Митохондриальная генетика человека. Митохондриальная наследственность Митохондрия содержит кольцевые молекулы днк

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.

Строение нуклениовых кислот.

Н.к.- являются универсальной информационной макромолекулой клетки, главной функцией которой является: 1)Хранение наследственной информации в форме генетического кода. 2)Воспроизведение наследственной информации путем самоудвоения или репликации ДНК. 3)Реализация наследственной информации в процессе биосинтеза белка. Н. к. впервые были получены из ядер клеток гноя. Химический анализ показал что сущ-ет два вида н к: 1)ДНК, 2)РНК. ДНК обнаружены в ядре, митохондриях и центриолях. РНК обнаружены в ядре, в ядрышках, в рибосомах, в митохондриях. В химическом отношении н к – полимеры состоящие из полинуклеотидных цепей, мономером н.к. яв-ся – нуклеотид. В ДНК их 4 вида: А,Т,Г,Ц. В РНК вместо Тимина – Урацил. По структуре Аденин и Гуанин пуриновые основания

Свойства и функции ДНК.

Химический анализ показал что сущ-ет два вида н к: 1)ДНК, 2)РНК. ДНК обнаружены в ядре, митохондриях и центриолях. РНК обнаружены в ядре, в ядрышках, в рибосомах, в митохондриях. В химическом отношении н к – полимеры состоящие из полинуклеотидных цепей, мономером н.к. яв-ся – нуклеотид. В ДНК их 4 вида: А,Т,Г,Ц. В РНК вместо Тимина – Урацил. По структуре Аденин и Гуанин пуриновые основания

1 бензольное кольцо) Т,Ц,У(пиримидиновые основания – 2 бензольных кольца). ДНК представляет собой спираль состоящую из двух полинуклеотидных цепей. Полинуклеотидные цепи состоят из нуклеотидов соединенных друг с другом благодаря водородным связям которые формируют комплементарные пары. В ДНК А=Т, Г=Ц(Правило Чаргаффа 1951 год). Нуклеотиды в каждой цепи ДНК между собой соединены так, что 5-ый углерод сахара предидущего нуклеотида соединен с 3-им углеродом сахара последующего. Благодаря таким связям молекула ДНК имеет два конца. Диаметр спирали ЛНК 2нм. Один оборот спирали 3,4 нм. Расстояние между нуклеотидами 0,34 нм. Каждый виток спирали содержит 10 пар нуклеотидов. В ДНК различают несколько уровней организации: 1)Первичная структура – это порядок расположения нуклеотидов в комплементарных цепях. 2)Вторичная структура – двойная спираль ДНК. 3)Третичная – ДНК в составе хромосом.

Особенности строения митохондриальной ДНК.

Митохондриальная ДНК (мтДНК ) - ДНК, локализованная (в отличие от ядерной ДНК) в митохондриях, органоидах эукариотических клеток.

У большинства изученных организмов митохондрии содержат только кольцевые молекулы ДНК, у некоторых растений одновременно присутствуют и кольцевые, и линейные молекулы, а у ряда протистов (например, инфузорий) имеются только линейные молекулы. Митохондрии млекопитающих обычно содержат от двух до десяти идентичных копий кольцевых молекул ДНК. У растений каждая митохондрия содержит несколько молекул ДНК разного размера, которые способны к рекомбинации.У протистов из отряда кинетопластид (например, у трипаносом) в особом участке митохондрии (кинетопласте) содержится два типа молекул ДНК -- идентичные макси-кольца (20-50 штук) длиной около 21 т.п.о. и мини-кольца (20 000 - 55 000 штук, около 300 разновидностей, средняя длина около 1000 п.о.). Все кольца соединены в единую сеть (катенаны), которая разрушается и восстанавливается при каждом цикле репликации. Макси-кольца гомологичны митохондриальной ДНК других организмов. Каждое мини-кольцо содержит четыре сходных консервативных участка и четыре уникальных гипервариабельных участка. В мини-кольцах закодированы короткие молекулы направляющих РНК (guideRNA), которые осуществляют редактирование РНК, транскрибируемых с генов макси-колец. Митохондриальная ДНК (мтДНК) представляет собой геном клеточных органелл – митохондрий. Эндосимбиотическое происхождение этих органелл обуславливает полуавтономное существование генетической системы митохондрий. Так, синтез ДНК в митохондриях проходит независимо от синтеза ДНК ядерной, а наследование этой цитоплазматической генетической структуры – митохондриальной хромосомы – происходит в норме строго по материнской линии. Это дает авторам основание условно выделить совокупность митохондриальных генов и любых реплицирующихся фрагментов мтДНК в отдельный генетический ресурс популяции – митохондриальный генофонд. ДНК-содержащие структуры в митохондриях были выявлены в 60-х годах. За последние четверть века детально изучена структурная и функциональная организация митохондриального генома человека и многих видов животных. Митохондриальная хромосома представлена кольцевой двухцепочечной молекулой ДНК, которая присутствует в органелле в виде ковалентно замкнутой суперспирализованной формы, ассоциированой с внутренней мембраной митохондрии. Каждая органелла содержит от 1 до 8 молекул ДНК, что составляет 1000 – 8000 копий на клетку. Как правило, один организм обладает единой формой мтДНК, т.е. одним гаплотипом, унаследованным по материнской линии.

Типы РНК в клетках.

В клетках различают три типа РНК: 1)И-РНК(матричная или информационная РНК).

2)Р-РНК(рибосомная РНК).

3)Т-РНК(транспортная РНК)

Матричная РНК – синтезируется и транскрибируется на Днк и несет информацию для синтеза белка. Р-РНК и Т-РНК – синтезируются в ядрышках ядра. Ядрышко – это участок хромосом имеющий спутники. Ядрышковая ДНК содержит гены на которых синтезируются Р-РНК и Т-РНК. Р-РНК находятся в рибосомах(в малой и большой субъединице). Назначение: через малую субъединицу АК присоединяется к Т-РНК через АТФ. Отличие ДНК от РНК: 1)РНК состоит из одной цепи. 2)У РНК сахар – рибоза. 3)РНК короче чем ДНК. 4)Т-РНК имеет форму третичной структуры. Матричная (информационная) РНК - РНК, которая служит посредником при передаче информации, закодированной в ДНК к рибосомам, молекулярным машинам, синтезирующим белки живого организма. Кодирующая последовательность мРНК определяет последовательность аминокислот полипептидной цепи белка

Транспортные (тРНК) - малые, состоящие из приблизительно 80 нуклеотидов, молекулы с консервативной третичной структурой. Они переносят специфические аминокислоты в место синтеза пептидной связи в рибосоме. Каждая тРНК содержит участок для присоединения аминокислоты и антикодон для узнавания и присоединения к кодонам мРНК. Рибосомальные РНК (рРНК) - каталитическая составляющая рибосом. Эукариотические рибосомы содержат четыре типа молекул рРНК: 18S, 5.8S, 28S и 5S. Три из четырёх типов рРНК синтезируются в ядрышке. В цитоплазме рибосомальные РНК соединяются с рибосомальными белками и формируют нуклеопротеин, называемый рибосомой. Рибосома присоединяется к мРНК и синтезирует белок. рРНК составляет до 80 % РНК, обнаруживаемой в цитоплазме эукариотической клетки

Примерами митохондриальной наследственности является устойчивость к антибиотикам у дрожжевых клеток и мужская половая стерильность (отсутствие мужских гамет) у ряда растений, например, у кукурузы.

У человека (предположительно) – такие пороки развития, как сращение нижних конечностей и расщепление позвоночника.

Центриолярная наследственность

Примеры признаков, передающихся через центриоли, пока не установлены.

В цитоплазме бактерий автономно расположены небольшие кольцевые молекулы ДНК – плазмиды. Выделено три вида плазмид.

Плазмиды, содержащие F-фактор (фактор фертильности): F+ (мужской пол), F- (женский пол). При конъюгации фактор может переходить от одной бактерии к другой, т.е. меняется пол.

Плазмиды, содержащие R-фактор (фактор резистентности), определяют устойчивость к антибиотикам. Также могут переходить от одной бактерии к другой.

Плазмиды-колициногены – кодируют белки, губительно действующие на особей того же вида, не содержащих колициногенов (бактерии-«киллеры»).

Гены ядра и цитоплазмы взаимодействуют между собой. В их основе лежат известные формы взаимодействия неаллельных генов типа эпистаза (например, гены ядра подавляют гены цитоплазмы).

Существует также псевдоцитоплазматическая наследственность, обусловленная наличием в клетках симбионтов – бактерий или вирусов. Так, у дрозофилы есть раса с повышенной чувствительностью к СО 2 . В клетках этой расы имеются вирусы, которые и определяют данное свойство.

Некоторые инфузории-туфельки («киллеры») выделяют вещества, губительно действующие на других особей того же вида. В их клетках обнаружены бактерии.

У мышей существует раса с наследственной предрасположенностью к раку молочной железы. Передача происходит через материнское молоко, содержащее вирусы. Если исключить питание потомства этим молоком, то предрасположенности к раку не будет, и наоборот, если потомство здоровой расы вскармливать этим молоком, то у него возникнет предрасположенность к раку.

Изменчивость

Изменчивость – свойство живых организмов изменять как саму наследственную информацию, полученную от родителей, так и процесс ее реализации в ходе онтогенеза.

Выделяют три вида изменчивости:

фенотипическая,

онтогенетическая,

генотипическая.

Фенотипическая, или модификационная изменчивость – изменение фенотипа в ответ на действие факторов внешней среды. Этот вид изменчивости был выделен еще Ч. Дарвином и назван им «определенная ». Приобретенные в ходе онтогенеза признаки по наследству не передаются. Пределы изменчивости признака называются нормой реакции. Норма реакции передается по наследству. Она может быть широкая и узкая. (Приведите примеры.)

Для эволюционного процесса фенотипическая изменчивость имеет большое значение, т.к. естественный отбор особей в природе идет по фенотипу.

Онтогенетическая изменчивость – закономерное изменение генотипа и фенотипа в ходе онтогенеза.

Изменение фенотипа организма человека в процессе роста, появление вторичных половых признаков – это примеры онтогенетической изменчивости.

Закономерное изменение генотипа в ходе онтогенеза обнаружено недавно. Правда, известно таких примеров немного. Так, белки иммуноглобулины у мышей состоят из двух фракций: V (вариабельная) и С (константная). У эмбрионов мышей кодирующие их гены расположены на довольно большом расстоянии друг от друга:

У взрослых мышей эти гены соединены и работают как один:

Генотипическая изменчивость обусловлена изменением генотипа. Ч. Дарвин этот вид изменчивости называл “неопределенной ”. Это наследуемая изменчивость (передается по наследству).

Генотипическая изменчивость подразделяется на два вида: комбинативную и мутационную .

Комбинативная изменчивость обусловлена перекомбинацией имеющегося генетического материала.

В природе имеется три источника комбинативной изменчивости:

1) независимое расхождение хромосом в мейозе (число комбинаций составляет

2 n , где n – число хромосом в гаплоидном наборе);

2) кроссинговер (обмен гомологичными участками между гомологичными

хромосомами);

3) случайное комбинирование хромосом во время оплодотворения.

Все это приводит к огромному разнообразию генотипов и фенотипов, что, в свою очередь, обеспечивает высокую приспособляемость видов.

В основе мутационной изменчивости лежит перестройка генетического аппарата.

Вступление

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

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

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

Симбиотическая теория происхождения митохондрий

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

В пользу симбиотической теории говорят многочисленные факты:

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

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

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

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

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

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

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

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

Роль клеточного ядра в биогенезе митохондрий

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

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

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

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

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

Транспортные системы митохондрий

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

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

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

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

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

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

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

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

Размеры и форма митохондриальных геномов

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

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

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

https://pandia.ru/text/78/545/images/image002_21.jpg" align="left" width="386 height=225" height="225">Рис 2. Схема образования линейных (А), кольцевых (Б), цепных (В) олигомеров мтДНК. ori - район начала репликации ДНК.

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

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

Размеры и строение молекул ДНК в органеллах

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

Относительное количество ДНК органелл в некоторых клетках и тканях

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

Функционирование митохондриального генома

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Различия между “универсальным” генетическим кодом и двумя митохондриальными кодами

Кодон	Митохондриальный код млекопитающих	Митохондриальный код дрожжей	“ Универсальный ”

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

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

Значение наличия собственной генетической системы для митохондрий

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

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

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

Цитоплазматическая наследственность

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

щее митохондриальную ДНК только материнского типа.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Формы митохондриальных заболеваний

1 . Митохондриальные болезни, вызванные мутациями митохондриальной ДНК

1.1.Болезни, обусловленные делециями митохондриальной ДНК

1.1.1.Синдром Кернса-Сейра

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

1.1.2.Синдром Пирсона

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

2 .Болезни, обусловленные точковыми мутациями митохондриальной ДНК

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

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

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

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

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

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

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

3 .Патология, связанная с дефектами межгеномной коммуникации

3.1.Синдромы множественных делеций митохондриальной ДНК

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

3.2.Синдром делеции митохондриальной ДНК

Аутосомно-рецессивный тип наследования

Клинические формы:

3.2.1.Фатальная инфантильная

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

Дебют в периоде новорожденности

3.2.2.Врожденная миопатия

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

3.2.3.Инфантильная миопатия

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

4 .Митохондриальные болезни, обусловленные мутациями ядерной ДНК

4.1.Заболевания, связанные с дефектами дыхательной цепи

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

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

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

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

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

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

4.1.4.Дефицит комплекса (цитохром С-оксидаза)

4.1.4.1.Фатальный инфантильный врожденный лактат-ацидоз

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

4.1.4.2.Доброкачественная инфантильная мышечная слабость

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

5 .Синдром Менкеса (трихополиодистрофия)

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

6 . Митохондриальные энцефаломиопатии

6.1.Синдром Лея (подострая невротизирующая энцефаломиелопатия)

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

6.2.Синдром Альперса (прогрессирующая склерозирующая полидистрофия)

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

6.3.Дефицит Коэнзима-Q

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

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

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

7.2.Дефицит пируватдегидрогеназы

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

7.3.Снижение активности пируватдегидрогеназы

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

7.4.Дефицит дигидролипоилтрансацетилазы

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

7.5.Дефицит дигидролипоилдегидрогеназы

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

8 .Заболевания, обусловленные дефектами бета-окисления жирных кислот

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

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

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

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

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

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

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

8.4.Множественная недостаточность Ацетил-CoA-дегидрогеназ жирных кислот

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

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

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

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

9 .Ферментопатии цикла Кребса

9.1.Дефицит фумаразы

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

9.2.Дефицит сукцинатдегидрогеназы

Редкое заболевание, характеризующееся прогрессирующей энцефаломиопатией

9.3.Дефицит альфа-кетоглутаратдегидрогеназы

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

9.4.Синдромы дефицита карнитина и ферментов его метаболизма

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

9.5.Дефицит карнитин-ацилкарнитин-транслоказы

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

9.6.Дефицит карнитин-пальмитоилтрансферразы-2

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Вывод

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

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

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

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

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

кодонами).

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

представителей исторической науки в решении своих специфических задач.

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

Список литературы

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

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

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

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

5. Скулачев биологических мембран. М., 1989.

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

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

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

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

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

11. , Митохондриальный геном. Новосибирск, 1990.

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

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

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

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

Киевский Национальный Университет им. Тараса Шевченка

Биологический факультет

Реферат

на тему:

“Роль материнского генома в развитии потомка”

с туд е нта IV курса

кафедры биохимии

Фролова Артема

Киев 2004

План :

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

Симбиотическая теория происхождения митохондрий......2

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

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

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

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

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

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