть потомства с фенотипом MI -1;

MI -1 / MI -4 -- первоначально фенотип, свойственный дикому типу, а затем расщепление на фенотипы MI -1 и MI -4.

Таким образом, в последнем случае была обнаружена комплементация цитоплазматических мутаций, что свидетельствует, что эти мутации произошли в разных участках митохондриального генома.

В дальнейшем были получены и другие цитоплазматические мутации нейроспоры. Метод слияния гиф и получения при этом цитогет позволял надеяться на получение различных рекомбинантов и последующего построения генетической карты нейроспоры. Однако этому воспрепятствовало то обстоятельство, что у нейроспоры не было получено большого разнообразия цитоплазматических мутаций такого, как у хламидомонады или дрожжей.

Впоследствии различные нехромосомные мутации, полученные у нейроспоры, исследовали при помощи методов молекулярной биологии, и их удалось связать с митохондриальным геномом.

У другого гриба подоспоры была обнаружена мутация, вызывающая феномен преждевременного старения. У мутантов постепенно снижалась жизнеспособность культуры при пересеве. При реципрокных скрещиваниях был выяснен материнский характер наследования феномена старения. Вместе с тем, материнское наследование было неполным. Передача признака осуществляется как половым путем, так и путем соединения мицелиев. Наличие расщепления, хотя и нерегулярного, указывает на корпускулярную природу наследования признака. Было проведено достаточно много исследований, которые позволили показать, что это неинфекционный агент, а митохондриальный ген. Хотя в настоящее время нет полных молекулярных данных, уже ясно, что это также мутации митохондриального генома. Наличие гена старения в митохондриальном геноме породило массу спекуляций на геронтологические темы, и некоторые медики считают, что старение и у человека связано не только с изменением функций митохондрий, но и с изменением их генома.

Несмотря на спекулятивность идеи о связи геронтологических процессов у человека с изменениями митохондриальной ДНК, новые данные по изучению изменчивости генома митохондрий человека это подтверждают.

Издавна у человека было известно достаточно большое количество заболеваний, наследующихся по материнской линии -- от матери ко всем потомкам. Эти болезни достаточно редко распространены, вероятно, и в силу того, что передаются только женским полом. Кроме того, большие делеционные изменения в митохондриальной ДНК, конечно, чаще всего приводят либо к летальному исходу еще в эмбриональном периоде, либо к нарушению репродукционных функций. В любом случае они эффективно отметаются естественным отбором.

Формальный генетический подход, который был достаточно хорошо применен для исследования цитоплазматических генов у модельных объектов (хламидомонада, дрожжи и др.), не был столь успешным для анализа цитоплазматически наследуемых признаков у человека и поэтому самое большее, что удалось выяснить из анализа родословных, это то, что такие наследственные болезни все же существуют.

Кроме хорошо известного синдрома -- атрофии зрительного нерва (болезнь Лебера или наследственная оптическая невропатия) существуют и другие болезни, наследующиеся по внеядерному типу. Эти болезни связаны, прежде всего, с нарушением функционирования мышц, работы мозга, сердца, эндокринных систем и связаны с недостаточно активной функцией митохондрий в тех или других органах. Существует даже митохондриально обусловленная форма диабета.

Только с помощью молекулярных методов удалось выявить природу этих болезней. Исследование различных семей с болезнью Лебера показало, что в разных случаях имеют место мутации в различных участках митохондриального генома.

Чаще всего семьи с наследственными цитоплазматическими болезнями проявляют гетероплазмию и матери имеют как нормальные, так и мутантные митохондриальные ДНК, в результате чего выщепляются потомки как с мутантным, так и нормальным плазматипом.

Связь между возрастом человека и митохондриальной ДНК также была показана при помощи методов молекулярной биологии. Исследования митохондриальной ДНК у людей различного возраста показали, что у пожилых людей быстро увеличивается процент мутантной митохондриальной ДНК в клетках мозга и сердца. Кроме того, исследования некоторых наследственных синдромов показывают, что обладающие ими пациенты имеют и повышенную частоту мутаций митохондриальной ДНК, что возможно и является причиной сокращения продолжительности жизни.

Кроме мутаций митохондриального генома, приводящих к серьезным патологиям организма, было обнаружено множество, в достаточной степени, нейтральных мутаций митохондриального генома среди различных популяций рас человека. Эти обширные исследования тысяч людей со всех континентов помогают восстанавливать происхождение и эволюцию человека. Сравнивая митохондриальную ДНК человека с ДНК человекообразных обезьян (горилла, орангутанг, шимпанзе) и исходя из того, что дивергенция человека и человекообразных приматов произошла примерно 13 миллионов лет назад, можно рассчитать количество лет, необходимых для изменения одной пары оснований. В дальнейшем, сравнивая дивергенцию митохондриальной ДНК у различных человеческих рас, можно было определить место рождения первой женщины, можно сказать Евы, и время расселения человека по различным континентам (рис. 3).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3 Расселение человека, согласно данным Д. Уоллеса, по анализу изменчивости митохондриальных ДНК. Цифрами обозначено время заселения данной территории в тысячах лет тому назад

Поскольку самая изменчивая митохондриальная ДНК была обнаружены среди аборигенов Африки, то можно предположить, что «праматерью» человеческого рода была африканская женщина. Произошло это приблизительно 100 000 лет тому назад. Приблизительно 70 000 лет тому назад человек начал заселять центральную Азию через Ближний Восток и Саудовскую Аравию, чуть позже Юго-Восточную Азию, Индонезию и Австралию. Около 50 000 лет тому назад люди появились в Европе. Эти же данные показали, что заселение Американского континента происходило в два этапа: сначала 30 000 лет тому назад через Беренгию (существовавшую в то время сушу, связывающую Америку и Азию) с Севера до самого юга Американского континента, а затем 8 000 лет тому назад также из Северо-Восточной Азии на восток Северной Америки. Переселенцы на островах Тихого океана появились сравнительно недавно -- несколько тысяч лет тому назад.

Следует отметить, что эти данные, основанные на сравнительном анализе митохондриальной ДНК, достаточно хорошо согласуются как с археологическими данными, так и с данными лингвистического анализа.

Использование именно митохондриальной ДНК для анализа истории человечества стало возможным потому, что митохондриальный геном имеет сравнительно небольшой размер, наследуется исключительно по материнской линии и в отличие от ядерных генов не рекомбинирует.

Геном митохондрий

Митохондрии содержатся не только в клетках растений, но также и в клетках животных и грибов. Эти органеллы более универсальны, чем пластиды. Впервые ДНК в митохондриях были открыты в 1963 году (М. Наас) сразу же после открытия ДНК в пластидах. Несмотря на сходство функций и структуры митохондрий всех трех царств эукариот, их генетическая организация достаточно сильно различается, поэтому обычно организацию геномов митохондрий у этих царств рассматривают отдельно, выявляя при этом общие черты организации генома.

Физико-химический состав ДНК митохондрий у различных царств различен. У растений он довольно постоянен: от 45 до 47 % ДНК состоит из ГЦ-пар. У животных и грибов -- варьирует более значительно: от 21 до 50 % ГЦ-пар.

У многоклеточных животных размеры генома митохондрий колеблются от 14.5 до 19.5 т.п.н. Практически, это всегда одна кольцевая молекула ДНК. Например, ДНК митохондрий человека -- кольцевая молекула размером 16 569 пар нуклеотидов. Этот размер можно выразить и в других единицах -- в виде молекулярной массы -- 10 6 дальтон или в виде длины контура молекулы -- 5 мкм. Первичная структура этой молекулы полностью определена. В митохондриях содержится собственный аппарат трансляции -- т.е. собственные рибосомы 70S, похожие на хлоропластные или прокариотические и состоящие из двух субъединиц, собственные матричные РНК, необходимые ферменты и белковые факторы. В их геноме закодированы 12S- и 16S - рибосомальные РНК, а так же 22 транспортные РНК. Кроме того, митохондриальная ДНК кодирует 13 полипептидов, из которых 12 идентифицированы. Все кодирующие последовательности расположены прямо друг за другом. В крайнем случае, они разделены лишь несколькими нуклеотидами. Некодирующие последовательности, т.е. интроны отсутствуют. Вслед за кодирующей последовательностью почти всегда находится ген транспортной РНК. Например, порядок таков: транспортная РНК фенилаланина -- ген 12S рибосомальной РНК -- транспортная РНК валина -- ген 16S рибосомальной РНК -- транспортная РНК лейцина и т.д. Такой порядок характерен не только для митохондрий человека, он очень консервативен и характерен для всех животных: дрозофилы, быка, мыши, птиц, рептилий и др. животных.

Большая часть генов расположена в тяжелой цепи, в легкой цепи только гены восьми транспортных РНК и один структурный ген. Таким образом, в отличие от всех других геномов, в геноме митохондрий обе цепи смысловые.

Хотя порядок генов у митохондрий животных и одинаков, выяснено, что сами гены обладают различной консервативностью. Наиболее вариабельна последовательность нуклеотидов участка начала репликации и ряд структурных генов. Наиболее консервативные последовательности расположены в генах рибосомальных РНК и некоторых структурных генах, в том числе в кодирующей последовательности АТФ-азы.

Следует отметить, что универсальность генетического кода нарушена в геноме митохондрий. Например, митохондрии человека используют триплет AUA в качестве кодона для метионина, а не для изолейцина, как у всех, а триплет UGA, используемый в стандартном генетическом словаре как терминирующий кодон, у митохондрий кодирует триптофан.

В целом митохондриальная ДНК человека выглядит так же, как и других млекопитающих: мыши и быка. Несмотря на то, что это далеко не близкие виды -- размеры их митохондриальных ДНК довольно близки между собой: 16 569; 16 295; и 16 338 пар оснований, соответственно. Гены транспортной РНК разделяют некоторые смысловые гены. Наиболее важные из структурных генов -- гены цитохромоксидазы, NADH-дегидрогеназы, цитохром-С оксидоредуктазы и АТФ-синтетазы (рис. 4).

На карте митохондриального генома человека, кроме генов показано и пять хорошо известных болезней человека, наследующихся по материнской линии и вызванных мутациями в митохондриальном геноме.

Так, например, болезнь Лебера -- атрофия зрительного нерва -- вызвана мутацией в гене NADH дегидрогеназы. Эта же болезнь может быть вызвана и мутацией в гене цитохрома b и других локусов. Всего известно нарушение четырех локусов, способных вызвать тот же мутантный фенотип. Кроме того, на этой же карте показано еще четыре болезни, связанные с дефектами мозга, мышц, сердца, почек и печени. Все эти болезни наследуются по материнской линии, и если мать имеет не только дефектные, но и нормальные митохондриальные ДНК и митохондрии, то, происходит сортировка мутантных и нормальных органелл, и потомство может иметь и те, и другие органеллы в различных пропорциях, и мы можем наблюдать также и соматическое расщепление, когда отдельные части тела не будут иметь этих дефектов.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4 Структура митохондриального генома млекопитающих, основанная на полном сиквенсе митохондриальной ДНК человека, мыши и быка

Таким образом, небольшой по размерам митохондриальный геном животных может кодировать чрезвычайно важные функции организма и в значительной степени определять его нормальное развитие.

Так же, как и геном пластид, геном митохондрий кодирует только часть митохондриальных полипептидов (табл. 1) и наблюдается феномен двойного кодирования. Например, часть субъединиц АТФ-азного комплекса кодируется ядром, в то время как другая часть -- геномом митохондрий. Большая часть генов, кодирующих рибосомальные миохондриальные РНК и белки, а также ферменты транскрипции и трансляции, кодируется ядром клетки.

Таблица 1

Гены митохондриальных ДНК животных

митохондрия геном нейроспора мезофилл

генома животных:

1. компактное расположение генов на мтДНК;

отсутствие в генах интронов;

3. отсутствие некодирующих участков в мтДНК, кроме областей ORI;

4. расположение генов тРНК между другими генами;

5. высокое сходство в размерах генома и в расположении генов у различных видов;

6. наличие одного ORI для каждой нити мтДНК;

7. симметричная транскрипция обеих нитей;

8. наличие одной, в принципе, области инициации транскрипции для каждой нити ДНК;

9. отсутствие 5 / - и 3 / - концевых некодирующих последовательностей в мРНК;

10. созревание мРНК в результате расщепления первичного транскрипта по последовательностям тРНК.

У грибов размеры генома митохондрий в среднем значительно больше и колеблются от 17,3 до 101 т.п.н. Причем в дополнении к основной, как правило, кольцевой молекуле ДНК обнаруживают и от одной до 4-х плазмидоподобных кольцевых или линейных молекул размером от 1 до 13 т.п.н. Размеры митохондриального генома у дрожжей варьируют не только между различными видами, но и даже между различными штаммами. Основные причины существенных различий в геноме митохондрий у грибов заключаются в наличии - отсутствии интронов. У разных видов дрожжей, например, размер митохондриальной ДНК колеблется от 57 до 85 т.п.н.

Наличие интронов и молекул митохондриальной ДНК различного размерного класса является наиболее характерной чертой, отличающей митохондрии грибов от митохондрий животных. Интроны разрывают многие последовательности -- гены рибосомальной РНК, гены некоторых структурных белков, кодирующих митохондриальные ферменты. Наличие большинства интронов не является обязательным для нормального функционирования митохондрий. Искусственно сконструированы штаммы дрожжей, полностью лишенные митохондриальных интронов.

Многие интроны митохондриальной ДНК дрожжей содержат открытые рамки считывания, которые кодируют мутуразы, участвующие в сплайсинге, тогда как другие интроны содержат кодирующие последовательности эндонуклеаз и даже обратных транскиптаз.

Все гены, обнаруженные в митохондриальной ДНК животных, присутствуют и у грибов. Кроме того, у грибов обнаружены и другие гены: у них большее число генов тРНК, обнаружены гены 6-й, 8-й и 9-й субъединиц АТФ-азного комплекса, ряд новых структурных генов и ряд генов с неизвестной функцией (табл. 2).

Таблица 2

Гены митохондриальных ДНК дрожжей

Компоненты митохондрий
Рибосомальные РНК	rns(21 S), rnl(1 5 S)
Рибосомальные белки: малая субъединица
Транспортные РНК
Цитохром b (комплекс III)	с ob (или cyb )
Цитохром с оксидаза (комплекс IV)	cox 1, cox 2, coxd 3
АТФ-синтаза	atp6, atp8, atp9
Интрон-кодируемые off: РНК-матуразы Эндонуклеазы Белки, подобные обратной трансриптазе	aI1, aI2
Неидентифицированные рамки считывания

В митохондриальной ДНК дрожжей обнаружено только 2 гена рибосомальной РНК и только 1 ген рибосомальных белков. Этот белок расположен в малой субъединице рибосомы. Ген рибосомального белка достаточно вариабелен по размерам даже у разных штаммов, за что и получил название вариабельного (Var l). Остальные белки и РНК митохондриальных рибосом кодируются ядерными генами. 24 гена транспортной РНК обеспечивают транспорт всех аминокислот к месту синтеза белка и только одна транспортная РНК, транспортирующая лизин, импортируется из цитоплазмы и кодируется ядром. Все транспортные РНК митохондрий дрожжей кодируются одной и той же нитью ДНК и только одна из них -- противоположной нитью. Ни один из генов транспортной ДНК не имеет интронов. Гены белков цитохрома b и гены белков цитохрома С могут иметь множество интронов -- от 5 до 9.

Из приведенных данных следует, что кодируемых митохондриальным геномом дрожжей структурных белков явно недостаточно для функционирования этих органелл и большая часть из них кодируется ядерным геномом.

Характерные черты организации и экспрессии митохондриального генома грибов:

1. значительное разнообразие в наборах и расположении митохондриальных генов у различных видов;

большое разнообразие способов организации генетического материала - от компактной организации генома до свободного распределения генов по мтДНК при протяжённых некодирующих последовательностях между генами;

3. мозаичное строение ряда генов;

4. значительные внутривидовые вариации размеров мтДНК, связанные с наличием "необязательных" интронов;

5. способность отдельных сегментов мтДНК к выщеплению и амплификации с образованием дефектного митохондриального генома;

6. наличие одного или нескольких ORI, в каждом из которых репликация инициируется двунаправлено;

7. расположение всех митохондриальных генов на одной нити мтДНК и асимметричная транскрипция мтДНК;

8.множественность транскрипционных единиц мтДНК;

9. разнообразие сигналов процессинга первичных транскриптов, в качестве которых могут использоваться и тРНК, и олигонуклеотидные блоки другого типа - в зависимости от вида;

10. в большинстве случаев мРНК содержат протяжённые концевые некодирующие последовательности.

Наиболее сложная организация митохондриального генома у высших растений. У них митохондриальный геном представляет собой набор суперскрученных двуцепочечных кольцевых и/или линейных молекул. Все последовательности митохондриального генома могут быть организованы в одну крупную кольцевую «хромосому», а наблюдаемые различные размерные классы митохондриальных ДНК, скорее всего, являются результатом рекомбинационных процессов. По крайней мере, на шпинате, видах двух родов Brassica и Raphanus , сахарной свекле и пшенице было показано, что причина такой диспергированности митохондриального генома заключается в рекомбинации гомологичных участков митохондриальной ДНК. Благодаря наличию прямо ориентированных двух-трех семейств повторов размером от 1 до 14 т.п.н., молекулы митохондриальной ДНК способны к активным меж- и внутригеномным перестройкам. В результате таких перестроек митохондриальная ДНК может присутствовать в виде молекул различного размерного класса.

Так, например, у крестоцветного Brassica campestris митохондриальная ДНК присутствует в виде кольцевых молекул трех типов. Первый тип содержит полный геном -- 218 т.п.н., второй - 135 и третий -- 83 т.п.н. Субгеномные кольца образуются в результате рекомбинации геномных колец, имеющих пару прямых повторов длиной 2 т.п.н.

У пшеницы размер митохондриального генома значительно больше -- 430 т.п.н., и имеется более 10 прямых рекомбинационных повторов, в результате при электронно-микроскопическом наблюдении удается увидеть множество колец различного размера, но никто не наблюдал одну большую кольцевую молекулу, возможно, в этом состоянии митохондриальный геном пшеницы никогда и не присутствует. У мха маршанции и другого крестоцветного Brassica hirta прямые рекомбинационные повторы отсутствуют и, возможно, именно поэтому митохондриальная ДНК находиться в виде кольцевых молекул одного размерного класса. Однако для митохондриальной ДНК высших растений это скорее исключение, чем правило. У большинства высших растений в митохондриальном геноме присутствуют как рекомбинационные повторы, так и молекулы митохондриальной ДНК различного размерного класса.

Количество молекул одного размерного класса может различаться очень значительно в различных тканях растения, в зависимости от состояния растений и условий окружающей среды. Отмечено изменение численных соотношений молекул митохондриальной ДНК разного размерного класса при культивировании растений in vivo и in vitro . Возможно, изменение численных отношений между молекулами различных размерных классов отражает адаптивность растений путем повышенной амплификации нужных генов.

Кроме того, в митохондриальной геноме могут присутствовать и плазмиды как линейные, так и кольцевые, как с ДНК-ми, так и РНК-ми последовательностями, размером от 1 до 30 т.п.н. Митохондриальные плазмиды, вероятно, произошли от других клеточных геномов или даже других организмов. Иногда их наличие или отсутствие удается связать с цитоплазматической мужской стерильностью растений, но, правда, не всегда. Плазмиды у некоторых видов присутствуют, а стерильности не наблюдается. По крайней мере, в одном случае достаточно четко продемонстрировано, что в митохондриях линий с так называемым S-типом стерильности кукурузы обнаружена корреляция между присутствием плазмидоподобной митохондриальной ДНК и проявлением феномена цитоплазматической мужской стерильности. Была отмечена способность митохондриальных плазмид встраиваться, как в геном митохондрий, так и в хромосомы ядра. Однако, в других случаях присутствие плазмидной ДНК не всегда вызывает стерильность пыльцы.

Размер митохондриального генома растений наиболее вариабелен -- от 200 до 2500 т.п.н. Размер митохондриального генома высших растений больше, чем размер их хлоропластного генома.

Значительное варьирование размеров митохондриального генома является второй особенностью митохондриального генома растений. Геном не только очень велик, но и может быть различным, даже у близкородственных видов, причем в одних случаях может наблюдаться низкая вариабельность -- виды рода Brassica , в других -- очень большая. Самая высокая вариабельность размеров наблюдается у тыквенных. В пределах этого семейства размер митохондриального генома наиболее изменчив -- от 330 т.п.н. у арбуза до 2500 т.п.н. у дыни. Поэтому доля митохондриальной ДНК в общем объеме генома растений также может значительно изменяться -- порядка 1 % у большинства растений, до 15 % в клетках гипокотиля дыни.

Наличие у митохондриальных геномов больших размеров пытаются объяснить различными причинами.

Наличие дополнительных генов или особых последовательностей, необходимых для функционирования митохондрий.

Присутствие ДНК, которая используется растением, но не в качестве кодирующей, а какой-то другой функции.

ДНК, которая не используется для функционирования митохондрий, так называемая «эгоистичная» ДНК.

По-видимому, существует еще одна возможность для увеличения размеров митохондриального генома -- это последовательности, гомологичные ядерной и хлоропластной ДНК. Последовательности, гомологичные ядерной ДНК, например, у арабидопсис составляют до 5 % митохондриального генома. Первоначально последовательность хлоропластного генома, инкорпорированная в митохондриальный, была обнаружена у кукурузы. Она включала участок около 14 т.п.н., содержащий измененные хлоропластные гены 16S-рибосомальной РНК и участок большой субъединицы РДФК/О. Впоследствии хлоропластные вставки были обнаружены в митохондриальном геноме многих видов высших растений. Обычно, они составляют 1 -- 2 % от митохондриальных последовательностей и включают три главные последовательности.

Последовательность длиной 12 т.п.о. из обратного повтора хлоропластной ДНК. Она содержит последовательности для 3" экзона четырех транспортных РНК и последовательность 16S рибосомальной РНК.

Последовательность длиной от 1,9 до 2,7 т.п.н., которая полностью кодирует большую субъединицу РБФК/О.

Последовательность длиной не более 2 т.п.о. В хлоропластом геноме этот участок кодирует 3" -- конец 23S-pибоcoмальной РНК, 4,5S- и 5S-pPHK, а также три транспортные РНК. Из всех последовательностей хлоропластного генома, которые присутствуют в митохондриальном геноме растений, только последовательности транспортной РНК действительно транскрибируются.

Поскольку у многих видов растений в митохондриальном геноме присутствуют одни и те же хлоропластные последовательности, можно предположить, что они имеют какое-либо функциональное значение. В то же время их роль, механизм переноса и время этого переноса остаются неизвестными. Произошел ли этот перенос в отдаленное в эволюции время становления эукариотической клетки или же наличие хлоропластных вставок в митохондриальном геноме свидетельствует о том, что это нормальный процесс обмена информации между органеллами, происходящий и сейчас, либо он происходит периодически в относительно недавнем эволюционном времени становления конкретных видов и родов растений?

Кроме того, часть последовательностей митохондриального генома представляет собой последовательности, гомологичные вирусным.

Для установления числа генов в геноме митохондрий растений, которые действительно функционируют, рядом исследователей было определено количество продуктов трансляции. Было показано, что число обнаруживаемых белковых полос было одинаковым даже для растений с 10-кратными различиями по величине генома. Хотя использованные методы и не дают прямого ответа на вопрос об общем числе генов митохондриального генома, тем не менее, интересно, что одно и то же число продуктов трансляции было выявлено у анализируемых видов покрытосеменных и было близко к числу генов, кодирующих белки у митохондрий животных и дрожжей.

Впервые полная нуклеотидная последовательность митохондриальной ДНК у растений была определена в 1986 г. у одного вида -- маршанции (Marchantia polymorpha ), а позже у арабидопсиса и у нескольких видов водорослей.

Молекула митохондриальной ДНК у маршанции имеет размер 186 608 п.н. Она кодирует гены 3 рРНК, 29 генов для 27 тРНК и 30 генов известных функциональных белков (16 рибосомальных белков, 3 субъединицы цитохром С оксидазы, цитохрома b, 4 субъединицы АТФ-синтетазы и 9 субъединиц НАДН-дегидрогеназы). Геном также содержит 32 неидентифицированные открытые рамки считывания. Кроме того, обнаружено 32 интрона, расположенных в 16 генах. У разных растений количество генов того или иного комплекса может варьировать, поскольку один или более генов этого комплекса могут быть перенесены в ядро. Среди неидентифицированных генов, по крайней мере, 10 постоянно встречаются практически у всех видов растений, что свидетельствует о важности их функций.

Число митохондриальных генов, кодирующих транспортные РНК митохондрий растений, в значительной степени изменчиво. У многих видов собственных митохондриальных транспортных РНК явно недостаточно, и поэтому они экспортируются из цитоплазмы (кодируются ядром или пластидным геномом). Так, например, у арабидопсиса 12 транспортных РНК имеют митохондриальное кодирование, 6 -- хлоропластное и 13 -- ядерное; у маршанции 29 -- митохондриальное и 2 -- ядерное, и ни одна из транспортных РНК не имеет хлоропластного кодирования; у картофеля 25 -- митохондриальное, 5 -- хлоропластное и 11 -- ядерное; у пшеницы, 9 -- митохондриальное, 6 -- хлоропластное и 3 -- ядерное (табл. 3).

В отличие от митохондриальной ДНК животных и хлоропластных генов, гены митохондриальной ДНК растений дисперсно распределены в геноме. Это касается как генов, кодирующих транспортные РНК, так и генов, кодирующих белки.

Таблица 3

Природа митохондриальных транспортных РНК у растений

	Количество транспортных РНК, кодируемых геномами
		органелл
	митохондрий	хлоропластов
Арабидопсис
Маршанция
Картофель
	Не определено	Не определено
Подсолнечник			Не определено
			Не определено
Кукуруза			Не определено

Как и геном митохондрий грибов, геном митохондрий растений имеет интроны, которых не имеют геномы митохондрий животных.

У некоторых видов ряд генов в геноме продублирован. Так, у кукурузы и кормовых бобов гены рРНК не повторены, а у пшеницы они повторены несколько раз. Гены, кодирующие белки митохондрий, также могут быть повторены в их геноме.

Естественно, что митохондрии так же, как и хлоропласты, содержат гораздо больше белков-ферментов, чем их геном генов. И, следовательно, большинство белков контролируются ядерным геномом, собираются в цитоплазме на цитоплазматических, а не на митохондриальных рибосомах и транспортируются в митохондриальные мембраны.

Таким образом, митохондриальный геном растений представляет собой крайне изменчивую по структуре, но достаточно стабильную по числу генов систему. В отличие от компактного генома хлоропластов, в митохондриальном геноме растений гены составляют менее 20 % генома. Увеличение генома митохондрий по сравнению с грибами или животными вызвано наличием интронов, различных повторяющихся последовательностей, вставок из генома хлоропластов, ядра и вирусов. Функции примерно 50 % митохондриального генома растений пока не выяснены. Кроме того, что многие структурные гены, контролирующие функцию митохондрий, находятся в ядре, там же находятся и многие гены, контролирующие процессы транскрипции, процессинга, трансляции митохондриальных генов. Следовательно, митохондрии являются даже менее автономными органеллами, чем пластиды.

Литература

Основная:

1. Алехина Н.Д., Балнокин Ю.В., Гавриленко В.Ф. и др. Физиология растений. Учебник для студ. Вузов. М.: Академия. 2005. 640 с.

Давыденко О.Г. Нехромосомная наследственность. Минск: БГУ. 2001. 189 с.

3. Даниленко Н.Г., Давыденко О.Г. Миры геномов органелл. Минск: Техналогия. 2003. 494 с.

4. Иванов В.И. и др. Генетика. М.: Академкнига. 2006. 638 с.

5. Жимулев И.С. Общая и молекулярная генетика. Новосибирск: Сиб. унив. 2007. 479 с.

6. Сингер М., Берг П. Гены и геномы. М.: Мир. 1998. Т. 1-

7. Ченцов Ю. С. Введение в клеточную биологию. М.: Академкнига. 2004. 495 с.

Дополнительная:

1. Даниленко Н.Г. РНК-редактирование: генетическая информация корректируется после транскрипции // Генетика. 2001. Т. 37. №3. С. 294-316.

Маргелис Л. Роль симбиоза в эволюции клетки. М.: Мир, 1983.

3. Одинцова М. С., Юрина Н. П. Геном митохондрий протистов // Генетика. 200 Т. 38. №6. С. 773-778.

4. Одинцова М. С., Юрина Н. П. Геном пластид высших растений и водорослей: структура и функции // Мол. Биол. 2003. Т. 37. № 5. С. 768-783.

5. Юрина Н. П., Одинцова М. С. Общие черты организации генома хлоропластов. Сравнение с геномами про- и эукариот // Мол. Биол. 199 Т. 36. № 4. С. 757-771.

6. Юрина Н. П., Одинцова М. С. Сравнительная характеристика структурной организации геномов хлоропластов и митохондрий растений// Генетика. 1998. Т. 34. №1. С. 5-2.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Сущность ультраструктурной организации митохондрий. Роль митохондрий в поддержании окислительно-восстановительного баланса клетки. Специфика энергетических функций митохондрий. Изменение морфофункциональных характеристик митохондрий при ацидозе.

дипломная работа , добавлен 27.01.2018


Исследование функциональной роли и структурной организации митохондрий. Рассмотрение и характеристика работы дыхательной цепи митохондрий в условиях нормоксии. Ознакомление с антигипоксическим действием нейротрофического фактора головного мозга.

курсовая работа , добавлен 18.04.2018


Основные механизмы клеточной гибели. Митохондрия как центральный контрольный пункт апоптоза. Морфологические изменения и перераспределение митохондрий в клетке во время апоптоза. Модели высвобождения цитохрома С. Роль митохондрий в процессе старения.

курсовая работа , добавлен 07.01.2013


Комплекс ферментов, локализованных на внутренней мембране митохондрий. Процесс окислительного фосфорилирования. Синтез АТФ на внутренней мембране митохондрий в присутствии кислорода. Компоненты дыхательной цепи. Суть хемиосмотической теории П. Митчелла.

презентация , добавлен 22.10.2014


Изучение плана строения митохондрий и пластид, их функций. Гипотеза о симбиотическом происхождении митохондрий и хлоропластов. Общая типовая характеристика мышечной ткани. Сперматогенез, его основные периоды: размножение, рост, созревание и формирование.

контрольная работа , добавлен 11.03.2014


Понятие и свойства митохондрий, их строение, участие в клеточном дыхании и обмене энергией. Характерные особенности гаструляции эмбрионального развития. Рассмотрение функций, строения, классификации лейкоцитов. Внешний вид тимуса (вилочковой железы).

контрольная работа , добавлен 21.04.2015


Строение, химический состав, распространение в природе и значение таксономической группы слизевиков. Вегетативные тела слизевиков. Трофическая и расселительная стадии. Процесс образования спор. Присутствие в циклах подвижных стадий, строение митохондрий.

курсовая работа , добавлен 12.08.2015


Строение и основные компоненты клеточной оболочки водорослей. Случаи беспорядочного расположения фибрилл среди зеленых водорослей, организация цитоплазмы у различных у различных представителей вида, назначение жгутиков, митохондрий и хлоропластов.

курсовая работа , добавлен 29.07.2009


Клиническое применение фотодинамической терапии. Механизм действия фотосенсибилизаторов на клеточном уровне. Роль митохондрий и ионов кальция в фотодинамически индуцированном апоптозе. Участие сигнальных процессов и защитных белков в реакциях клеток.

контрольная работа , добавлен 19.08.2015


Митохондрия - двумембранная гранулярная или нитевидная органелла, элемент эукариотических клеток (автотрофов и гетеротрофов), энергетическая станция. Основная функция и энергообразование; происхождение, структура. Митохондриальная ДНК и наследственность.

Экология потребления. Здоровье: Гаплогруппа - группа схожих гаплотипов, имеющих общего предка, у которого в обоих гаплотипах имела место одна и та же мутация...

Когда я еще в детстве, расспрашивал свою бабушку о корнях, она рассказала одну легенду, что ее далекий прадед взял в жены «местную» девушку. Я заинтересовался этим и предпринял небольшое исследование. Местные для Вологодской области – это финно-угорский народ вепсы. Чтобы точно проверить эту семейную легенду, я обратился к генетике. И она подтвердила семейную легенду.

Гаплогруппа (в популяционной генетике человека - науке, изучающей генетическую историю человечества) - группа схожих гаплотипов, имеющих общего предка, у которого в обоих гаплотипах имела место одна и та же мутация. Термин «гаплогруппа» широко применяется в генетической генеалогии, где изучаются гаплогруппы Y-хромосомные (Y-ДНК), митохондриальные (мтДНК) и ГКГ-гаплогруппы. Генетические маркеры Y-ДНК передаются с Y-хромосомой исключительно по отцовской линии (то есть от отца сыновьям), а маркеры мтДНК - по материнской линии (от матери всем детям).

Митохондриальное ДНК (далее мтДНК) передается от матери к ребенку. Поскольку только женщины могут передавать мтДНК своим потомкам, тестирование мтДНК дает информацию о матери, ее матери и так далее по прямой материнской линии. мтДНК от матери получают как мужчины, так и женщины, по этой причине в проведении тестирования мтДНК могут принимать участие и мужчины, и женщины. Хотя в мтДНК и происходят мутации, их частота относительно низка. В течении тысячелетий данные мутации накапливались, и по этой причине женская линия в одной семье генетически отличается от другой. После того, как человечество расселилось по планете, мутации продолжили случайное появление в разделенных растоянием популяциях некогда единого человеческого рода.

Миграция митохондриальных гаплогрупп.

Русский север.

Мне очень близка история, природа и культура русского Севера. Это и потому, что оттуда родом моя бабушка, которая жила с нами и много времени посвятила моему воспитанию. Но думаю, что для беларусов близость еще большая: ведь русский север был заселен кривичами, которые также сформировали ядро будущей Беларуси. Кроме того, Псков и Новгород – это древние славянские центры, в определенной мере демократичные, со своем вече (так же как Киев и Полоцк).

Достаточно вспомнить историю Псковской вечевой республики и Новгородской республики. Длительное время эти территории колебались между ВКЛ и Московским княжеством, но последнее перехватило инициативу в «собирании земель». При других обстоятельствах, самобытность этого региона могла бы развиться в самостоятельную национальность. Впрочем, многие с гордостью называют себя «северными русскими». Равно как и некоторые беларусы, отличают западную беларусь (Литва, литвины) от восточной беларуси (русины). Попрошу не искать в моих словах никакой политической подоплеки.

Если в Беларуси славяне смешивались с балтийскими племенами, то в России - с финно-угорскими. Это и обеспечило уникальную этничность разных регионов. Очень точно сказал Парфенов, который родом из соседних с нашими сел: «Я всегда чувствую свое происхождение. Северный русский - для меня это очень важно. Это мое представление о России, о нашем характере, об этике и эстетике. Южнее Воронежа для меня - другие русские.» Любопытно, что Парфеновы есть и у меня в роду. Аксинья Парфенова (1800-1904) – это бабушка Кирилла Кирилловича Коричева (муж Александры Алексеевны Земсковой). Впрочем, фамилия эта распространенная, так что может родственники, а может и нет.

Череповец, прабабушка слева, бабушка справа внизу, 1957?

Моя митохондриальная группа - D5a3a.

При секвенировании ГВС1 - 16126с, 16136с, 16182с, 16183с, 16189с,16223Т, 16360Т, 16362С. Это значит, что моя митохондриальная группа - D5a3a. Это очень редкая гаплогруппа, даже генетики удивились – в Беларуси впервые такая определяется. В целом D – это азиатская группа. Ученые пишут, что она встречается в генофондах лишь некоторых этнических групп Северной Евразии.

Единичные D5a3-линии выявлены у таджиков, алтайцев, корейцев и русских Великого Новгорода. Все они (за исключением корейца), характеризуются 16126-16136-16360 ГВС1-мотивом, который встречается также в некоторых популяциях Северо-Восточной Европы.

Село Аннино, 1917, моя прабабушка.

Полногеномный анализ показал, что мтДНК русского и манси объединяются в отдель-ный кластер D5a3a, а мтДНК корейца представлена отдельной ветвью. Эволюционный возраст всей гаплогруппы D5a3 составляет примерно 20 тыс. лет (20560 ± 5935), в то время как степень дивергенции D5a3a-линий мтДНК соответствует примерно 5 тыс. лет (5140 ± 1150). D5 - группа отчётливо восточноазиатская.

В Сибири абсолютно преобладают варианты D4. Наиболее многочисленна и разнообразна D5 в Японии, Корее и южном Китае. Среди сибирских народов разнообразие D5 и наличие уникальных чисто этнических её вариантов отмечено у восточных монголоязычных групп, в том числе и у монголизированных эвенков. D5a3 отмечена в архаичном варианте в Корее.Более точный анализ показывает возраст D5a3a до 3000 лет, но родительская D5a3 очень древняя, там наверняка мезолит.

Череповец, 1940

На основании имеющихся данных кажется логичным предполагать происхождение D5a3 где-то на Дальнем Востоке (между Монголией и Кореей) и её миграцию на запад через Южную Сибирь. Вероятно, что мои прямые предки по женской линии пришли в Европу около трех тысяч лет назад, дав корни в Финляндии, Корелии, среди местных финно-угорских народов: саамы, карелы и вепсы. При смешивании с кривичами, эти гаплогруппы перешли современным жителям Вологды и Новгородчины.

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.

© 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.

Зачем митохондриям своя ДНК? Хотя почему бы симбионтам не иметь свою ДНК в себе, производя все необходимое на месте? Зачем тогда переносить часть митохондриальной ДНК в ядро клетки, создавая необходимость транспортировки продуктов генов в митохондрии? Почему митохондрии передаются только от одного из родителей? Каким образом митохондрии, полученные от матери, уживаются с геномом клетки, составленным из ДНК матери и отца? Чем больше люди узнают о митохондриях, тем больше вопросов возникает.

Впрочем, это касается не только митохондрий: в любой области любой науки расширение сферы знаний приводит только к увеличению ее поверхности, соприкасающейся с неизвестным, вызывающим все новые вопросы, ответы на которые расширят ту самую сферу с тем же предсказуемым результатом.

Итак, ДНК современных митохондрий распределена весьма странно: небольшая часть генов содержится непосредственно в митохондриях в кольцевой хромосоме (точнее, в нескольких копиях одной и той же хромосомы в каждой митохондрии), а большая часть чертежей для производства составных частей митохондрии хранится в ядре клетки. Поэтому копирование этих генов происходит одновременно с копированием генома всего организма, а производимые по ним продукты проходят долгий путь из цитоплазмы клетки внутрь митохондрий. Тем не менее это во многом удобно: митохондрия избавлена от необходимости копировать все эти гены при размножении, считывать их и строить протеины и другие составляющие, сосредоточившись на своей главной функции по производству энергии. Зачем же тогда в митохондриях все-таки находится небольшая ДНК, для обслуживания которой требуются все эти механизмы, избавившись от которых митохондрии могли бы еще больше ресурсов бросить на основную цель их существования?

Сначала предположили, что оставшаяся в митохондриях ДНК является атавизмом, наследием поглощенной метаногеном про-митохондрии, имеющей полный бактериальный геном. В начале их симбиоза, несмотря на существование в ядре тех митохондриальных генов (м-генов ), которые были необходимы для поддержания внутри метаногена комфортной для про-митохондрий среды (про это подробно написано в о митохондрии), те же самые гены хранились и в каждой из митохондрий. Про-митохондрия в начале своей жизни в качестве симбионта выглядела примерно так же, как современная бактерия на схеме слева от этого абзаца.

И очень медленно из-за невостребованности эти гены исчезали из митохондриальной хромосомы в результате самых разных мутаций. А вот клеточное ядро накапливало все больше м-генов, попадавших в цитоплазму из разрушенных симбионтов-митохондрий и встраивавшихся в геном химеры-эукариота. Как только свежевстроившийся м-ген начинал считываться, клеточные механизмы производили необходимые митохондриям продукты, освобождая симбионтов от самостоятельного их создания. А значит, митохондриальный аналог перешедшего в ядро гена больше не поддерживался в рабочем состоянии естественным отбором и стирался мутациями так же, как все предыдущие. Поэтому логично было бы предположить, что скоро и те гены, которые все еще остались в митохондриях, перейдут в ядро, что приведет к большой энергетической выгоде для эукариот: ведь из каждой митохондрии можно будет убрать громоздкие механизмы копирования, считывания и исправления ДНК, а так же все необходимое для создания протеинов.

Придя к такому выводу, ученые подсчитали, за какой срок путем естественного дрейфа из митохондрии в ядро должны были перекочевать все гены. И оказалось, что этот срок уже давно прошел. В момент появления эукариотической клетки митохондрии имели обычный бактериальный геном из нескольких тысяч генов (ученые устанавливают, каким был этот геном, изучая перенесенные в ядро м-гены у разных организмов), а сейчас митохондрии всех видов эукариот потеряли от 95 до 99,9% своих генов. Больше сотни генов в митохондриях не осталось ни у кого, но и безгеновой митохондрии тоже ни у кого не появилось. Если бы ключевую роль в этом процессе играл случай, то хотя бы несколько видов уже прошли бы путь переноса генов в ядро до конца. Но этого не произошло, и изученные на данный момент митохондрии разных видов, теряющие свои гены независимо друг от друга, сохранили один и тот же их набор, что прямо указывает на необходимость присутствия именно этих генов именно в митохондриях.

Более того, в других энергопроизводящих органеллах клеток, хлоропластах, тоже есть своя ДНК, и точно так же хлоропласты разных видов эволюционировали параллельно и независимо, оставшись каждый с одним и тем же набором генов.

Значит, все те значительные неудобства по поддержанию собственного генома в каждой клеточной митохондрии (а в среднем в одной клетке содержится несколько сотен!) и громоздкого аппарата по его копированию-исправлению-транслированию (основные, но не все! его части ты видишь на картинке слева) чем-то перевешиваются.

И на данный момент существует непротиворечивая теория этого «чего-то»: возможность производить определенные детали митохондрии непосредственно внутри нее необходима для регулирования скорости дыхания и подстройки происходящих в митохондрии процессов под ежеминутно меняющиеся потребности всего организма.

Представь, что в одной из сотен митохондрий клетки вдруг не хватает элементов дыхательной цепи (подробно про нее смотри в ), или в ней недостаточно АТФ-синтаз. Она оказывается либо перегруженной пищей и кислородом и не может их достаточно быстро перерабатывать, или ее межмембранное пространство распирает от протонов, которые некуда девать — полная катастрофа в общем. Конечно же все эти отклонения от идеальной жизненной ситуации запускают множественные сигналы, направленные на выравнивание крена тонущего корабля.

Эти сигналы запускают производство именно тех деталей, которых не хватает митохондрии в данный момент, активируя считывание генов, по которым строятся протеины. Как только митохондрия будет иметь достаточно компонентов дыхательной цепи или АТФаз, «крен выровняется», сигналы о необходимости постройки новых деталей перестанут поступать, и гены опять будут выключены. Это один из удивительно элегантных в своей простоте необходимых механизмов саморегуляции клетки, малейшее его нарушение ведет к серьезной болезни или даже нежизнеспособности организма.

Попробуем логически определить, где должны находиться необходимые для реакции на этот сигнал бедствия гены. Представь ситуацию, что эти гены находятся в ядре клетки, содержащей пару сотен митохондрий. В одной из митохондрий возник например недостаток NADH-дегидрогеназы : первого фермента из дыхательной цепи, чья роль состоит в отрыве двух электронов от молекулы NADH, передаче их следующему ферменту и прокачке 2-4 протонов через мембрану.

На самом деле такие недостатки какого-либо фермента случаются довольно часто, ведь они периодически выходят из строя, количество потребляемой пищи постоянно меняется, потребности клетки в АТФ тоже прыгают вслед за прыжками или валяниями организма, эту клетку содержащего. Поэтому ситуация очень типичная. И вот митохондрия испускает сигнал: «нужно строить больше NADH-дегидрогеназы!», который выходит за ее пределы, проходит по цитоплазме до ядра, проникает в ядро и запускает считывание нужных генов. По клеточным меркам время прохождения этого сигнала весьма существенно, а ведь требуется еще и вытащить из ядра в цитоплазму построенную матричную РНК, создать по ней протеины, переслать их в митохондрию…

И вот тут возникает проблема гораздо более существенная, чем трата лишнего времени: при создании специализированных митохондриальных протеинов они маркируются сигналом «доставить в митохондрию», но вот в какую? Неизвестно. Поэтому в каждую из пары сотен митохондрий начинают поступать протеины, которые им не нужны. Клетка тратит ресурсы на их производство и доставку, митохондрии заполнены лишними дыхательными цепями (что приводит к неэффективности дыхательных процессов), а та единственная митохондрия, которой эти протеины нужны, не получает их в достаточном количестве, ведь ей достается в лучшем случае сотая часть произведенного. Поэтому она продолжает посылать сигналы бедствия, и хаос продолжается. Даже по этому лирико-поверхностному описанию происходящего понятно, что такая клетка нежизнеспособна. И что есть гены, которые должны считываться и транслироваться непосредственно в митохондрии, чтобы регулировать происходящие именно в ней процессы, а не полагаться на запущенный партией ядром план производства гвоздей.. то есть протеинов дыхательной цепи для всех митохондрий сразу.

Проверив, что именно производится по оставшимся в митохондриях разных (а значит, и перемещавших м-гены в ядро независимо друг от друга) организмов, обнаружили, что это именно элементы для построения дыхательных цепей и АТФазы, а так же рибосом (то есть главной части аппарата трансляции).

Подробнее об этом (и не только) можно прочитать у Лейна в «Энергия, секс, самоубийство: митохондрия и смысл жизни» . Ну и можно просто сравнить схему митохондриальной ДНК, где расшифрованы кодируемые продукты (справа от этого абзаца), со схемой дыхательной цепи (вверху), чтобы стало понятно, что именно производится в митохондрии. Конечно же, не каждый протеин, встраиваемый в эту цепь, производится на месте, часть из них строится в цитоплазме клетки. Но основные «якоря», на которые цепляются остальные детали, создаются внутри митохондрии. Что позволяет производить ровно столько ферментов, сколько нужно, и именно там, где они необходимы.

Как митохондрии связаны с сексом и как уживаются разные геномы в одной клетке, напишу в одной из следующих глав этой линии.