Роль материнского генома в развитии потомка

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

|Вид |Структу|Масса, |Примечания |

| |ра |млн. | |

| | |дальтон | |

|Мит |Животные |Кольцев|9-12 |У каждого отдельного вида все молекулы одного|

|охон| |ая | |размера |

| | | | | |

|дриа| | | | |

| | | | | |

|льн | | | | |

|ая | | | | |

|Д | | | | |

|Н | | | | |

|К | | | | |

| |Высшие ра | | |У всех изученных видов имеются разные по |

| |стения |Кольцев|Варьируе|величине кольцевые ДНК, в которых общее |

| | |ая |т |содержание генетической информации |

| | | | |соответ-ствует массе от 300 до 1000 млн. |

| | | | |дальтон в зависимости от вида |

| |Грибы: | | | |

| |Saccharomyc|Кольцев|50 | |

| |es |ая |22 | |

| |Kluyveromyc|Кольцев| | |

| |es |ая |18 | |

| |Простейшие | |27 | |

| |Plasmodium |Кольцев| | |

| |Paramecium |ая | | |

| | |Линейна| | |

| | |я | | |

|Д |Водоросли | | | |

|Н |Chlamydomon|Кольцев|120 | |

|К |as |ая |90 | |

|Хлор|Euglena |Кольцев| | |

| | |ая | | |

|опла| | | | |

| | | | | |

|стов| | | | |

| | | | | |

| |Высшие | | | |

| |растения |Кольцев|85-97 |У каждого отдельного вида найдены молекулы |

| | |ая | |только одного |

| | | | |размера |

Относительное количество ДНК органелл в некоторых клетках и тканях

|Организм |Ткань или |Число мол-л |Число |Доля ДНК |

| |тип клеток |ДНК/органел-|орга- |орга-нелл во |

| | | |нелл в |всей |

| | |лу |клетке |ДНК клетки, % |

|Мит | Крыса |Печень |5-10 |1000 |1 |

|охон| | | | | |

| | | | | | |

|дриа| | | | | |

| | | | | | |

|льн | | | | | |

|ая | | | | | |

|Д | | | | | |

|Н | | | | | |

|К | | | | | |

| | | | | | |

| |Мышь |Клетки линии L |5-10 |100 |<1 |

| |Лягушка |Яйцеклетка |5-10 |107 |99 |

| |Дрожжи |Вегетативные |2-50 |2-50 |15 |

| | |диплоидные клетки| | | |

|Д | | | | | |

|Н |Chlamydomonas |Вегетативные |80 |2 |7 |

|К | |диплоидные клетки| | | |

|Хлор| | | | | |

| | | | | | |

|опла| | | | | |

| | | | | | |

|стов| | | | | |

| |Кукуруза |Листья |20-40 |20-40 |15 |

Функционирование митохондриального генома

Что же особенного в механизмах репликации и транскрипции ДНК

митохондрий млекопитающих?

У большинства животных 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.

В митохондриях общее число молекул с D-петлей значительно превыша-ет

число полностью реплицирующихся молекул. Обусловлено это тем, что у D-петли

есть дополнительные функции — прикрепление мтДНК к внутренней ме-мбране и

инициация транскрипции, поскольку в этом районе локализованы промоторы

транскрипции обеих цепей ДНК. В отличие от большинства эв-кариотических

генов, которые транскрибируются независимо друг от друга, ка-ждая из цепей

мтДНК млекопитающих переписывается с образованием одной молекулы РНК,

начинающейся в районе ori H. Помимо этих двух длинных мо-лекул РНК,

комплементарных Н- и L-цепям, формируются и более короткие участки Н-цепи,

которые начинаются в той же точке и заканчиваются на 3'-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.

|ND1—ND6, ND4L — гены субъединиц |

|НAД-H-дегидрогеназного комплекса; |

|СОI—COIII — гены субъединиц |

|цитохром-с-оксидазы; ATP6, ATP8 — гены |

|субъединиц AТФ-синтетазы Cyt b — ген |

|цитохрома b. |

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!..

Несмотря на то, что в геномах митохондрий млекопитающих и дрожжей

содержится приблизительно одинаковое количество генов, размеры дрожжево-го

генома в 4-5 раз больше — около 80 тыс. пар нуклеотидов. Хотя кодирую-щие

последовательности мтДНК дрожжей высоко гомологичны соответствую-щим

последовательностям у человека, дрожжевые мРНК дополнительно имеют 5'-

лидерную и 3'-некодирующую области, как и большинство ядерных мРНК. Ряд

генов содержит еще и интроны. Так, в гене box, кодирующем 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-тельностью, кодируемой

нередактированной мРНК (см. таблицу).

Происходит это за счет сдвига рамки считыва-ния на число нуклеотидов, не

кратное размеру триплета (в данном случае на четыре). Новая белковая

субъединица, необходимая для работы фермента, об-разуется в митохондриях

паразита только тогда, когда он попадает в организм холоднокровной мухи и

нуждается в окислительном фосфорилировании для получения большого

количества молекул АТФ. Если трипаносома живет в ор-ганизме теплокровных

млекопитающих, ей достаточно АТФ, образующейся в процессе гликолиза.

Впервые обнаруженное в митохондриях трипаносомы ре-дактирование РНК широко

распространено в хлоропластах и митохондриях вы-сших растений. Найдено оно

и в соматических клетках млекопитающих, напри-мер, в кишечном эпителии

человека редактируется мРНК гена аполипопротеина.

Наибольший сюрприз ученым митохондрии преподнесли в 1979 г. До то-го

времени считалось, что генетический код универсален и одни и те же трип-

леты кодируют одинаковые аминокислоты у бактерий, 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 |Митохондриальный |“Универсальный”|

| |код млекопитающих |код дрожжей | |

| | | |код |

|UGA |Trp |Trp |Stop |

|AUA |Met |Met |Ile |

|CUA |Leu |Thr |Leu |

|AGA |Cmon |Arg |Arg |

|AGG | | | |

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

Страницы: 1, 2, 3