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. 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 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 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.

Страницы: 1, 2, 3