Реферат: 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, нои генетики, эволюционисты, а также палеонтологи и криминалисты. Такой широкийинтерес спровоцировала работа А.Уилсона из Калифорнийско-го университета. В1987 г. он опубликовал результаты сравнительного анализа ДНК митохондрий,взятых у 147 представителей разных этносов всех человече-ских рас, заселяющихпять континентов. По типу, местоположению и количес-тву индивидуальных мутацийустановили, что все митохондриальные ДНК воз-никли из одной предковойпоследовательности нуклеотидов путем диверген-ции. В околонаучной прессе выводэтот интерпретировали крайне упрощенно — все человечество произошло от однойженщины, названной митохондриаль-ной Евой (т.к. и дочери и сыновья получаютмитохондрии только от матери), которая жила в Северо-Восточной Африке около 200тыс. лет назад. Еще через 10 лет удалось расшифровать фрагмент ДНК митохондрий,выделенный из ос-танков неандертальца, и оценить время существования последнегообщего предка человека и неандертальца в 500 тыс. лет назад.
Сегодня митохондриальная генетика человека интенсивно развивается как впопуляционном, так и в медицинском аспекте. Установлена связь между рядомтяжелых наследственных заболеваний и дефектами в митохондриальных ДНК.Генетические изменения, ассоциированные со старением организма, наиболеевыражены в митохондриях. Что же представляет из себя геном митохондрий,отличающийся у человека и других животных от такового у растений, грибов ипростейших и по размеру, и по форме, и по генетической емкости? Какова роль, какработает и как возник митохондриальный геном у разных таксонов в целом и учеловека в частности? Об этом и пойдет речь в моем “маленьком и самом скромном”реферате.
У всех эвкариот — будь это малярийный плазмодий, мельчайший одноклето-чныйпаразит, разрушающий эритроциты человека, или сам человек, гигантскаясвободноживущая клетка амеба протей, микроскопическая колония дрожжей или гриб,имеющий многокилометровый мицелий, эфемерные насекомые поде-нки илитысячелетние секвойи — у всех генетическая информация содержится не только вхромосомах клеточного ядра, но и в митохондриях — само-воспроизводящихсяполуавтономных органеллах клетки, имеющих собствен-ный геном. В то время какядерный геном представляет собой совокупность линейных молекул ДНК гаплоидногонабора хромосом, митохондриальный ге-ном — одну или несколько кольцевых(редколинейных)молекул ДНК (мтДНК). В исключительных случаях эвкариотические клеткине содержат митохондрий, например некоторые паразитирующие в кишечникеанаэробные амебы.
В матриксе митохондрий, кроме ДНК, находятся и собственные рибосомы, помногим характеристикам отличающиеся от эвкариотических рибосом, рас-положенныхна мембранах эндоплазматической сети. Однако на рибосомах ми-тохондрийобразуется не более 5% от всех белков, входящих в их состав. Бóль-шаячасть белков, составляющих структурные и функциональные компоненты митохондрий,кодируется ядерным геномом, синтезируется на рибосомах эндо-плазматической сетии транспортируется по ее каналам к месту сборки. Таким образом, митохондрии —это результат объединенных усилий двух геномов и двух аппаратов транскрипции итрансляции. Некоторые субъединичные ферме-нты дыхательной цепи митохондрийсостоят из разных полипептидов, часть ко-торых кодируется ядерным, а часть —митохондриальным геномом. Например, ключевой фермент окислительногофосфорилирования — цитохром-с-оксидаза у дрожжейсостоит из трех субъединиц, кодируемых и синтезируемых в мито-хондриях, ичетырех, кодируемых в ядре клетки и синтезируемых в цитоплазме. Экспрессиейбольшинства генов митохондрий управляют определенные гены ядер.
Симбиотическая теория происхождения митохондрий
Гипотезу о происхождении митохондрий и растительных пластид из вну-триклеточныхбактерий-эндосимбионтов высказал Р.Альтман еще в 1890 г. За век бурногоразвития биохимии, цитологии, генетики и появившейся полвека назад молекулярнойбиологии гипотеза переросла в теорию, основанную на бо-льшом фактическомматериале. Суть ее такова: с появлением фотосинтезирую-щих бактерий в атмосфереЗемли накапливался кислород — побочный продукт их метаболизма. С ростом егоконцентрации усложнялась жизнь анаэробных ге-теротрофов, и часть из них дляполучения энергии перешла от бескислородного брожения к окислительномуфосфорилированию. Такие аэробные гетеротрофы могли с бóльшим КПД, чеманаэробные бактерии, расщеплять органические ве-щества, образующиеся врезультате фотосинтеза. Часть свободно живущих аэ-робов была захваченаанаэробами, но не “переварена”, а сохранена в качестве энергетических станций,митохондрий. Не стоит рассматривать митохондрии как рабов, взятых в плен, чтобыснабжать молекулами АТФ не способные к ды-ханию клетки. Они скорее “существа”,еще в протерозое нашедшие для себя и своего потомства лучшее из убежищ, гдеможно затрачивать наименьшие уси-лия, не подвергаясь риску быть съеденными.
В пользу симбиотической теорииговорят многочисленные факты:
— совпадают размеры и формымитохондрий и свободно живущих аэробных бактерий; те и другие содержаткольцевые молекулы ДНК, не связанные с гистонами (в отличие от линейных ядерныхДНК);
— по нуклеотидным последовательностямрибосомные и транспортные РНК митохондрий отличаются от ядерных, демонстрируяпри этом удивительное сходство с аналогичными молекулами некоторых аэробныхграмотрицательных эубактерий;
— митохондриальные РНК-полимеразы,хотя и кодируются в ядре клетки, ингибируются рифампицином, как ибактериальные, а эвкариотические РНК-полимеразы нечувствительны к этомуантибиотику;
— белковый синтез в митохондриях ибактериях подавляется одними и теми же антибиотиками, не влияющими на рибосомыэвкариот;
— липидный состав внутренней мембранымитохондрий и бактериальной плазмалеммы сходен, но сильно отличается оттакового наружной мембраны митохондрий, гомологичной другим мембранамэвкариотических клеток;
— кристы, образуемые внутреннеймитохондриальной мембраной, являются эволюционными аналогами мезосомных мембранмногих прокариот;
— до сих пор сохранились организмы,имитирующие промежуточные формы на пути к образованию митохондрий из бактерий(примитивная амеба Pelomyxa не имеет митохондрий, но всегда содержитэндосимбиотические бактерии).
Существует представление, что разные царства эвкариот имели разныхпредков и эндосимбиоз бактерий возникал на разных этапах эволюции живыхорганизмов. Об этом же говорят отличия в строении митохондриальных гено-мовпростейших, грибов, растений и высших животных. Но во всех случаях ос-новнаячасть генов из промитохондрий попала в ядро, возможно, с помощью мобильныхгенетических элементов. При включении части генома одного из симбионтов в геномдругого интеграция симбионтов становится необратимой. Новый геном можетсоздавать 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 собойсложную цепь реакций, часть которых происходит в митохондриях, а часть — вэндоплазматической сети. Захватив гены промитохондрий, ядро получиловозможность надежно контролировать функции симбионта. В ядре кодируются всебелки и синтез липидов наружной мембраны митохондрий, большинство белковматрикса и внутренней мембраны органелл. Самое главное, что ядро кодируетферменты репликации, транскрип-ции и трансляции мтДНК, контролируя тем самымрост и размножение мито-хондрий. Скорость роста партнеров по симбиозу должнабыть приблизительно одинаковой. Если хозяин будет расти быстрее, то с каждымего поколением число симбионтов, приходящихся на одну особь, будет уменьшаться,и, в конце концов, появятся потомки, не имеющие митохондрий. Мы знаем, что вкаждой клетке организма, размножающегося половым путем, содержится много мито-хондрий,реплицирующих свои ДНК в промежутке между делениями хозяина. Это служитгарантией того, что каждая из дочерних клеток получит по крайней мере однукопию генома митохондрии.
Роль клеточного ядра в биогенезе митохондрий
У мутантных дрожжейопределенного типа имеется обширная делеция в митохондриальной ДНК,что ведет к полному прекращению белкового синтеза вмитохондриях; в результате эти органеллы не способны выполнять, свою функцию.Так как при росте на среде с низким содержанием глюкозы такие мутантыобразуют мелкие колонии, их называют цитоплазматическими мутантамиpetite.
Хотя у мутантов petite нет митохондриального синтеза белков и поэтому нормальныхмитохондрий не образуется, тем не менее такие мутанты содержатпромитохондрии, которые в известной мере сходны с обычнымимитохондриями, имеют нормальную наружную мембрануи внутреннюю мeмбрану со слабо развитымикристами. В промитохондриях имеются многие ферменты,кодируемые ядерными генами и синтезируемые на рибосомахцитоплазмы, в том числе ДНК- и РНК-полимеразы, все ферменты цикла лимоннойкислоты и многие белки, входящие в состав внутреннеймембраны. Это наглядно демонстрирует преобладающую рольядерного генома в биогенезе митохондрий.
Интересно отметить, что,хотя утраченные фрагменты ДНК составляют от20 до более чем 99,9% митохондриального генома, общее количество митохондриальной ДНК умутантов petite всегда остается на том же уровне, чтои у дикого типа. Это обусловлено еще мало изученнымпроцессом aмплификацииДНК, в результате которого образуется молекулаДНК, состоящая из тандемных повторов одного и того жеучастка и равная по величине нормальной молекуле.Например, митохондриальная ДНК мутанта petite,сохранившая 50% нуклеотидной последовательности ДНК дикоготипа, будет состоятьиз двух повторов, тогда как молекула, сохранившая только 0,1% генома дикого типа, будетпостроена из 1000 копий оставшегося фрагмента. Таким образом, мутанты petite могут быть использованы дляполучения в большом количествеопределенных участков митохондриальной ДНК, которые,можно сказать, клонируются самой природой.
Хотя биогенез органеллконтролируется главным образом ядерными генами, сами органеллы тоже, судя по некоторымданным, оказывают какое-то регулирующеевлияние по принципу обратной связи; во всяком случае так обстоит дело с митохондриями. Если блокироватьсинтез белка в митохондриях интактных клеток, то в цитоплазме начинают визбытке образовываться ферменты участвующие вмитохондриальном синтезе ДНК, РНК и белков, как будто клеткапытается преодолеть воздействие блокирующего агента. Но, хотясуществование 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 большинствеслучаев на культурах Saccharomycescarlsbergensis(пивные дрожжи и S.cerevisiae(пекарскиедрожжи). Во-первых, при росте на глюкозе эти дрожжи обнаруживаютуникальную способность существовать только за счет гликолиза, т.е. обходитьсябез функции митохондрий. Это дает возможность изучатьмутации в митохондриальной и ядерной ДНК, препятствующие развитию этих органелл. Такие мутации летальны почтиу всех других организмов. Во-вторых,дрожжи — простые одноклеточные эукариоты- легко культивироватьи подвергать биохимическому исследованию. И наконец, дрожжи могутразмножаться как в гаплоидной, так и в диплоидной фазе, обычно бесполымспособом-почкованием (асимметричный митоз). Но у дрожжей встречаетсяи половой процесс: время от времени две гаплоидные клетки сливаются,образуя диплоидную зиготу, которая затем либо делится путем митоза, либопретерпевает мейоз и снова дает гаплоидные клетки. Контролируя в ходеэксперимента чередование бесполого и полового раз-множения, можно многоеузнать о генах, ответственных за функцию митохондрий. С помощью этихметодов можно, в частности, выяснить, локализованы ли такие гены вядерной ДНК или в митохондриальной, так как мутации митохондриальныхгенов не наследуются по законам Менделя, которым подчиняется наследованиеядерных генов.
Транспортные системы митохондрий
Большая часть белков, содержащихся вмитохондриях и хлоропластах импор-тируется в эти органеллы изцитозоля. В связи с этим возникают два вопроса: как клетка направляет белки к надлежащейорганелле и каким образом эти белки проникают в нее?
Частичный ответ был получен при изучениитранспорта в строму хлоропласта малой субъединицы (S) фермента рибулозо-1,5-бисфосфат-карбоксилазы.Если мРНК, выделенную из цитоплазмы одноклеточной водорослиChlamydomonasилииз листьев гороха, ввести в качестве матрицы в белоксинтезирующуюсистему in vitro, то один из многих образующихся белков будет связыватьсяспецифическим анти-S-антителом. S-белок, синтезируемый in vitro, называют пpo-S,так как он больше обычного S-белкапримерно на 50 аминокислотных остатков. При инкубации белка пpo-S синтактными хлоропластами он проникает в органеллы ипревращается там под действием пептидазы в S-белок.Затем S-белок связывается сбольшой субъединицей рибулозо-1,5-бисфосфат-карбоксилазы,синтезируемой на рибосомах хлоропласта, и образует с нею встроме хлоропласта активный фермент.
Механизм переноса S-белканеизвестен. Полагают, что пpo-S связывается с белком-рецептором,находящимся на наружной мембране хлоропласта или в месте контактанаружной и внутренней мембран, а затем переносится в строму черезтрансмембранные каналы в результате процесса, требующего затратыэнергии.
Сходным образом осуществляется транспортбелков внутрь митохондрий. Если очищенные митохондрии дрожжей инкубировать склеточным экстрактом, содержащим только что синтезированныерадиоактивные дрожжевые белки, то можно наблюдать, чтомитохондриальные белки, кодируемые ядерным геномом,отделяются от немитохондриальных белков цитоплазмы и избирательновключаются в митохондрии-так же, как это происходит в интактной клетке. При этом белки наружной и внутренней мембран, матрикса и межмембранного пространства находят свойпуть к соответствующему компартментумитохондрии.
Многие из вновь синтезированныхбелков, предназначенных для внутренней мембраны, матрикса имежмембранного пространства, имеют на своем N-концелидерный пептид, который во время транспортировки отщепляется специфическойпротеазой, находящейся в матриксе. Для переноса белков вэти три митохондриальных компартмента необходима энергия электрохимическогопротонного градиента, создаваемого на внутренней мембране. Механизмпереноса белков для наружной мембраны иной: в этом случае не требуется низатрат энергии, ни протеолитического расщепления более длинногобелка-предшественника. Эти и другие наблюдения позволяют думать, что все четырегруппы митохондриальных белков транспортируются в органеллу спомощью следующего механизма: предполагается, что все белки, крометех, которые предназначены для наружной мембраны, включаютсяво внутреннюю мембрану в результате процесса, требующего затратыэнергии и происходящего в местах контакта наружной ивнутренней мембран. По-видимому, после этого первоначального включениябелка в мембрану он подвергается протеолитическому расщеплению, котороеприводит к изменению его конформации; в зависимости от того, как изменитсяконформация, белок либо закрепляется в мембране, либо «выталкивается»в матрикс или в межмембранное пространство.
Перенос белков через мембранымитохондрий и хлоропластов в принципе аналогичен переносу ихчерез мембраны эндоплазматического ретикулума. Однако здесь есть несколько важныхотличий. Во-первых, при транспорте в матриксили строму белок проходит как через наружную,так и через внутреннюю мембрану органеллы, тогда как при переносе в просвет эндоплазматического ретикулумамолекулы проходят только через однумембрану. Кроме того, перенос белков в ретикулум осуществляется с помощью механизма направленного выведения (vectorial discharge)-онначинается тогда, когда белок еще не полностью сошел с рибосомы(котрансляционный импорт), а перенос в митохондрии ихлоропласты происходит уже после того, как синтез белковой молекулы будетполностью завершен (посттрансляционный импорт).
Несмотря на эти различия, и в том и в другомслучае клетка синтезируетбелки-предшественники, содержащие сигнальную последовательность, котораяопределяет, к какой мембране направится данный белок. По-видимому, во многих случаях эта последовательностьотщепляется от молекулы-предшественникапосле завершения транспортного процесса. Однако некоторые белки сразусинтезируются в окончательном виде. Полагают, что в таких случаях сигнальная последовательность заключена вполипептидной цепи готового белка. Сигнальные последовательности ещеплохо изучены, но, вероятно, должно быть несколькотипов таких последовательностей, каждый из которых определяет переносбелковой молекулы в определенную область клетки. Например, в растительнойклетке некоторые из белков, синтез которых начинается в цитозоле,транспортируются затем в митохондрии, другие — в хлоропласты, третьи — впероксисомы, четвертые — в эндоплазматический ретикулум. Сложные процессы,приводящие к правильному внутриклеточному распределению белков, только сейчасстановятся понятными.
Помимо нуклеиновых кислот и белков для построенияновых митохондрий нужны липиды. В отличие от хлоропластов митохондрии получают бóльшуючасть своих липидов извне. В животных клетках фосфолипиды, синтезированные вэндоплазматическом ретикулуме, транспортируются к наружной мембране митохондрийс помощьюособых белков,а затем включаются во внутреннюю мембрану;как полагают, это происходит в месте контактадвух мембран. Основная реакция биосинтеза липидов,катализируемая самими митохондриями, — это превращение фосфатидной кислоты вфосфолипид кардиолипин, который содержитсяглавным образом во внутренней митохондриальной мембране и составляетоколо 20% всех ее липидов.
Размеры и форма митохондриальных геномов
Кнастоящему времени прочитано более 100 разных геномов митохондрий. На-бор иколичество их генов в митохондриальных ДНК, для которых полностью определенапоследовательность нуклеотидов, сильно различаются у разных ви-дов животных,растений, грибов и простейших. Наибольшее количество генов обнаружено вмитохондриальном геноме жгутикового простейшего Rectinomo-nas americana— 97 генов, включая все кодирующие белок гены, найденные в мтДНК другихорганизмов. У большинства высших животных геном митохон-дрий содержит 37 генов:13 для белков дыхательной цепи, 22 для тРНК и два для рРНК (для большой субъединицырибосом 16S рРНК и для малой 12S рРНК). У растений и простейших, в отличие отживотных и большинства гри-бов, в митохондриальном геноме закодированы инекоторые белки, входящие в состав рибосом этих органелл. Ключевые ферментыматричного полинуклеоти-дного синтеза, такие как ДНК-полимераза (осуществляющаярепликацию мито-хондриальной ДНК) и РНК-полимераза (транскрибирующая геноммитохон-дрий), зашифрованы в ядре и синтезируются на рибосомах цитоплазмы. Этотфакт указывает на относительность автономии митохондрий в сложной иерар-хииэвкариотической клетки.
Геномы митохондрий разных видов отличаются не только понабору ге-нов, порядку их расположения и экспрессии, но по размеру и форме ДНК.По-давляющее большинство описанных сегодня митохондриальных геномов пред-ставляетсобой кольцевые суперспирализованные двуцепочечные молекулы ДНК. У некоторыхрастений наряду с кольцевыми формами имеются и линей-ные, а у некоторыхпростейших, например инфузорий, в митохондриях обнару-жены только линейные ДНК.
Как правило, в каждой митохондрии содержится несколько копийее ге-нома. Так, в клетках печени человека около 2 тыс. митохондрий, и в каждойиз них — по 10 одинаковых геномов. В фибробластах мыши 500 митохондрий, со-держащихпо два генома, а в клетках дрожжейS.cerevisiae — до 22 митохон-дрий,имеющих по четыре генома.
Митохондриальный геном растений, как правило, состоит изнескольких молекул разного размера. Одна из них, “основная хромосома”, содержитболь-шую часть генов, а кольцевые формы меньшей длины, находящиеся в динами-ческомравновесии как между собой, так и с основной хромосомой, образуются врезультате внутри- и межмолекулярной рекомбинации благодаря наличию по-вторенныхпоследовательностей (рис.1).
Рис 1.Схема образования кольцевых молекулДНК разного размера в митохондриях растений. Рекомбинация происходит поповторенным участкам (обозначены синим цветом).
Вмитохондриях большинства организмов (кроме высших животных) часть кольцевыхмолекул ДНК присутствует в виде олигоме-ров, которые можно разделить на трикласса: линейные; кольцевые, имеющие контурную длину, кратную длине мономерныхколец; цепные, катенаны, состо-ящие из топологически связанных, т.е. продетыхдруг в друга, мономерных ко-лец (рис.2). Так, в единственной митохондриипростейших из отряда кинето-пластид, включающего эндопаразита человека —трипаносому, содержатся ты-сячи кольцевых молекул ДНК. У Trypanosoma brucei имеютсядва типа моле-кул: 45 одинаковых максиколец, каждое из которых состоит из 21тыс. пар ну-клеотидов, и 5.5 тыс. идентичных друг другу миниколец по 1000 парнуклео-тидов. Все они, соединяясь в катенаны, образуют переплетенную сеть,которая вместе с белками формирует структуру, называемую кинетопластом.
/>Рис2. Схема образования линейных (А), кольцевых (Б), цепных (В) олигомеровмтДНК. ori — район начала репликации ДНК.
Размер генома митохондрий разных организмов колеблется отменее 6 тыс. пар нуклеотидов у малярийного плазмодия (в нем, помимо двух геноврРНК, содержится только три гена, кодирующих белки) до сотен тысяч пар ну-клеотидову наземных растений (например, у Arabidopsis thaliana из семействакрестоцветных 366924 пар нуклеотидов). При этом 7—8-кратные различия в ра-змерахмтДНК высших растений обнаруживаются даже в пределах одного се-мейства. ДлинамтДНК позвоночных животных отличается незначительно: у человека — 16569 парнуклеотидов, у свиньи — 16350, у дельфина — 16330, у шпорцевой лягушки Xenopuslaevis — 17533, у карпа — 16400. Эти геномы схо-дны также и по локализациигенов, большинство которых располагаются встык; в ряде случаев они дажеперекрываются, обычно на один нуклеотид, так что по-следний нуклеотид одногогена оказывается первым в следующем. В отличие от позвоночных, у растений,грибов и простейших мтДНК содержат до 80% не-кодирующих последовательностей. Уразных видов порядок генов в геномах митохондрий отличается.
Высокая концентрация активных форм кислорода в митохондриях исла-бая система репарации увеличивают частоту мутаций мтДНК по сравнению сядерной на порядок. Радикалы кислорода служат причиной специфических за-мен Ц®Т (дезаминирование цитозина) и Г®Т (окислительное повреждениегуанина), вследствие чего, возможно, мтДНК богаты АТ-парами. Кроме того, всемтДНК обладают интересным свойством — они не метилируются, в отли-чие отядерных и прокариотических ДНК. Известно, что метилирование (време-ннаяхимическая модификация нуклеотидной последовательности без наруше-ниякодирующей функции ДНК) — один из механизмов программируемой инактивации генов.
Размеры и строение молекул ДНК ворганеллах
Вид
Структура
Масса, млн.
дальтон
Примечания
Мит
охон
дриа
льн
ая
Д
Н
К
Животные
Кольцевая 9-12 У каждого отдельного вида все молекулы одного размераВысшие 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:
Saccharomyces
Kluyveromyces
Простейшие
Plasmodium
Paramecium
Кольцевая
Кольцевая
Кольцевая
Линейная
50
22
18
27
/>Д
Н
К
Хлор
опла
стов
Водоросли
Chlamydomonas
Euglena
Кольцевая
Кольцевая
120
90
Высшие
растения
Кольцевая 85-97
У каждого отдельного вида найдены молекулы только одного
размера
Относительноеколичество ДНК органелл в некоторых клетках и тканях
Организм
Ткань или
тип клеток
Число мол-л ДНК/органел-
лу
Число орга-
нелл в
клетке
Доля ДНК орга-нелл во всей
ДНК клетки, %
Мит
охон
дриа
льн
ая
Д
Н
К
Крыса Печень 5-10 1000 1 Мышь Клетки линии L 5-10 100 <1 Лягушка Яйцеклетка 5-10107
99 Дрожжи Вегетативные диплоидные клетки 2-50 2-50 15Д
Н
К
Хлор
опла
стов
Chlamydomonas Вегетативные диплоидные клетки 802
7 Кукуруза Листья 20-40 20-40 15
Функционирование митохондриальногогенома
Что же особенного в механизмах репликации и транскрипции ДНК митохондриймлекопитающих?
/>У большинства животныхкомплементарные 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 такназываемая D-петля (от англ. Displace-ment loop — петля смещения). Этаструктура, видимая в электронный микро-скоп, состоит из двуцепочечного иодноцепочечного (отодвинутой части Н-цепи) участков. Двуцепочечный участокформируется частью L-цепи и компле-ментарным ей вновь синтезированнымфрагментом ДНК длиной 450—650 (в зависимости от вида организма) нуклеотидов,имеющим на 5'-конце рибонук-леотидную затравку, которая соответствует точкеначала синтеза Н-цепи (oriH). Синтез L-цепи начинается лишь тогда, когдадочерняя Н-цепь доходит до точки ori L. Это обусловлено тем, что областьинициации репликации L-цепи доступ-на для ферментов синтеза ДНК лишь водноцепочечном состоянии, а следовате-льно, только в расплетенной двойнойспирали при синтезе Н-цепи. Таким обра-зом, дочерние цепи мтДНК синтезируютсянепрерывно и асинхронно (рис.3).
Рис 3. Схема репликации мтДНК млекопитающих. Сначала формируетсяD-петля, затем синтезируется дочерняя Н-цепь, потом начинается синтез дочернейL-цепи.
/>В митохондриях общее число молекул сD-петлей значительно превыша-ет число полностью реплицирующихся молекул.Обусловлено это тем, что у D-петли есть дополнительные функции — прикреплениемтДНК к внутренней ме-мбране и инициация транскрипции, поскольку в этом районелокализованы промоторы транскрипции обеих цепей ДНК. В отличие от большинстваэв-кариотических генов, которые транскрибируются независимо друг от друга, ка-ждаяиз 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, которыеначинаются 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 результатесозревания (процессинга) из них образуются 12S рРНК и 16S рРНК, участвующие вформировании митохондриальных рибосом, а так-же фенилаланиновая и валиноваятРНК. Из длинных транскриптов вырезаются остальные тРНК и образуютсятранслируемые мРНК, к 3'-концам которых при-соединяются полиадениловыепоследовательности. 5'-концы этих мРНК не кэ-пируются, что необычно дляэвкариот. Сплайсинга (сращивания) не происхо-дит, поскольку ни один измитохондриальных 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 мтДНКчеловека, содержащей 37 генов. Все транскрипты начинают синтезироваться врайоне ori H. Рибосомные РНК вырезаются из длинного и короткого транскриптовН-цепи. тРНК и мРНК образуются в результате процессинга из транскриптов обеихцепей ДНК. Гены тРНК обозначены светло-зеленым цветом.
Хотите узнать какие еще сюрпризы способен преподнести митохон-дриальныйгеном? Отлично! Читаем дальше!..
Несмотря на то, что в геномах митохондрий млекопитающих и дрожжейсодержится приблизительно одинаковое количество генов, размеры дрожжево-гогенома в 4-5 раз больше — около 80 тыс. пар нуклеотидов. Хотя кодирую-щиепоследовательности мтДНК дрожжей высоко гомологичны соответствую-щимпоследовательностям у человека, дрожжевые мРНК дополнительно имеют 5'-лидернуюи 3'-некодирующую области, как и большинство ядерных мРНК. Ряд генов содержитеще и интроны. Так, в гене box, кодирующем цитохром-оксидазу b, имеется дваинтрона. Из первичного РНК-транскрипта автокатали-тически (без участиякаких-либо белков) вырезается копия большей части пер-вого интрона. ОставшаясяРНК служит матрицей для образования фермента ма-туразы, участвующей всплайсинге. Часть ее аминокислотной последовательно-сти закодирована воставшихся копиях интронов. Матураза вырезает их, разру-шая свою собственнуюмРНК, копии экзонов сшиваются, и образуется мРНК для цитохромоксидазы b(рис.5). Открытие такого феномена заставило пере-смотреть представление обинтронах, как о “ничего не кодирующих последова-тельностях”.
Рис 5. Процессинг(созревание) мРНК цитохромоксидазы b в митохондриях дрожжей. На первом этапесплайсинга образуется мРНК, по которой синтезируется матураза, необходимая длявторого этапа сплайсинга.
При изучении экспрессии митохон-дриальных генов Trypanosoma bruceiобнаружилось удивительное отклонение от одной из основных аксиом молекулярнойбиологии, гласящей, что после-довательность нуклеотидов в мРНК в точностисоответствует таковой в коди-рующих участках ДНК. Оказалось, мРНК одной изсубъединиц цитохром-с-оксидазы редактируется,т.е. после транскрипции изменяется ее первичная структура — вставляется четыреурацила. В результате образуется новая мРНК, служащая матрицей для синтезадополнительной субъединицы фермента, пос-ледовательность аминокислот в которойне имеет ничего общего с последова-/>тельностью, кодируемойнередактированной мРНК (см. таблицу).
Происходит это за счет сдвига рамкисчитыва-ния на число нуклеотидов, не кратное размеру триплета (в данном случаена четыре). Новая белковая субъединица, необходимая для работы фермента, об-разуетсяв митохондриях паразита только тогда, когда он попадает в организмхолоднокровной мухи и нуждается в окислительном фосфорилировании для получениябольшого количества молекул АТФ. Если трипаносома живет в ор-ганизметеплокровных млекопитающих, ей достаточно АТФ, образующейся в процессегликолиза. Впервые обнаруженное в митохондриях трипаносомы ре-дактирование РНКшироко распространено в хлоропластах и митохондриях вы-сших растений. Найденооно и в соматических клетках млекопитающих, напри-мер, в кишечном эпителии человекаредактируется мРНК гена аполипопротеина.
Наибольший сюрприз ученыммитохондрии преподнесли в 1979 г. До то-го времени считалось, что генетическийкод универсален и одни и те же трип-леты кодируют одинаковые аминокислоты убактерий, вирусов, грибов, расте-ний и животных. Английский исследовательБеррел сопоставил структуру од-ного из митохондриальных генов теленка споследовательностью аминокислот в кодируемой этим геном субъединицецитохромоксидазы. Оказалось, что гене-тический код митохондрий крупногорогатого скота (как и человека) не просто отличается от универсального, он“идеален”, т.е. подчиняется следующему пра-вилу: “если два кодона имеют два одинаковыхнуклеотида, а третьи нуклеоти-ды принадлежат к одному классу (пуриновых — А, Г,или пиримидиновых — У, Ц), то они кодируют одну и ту же аминокислоту”. Вуниверсальном коде есть два исключения из этого правила: триплет АУА кодируетизолейцин, а кодон АУГ — метионин, в то время как в идеальном коде митохондрийоба эти трип-лета кодируют метионин; триплет УГГ кодирует лишь триптофан, атриплет УГА — стоп-кодон. В универсальном коде оба отклонения касаются прин-ципиальныхмоментов синтеза белка: кодон АУГ — инициирующий, а стоп-кодон УГАостанавливает синтез полипептида. Идеальный код присущ не всем описанныммитохондриям, но ни у одной из них нет универсального кода. Мож-но сказать, чтомитохондрии говорят на разных языках, но никогда — на языке ядра.
Различиямежду “универсальным” генетическим кодом и двумя митохондриальными кодами
Кодон
Митохондриальный
код млекопитающих
Митохондриальный
код дрожжей
“Универсальный”
код
UGA
Trp
Trp
Stop
AUA
Met
Met
Ile
CUA
Leu
Thr
Leu
AGA
AGG
Cmon
Arg
Arg
Как уже говорилось, в митохондриальном геноме позвоночных есть 22 ге-натРНК. Каким же образом такой неполный набор обслуживает все 60 кодонов дляаминокислот (в идеальном коде из 64 триплетов четыре стоп-кодона, в уни-версальном— три)? Дело в том, что при синтезе белка в митохондриях упроще-ныкодон-антикодонные взаимодействия — для узнавания используется два из трехнуклеотидов антикодона. Таким образом, одна тРНК узнает все четыре представителякодонового 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 полипептиднуюцепь. Два других лейциновых кодона УУА и УУГ узнаются тРНК с антикодоном ААУ. Вцелом, восемь разных молекул тРНК узнают восемь семейств по четыре кодона вкаждом, и 14 тРНК узнают разные пары кодонов, каждая из которых шифрует однуаминокислоту.
Важно, что ферменты аминоацил-тРНК-синтетазы, ответственные за при-соединениеаминокислот к соответствующим тРНК митохондрий, кодируются в ядре клетки исинтезируются на рибосомах эндоплазматической сети. Таким образом, упозвоночных животных все белковые компоненты митохондриаль-ного синтезаполипептидов зашифрованы в ядре. При этом синтез белков в ми-тохондриях неподавляется циклогексимидом, блокирующим работу эвкариоти-ческих рибосом, ночувствителен к антибиотикам эритромицину и хлорамфени-колу, ингибирующимбелковый синтез в бактериях. Этот факт служит одним из аргументов в пользупроисхождения митохондрий из аэробных бактерий при симбиотическом образованииэвкариотических клеток.
Значениеналичия 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, еслиучесть необходимое количество дополни-тельных генов в ядерном геноме. Здесь должны быть закодированырибосом-ные белки, аминоацил-тРНК-синтетазы, ДНК- и РНК-полимеразы, ферментыпроцессинга и модификации РНК и т. д. Большинство изученных белков из митохондрий отличаютсяпо аминокислотнойпоследовательности от своих аналогов из других частей клетки, и есть основаниеполагать, что в этих органе-ллах очень мало таких белков, которые могли бывстретиться еще где-нибудь. Это означает, что только для поддержаниягенетической системы митохондрий в ядерном геноме должно быть несколько десятковдополнительных генов.При-чины такого “расточительства” неясны, и надежда на то,что разгадка будет найдена в нуклеотидной последовательности митохондриальнойДНК, не опра-вдалась. Трудно представить себе, почему образующиеся вмитохондриях бел-ки должны непременно синтезироваться именно там, а не вцитозоле.
Обычно существование генетической системы вэнергетических органеллах объясняют тем, что некоторые из синтезируемых внутриорганеллы белков слишком гидрофобны, чтобы пройти сквозь митохондриальную мембрануиз-вне. Однако изучение АТР-синтетазного комплекса показало, что такое объясне-ниенеправдоподобно. Хотя отдельные белковые субъединицы АТР-синтетазы весьмаконсервативны в ходе эволюции, места их синтеза изменяются. В хлоропластах несколько довольногидрофильных белков, в том числе четыре из пяти субъединиц F1-ATPазной части комплекса,образуются нарибосомах внутри органеллы. Напротив, у гриба Neurosporaи в животных клетках весьмагидрофобный компонент (субъединица 9) мембранной части АТРазы синтези-руетсяна рибосомах цитоплазмы и лишь после этого переходит в органеллу. Различнуюлокализацию генов, кодирующих субъединицы функционально эквивалентных белков уразных организмов, трудно объяснить с помощью какой бы то ни было гипотезы,постулирующей определенные эволюционные преимущества современных генетическихсистем митохондрий и хлоропластов.
Учитывая всевышесказанное, остается только предположить, что генетическаясистема митохондрий представляет собой эволюционный тупик. Врамках эндо-симбиотической гипотезы это означает, что процесс переноса геновэндосимбионта в ядерный геном хозяина прекратился раньше, чем был полностьюзавершен.
Цитоплазматическая наследственность
Последствия цитоплазматической передачи генов длянекоторых животных, в том числе и для человека,более серьезны, нежели для дрожжей. Две сливающиесягаплоидные дрожжевые клетки имеют одинаковую величину ивносят в образующуюся зиготу одинаковоеколичество митохондриальной ДНК. Таким образом,у дрожжей митохондриальный геном наследуется от обоих родителей,которые вносят равный вклад в генофонд потомства (хотя, спустянесколько генераций отдельные потомки нередко будутсодержать митохондрии только одного из родительских типов). Вотличие от этого у высших животных яйцеклетка вноситв зиготу больше цитоплазмы чем спермий, а у некоторых животных спермиимогут вообще не вносить цитоплазмы. Поэтому можно думать, чтоу высших животных митохондриальный геном будет передаваться толькоот одного родителя (а именно по материнской линии); идействительно, это было подтверждено экспериментами.Оказалось, например, что при скрещивании крыс двух лабораторныхлиний с митохондриальной ДНК, слегка различающейся по пocледовательностинуклеотидов (типы А и В), получается потомство, содержа-
щее митохондриальную ДНК толькоматеринского типа.
Цитоплазматическая наследственность, в отличие от ядерной, непод-чиняется законам Менделя. Это связано с тем, что у высших животных и расте-нийгаметы от разных полов содержат несопоставимые количества митохон-дрий. Так, вяйцеклетке мыши имеется 90 тыс. митохондрий, а в сперматозоиде — лишь четыре.Очевидно, что в оплодотворенной яйцеклетке митохондрии преимущественно илитолько от женской особи, т.е. наследование всех мито-хондриальных геновматеринское. Генетический анализ цитоплазматической наследственности затруднениз-за ядерно-цитоплазматических взаимодействий. В случае цитоплазматическоймужской стерильности мутантный митохон-дриальный геном взаимодействует сопределенными генами ядра, рецессивные аллели которых необходимы для развитияпризнака. Доминантные аллели этих генов как в гомо-, так и в гетерозиготномсостоянии восстанавливают фертиль-ность растений вне зависимости от состояниямитохондриального генома.
Хотелось бы остановитьсяна механизме материнского наследования генов путем приведения конкретногопримера. Для того чтобы окончательно и бесповоротно понять механизм неменделевского(цитоплазматического) наследования митохондриальных генов, рассмотрим, чтопроисходит с такими генами, когда две гаплоидные клеткисливаются, образуя диплоидную зиготу. В случае когда однадрожжевая клетка несет мутацию, определяющую резистентностьмитохондриального белкового синтеза к хлорамфениколу, а другая — клеткадикого типа — чувствительнак этому антибиотику: мутантныегены легко выявить, выращивая дрожжи на среде с глицеролом, использовать которыйспособны только клетки с интактнымимитохондриями; поэтому в присутствии хлорамфеникола на такой среде смогут расти только клетки, несущиемутантный ген. Наша диплоидная зиготавначале будет иметь митохондрии как мутантного, так и дикого типа. От зиготы врезультате митоза отпочкуется диплоидная дочерняя клетка, которая будетсодержать лишь небольшое число митохондрий. После нескольких митотических циклов в конце концов какая-то изновых клеток получит все митохондрии либомутантного, либо дикого типа. Поэтому все потомствотакой клетки будет иметь генетически идентичные митохондрии. Такой случайный процесс, врезультате которого образуется диплоидное потомство содержащее митохондрии только одного типа, называют митотическойсегрегацией. Когда диплоидная клетка с однимлишь типом митохондрий претерпеваетмейоз, все четыре дочерние гаплоидные клетки получают одинаковые митохондриальные гены. Этот тип наследованияназывают неменделевским или цитоплазматическимв отличие от менделевского наследования ядерных генов. Передачагенов по цитоплазматическому типу означает,что изучаемые гены находятся в митохондриях.
Изучение геномов митохондрий, их эволюции, идущей поспецифическим законам популяционной генетики, взаимоотношений между ядерными имито-хондриальными генетическими системами, необходимо для понимания слож-нойиерархической организации эвкариотической клетки и организма в целом.
С определенными мутациями в митохондриальной ДНК или вядерных генах, контролирующих работу митохондрий, связывают некоторые наслед-ственныеболезни и старение человека. Накапливаются данные об участии де-фектов мтДНК вканцерогенезе. Следовательно, митохондрии могут быть ми-шенью химиотерапиирака. Имеются факты о тесном взаимодействии ядерного и митохондриальногогеномов в развитии ряда патологий человека. Множес-твенные делеции мтДНКобнаружены у больных с тяжелой мышечной слабос-тью, атаксией, глухотой, умственнойотсталостью, наследующихся по аутосомно-доминантному типу. Установлен половойдиморфизм в клинических проявлениях ишемической болезни сердца, что скореевсего обусловлено мате-ринским эффектом — цитоплазматической наследственностью.Развитие ген-ной терапии внушает надежду на исправление дефектов в геномахмитохон-дрий в обозримом будущем.
Как известно, для того чтобы проверить функцию одного изкомпонентов многокомпонентной системы, необходимой становится ликвидация даногокомпонента с последующим анализом произошедших изменений. Так как темой даногореферата является указание роли материнского генома для развития потомка,логично было бы узнать о последствиях нарушений в составе митохондриальногогенома вызванных различными факторами. Инструментом для изучения вышеуказаннойроли оказался мутационный процесс, а интересующими нас последствиями егодействия стали т.н. митохондриальные болезни.
Митохондриальные болезни представляют собой пример цитоплазмати-ческойнаследственности у человека, а точнее «органелльной наследствен-ности». Этоуточнение следует сделать, т.к. теперь доказано существование, по крайней мере,у некоторых организмов, цитоплазматических наследственных детерминант, несвязанных с клеточными органеллами, — цитогенов(С.Г. Инге-Вечтомов, 1996).
Митохондриальные болезни — гетерогенная группа заболеваний,обусловленных генетическими, структурными, биохимическими дефектами митохондрийи нарушением тканевого дыхания. Для постановки диагноза митохондриальногозаболевания важен комплексный генеалогический, клинический, биохимический,морфологический и генетический анализ. Основным биохимическим признакоммитохондриальной патологии является развитие лактат-ацидоза, обычно выявляетсягиперлактатацидемия в сочетании с гиперпируватацидемией. Число различныхвариантов достигло 120 форм. Отмечается стабильное повышение концентрациимолочной и пировиноградной кислот в цереброспинальной жидкости.
Митохондриальные болезни (МБ) представляют собой существеннуюпро-блему для современной медицины. По способам наследственной передачи средиМБ выделяют заболевания, наследуемые моногенно по менделевскому типу, прикоторых в связи с мутацией ядерных генов либо нарушаются структура ифункционирование митохондриальных белков, либо изменяется экспрессия митохондриальнойДНК, а также болезни, вызываемые мутациями митохондри-альных генов, которые восновном передаются потомству по материнской линии.
Данныеморфологических исследований, свидетельствующие о грубой патологии митохондрий:анормальная пролиферация митохондрий, полимор-физм митохондрий с нарушениемформы и размеров, дезорганизация крист, скопления аномальных митохондрий подсарколеммой, паракристаллические включения в митохондрии, наличиемежфибриллярных вакуолей
Формымитохондриальных заболеваний
1. Митохондриальные болезни, вызванныемутациями митохондриальной ДНК
1.1.Болезни, обусловленные делециямимитохондриальной ДНК
1.1.1.Синдром Кернса-Сейра
Заболевание проявляется в возрасте 4-18лет, прогрессирующая наружная офтальмоплегия, пигментный ретинит, атаксия,интенционный тремор, атриовентрикулярная блокада сердца, повышение уровня белкав цереброспи-нальной жидкости более 1 г\л, «рваные» красные волокна вбиоптатах скелет-ных мышц
1.1.2.Синдром Пирсона
Дебют заболевания с рождения или впервые месяцы жизни, иногда возможно развитие энцефаломиопатий, атаксии,деменции, прогрессирующей наружной офтальмоплегии, гипопластическая анемия, нарушениеэкзокринной функции поджелудочной железы, прогрессирующее течение
2.Болезни, обусловленные точковымимутациями митохондриальной ДНК
2.1.Наследственная атрофия зрительныхнервов Лебера
Материнский тип наследования, острое илиподострое снижение остроты зре-ния на один или оба глаза, сочетание сневрологическими и костно-суставными нарушениями, микроангиопатия сетчатки, прогрессирующеетечение с возмо-жностью ремиссии или восстановления остроты зрения, дебютзаболевания в возрасте 20-30 лет
2.2.Синдром NAPR (невропатия, атаксия,пигментный ретинит)
Материнский тип наследования, сочетаниенейропатии, 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, дебютзаболевания в возрасте 3-65 лет, мио-клоническая эпилепсия, атаксия, деменция всочетании с нейросенсорной глу-хотой, атрофией зрительных нервов и нарушениямиглубокой чувствительно-сти, лактат-ацидоз, при проведении ЭЭГ обследованиявыявляются генерализо-ванные эпилептические комплексы, «рваные»красные волокна в биоптатах скелетных мышц, прогрессирующее течение
2.4.Синдром MELAS (митохондриальнаяэнцефаломиопатия, лактат-ацидоз, инсультоподобные эпизоды)
Материнский тип наследования, дебютзаболевания в возрасте до 40 лет, непе-реносимость физических нагрузок, мигренеподобныеголовные боли с тошно-той и рвотой, инсультоподобные эпизоды, судороги, лактат-ацидоз,«рваные» красные волокна в биоптатах мышц, прогрессирующее течение.
3.Патология, связанная с дефектамимежгеномной коммуникации
3.1.Синдромы множественных делециймитохондриальной ДНК
Блефароптоз, наружная офтальмоплегия, мышечнаяслабость, нейросенсорная глухота, атрофия зрительных нервов, прогрессирующеетечение, «рваные» крас-ные волокна в биоптатах скелетных мышц, снижениеактивности ферментов дыхательной цепи.
3.2.Синдром делеции митохондриальной ДНК
Аутосомно-рецессивный тип наследования
Клинические формы:
3.2.1.Фатальная инфантильная
а) тяжелая печеночная недостаточностьб)гепатопатия в)мышечная гипотония
Дебют в периоде новорожденности
3.2.2.Врожденная миопатия
Выраженная мышечная слабость, генерализованнаягипотония, кардиомиопа-тия и судороги, поражение почек, глюкозурия,аминоацидопатия, фосфатурия
3.2.3.Инфантильная миопатия
возникает в первые 2 года жизни, прогрессирующаямышечная слабость, атро-фия проксимальных групп мышц и утрата сухожильныхрефлексов, течение быстро прогрессирующее, летальный исход в первые 3 годажизни.
4.Митохондриальные болезни, обусловленныемутациями ядерной ДНК
4.1.Заболевания, связанные с дефектамидыхательной цепи
4.1.1.Дефицит комлекса 1(NADH:CoQ-редуктаза)
Начало заболевания до 15 лет, синдроммиопатии, задержка психомоторного развития, нарушение сердечно-сосудистойсистемы, судороги, резистентные к терапии, множественные неврологическиенарушения, прогрессирующее тече-ние
4.1.2.Дефицит комплекса 2(сукцинат-CoQ-редуктаза)
Характеризуется синдромомэнцефаломиопатии, прогрессирующие течение, су-дороги, возможно развитие птоза
4.1.3.Дефицит комплекса 3 (CoQ-цитохромС-оксидоредуктаза)
Мультисистемные нарушения, поражениеразличных органов и систем, с вовле-чением центральной и периферической нервнойсистемы, эндокринной систе-мы, почек, прогрессирующее течение
4.1.4.Дефицит комплекса ( цитохромС-оксидаза)
4.1.4.1.Фатальный инфантильныйврожденный лактат-ацидоз
Митохондриальная миопатия с почечнойнедостаточностью или кардиомиопа-тия, дебют в неонатальном возрасте, выраженныедыхательные нарушения, диффузная мышечная гипотония, течение прогрессирующее,летальный исход на первом году жизни.
4.1.4.2.Доброкачественнаяинфантильная мышечная слабость
Атрофии, при адекватном и своевременномлечении возможна быстрая стаби-лизация процесса и выздоровление к 1-3 годамжизни
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 (подостраяневротизирующая энцефаломиелопатия)
Проявляется после 6 месяцев жизни,мышечная гипотония, атаксия, нистагм, пирамидные симптомы, офтальмоплегия,атрофия зрительных нервов, часто от-мечается присоединение кардиомиопатии илегкого метаболического ацидоза
6.2.Синдром Альперса(прогрессирующая склерозирующая полидистрофия)
Дегенерация серого вещества мозга всочетании с циррозом печени, дефицит комплекса 5 (АТФ-синтетаза), задержкапсихомоторного развития, атаксия, деменция, мышечная слабость, течениезаболевания прогрессирующее, небла-гоприятный прогноз
6.3.Дефицит Коэнзима-Q
Метаболические кризы, мышечная слабость иутомляемость, офтальмоплегия, глухота, снижение зрения, инсультоподобныеэпизоды, атаксия, миоклонус-эпилепсия, поражение почек: глюкозурия,аминоацидопатия, фосфатурия, эндо-кринные нарушения, прогрессирующее течение, снижениеактивности фермен-тов дыхательной цепи
7.Заболевания, связанные с нарушениемметаболизма молочной и пировиноградной кислот
7.1.Дефицит пируваткарбоксилазы Аутосомно-рецессивныйтип наследования, дебют заболевания в неоната-льном периоде, симптомокомплекс«вялого ребенка», судороги, резистентные к терапии, высокиеконцентрации кетоновых тел в крови, гипераммониемия, ги-перлизинемия, снижениеактивности пируваткарбоксилазы в скелетных мышцах
7.2.Дефицит пируватдегидрогеназы
Проявление в неонатальном периоде, черепно-лицеваядизморфия, судороги, резистентные к терапии, нарушение дыхания и сосания, симптомокомплекс«вя-лого ребенка», дисгинезии мозга, выраженный ацидоз с высокимсодержанием лактата и пирувата
7.3.Снижение активностипируватдегидрогеназы
Проявление на первом году жизни, микроцефалия,задержка психомоторного развития, атаксия, мышечная дистония, хореоатетоз, лактат-ацидозс высоким содержанием пирувата
7.4.Дефицит дигидролипоилтрансацетилазы
Аутосомно-рецессивный тип наследования, дебютзаболевания в неонатальном периоде, микроцефалия, задержка психомоторногоразвития, мышечная гипотония с последующим повышением мышечного тонуса, атрофиядисков зрительных нервов, лактат-ацидоз, снижение активности дигидролипоилтранс-ацетилазы
7.5.Дефицит дигидролипоилдегидрогеназы
Аутосомно-рецессивный тип наследования, дебютзаболевания на первом году жизни, симптомокомплекс «вялого ребенка», дисметаболическиекризы со рво-той и диареей, задержка психомоторного развития, атрофия дисковзрительных нервов, лактат-ацидоз, повышение содержания в сыворотке кровиаланина, α-кетоглутарата, α-кетокислот с разветвленной цепью, снижениеактивности ди-гидролипоилдегидрогеназы
8.Заболевания, обусловленные дефектамибета-окисления жирных кислот
8.1.НедостаточностьАцетил-CoA-дегидрогеназы с длинной углеродной цепью
Аутосомно-рецессивный тип наследования, дебютзаболевания в первые месяцы жизни, метаболические кризы со рвотой и диареей, симптомокомплекс«вялого ребенка», гипогликемия, дикарбоксиловая ацидурия, снижениеактив-ности ацетил-CoA-дегидрогеназы жирных кислот с длинной углеродной цепью
8.2.НедостаточностьАцетил-CoA-дегидрогеназы со средней углеродной цепью
Аутосомно-рецессивный тип наследования, дебютзаболевания в неонатальном периоде или первые месяцы жизни, метаболическиекризы со рвотой и диареей,
мышечная слабость и гипотония, часторазвивается синдром внезапной смерти, гипогликемия, дикарбоксиловая ацидурия, снижениеактивности ацетил-CoA-дегидрогеназы жирных кислот со средней углеродной цепью
8.3. Недостаточность Ацетил-CoA-дегидрогеназыжирных кислот с короткой углеродной цепью
Аутосомно-рецессивный тип наследования, различныйвозраст дебюта заболевания, снижение толерантности к физическим нагрузкам, метаболичес-киекризы со рвотой и диареей, мышечная слабость и гипотония, увеличение экскрециис мочой метилсукциновой кислоты, ацетил-CoA-дегидрогеназы жирных кислот скороткой углеродной цепью
8.4.Множественная недостаточностьАцетил-CoA-дегидрогеназ жирных кислот
Неонатальная форма: черепно-лицеваядизморфия, дисгинезии мозга, тяжелая гипогликемия и ацидоз, злокачественноетечение, снижение активности всех ацетил-СоА-дегидрогеназ жирных кислот,
Инфантильная форма: симптомокосплекс«вялого ребенка», кардиомиопатия, метаболические кризы, гипогликемияи ацидоз
8.5.Снижение активности всехацетил-СоА-дегидрогеназ жирных кислот
Форма с поздним дебютом: периодическиеэпизоды мышечной слабости, мета-болические кризы, гипогликемия и ацидоз менеевыражены, интеллект сохра-нен,
9.Ферментопатии цикла Кребса
9.1.Дефицит фумаразы
Аутосомно-рецессивный тип наследования, дебютзаболевания в неонатальном периоде или периоде новорожденности, микроцефалия, генерализованнаямы-шечная слабость и гипотония, эпизоды летаргии, быстро прогрессирующая эн-цефалопатия,неблагоприятный прогноз
9.2.Дефицит сукцинатдегидрогеназы
Редкое заболевание, характеризующеесяпрогрессирующей энцефаломиопатией
9.3.Дефицитальфа-кетоглутаратдегидрогеназы
Аутосомно-рецессивный тип наследования,неонатальный дебют заболевания, микроцефалия, симптомокомплекс «вялогоребенка», эпизоды летаргии, лактат-ацидоз, быстро прогрессирующее течение,снижение содержания ферментов цикла Кребса в тканях
9.4.Синдромы дефицита карнитина иферментов его метаболизма
Дефициткарнитин-пальмитоилтрансферразы-1, аутосомно-рецессивный тип наследования, раннийдебют заболевания, эпизоды не кетонемической гипогли-кемической комы, гепатомегалия,гипертриглицеридемия и умеренная гиперам-мониемия, снижение активностикарнитин-пальмитоилтрансферразы-1 в фибробластах и клетках печени
9.5.Дефицит карнитин-ацилкарнитин-транслоказы
Ранний дебют заболевания, сердечно-сосудистыеи дыхательные нарушения, симптомокомплекс «вялого ребенка», эпизодылетаргии и комы, повышение концентрации эфиров карнитина и длинной углероднойцепью на фоне сниже-ния свободного карнитина в сыворотке крови, снижениеактивности карнитин-ацилкарнитин-транслоказы
9.6.Дефициткарнитин-пальмитоилтрансферразы-2
Аутосомно-рецессивный тип наследования, мышечнаяслабость, миалгии, миоглобинурия, снижение активностикарнитин-пальмитоилтрансферразы-2 в скелетных мышцах
9.7.Почечный дефект транспортной системыкарнитина
Аутосомно-рецессивный тип наследования, миопатическийсимптомокомплекс, эпизоды вялости и летаргии, кардиомиопатия, эпизодыгипогликемии, снижение уровня карнитина в сыворотке крови и увеличение егоэкскреции с мочой.
Проанализировав такой ‘страшный’список патологий, связанных с теми или другими изменениями функционированиямитохондриального(и не только) генома возникают определенные вопросы. Что жесобой представляют продукты митохондриальных генов и в каких именносупермега-жизненноважных клеточных процессах они принимают участие?
Как оказалось, некоторые извышеперечисленных патологий могут возни-кать при нарушениях синтеза 7субъединиц НАДН-дегидрогеназного комплек-са, 2 субъединиц АТФ-синтетазы, 3 субъединиццитохром-с-оксидазы и 1 субъединицы убихинол-цитохром-с-редуктазы(цитохром b), которые иявляют-ся генными продуктами митохондрий. Исходя из этого можно сделать вывод осуществовании ключевой роли данных белков в процессах клеточного дыхания,окисления жирных кислот и синтеза АТФ, переноса электронов в электронтран-спортнойсистеме внутренней мт мембраны, функционирования антиоксидант-ной системы ит.д.
Судя по последним данным омеханизмах апоптоза, многие ученые пришли к выводу о наличии центра контроляапоптоза именно в лице митохондрий…
Роль митохондриальных белков также была показана приприменении антибиотиков, блокирующих мт синтез. Если клеткичеловека в культуре ткани обработать антибиотиком, например тетрациклиномили хлорамфениколом, то после одного-двух делений их рост прекратится.Это связано с ингибированием митохондриального белкового синтеза,приводящим к появлению дефектных митохондрий и как следствие кнедостаточному образованию АТР. Почему же тогда антибиотики можно использоватьпри лечении бактериальных инфекций? Есть несколько ответов наэтот вопрос:
1. Некоторые антибиотики(такие, как эритромицин) не проходят через внутрен-нюю мембранумитохондрий млекопитающих.
2. Большинство клетокнашего тела не делятся или делятся очень медленно, поэтомустоль же медленно происходит и замена существующих митохондрийновыми (во многих тканях половина митохондрий заменяется примерно за пять дней илиеще дольше). Таким образом, количество нормальных митохондрий снизится докритического уровня только в том случае,если блокада митохондриального белкового синтеза будет поддерживаться на протяжении многих дней.
3. Определенные условиявнутри ткани препятствуют проникновению некоторых препаратов вмитохондрии наиболее чувствительных клеток. Например, высокаяконцентрация Са2+ в костном мозге приводит к образованиюСа2+-тетрациклинового комплекса, который не может проникнуть вбыстро делящиеся (и потому наиболее уязвимые) предшественники клетоккрови.
Эти факторы дают возможность использоватьнекоторые препараты, ингиби-рующие митохондриальный синтез белка, в качествеантибиотиков при лечении высших животных. Только два такихпрепарата оказывают побочное действие: длительное лечение большимидозами хлорамфеникола может привести к нарушению кроветворной функциикостного мозга (подавить образование эритроцитов и лейкоцитов), адлительное применение тетрациклина — к поврежде-нию кишечного эпителия. Но вобоих случаях еще не вполне ясно, вызываются ли этипобочные эффекты блокадой биогенеза митохондрий или какими-тоиными причинами.
Вывод
Структурно-функциональныеособенности мт генома состоят в следу-ющем. Во-первых, установлено, что мтДНКпередается от матери всем ее
потомкам и от ее дочерей всемпоследующим поколениям, но сыновья не передают свою ДНК (материнскоенаследование). Материнский характер
наследования мтДНК, вероятно,связан с двумя обстоятельствами: либо доля отцовских мтДНК так мала (поотцовской линии может передаваться не
более одной молекулы ДНК на25 тыс. материнских мтДНК), что они не могут быть выявлены существующимиметодами, либо после оплодотворения блоки-руется репликация отцовскихмитохондрий. Во-вторых, отсутствие комбинати-вной изменчивости — мтДНКпринадлежит только одному из родителей, сле-довательно рекомбинационныесобытия, характерные для ядерной ДНК в мейо-зе, отсутствуют, а нуклеотиднаяпоследовательность меняется из поколения в поколение только за счет мутаций.В-третьих, мтДНК не имеет интронов
(большая вероятность, чтослучайная мутация поразит кодирующий район ДНК), защитных гистонов иэффективной ДНК-репарационной системы —все это определяет в 10 раз болеевысокую скорость мутирования, чем в ядерной ДНК. В-четвертых, внутри однойклетки могут сосуществовать одновременно нормальные и мутантные мтДНК —явлениегетероплазмии (присутствие толь-ко нормальных или только мутантных мтДНКназывается гомоплазмией). Наконец, в мтДНК транскрибируются и транслируются обецепи, а по ряду ха-рактеристик генетический код мтДНК отличается от универсального(UGA кодирует триптофан, AUA кодирует метионин, AGA и AGG являются стоп-
кодонами).
Этисвойства и вышеуказанные функции мт-генома сделали иссле-дование изменчивостинуклеотидной последовательности мтДНК неоценимым инструментом для врачей, судебныхмедиков, биологов-эволюционистов,
представителей историческойнауки в решении своих специфических задач.
Начиная с 1988 г., когда былооткрыто, 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 привелок формированию концеп-ции митохондриальных болезней (МБ). В настоящее время патологическиему-тации мтДНК открыты в каждом типе митохондриальных генов.
Список литературы
1. Скулачев В.П. Эволюция, митохондрии икислород, Сорос. образоват. журн.
2. Ленинджер А. Основыбиохимии: В трех томах, М.: Мир, 1985-1986.
3. NicholesD.G. Bioenergetics, An Introd. to theChemiosm. Th., Acad. Press, 1982.
4. Stryer L. Biochemistry, 2nd ed. SanFransisco, Freeman, 1981.
5.СкулачевВ.П.Энергетикабиологическихмембран.М., 1989.
6. Бакеева Л.Е., ЧенцовЮ.С. Митохондриальный ретикулум: Строение и некоторые функции // Итоги науки.Общие проблемы биологии. 1989
7. Ченцов Ю.С. Общаяцитология. М.: Изд-во МГУ, 1995
8. Пузырев В.П., Голубенко М.В., Фрейдин М.Б. Сферакомпетенции митохон-дриального генома // Вестн. РАМН, 2001. ‹ 10. С. 31—43.
9.Holt I.J, HardingA.E., Morgan-Hughes I.A. Deletion of muscle mitochondrial DNA in patients withmitochondrial myopathies. Nature, 1988, 331:717-719.
/>10. />БарановВ.С. и др. Геном человека и гены предрасположенности. СПб., 2000
11. Минченко А.Г., Дударева Н.А.Митохондриальный геном. Новосибирск, 1990.
/>12. Гвоздев В.А. // Сорос.образоват. журн. 1999. №10. С.11—17.
/>13. Маргелис Л. Рольсимбиоза в эволюции клетки. М., 1983.
/>14. Скулачев В.П. //Сорос. образоват. журн. 1998. №8. С.2—7.
/>15. Игамбердиев А.У. //Сорос. образоват. журн. 2000. №1. С.32—36.
Киевский НациональныйУниверситет им. Тараса Шевченка
Биологический факультет
Реферат
на тему:
“Роль материнского генома вразвитии потомка”
студентаIV курса
кафедры биохимии
Фролова Артема
Киев2004
План:
Вступление...............................................................................1
Симбиотическая теория происхождениямитохондрий......2
Роль клеточного ядра вбиогенезе митохондрий...................................5
Транспортные системы митохондрий.....................................................7
Размерыи форма митохондриальных геномов..................10
Функционированиемитохондриального генома...............14
Значение наличия собственной генетическойсистемы для митохондрий..............................................................................19
Цитоплазматическаянаследственность..............................20