Роль материнского генома в развитии потомка

Роль материнского генома в развитии потомка

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.

У всех эвкариот — будь это малярийный плазмодий, мельчайший одноклето-

чный паразит, разрушающий эритроциты человека, или сам человек, гигантская

свободноживущая клетка амеба протей, микроскопическая колония дрожжей или

гриб, имеющий многокилометровый мицелий, эфемерные насекомые поде-нки или

тысячелетние секвойи — у всех генетическая информация содержится не только

в хромосомах клеточного ядра, но и в митохондриях — само-воспроизводящихся

полуавтономных органеллах клетки, имеющих собствен-ный геном. В то время

как ядерный геном представляет собой совокупность линейных молекул ДНК

гаплоидного набора хромосом, митохондриальный ге-ном — одну или несколько

кольцевых(редко линейных)молекул ДНК (мтДНК). В исключительных случаях

эвкариотические клетки не содержат митохондрий, например некоторые

паразитирующие в кишечнике анаэробные амебы.

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. Буль-

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 бульшим 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 мутантами

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-карбоксилазы. 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 бульшую 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.

Митохондриальный геном растений, как правило, состоит из нескольких

молекул разного размера. Одна из них, “основная хромосома”, содержит боль-

шую часть генов, а кольцевые формы меньшей длины, находящиеся в динами-

Страницы: 1, 2, 3