☵ Митохондриална ДНК. Характеристики на структурата на митохондриалната ДНК Митохондрии и наследственост

Въведение

Четвърт век измина от момента, в който молекулите на ДНК бяха открити в митохондриите, преди не само молекулярни биолози и цитолози, но и генетици, еволюционисти, както и палеонтолози и криминолози да се заинтересуват от тях. Такъв широк интерес беше провокиран от работата на А. Уилсън от Калифорнийския университет. През 1987 г. той публикува резултатите от сравнителен анализ на митохондриална ДНК, взета от 147 представители на различни етнически групи от всички човешки раси, населяващи пет континента. Въз основа на вида, местоположението и броя на отделните мутации беше установено, че цялата митохондриална ДНК е възникнала от една наследствена нуклеотидна последователност чрез дивергенция. В псевдонаучната преса това заключение беше тълкувано изключително опростено - цялото човечество произлиза от една жена, наречена митохондриална Ева (тъй като и дъщерите, и синовете получават митохондрии само от майка си), живяла в Североизточна Африка около преди 200 хиляди години. Още 10 години по-късно беше възможно да се дешифрира фрагмент от митохондриална ДНК, изолиран от останките на неандерталец, и да се оцени съществуването на последния общ прародител на хората и неандерталците преди 500 хиляди години.

Днес човешката митохондриална генетика се развива интензивно както в популационен, така и в медицински аспект. Установена е връзка между редица тежки наследствени заболявания и дефекти в митохондриалната ДНК. Генетичните промени, свързани със стареенето, са най-силно изразени в митохондриите. Какъв е митохондриалният геном, който се различава при хората и другите животни от този на растенията, гъбите и протозоите по размер, форма и генетичен капацитет? Каква е ролята, как работи и как е възникнал митохондриалният геном в различни таксони като цяло и в частност при хората? Това е, което ще бъде обсъдено в моето „малко и най-скромно“ есе.

В допълнение към ДНК, митохондриалната матрица съдържа и собствени рибозоми, които се различават по много характеристики от еукариотните рибозоми, разположени върху мембраните на ендоплазмения ретикулум. Но не повече от 5% от всички протеини, включени в техния състав, се образуват върху рибозомите на митохондриите. Повечето от протеините, които изграждат структурните и функционални компоненти на митохондриите, се кодират от ядрения геном, синтезират се върху рибозомите на ендоплазмения ретикулум и се транспортират през неговите канали до мястото на сглобяване. По този начин митохондриите са резултат от комбинираните усилия на два генома и два апарата за транскрипция и транслация. Някои субединични ензими на митохондриалната дихателна верига се състоят от различни полипептиди, някои от които са кодирани от ядрения геном, а други от митохондриалния геном. Например, ключовият ензим на окислителното фосфорилиране, цитохром с оксидазата в дрождите, се състои от три субединици, кодирани и синтезирани в митохондриите, и четири субединици, кодирани в клетъчното ядро и синтезирани в цитоплазмата. Експресията на повечето митохондриални гени се контролира от специфични ядрени гени.

Симбиотична теория за произхода на митохондриите

Хипотезата за произхода на митохондриите и растителните пластиди от вътреклетъчни ендосимбионтни бактерии е изразена от R. Altman през 1890 г. През века на бързо развитие на биохимията, цитологията, генетиката и молекулярната биология, които се появяват преди половин век, хипотезата е прераснала в теория, базирана на голям фактически материал. Същността му е следната: с появата на фотосинтезиращите бактерии в атмосферата на Земята се натрупва кислород - страничен продукт от техния метаболизъм. С нарастването на концентрацията му животът на анаеробните хетеротрофи става по-сложен и някои от тях преминават от безкислородна ферментация към окислително фосфорилиране, за да получат енергия. Такива аеробни хетеротрофи биха могли с по-голяма ефективност от анаеробните бактерии да разграждат органичните вещества, образувани в резултат на фотосинтезата. Някои от свободно живеещите аероби са уловени от анаероби, но не са „усвоени“, а съхранени като енергийни станции, митохондрии. Митохондриите не трябва да се разглеждат като роби, взети в плен, за да доставят ATP молекули на клетки, които не са способни да дишат. Те са по-скоро „същества“, които още през протерозоя са намерили за себе си и своето потомство най-добрите убежища, където биха могли да изразходват най-малко усилия, без да рискуват да бъдат изядени.

Много факти говорят в полза на симбиотичната теория:

Размерите и формите на митохондриите и свободно живеещите аеробни бактерии съвпадат; и двете съдържат кръгови ДНК молекули, които не са свързани с хистони (за разлика от линейната ядрена ДНК);

По отношение на нуклеотидните последователности, рибозомните и трансферните РНК на митохондриите се различават от ядрените, като същевременно демонстрират изненадващо сходство с подобни молекули на някои аеробни грам-отрицателни еубактерии;

Митохондриалните РНК полимерази, въпреки че са кодирани в клетъчното ядро, се инхибират от рифампицин, подобно на бактериалните, а еукариотните РНК полимерази са нечувствителни към този антибиотик;

Синтезът на протеини в митохондриите и бактериите се потиска от същите антибиотици, които не засягат рибозомите на еукариотите;

Липидният състав на вътрешната мембрана на митохондриите и бактериалната плазмалема е подобен, но е много различен от този на външната мембрана на митохондриите, която е хомоложна на други мембрани на еукариотни клетки;

Кристите, образувани от вътрешната митохондриална мембрана, са еволюционните аналози на мезозомалните мембрани на много прокариоти;

Все още има организми, които имитират междинни форми по пътя към образуването на митохондрии от бактерии (примитивна амеба Пеломиксаняма митохондрии, но винаги съдържа ендосимбиотични бактерии).

Има идея, че различните царства на еукариотите са имали различни предци и бактериалната ендосимбиоза е възникнала на различни етапи от еволюцията на живите организми. Това се доказва и от разликите в структурата на митохондриалните геноми на протозои, гъби, растения и висши животни. Но във всички случаи основната част от гените от промитохондриите са влезли в ядрото, вероятно с помощта на мобилни генетични елементи. Когато част от генома на един от симбионтите се включи в генома на друг, интеграцията на симбионтите става необратима. Новият геном може да създаде метаболитни пътища, които водят до образуването на полезни продукти, които не могат да бъдат синтезирани от нито един от партньорите поотделно. По този начин синтезът на стероидни хормони от клетките на надбъбречната кора е сложна верига от реакции, някои от които протичат в митохондриите, а други в ендоплазмения ретикулум. Чрез улавяне на промитохондриалните гени, ядрото е в състояние надеждно да контролира функциите на симбионта. В ядрото са кодирани всички протеини и липиден синтез на външната мембрана на митохондриите, повечето от протеините на матрицата и вътрешната мембрана на органелите. Най-важното е, че ядрото кодира ензими за репликация, транскрипция и транслация на mtDNA, като по този начин контролира растежа и възпроизводството на митохондриите. Скоростта на растеж на партньорите за симбиоза трябва да бъде приблизително еднаква. Ако гостоприемникът расте по-бързо, тогава с всяко поколение броят на симбионтите на индивид ще намалява и в крайна сметка ще се появят потомци без митохондрии. Знаем, че всяка клетка на полово възпроизвеждащ се организъм съдържа много митохондрии, които репликират своята ДНК между отделите на гостоприемника. Това гарантира, че всяка от дъщерните клетки получава поне едно копие от митохондриалния геном.

Ролята на клетъчното ядро в митохондриалната биогенеза

Определен вид мутантни дрожди имат голяма делеция в митохондриалната ДНК, което води до пълно спиране на протеиновия синтез в митохондриите; в резултат на това тези органели не могат да изпълняват функцията си. Тъй като такива мутанти образуват малки колонии, когато растат в среда с ниско съдържание на глюкоза, те се наричат цитоплазмен мютантамидребничка.

Въпреки че малките мутанти нямат синтез на митохондриален протеин и следователно не образуват нормални митохондрии, такива мутанти все пак съдържат промитохондрии,които до известна степен са подобни на обикновените митохондрии, имат нормална външна мембрана и вътрешна мембрана със слабо развити кристи. Промитохондриите съдържат много ензими, кодирани от ядрени гени и синтезирани върху цитоплазмени рибозоми, включително ДНК и РНК полимерази, всички ензими от цикъла на лимонената киселина и много протеини, които изграждат вътрешната мембрана. Това ясно демонстрира преобладаващата роля на ядрения геном в митохондриалната биогенеза.

Интересно е да се отбележи, че въпреки че изгубените ДНК фрагменти съставляват 20 до повече от 99,9% от митохондриалния геном, общото количество митохондриална ДНК в малките мутанти винаги остава на същото ниво, както при дивия тип. Това се дължи на все още малко проучения процес на амплификация на ДНК, в резултат на който се образува ДНК молекула, състояща се от тандемни повторения на една и съща секция и равна по размер на нормална молекула. Например, митохондриалната ДНК на малък мутант, който запазва 50% от нуклеотидната последователност на ДНК от див тип, ще се състои от две повторения, докато молекула, която запазва само 0,1% геном от див тип ще бъде изграден от 1000 копия на останалия фрагмент. По този начин малките мутанти могат да бъдат използвани за получаване на големи количества от определени участъци от митохондриална ДНК, които, може да се каже, са клонирани от самата природа.

Въпреки че биогенезата на органелите се контролира главно от ядрени гени, самите органели, според някои данни, също имат някакъв вид регулаторно влияние върху принципа на обратната връзка; поне такъв е случаят с митохондриите. Ако протеиновият синтез е блокиран в митохондриите на непокътнати клетки, тогава ензимите, участващи в митохондриалния синтез на ДНК, РНК и протеини, започват да се образуват в излишък в цитоплазмата, сякаш клетката се опитва да преодолее ефекта на блокиращия агент. Но въпреки че съществуването на някакъв сигнал от митохондриите е извън съмнение, природата му все още е неизвестна.

Поради редица причини механизмите на митохондриалната биогенеза сега се изучават в повечето случаи в култури Saccharomyces carlsbergensis(бирена мая и С. cerevisiae(хлебна мая). Първо, когато растат върху глюкоза, тези дрожди проявяват уникална способност да съществуват само чрез гликолиза, т.е. да се справят без митохондриална функция. Това прави възможно изследването на мутации в митохондриална и ядрена ДНК, които пречат на развитието на тези органели. Такива мутации са смъртоносни при почти всички други организми. Второ, дрождите - прости едноклетъчни еукариоти - са лесни за култивиране и биохимично изследване. И накрая, дрождите могат да се възпроизвеждат както в хаплоидната, така и в диплоидната фаза, обикновено чрез асексуално пъпкуване (асиметрична митоза). Но при дрождите се случва и сексуалният процес: от време на време две хаплоидни клетки се сливат, за да образуват диплоидна зигота, която след това или се дели чрез митоза, или претърпява мейоза и отново произвежда хаплоидни клетки. Чрез експериментално контролиране на редуването на безполово и сексуално размножаване, човек може да научи много за гените, отговорни за митохондриалната функция. С помощта на тези методи е възможно по-специално да се установи дали такива гени са локализирани в ядрена ДНК или в митохондриална ДНК, тъй като мутациите на митохондриалните гени не се наследяват според законите на Мендел, които управляват наследяването на ядрените гени.

Митохондриални транспортни системи

Повечето от протеините, съдържащи се в митохондриите и хлоропластите, се внасят в тези органели от цитозола. Това повдига два въпроса: как клетката насочва протеините към подходящата органела и как тези протеини влизат в нея?

Частичен отговор беше получен чрез изследване на транспорта на малката субединица (S) на ензима в стромата на хлоропласта рибулоза-1,5-бисфосфат-карбоксишахти.Ако иРНК, изолирана от цитоплазмата на едноклетъчно водорасло Хламидомонадаили от грахови листа, въведени като матрица в система за синтез на протеин in vitro, тогава един от многото получени протеини ще бъде свързан от специфично анти-S антитяло. S протеинът, синтезиран in vitro, се нарича ppo-S, защото е с приблизително 50 аминокиселинни остатъка по-голям от обикновения S протеин. Когато pro-S протеинът се инкубира с непокътнати хлоропласти, той прониква в органелите и там се превръща от пептидаза в S-протеин. След това S протеинът се свързва с голямата субединица рибулоза-1,5-бисфосфат карбоксилаза, синтезирана върху рибозомите на хлоропласта, и образува активен ензим с него в стромата на хлоропласта.

Механизмът на трансфер на S протеин е неизвестен. Смята се, че pro-S се свързва с рецепторен протеин, разположен върху външната мембрана на хлоропласта или на кръстовището на външната и вътрешната мембрана, и след това се прехвърля в стромата през трансмембранни канали в резултат на процес, който изисква енергия разход.

Транспортирането на протеини в митохондриите става по подобен начин. Ако пречистените дрождени митохондрии се инкубират с клетъчен екстракт, съдържащ новосинтезирани радиоактивни дрождени протеини, може да се наблюдава, че митохондриалните протеини, кодирани от ядрения геном, са отделени от немитохондриалните протеини в цитоплазмата и селективно включени в митохондриите - точно както се случва в непокътната клетка. В този случай протеините на външната и вътрешната мембрана, матрицата и междумембранното пространство намират своя път до съответното отделение на митохондриите.

Много от новосинтезираните протеини, предназначени за вътрешната мембрана, матрицата и междумембранното пространство, имат водещ пептид в техния N-край, който се отцепва по време на транспортиране от специфична протеаза, разположена в матрицата. Транспортирането на протеини в тези три митохондриални отделения изисква енергията на електрохимичен протонен градиент, създаден във вътрешната мембрана. Механизмът на пренос на протеини за външната мембрана е различен: в този случай не е необходимо нито енергийно, нито протеолитично разцепване на по-дълъг прекурсорен протеин. Тези и други наблюдения предполагат, че всичките четири групи митохондриални протеини се транспортират в органелата чрез следния механизъм: предполага се, че всички протеини, с изключение на тези, предназначени за външната мембрана, се включват във вътрешната мембрана в резултат на процес, изискващ разход на енергия и възникващи в местата на контакт между външната и вътрешната мембрана. Очевидно след това първоначално включване на протеина в мембраната, той претърпява протеолитично разцепване, което води до промяна в неговата конформация; в зависимост от това как се променя конформацията, протеинът или се закотвя в мембраната, или се „избутва“ в матрицата или в междумембранното пространство.

Трансферът на протеини през мембраните на митохондриите и хлоропластите по принцип е подобен на техния трансфер през мембраните на ендоплазмения ретикулум. Има обаче няколко важни разлики. Първо, когато се транспортира в матрицата или стромата, протеинът преминава както през външната, така и през вътрешната мембрана на органела, докато когато се транспортира в лумена на ендоплазмения ретикулум, молекулите преминават през само една мембрана. В допълнение, прехвърлянето на протеини в ретикулума се извършва с помощта на механизма целево освобождаване(векторен разряд) - започва, когато протеинът все още не е напуснал напълно рибозомата (котранслационен импорт),и прехвърлянето към митохондриите и хлоропластите става след като синтезът на протеиновата молекула е напълно завършен (посттранслационен импорт).

Въпреки тези разлики и в двата случая клетката синтезира прекурсорни протеини, съдържащи сигнална последователност, която определя към коя мембрана е насочен протеинът. Очевидно в много случаи тази последователност се отцепва от прекурсорната молекула след завършване на транспортния процес. Някои протеини обаче веднага се синтезират в крайната си форма. Смята се, че в такива случаи сигналната последователност се съдържа в полипептидната верига на готовия протеин. Сигналните последователности все още са слабо разбрани, но е вероятно да има няколко вида такива последователности, всяка от които определя трансфера на протеинова молекула към специфичен регион на клетката. Например, в растителна клетка някои от протеините, чийто синтез започва в цитозола, след това се транспортират до митохондриите, други до хлоропластите, трети до пероксизомите и трети до ендоплазмения ретикулум. Сложните процеси, които водят до правилното вътреклетъчно разпределение на протеините, едва сега се разбират.

В допълнение към нуклеиновите киселини и протеините, липидите са необходими за изграждането на нови митохондрии. За разлика от хлоропластите, митохондриите получават по-голямата част от липидите си отвън. В животинските клетки фосфолипидите, синтезирани в ендоплазмения ретикулум, се транспортират до външната мембрана на митохондриите с помощта на специални протеини и след това се включват във вътрешната мембрана; смята се, че това се случва в точката на контакт между две мембрани. Основната реакция на липидната биосинтеза, катализирана от самите митохондрии, е превръщането на фосфатидната киселина във фосфолипида кардиолипин, който се намира главно във вътрешната митохондриална мембрана и представлява около 20% от всички нейни липиди.

Размер и форма на митохондриалните геноми

Към днешна дата са прочетени повече от 100 различни митохондриални генома. Наборът и броят на техните гени в митохондриалната ДНК, за които нуклеотидната последователност е напълно определена, варират значително при различните видове животни, растения, гъби и протозои. Най-голям брой гени са открити в митохондриалния геном на флагелирани протозои Rectinomo-nas americana- 97 гена, включително всички гени, кодиращи протеини, открити в mtDNA на други организми. При повечето висши животни митохондриалният геном съдържа 37 гена: 13 за протеини на дихателната верига, 22 за tRNA и два за rRNA (за голямата рибозомна субединица 16S rRNA и за малката 12S rRNA). При растенията и протозоите, за разлика от животните и повечето гъби, митохондриалният геном също кодира някои протеини, които изграждат рибозомите на тези органели. Ключови ензими за синтеза на шаблонни полинуклеотиди, като ДНК полимераза (репликираща митохондриална ДНК) и РНК полимераза (транскрибираща митохондриалния геном), са криптирани в ядрото и се синтезират върху рибозоми в цитоплазмата. Този факт показва относителността на митохондриалната автономия в сложната йерархия на еукариотната клетка.

Митохондриалните геноми на различните видове се различават не само по набора от гени, реда на тяхното местоположение и експресия, но и по размера и формата на ДНК. По-голямата част от митохондриалните геноми, описани днес, са кръгли суперспирални двойноверижни ДНК молекули. При някои растения наред с кръглите форми има и линейни, а при някои протозои, като ресничестите, в митохондриите се открива само линейна ДНК.

По правило всяка митохондрия съдържа няколко копия от своя геном. По този начин в човешките чернодробни клетки има около 2 хиляди митохондрии и всяка от тях съдържа 10 идентични генома. Във фибробластите на мишката има 500 митохондрии, съдържащи два генома, а в клетките на дрождите S. cerevisiae- до 22 митохондрии, всяка с четири генома.

https://pandia.ru/text/78/545/images/image002_21.jpg" align="left" width="386 height=225" height="225"> Фиг. 2.Схема на образуване на линейни (A), кръгови (B), верижни (C) mtDNA олигомери. ori е областта, където започва репликацията на ДНК.

Размерът на митохондриалния геном на различни организми варира от по-малко от 6 хиляди нуклеотидни двойки в falciparum plasmodium (в допълнение към два rRNA гена, той съдържа само три протеин-кодиращи гена) до стотици хиляди нуклеотидни двойки в сухоземните растения (за пример, Arabidopsis thalianaот семейство Кръстоцветни 366924 нуклеотидни двойки). Освен това се откриват 7-8-кратни разлики в размера на мтДНК на висшите растения дори в рамките на едно и също семейство. Дължината на mtDNA на гръбначните животни се различава леко: при хората - 16 569 нуклеотидни двойки, при прасетата - 16 350, при делфините - 16 330, при жабите с нокти Xenopus laevis- 17533, при шаран - 16400. Тези геноми също са сходни в локализацията на гените, повечето от които са разположени от край до край; в някои случаи те дори се припокриват, обикновено с един нуклеотид, така че последният нуклеотид на един ген е първият в следващия. За разлика от гръбначните, при растенията, гъбите и протозоите мтДНК съдържа до 80% некодиращи последователности. Редът на гените в митохондриалните геноми се различава при различните видове.

Високата концентрация на реактивни кислородни видове в митохондриите и слабата система за възстановяване увеличават честотата на мутациите на mtDNA с порядък в сравнение с ядрената ДНК. Кислородните радикали причиняват специфични замествания C®T (дезаминиране на цитозин) и G®T (окислително увреждане на гуанина), в резултат на което mtDNA вероятно е богата на AT двойки. Освен това всички мтДНК имат интересно свойство – те не са метилирани, за разлика от ядрените и прокариотните ДНК. Известно е, че метилирането (временна химическа модификация на нуклеотидната последователност без нарушаване на кодиращата функция на ДНК) е един от механизмите за програмирано генно инактивиране.

Размер и структура на ДНК молекулите в органелите

	Структура	Тегло, милион Далтън	Бележки
ох Дрия	Животни	Пръстен		Всеки отделен вид има всички молекули с еднакъв размер
По-висока ra Стения	Пръстен	Варира	Всички изследвани видове имат кръгова ДНК с различни размери, в която общото съдържание на генетична информация съответства на маса от 300 до 1000 милиона далтона, в зависимост от вида
гъби: Протозои	Пръстен Пръстен Пръстен Линеен
хлор плащане стов	Морски водорасли	Пръстен Пръстен
По-висок растения	Пръстен		Във всеки отделен вид са открити молекули само на един

Относителни количества на ДНК органели в някои клетки и тъкани

Организъм	Плат или тип клетка	Брой mol-l ДНК/органел-	Брой органи- nell in клетка	Делът на ДНК органелите в цялата Клетъчна ДНК, %
ох Дрия
	Линия L клетки
	Яйце

хлор плащане стов		Вегетативни диплоидни клетки
царевица

Функциониране на митохондриалния геном

Какво е особеното в механизмите на ДНК репликация и транскрипция на митохондриите на бозайниците?

Допълнителни" href="/text/category/komplementarij/" rel="bookmark">Допълнителните вериги в mtDNA се различават значително по отношение на специфичната плътност, тъй като съдържат различни количества „тежки“ пуринови и „леки“ пиримидинови нуклеотиди. Това са те наречена - H (heavy - тежка) и L (light - лека) верига.В началото на репликацията на молекулата на mtDNA се образува т.нар. skop, се състои от двуверижна и едноверижна (прибрана част от Н-веригата) секции. Двуверижната секция се формира от част от L-веригата и комплементарния новосинтезиран ДНК фрагмент от 450-650. (в зависимост от вида на организма) нуклеотиди, който има 5"-. краят на рибонуклеотидния праймер, който съответства на началната точка на синтеза на Н-веригата (oriH). Синтезът на L-веригата започва само когато дъщерната Н-верига достигне точката ori L. Това се дължи на факта, че областта на започване на репликацията на L-веригата е достъпна за ензимите за синтез на ДНК само в едноверижен състояние и следователно само в несплетено състояние на двойна спирала по време на синтеза на Н-веригата. Така дъщерните вериги на мтДНК се синтезират непрекъснато и асинхронно (фиг. 3).

Фигура 3.Схема на репликация на mtDNA на бозайници. Първо се образува D-контурът, след това се синтезира дъщерната Н-верига, след което започва синтезът на дъщерната L-верига.

Краят на гена 16S rRNA (фиг. 4). Такива кратки преписи са 10 пъти повече от дългите. В резултат на узряване (обработка) те образуват 12S рРНК и 16S рРНК, които участват в образуването на митохондриални рибозоми, както и фенилаланин и валин тРНК. Останалите тРНК се изрязват от дълги транскрипти и се образуват транслирани иРНК, към чиито 3" краища са прикрепени полиаденилни последователности. 5" краищата на тези иРНК не са затворени, което е необичайно за еукариотите. Сплайсинг (сливане) не се случва, тъй като нито един от митохондриалните гени на бозайниците не съдържа интрони.

Фиг. 4.Транскрипция на човешка мтДНК, съдържаща 37 гена. Всички транскрипти започват да се синтезират в ori Н областта се изрязват от дългите и късите Н-верижни транскрипти. tRNA и mRNA се образуват в резултат на обработка от транскрипти на двете вериги на ДНК. tRNA гените са показани в светло зелено.

Искате ли да знаете какви други изненади може да поднесе митохондриалният геном? Страхотен! Прочетете!..

Водещият и 3" некодиращи региони, като повечето ядрени иРНК. Редица гени също съдържат интрони. По този начин в бокс гена, кодиращ цитохромоксидаза b, има два интрона. От първичния РНК транскрипт, автокаталитично (без участието от всички или протеини) копие на по-голямата част от останалата РНК служи като матрица за образуването на ензима матураза, която участва в снаждането на аминокиселинната последователност в останалите копия Матуразата ги изрязва, унищожавайки собствените си копия на екзоните и се образува иРНК за цитохромоксидаза b (фиг. 5). като „некодиращи последователности“.

Фигура 5.Обработка (съзряване) на иРНК на цитохромоксидаза b в митохондриите на дрожди. На първия етап на сплайсинг се образува иРНК, която синтезира матураза, необходима за втория етап на сплайсинг.

При изследване на експресията на митохондриални гени Trypanosoma bruceiбеше открито изненадващо отклонение от една от основните аксиоми на молекулярната биология, която гласи, че последователността на нуклеотидите в иРНК точно съответства на тази в кодиращите области на ДНК. Оказа се, че иРНК на една от субединиците на цитохром с оксидазата се редактира, т.е. след транскрипция се променя нейната първична структура - вмъкват се четири урацила. В резултат на това се образува нова иРНК, която служи като матрица за синтеза на допълнителна субединица на ензима, аминокиселинната последователност на която няма нищо общо с последователността на вируси, гъби, растения и животни изследователят Burrell сравнява структурата на един от митохондриалните гени на телетата с последователността на аминокиселините в цитохромоксидазната субединица, кодирана от този ген. Оказа се, че генетичният код на митохондриите на говедата (както и на хората) не само се различава от универсалния. единият е „идеален“, т.е. той се подчинява на следното правило: „ако два кодона имат два идентични нуклеотида, а третият нуклеотид принадлежи към един и същи клас (пуринов - A, G или пиримидинов - U, C), тогава. те кодират една и съща аминокиселина.” В универсалния код има две изключения от това правило: триплетът AUA кодира изолевцин и кодонът AUG за метионин, докато в идеалния митохондриален код и двата триплета кодират метионин; Триплетът UGG кодира само триптофан, а триплетът UGA кодира стоп кодон. В универсалния код и двете отклонения засягат фундаменталните аспекти на протеиновия синтез: AUG кодонът е иницииращият, а стоп кодонът UGA спира синтеза на полипептида. Идеалният код не е присъщ на всички описани митохондрии, но нито една от тях няма универсален код. Можем да кажем, че митохондриите говорят на различни езици, но никога на езика на ядрото.

Разлики между „универсалния“ генетичен код и двата митохондриални кода

Кодон	Митохондриална код на бозайник	Митохондриална код на дрожди	“ Универсален”

Както вече споменахме, в митохондриалния геном на гръбначните животни има 22 тРНК гена. Как такъв непълен комплект обслужва всички 60 кодона за аминокиселини (в идеалния код от 64 триплета има четири стоп кодона, в универсалния код са три)? Факт е, че по време на синтеза на протеини в митохондриите, взаимодействията кодон-антикодон са опростени - два от трите антикодонови нуклеотида се използват за разпознаване. Така една тРНК разпознава и четирите члена на семейството на кодоните, като се различава само в третия нуклеотид. Например, левцинова тРНК с GAU антикодон стои на рибозомата срещу кодоните TsU, TsUC, TsUA и Tsug, осигурявайки безпогрешното включване на левцин в полипептидната верига. Два други левцинови кодона, UUA и UUG, се разпознават от tRNA с антикодона AAU. Общо осем различни tRNA молекули разпознават осем семейства от по четири кодона, а 14 tRNA разпознават различни двойки кодони, всяка кодираща една аминокиселина.

Важно е ензимите аминоацил-тРНК синтетаза, отговорни за добавянето на аминокиселини към съответните митохондриални тРНК, да са кодирани в клетъчното ядро и да се синтезират върху рибозомите на ендоплазмения ретикулум. Така при гръбначните животни всички протеинови компоненти на синтеза на митохондриален полипептид са кодирани в ядрото. В този случай протеиновият синтез в митохондриите не се потиска от циклохексимид, който блокира работата на еукариотните рибозоми, но е чувствителен към антибиотиците еритромицин и хлорамфеникол, които инхибират протеиновия синтез в бактериите. Този факт служи като един от аргументите в полза на произхода на митохондриите от аеробни бактерии по време на симбиотичното образуване на еукариотни клетки.

Важността да имате собствена генетична система за митохондриите

Защо митохондриите се нуждаят от собствена генетична система, докато други органели, като пероксизоми и лизозоми, не? Този въпрос съвсем не е тривиален, тъй като поддържането на отделна генетична система е скъпо за клетката, предвид необходимия брой допълнителни гени в ядрения геном. Рибозомни протеини, аминоацил-тРНК синтетази, ДНК и РНК полимерази, ензими за обработка и модификация на РНК и т.н. е причина да се смята, че в тези органи има много малко протеини, които могат да бъдат открити другаде. Това означава, че само за да се поддържа генетичната система на митохондриите, ядреният геном трябва да съдържа няколко десетки допълнителни гени. Причините за това „разточителство“ са неясни и надеждата, че отговорът ще бъде открит в нуклеотидната последователност на митохондриалната ДНК, не се оправда. Трудно е да си представим защо протеините, образувани в митохондриите, трябва задължително да се синтезират там, а не в цитозола.

Обикновено съществуването на генетична система в енергийните органели се обяснява с факта, че някои от протеините, синтезирани вътре в органелите, са твърде хидрофобни, за да преминат през митохондриалната мембрана отвън. Изследванията на АТФ синтетазния комплекс обаче показват, че подобно обяснение е неправдоподобно. Въпреки че отделните протеинови субединици на АТФ синтетазата са силно запазени по време на еволюцията, местата на техния синтез се променят. В хлоропластите няколко сравнително хидрофилни протеина, включително четири от петте субединици на F1-ATPase част от комплекса, се произвеждат върху рибозоми в рамките на органела. Напротив, гъбата Невроспораа в животинските клетки много хидрофобен компонент (субединица 9) на мембранната част на АТФ-азата се синтезира върху рибозомите на цитоплазмата и едва след това преминава в органела. Различната локализация на гени, кодиращи субединици на функционално еквивалентни протеини в различни организми, е трудно да се обясни с помощта на хипотеза, постулираща определени еволюционни предимства на съвременните генетични системи на митохондриите и хлоропластите.

Имайки предвид всичко по-горе, можем само да предположим, че митохондриалната генетична система представлява еволюционна задънена улица. В рамките на ендосимбиотичната хипотеза това означава, че процесът на трансфер на ендосимбионтни гени в ядрения геном на гостоприемника е спрял, преди да е напълно завършен.

Цитоплазмено наследство

Последствията от трансфера на цитоплазмени гени за някои животни, включително хора, са по-сериозни, отколкото за дрождите. Две сливащи се хаплоидни клетки от дрожди са с еднакъв размер и допринасят за същото количество митохондриална ДНК в получената зигота. Така при дрождите митохондриалният геном се наследява от двамата родители, които допринасят еднакво за генофонда на потомството (въпреки че след няколко поколения отделнопотомството често съдържа митохондрии само на един от родителските типове). Обратно, при висшите животни яйцето допринася повече цитоплазма за зиготата, отколкото сперматозоидите, а при някои животни сперматозоидите може изобщо да не допринасят за цитоплазмата. Следователно може да се мисли, че при висшите животни митохондриалният геном ще се предава само от един родител (а именно от майчиналинии); и наистина, това е потвърдено от експерименти. Оказа се например, че при кръстосване на плъхове от два лабораторни щама с митохондриална ДНК, малко различна по нуклеотидна последователност (типове А и В), се получава потомство, съдържащо

съдържащи митохондриална ДНК само от майчин тип.

Цитоплазменото наследство, за разлика от ядреното, не се подчинява на законите на Мендел. Това се дължи на факта, че при висшите животни и растения гаметите от различни полове съдържат различни количества митохондрии. И така, в едно яйце на мишка има 90 хиляди митохондрии, но в спермата има само четири. Очевидно е, че в оплодената яйцеклетка митохондриите са предимно или само от женски пол, т.е. наследяването на всички митохондриални гени е по майчина линия. Генетичният анализ на цитоплазменото наследство е труден поради ядрено-цитоплазмени взаимодействия. В случай на цитоплазмен мъжки стерилитет, мутантният митохондриален геном взаимодейства с определени ядрени гени, чиито рецесивни алели са необходими за развитието на признака. Доминиращите алели на тези гени, както в хомо-, така и в хетерозиготни състояния, възстановяват плодовитостта на растенията, независимо от състоянието на митохондриалния геном.

Бих искал да се спра на механизма на майчиното наследяване на гените, като дам конкретен пример. За да разберем окончателно и безвъзвратно механизма на не-менделското (цитоплазмено) унаследяване на митохондриалните гени, нека разгледаме какво се случва с такива гени, когато две хаплоидни клетки се слеят, за да образуват диплоидна зигота. В случай, че една клетка от дрожди носи мутация, която определя устойчивостта на синтеза на митохондриален протеин към хлорамфеникол, а другата, клетка от див тип, е чувствителна към този антибиотик: мутантните гени могат лесно да бъдат идентифицирани чрез отглеждане на дрожди върху среда с глицерол, който могат да използват само клетки с непокътнати митохондрии; следователно, в присъствието на хлорамфеникол, само клетки, носещи мутантния ген, могат да растат в такава среда. Нашата диплоидна зигота първоначално ще има митохондрии както от мутант, така и от див тип. В резултат на митозата диплоидна дъщерна клетка ще изпъпи от зиготата, която ще съдържа само малък брой митохондрии. След няколко митотични цикъла в крайна сметка една от новите клетки ще получи всички митохондрии, мутантни или диви. Следователно всички потомци на такава клетка ще имат генетично идентични митохондрии. Такъв случаен процес, в резултат на който се образува диплоидно потомство, съдържащо митохондрии само от един тип, се нарича митотиченth сеагрегацияth. Когато диплоидна клетка само с един тип митохондрии претърпи мейоза, всичките четири дъщерни хаплоидни клетки получават едни и същи митохондриални гени. Този тип наследство се нарича nemendeлъв обезмасленоили цитоплазменза разлика от менделското унаследяване на ядрените гени. Трансферът на цитоплазмен ген означава, че изследваните гени се намират в митохондриите.

Изследването на митохондриалните геноми, тяхната еволюция, която следва специфичните закони на популационната генетика и връзките между ядрените и митохондриалните генетични системи, е необходимо за разбиране на сложната йерархична организация на еукариотната клетка и организма като цяло.

Някои наследствени заболявания и остаряването на човека са свързани с определени мутации в митохондриалната ДНК или в ядрените гени, които контролират митохондриалната функция. Натрупват се данни за участието на дефекти в mtDNA в канцерогенезата. Следователно митохондриите могат да бъдат мишена за химиотерапия на рак. Има факти за тясното взаимодействие на ядрения и митохондриалния геном в развитието на редица човешки патологии. Множество делеции на mtDNA са открити при пациенти с тежка мускулна слабост, атаксия, глухота и умствена изостаналост, унаследени по автозомно-доминантен начин. Установен е полов диморфизъм в клиничните прояви на ИБС, който най-вероятно се дължи на майчиния ефект - цитоплазмено унаследяване. Развитието на генната терапия дава надежда за коригиране на дефекти в митохондриалните геноми в обозримо бъдеще.

Както е известно, за да се провери функционирането на един от компонентите на многокомпонентна система, е необходимо този компонент да се елиминира с последващ анализ на настъпилите промени. Тъй като темата на това резюме е да посочи ролята на майчиния геном за развитието на потомството, би било логично да научим за последствията от нарушения в състава на митохондриалния геном, причинени от различни фактори. Инструментът за изследване на горната роля се оказа мутационният процес, а последствията от неговото действие, които ни интересуваха, бяха т.нар. митохондриални заболявания.

Митохондриалните заболявания са пример за цитоплазмена наследственост при човека или по-точно „органелна наследственост“. Това уточнение следва да се направи, тъй като съществуването, поне в някои организми, на цитоплазмени наследствени детерминанти, които не са свързани с клетъчните органели - цитогени, вече е доказано (-Vechtomov, 1996).

Митохондриалните заболявания са хетерогенна група от заболявания, причинени от генетични, структурни, биохимични дефекти на митохондриите и нарушено тъканно дишане. За поставяне на диагнозата митохондриална болест е важен цялостен генеалогичен, клиничен, биохимичен, морфологичен и генетичен анализ. Основният биохимичен признак на митохондриална патология е развитието на лактатна ацидемия; обикновено се открива хиперлактатна ацидемия в комбинация с хиперпируватна ацидемия. Броят на различните опции достигна 120 форми. Има стабилно повишаване на концентрацията на млечна и пирогроздена киселина в цереброспиналната течност.

Митохондриалните заболявания (МБ) представляват значителен проблем за съвременната медицина. Според методите на наследствено предаване, МД включват заболявания, унаследени моногенно по менделски тип, при които поради мутация на ядрени гени се нарушава или структурата и функционирането на митохондриалните протеини, или се променя експресията на митохондриална ДНК, както и като заболявания, причинени от мутации на митохондриални гени, които се предават главно на потомството по майчина линия.

Данни от морфологични изследвания, показващи груба патология на митохондриите: анормална пролиферация на митохондриите, полиморфизъм на митохондриите с нарушения във формата и размера, дезорганизация на кристите, натрупвания на анормални митохондрии под сарколемата, паракристални включвания в митохондриите, наличие на интерфибриларни вакуоли

Форми на митохондриални заболявания

1 . Митохондриални заболявания, причинени от мутации в митохондриалната ДНК

1.1.Заболявания, причинени от делеции на митохондриална ДНК

1.1.1. Синдром на Cairns-Sayre

Заболяването се проявява на възраст 4-18 години, прогресираща външна офталмоплегия, пигментен ретинит, атаксия, интенционен тремор, атриовентрикуларен сърдечен блок, повишени протеинови нива в цереброспиналната течност над 1 g/l, "накъсани" червени влакна в скелета мускулни биопсии

1.1.2. Синдром на Pearson

Началото на заболяването е от раждането или през първите месеци от живота, понякога е възможно развитието на енцефаломиопатии, атаксия, деменция, прогресивна външна офталмоплегия, хипопластична анемия, нарушена екзокринна функция на панкреаса, прогресивно протичане

2 .Заболявания, причинени от точкови мутации в митохондриалната ДНК

Унаследяване по майчина линия, остро или подостро намаляване на зрителната острота на едното или двете очи, комбинация от неврологични и остеоартикуларни заболявания, микроангиопатия на ретината, прогресиращо протичане с възможност за ремисия или възстановяване на зрителната острота, начало на заболяването на 20-годишна възраст. -30 години

2.2. NAPR синдром (невропатия, атаксия, ретинит пигментоза)

Унаследяване по майчина линия, комбинация от невропатия, атаксия и пигментен ретинит, забавено психомоторно развитие, деменция, наличие на "разкъсани" червени влакна в биопсии на мускулна тъкан

2.3. Синдром MERRF (миоклонус-епилепсия, „накъсани“ червени влакна)

Унаследяване по майчина линия, начало на заболяването на възраст 3-65 години, миоклонична епилепсия, атаксия, деменция в комбинация с сензоневрална глухота, атрофия на зрителните нерви и нарушения на дълбоката чувствителност, лактатна ацидоза, ЕЕГ изследванията показват генерализирана епилепсия в банята комплекси, "парцали" червени влакна в биопсии на скелетни мускули, прогресиращо протичане

2.4. Синдром MELAS (митохондриална енцефаломиопатия, лактатна ацидоза, инсулт-подобни епизоди)

Унаследяване по майчина линия, начало на заболяването преди 40-годишна възраст, непоносимост към физическо натоварване, мигреноподобни главоболия с гадене и повръщане, инсулт-подобни епизоди, гърчове, лактатна ацидоза, "накъсани" червени влакна в мускулни биопсии, прогресиращо протичане.

3 .Патология, свързана с дефекти в междугеномната комуникация

3.1.Множествени синдроми на делеция на митохондриална ДНК

Блефароптоза, външна офталмоплегия, мускулна слабост, сензоневрална глухота, атрофия на зрителния нерв, прогресиращ ход, "разкъсани" червени влакна в биопсии на скелетните мускули, намалена активност на ензимите на дихателната верига.

3.2. Синдром на делеция на митохондриална ДНК

Автозомно рецесивен начин на наследяване

Клинични форми:

3.2.1.Фатално инфантилно

а) тежка чернодробна недостатъчност б) хепатопатия в) мускулна хипотония

Дебют в неонаталния период

3.2.2.Вродена миопатия

Тежка мускулна слабост, генерализирана хипотония, кардиомиопатия и конвулсии, увреждане на бъбреците, глюкозурия, аминоацидопатия, фосфатурия

3.2.3.Инфантилна миопатия

настъпва през първите 2 години от живота, прогресивна мускулна слабост, атрофия на проксималните мускулни групи и загуба на сухожилни рефлекси, бързо прогресиращо протичане, смърт през първите 3 години от живота.

4 Митохондриални заболявания, причинени от мутации на ядрена ДНК

4.1. Заболявания, свързани с дефекти в дихателната верига

4.1.1. Дефицит на комплекс 1 (NADH:CoQ редуктаза)

Начало на заболяването преди 15-годишна възраст, синдром на миопатия, забавено психомоторно развитие, нарушения на сърдечно-съдовата система, гърчове, резистентни на терапия, множество неврологични разстройства, прогресиращо протичане

4.1.2. Дефицит на комплекс 2 (сукцинат-CoQ редуктаза)

Характеризира се със синдром на енцефаломиопатия, прогресиращ ход, гърчове, възможно развитие на птоза

4.1.3. Дефицит на комплекс 3 (CoQ-цитохром С оксидоредуктаза)

Мултисистемни нарушения, увреждания на различни органи и системи, засягащи централна и периферна нервна система, ендокринна система, бъбреци, прогресиращо протичане

4.1.4. Комплексен дефицит (цитохром С оксидаза)

4.1.4.1. Фатална инфантилна вродена лактатна ацидоза

Митохондриална миопатия с бъбречна недостатъчност или кардиомиопатия, начало в неонатална възраст, тежки респираторни нарушения, дифузна мускулна хипотония, прогресиращо протичане, смърт през първата година от живота.

4.1.4.2.Доброкачествена инфантилна мускулна слабост

Атрофия, при адекватно и навременно лечение е възможно бързо стабилизиране на процеса и възстановяване до 1-3 години живот

5 Синдром на Менкес (трихополиодистрофия)

Рязко забавяне на психомоторното развитие, забавен растеж, нарушен растеж и дистрофични промени в косата,

6 . Митохондриални енцефаломиопатии

6.1.Синдром на Лий(подостра невротизираща енцефаломиелопатия)

Появява се след 6 месеца от живота, често се отбелязва мускулна хипотония, атаксия, нистагъм, пирамидни симптоми, офталмоплегия, атрофия на зрителния нерв, добавяне на кардиомиопатия и лека метаболитна ацидоза

6.2.Синдром на Алперс(прогресивна склерозираща полидистрофия)

Дегенерация на сивото вещество на мозъка в комбинация с чернодробна цироза, дефицит на комплекс 5 (ATP синтетаза), забавено психомоторно развитие, атаксия, деменция, мускулна слабост, прогресиращ ход на заболяването, неблагоприятна прогноза

6.3. Дефицит на коензим Q

Метаболитни кризи, мускулна слабост и умора, офталмоплегия, глухота, намалено зрение, инсулт-подобни епизоди, атаксия, миоклонус епилепсия, увреждане на бъбреците: глюкозурия, аминоацидопатия, фосфатурия, ендокринни нарушения, прогресиращ ход, намалена активност на ензимите на дихателната верига

7 .Заболявания, свързани с метаболитни нарушения на млечна и пирогроздена киселина

7.1 Дефицит на пируват карбоксилаза Автозомно рецесивен тип унаследяване, начало на заболяването в неонаталния период, симптомокомплекс "отпуснато дете", резистентни на терапия конвулсии, високи концентрации на кетонни тела в кръвта, хиперамонемия, хиперлизинемия, намалена активност на пируват карбоксилазата скелетни мускули

7.2. Дефицит на пируват дехидрогеназа

Проява в неонаталния период, краниофациална дисморфия, конвулсии, резистентни на терапия, нарушения на дишането и сукането, симптомокомплекс "отпуснато дете", церебрална дисгинезия, тежка ацидоза с високо съдържание на лактат и пируват

7.3.Намалена активност на пируват дехидрогеназата

Начало през първата година от живота, микроцефалия, забавено психомоторно развитие, атаксия, мускулна дистония, хореоатетоза, лактатна ацидоза с високо съдържание на пируват

7.4.Дефицит на дихидролипоилтрансацетилаза

Автозомно-рецесивен тип наследяване, начало на заболяването в неонаталния период, микроцефалия, забавено психомоторно развитие, мускулна хипотония с последващо повишаване на мускулния тонус, атрофия на диска на зрителния нерв, лактатна ацидоза, намалена активност на дихидролипоилтранс-ацетилаза

7.5. Дефицит на дихидролипоил дехидрогеназа

Автозомно-рецесивен тип наследяване, начало на заболяването през първата година от живота, симптомокомплекс "отпуснато дете", дисметаболитни кризи с повръщане и диария, забавено психомоторно развитие, атрофия на дисковете на зрителния нерв, лактатна ацидоза, повишени нива на аланин в кръвен серум, α-кетоглутарат, α-кето киселини с разклонена верига, намалена активност на дихидролипоил дехидрогеназа

8 .Заболявания, причинени от дефекти в бета-окислението на мастни киселини

8.1. Дефицит на ацетил-КоА дехидрогеназа с дълга въглеродна верига

Автозомно-рецесивен тип наследяване, начало на заболяването в първите месеци от живота, метаболитни кризи с повръщане и диария, комплекс от симптоми на "отпуснато дете", хипогликемия, дикарбоксилна ацидурия, намалена активност на ацетил-КоА дехидрогеназата на дълговъглеродните мастни киселини киселини

8.2 Дефицит на средно въглеродна верига на ацетил-КоА дехидрогеназа

Автозомно-рецесивен тип наследство, начало на заболяването в неонаталния период или първите месеци от живота, метаболитни кризи с повръщане и диария,

мускулна слабост и хипотония, често се развива синдром на внезапна смърт, хипогликемия, дикарбоксилна ацидурия, намалена активност на ацетил-КоА дехидрогеназата на мастни киселини със средна въглеродна верига

8.3. Дефицит на късоверижна мастна киселина ацетил-КоА дехидрогеназа

Автозомно-рецесивен тип наследяване, различна възраст на поява на заболяването, намалена толерантност към физическо натоварване, метаболитни кризи с повръщане и диария, мускулна слабост и хипотония, повишена уринна екскреция на метилсукцинова киселина, ацетил-КоА дехидрогеназа на мастни киселини с къса въглеродна верига

8.4. Множествен дефицит на ацетил-КоА дехидрогенази на мастни киселини

Неонатална форма: краниофациална дисморфия, мозъчна дисгинезия, тежка хипогликемия и ацидоза, злокачествено протичане, намалена активност на всички ацетил-КоА дехидрогенази на мастни киселини,

Инфантилна форма:комплекс от симптоми на "отпуснато дете", кардиомиопатия, метаболитни кризи, хипогликемия и ацидоза

8.5.Намалена активност на всички ацетил-КоА дехидрогенази на мастни киселини

Късна дебютна форма:периодични епизоди на мускулна слабост, метаболитни кризи, хипогликемия и ацидоза са по-слабо изразени, интелигентността е запазена,

9 .Ензимопатии на цикъла на Кребс

9.1. Фумаразен дефицит

Автозомно-рецесивен тип наследяване, начало на заболяването в неонаталния или новородения период, микроцефалия, генерализирана мускулна слабост и хипотония, епизоди на летаргия, бързо прогресираща енцефалопатия, лоша прогноза

9.2. Дефицит на сукцинат дехидрогеназа

Рядко заболяване, характеризиращо се с прогресивна енцефаломиопатия

9.3 Дефицит на алфа-кетоглутарат дехидрогеназа

Автозомно-рецесивен тип наследяване, неонатално начало на заболяването, микроцефалия, комплекс от симптоми на "отпуснато дете", епизоди на летаргия, лактатна ацидоза, бързо прогресиращо протичане, намалено съдържание на ензими от цикъла на Кребс в тъканите

9.4. Синдроми на дефицит на карнитин и ензими на неговия метаболизъм

Дефицит на карнитин палмитоилтрансфераза-1, автозомно-рецесивен тип наследяване, ранно начало на заболяването, епизоди на некетонемична хипогликемична кома, хепатомегалия, хипертриглицеридемия и умерена хиперамонемия, намалена активност на карнитин палмитоилтрансфераза-1 във фибробластите и чернодробните клетки

9.5. Дефицит на карнитин ацилкарнитин транслоказа

Ранно начало на заболяването, сърдечно-съдови и респираторни нарушения, комплекс от симптоми на "отпуснато дете", епизоди на летаргия и кома, повишени концентрации на карнитинови естери и дълги въглеродни вериги на фона на намаляване на свободния карнитин в кръвния серум, намалена активност на карнитин ацилкарнитин транслоказа

9.6. Дефицит на карнитин палмитоил трансфераза-2

Автозомно рецесивен тип наследяване, мускулна слабост, миалгия, миоглобинурия, намалена активност на карнитин палмитоилтрансфераза-2 в скелетните мускули

Автозомно-рецесивен тип наследяване, миопатичен симптомокомплекс, епизоди на летаргия и летаргия, кардиомиопатия, епизоди на хипогликемия, понижени серумни нива на карнитин и повишена екскреция с урина.

След като анализирахме такъв „ужасен“ списък от патологии, свързани с определени промени във функционирането на митохондриалния (и не само) геном, възникват някои въпроси. Какви са продуктите на митохондриалните гени и в кои супер-мега-жизнени клетъчни процеси участват?

Както се оказа, някои от горните патологии могат да възникнат поради нарушения в синтеза на 7 субединици на комплекса NADH дехидрогеназа, 2 субединици на АТФ синтетаза, 3 субединици на цитохром с оксидаза и 1 субединица на убихинол-цитохром с редуктаза (цитохром б), които са генните продукти на митохондриите. Въз основа на това можем да заключим, че тези протеини имат ключова роля в процесите на клетъчно дишане, окисление на мастни киселини и синтез на АТФ, трансфер на електрони в системата за транспорт на електрони на вътрешната МТ мембрана, функционирането на антиоксидантната система и др.

Съдейки по последните данни за механизмите на апоптозата, много учени стигнаха до извода, че има контролен център за апоптозата...

Ролята на митохондриалните протеини също е показана при използването на антибиотици, които блокират митохондриалния синтез. Ако човешки клетки в тъканна култура се третират с антибиотик, като тетрациклин или хлорамфеникол, растежът им ще спре след едно или две деления. Това се дължи на инхибиране на синтеза на митохондриален протеин, което води до появата на дефектни митохондрии и, като следствие, недостатъчно образуване на АТФ. Защо тогава антибиотиците могат да се използват за лечение на бактериални инфекции? Има няколко отговора на този въпрос:

1. Някои антибиотици (като еритромицин) не преминават през вътрешната мембрана на митохондриите на бозайниците.

2. Повечето клетки в нашето тяло не се делят или се делят много бавно, така че замяната на съществуващите митохондрии с нови става също толкова бавно (в много тъкани половината от митохондриите се сменят за около пет дни или дори повече). По този начин броят на нормалните митохондрии ще намалее до критично ниво само ако блокадата на синтеза на митохондриален протеин се поддържа в продължение на много дни.

3. Определени условия в тъканта пречат на определени лекарства да навлязат в митохондриите на най-чувствителните клетки. Например, висока концентрация на Ca2+ в костния мозък води до образуването на Ca2+-тетрациклинов комплекс, който не може да проникне в бързо делящите се (и следователно най-уязвими) прекурсори на кръвни клетки.

Тези фактори правят възможно използването на някои лекарства, които инхибират синтеза на митохондриален протеин, като антибиотици при лечението на висши животни. Само две от тези лекарства имат странични ефекти: продължителното лечение с големи дози хлорамфеникол може да доведе до нарушаване на хемопоетичната функция на костния мозък (потиска образуването на червени и бели кръвни клетки), а продължителното използване на тетрациклин може увреждане на чревния епител. Но и в двата случая все още не е напълно ясно дали тези странични ефекти са причинени от блокада на митохондриалната биогенеза или от някаква друга причина.

Заключение

Структурните и функционални характеристики на mt генома са както следва. Първо, установено е, че mtDNA се предава от майката на всичките й

потомци и от нейните дъщери към всички следващи поколения, но синовете не предават своето ДНК (майчино наследство). Майчински характер

наследяването на mtDNA вероятно е свързано с две обстоятелства: или делът на бащината mtDNA е толкова малък (не се предава по бащина линия)

повече от една ДНК молекула на 25 хиляди майчина мтДНК), че не могат да бъдат открити чрез съществуващите методи, или след оплождането репликацията на бащините митохондрии е блокирана. Второ, липсата на комбинирана променливост - mtDNA принадлежи само на един от родителите, следователно липсват рекомбинационни събития, характерни за ядрената ДНК в мейозата, и нуклеотидната последователност се променя от поколение на поколение само поради мутации. Трето, мтДНК няма интрони

(висока вероятност произволна мутация да повлияе на кодиращия участък на ДНК), защитни хистони и ефективна система за възстановяване на ДНК - всичко това определя скоростта на мутация 10 пъти по-висока, отколкото в ядрената ДНК. Четвърто, нормална и мутантна mtDNA могат да съществуват едновременно в рамките на една и съща клетка - феноменът на хетероплазмия (наличието само на нормална или само мутантна mtDNA се нарича хомоплазмия). И накрая, двете вериги се транскрибират и транслират в мтДНК и по редица характеристики генетичният код на мтДНК се различава от универсалния (UGA кодира триптофан, AUA кодира метионин, AGA и AGG са стоп-

кодони).

Тези свойства и горните функции на mt-генома са направили изследването на променливостта на нуклеотидната последователност на mtDNA безценен инструмент за лекари, криминалисти, еволюционни биолози,

представители на историческата наука при решаването на техните специфични проблеми.

От 1988 г., когато беше открито, че генните мутации на mtDNA са в основата на митохондриалните миопатии (J. Y. Holt et al., 1988) и наследствената оптична невропатия на Leber (D. C. Wallace, 1988), по-нататъшното систематично идентифициране на мутациите в човешкия mt геном доведе до формирането на концепцията за митохондриални заболявания (MD). Понастоящем са открити патологични мутации на mtDNA във всеки тип митохондриален ген.

Библиография

1. Скулачев, Митохондрии и кислород, Сорос. образование списание

2. Основи на биохимията: В три тома, М.: Мир, .

3. Nicholes D. G. Bioenergetics, An Introd. към хемиосма. Т., акад. Преса, 1982.

4. Stryer L. Биохимия, 2-ро изд. Сан Франциско, Фрийман, 1981 г.

5. Биологични мембрани на Скулачев. М., 1989.

6. , Ретикулум на Ченцов: Структура и някои функции // Резултати от науката. Общи проблеми на биологията. 1989 г

7. Цитология на Ченцов. М.: Издателство на Московския държавен университет, 1995 г

8. , Обхват на компетентност на митохондриалния геном // Вестн. RAMS, 2001. ‹ 10. стр. 31-43.

9. Holt I.J., Harding A.E., Morgan-Hughes I.A. Делеция на мускулна митохондриална ДНК при пациенти с митохондриални миопатии. Nature 1988, 331:717-719.

10. и т.н.Човешки геном и гени на предразположение. Санкт Петербург, 2000

11. , Митохондриален геном. Новосибирск, 1990 г.

12. // Сорос. образование списание 1999. № 10. С.11-17.

13. Ролята на симбиозата в клетъчната еволюция. М., 1983.

14. // Сорос. образование списание 1998. № 8. С.2-7.

15. // Сорос. образование списание 2000. № 1. С.32-36.

Киевски национален университет на името на. Тарас Шевченко

Катедра по биология

Есе

по темата за:

„Ролята на майчиния геном в развитието на потомството“

стамдnta IVкурс

Катедра по биохимия

Фролова Артема

Киев 2004

Планирайте:

Въведение................................................. ..............................1

Симбиотична теория за произхода на митохондриите......2

Ролята на клетъчното ядро в митохондриалната биогенеза......................................... ...........5

Митохондриални транспортни системи............................................. .................. ......7

Размер и форма на митохондриалните геноми.................................10

Функциониране на митохондриалния геном.....14

Значението на наличието на собствена генетична система за митохондриите.................................................. ............................................19

Цитоплазмено унаследяване.....................................20

Изненади на митохондриалния геном

Г.М. Димшиц

Григорий Моисеевич Димшиц,Доктор на биологичните науки, професор в катедрата по молекулярна биология на Новосибирския държавен университет, ръководител на лабораторията за структура на генома на Института по цитология и генетика на Сибирския клон на Руската академия на науките. Съавтор и редактор на четири училищни учебника по обща биология.

Измина четвърт век от откриването на ДНК молекулите в митохондриите, преди не само молекулярните биолози и цитолози да се заинтересуват от тях, но и генетици, еволюционисти, както и палеонтолози и криминолози, историци и лингвисти. Такъв широк интерес беше провокиран от работата на А. Уилсън от Калифорнийския университет. През 1987 г. той публикува резултатите от сравнителен анализ на митохондриална ДНК, взета от 147 представители на различни етнически групи от всички човешки раси, населяващи пет континента. Въз основа на вида, местоположението и броя на отделните мутации беше установено, че цялата митохондриална ДНК е възникнала от една наследствена нуклеотидна последователност чрез дивергенция. В псевдонаучната преса това заключение беше тълкувано изключително опростено - цялото човечество произлиза от една жена, наречена митохондриална Ева (и дъщерите, и синовете получават митохондрии само от майка си), живяла в Североизточна Африка около 200 г. преди хиляди години. Още 10 години по-късно беше възможно да се дешифрира фрагмент от митохондриална ДНК, изолиран от останките на неандерталец, и да се оцени съществуването на последния общ прародител на хората и неандерталците преди 500 хиляди години.

Днес човешката митохондриална генетика се развива интензивно както в популационен, така и в медицински аспект. Установена е връзка между редица тежки наследствени заболявания и дефекти в митохондриалната ДНК. Генетичните промени, свързани със стареенето, са най-силно изразени в митохондриите. Какъв е митохондриалният геном, който се различава при хората и другите животни от този на растенията, гъбите и протозоите по размер, форма и генетичен капацитет? Как работи митохондриалният геном и как е възникнал в различни таксони? Това ще бъде обсъдено в нашата статия.

Митохондриите се наричат енергийни станции на клетката. Освен външна гладка мембрана, те имат вътрешна мембрана, която образува множество гънки - кристи. Те съдържат вградени протеинови компоненти на дихателната верига - ензими, участващи в превръщането на енергията на химичните връзки на окислените хранителни вещества в енергията на молекулите на аденозинтрифосфорната киселина (АТФ). С тази „конвертируема валута“ клетката покрива всичките си енергийни нужди. В клетките на зелените растения, освен митохондриите, има и други енергийни станции - хлоропласти. Те работят на „слънчеви батерии“, но също така образуват АТФ от ADP и фосфат. Подобно на митохондриите, хлоропластите - автономно възпроизвеждащи се органели - също имат две мембрани и съдържат ДНК.

Размери и форми на митохондриалните геноми

Към днешна дата са прочетени повече от 100 различни митохондриални генома. Наборът и броят на техните гени в митохондриалната ДНК, за които нуклеотидната последователност е напълно определена, варират значително при различните видове животни, растения, гъби и протозои. Най-голям брой гени са открити в митохондриалния геном на флагелирани протозои Rectinomonas americana- 97 гена, включително всички гени, кодиращи протеини, открити в mtDNA на други организми. При повечето висши животни митохондриалният геном съдържа 37 гена: 13 за протеини на дихателната верига, 22 за tRNA и два за rRNA (за голямата рибозомна субединица 16S rRNA и за малката 12S rRNA). При растенията и протозоите, за разлика от животните и повечето гъби, митохондриалният геном също кодира някои протеини, които изграждат рибозомите на тези органели. Ключови ензими за синтеза на шаблонни полинуклеотиди, като ДНК полимераза (репликираща митохондриална ДНК) и РНК полимераза (транскрибираща митохондриалния геном), са криптирани в ядрото и се синтезират върху рибозоми в цитоплазмата. Този факт показва относителността на митохондриалната автономия в сложната йерархия на еукариотната клетка.

Обикновено всяка митохондрия съдържа няколко копия от своя геном. По този начин в човешките чернодробни клетки има около 2 хиляди митохондрии и всяка от тях съдържа 10 идентични генома. Във фибробластите на мишката има 500 митохондрии, съдържащи два генома, а в клетките на дрождите S.cerevisiae- до 22 митохондрии, всяка с четири генома.

Митохондриалният геном на растенията обикновено се състои от няколко молекули с различни размери. Една от тях, „главната хромозома“, съдържа повечето от гените, а по-малките кръгови форми, които са в динамично равновесие както помежду си, така и с основната хромозома, се образуват в резултат на вътрешно- и междумолекулна рекомбинация поради наличие на повтарящи се последователности (фиг. 1).

Фиг. 1.Схема на образуване на кръгови ДНК молекули с различни размери в митохондриите на растенията.
Рекомбинацията възниква по протежение на повтарящи се региони (обозначени в синьо).

Фиг. 2.Схема на образуване на линейни (A), кръгови (B), верижни (C) mtDNA олигомери.
ori е областта, където започва репликацията на ДНК.

Размерът на митохондриалния геном на различни организми варира от по-малко от 6 хиляди базови двойки в плазмодия на falciparum (в допълнение към два рРНК гена, той съдържа само три протеин-кодиращи гена) до стотици хиляди базови двойки в сухоземните растения (за пример, Arabidopsis thalianaот семейство Кръстоцветни 366924 нуклеотидни двойки). Освен това се откриват 7-8-кратни разлики в размера на мтДНК на висшите растения дори в рамките на едно и също семейство. Дължината на mtDNA на гръбначните животни се различава леко: при хората - 16 569 нуклеотидни двойки, при прасетата - 16 350, при делфините - 16 330, при жабите с нокти Xenopus laevis- 17533, при шаран - 16400. Тези геноми също са сходни в локализацията на гените, повечето от които са разположени от край до край; в някои случаи те дори се припокриват, обикновено с един нуклеотид, така че последният нуклеотид на един ген е първият в следващия. За разлика от гръбначните, при растенията, гъбите и протозоите мтДНК съдържа до 80% некодиращи последователности. Редът на гените в митохондриалните геноми се различава при различните видове.

Високата концентрация на реактивни кислородни видове в митохондриите и слабата система за възстановяване увеличават честотата на мутациите на mtDNA с порядък в сравнение с ядрената ДНК. Кислородните радикали причиняват специфични замествания C®T (дезаминиране на цитозин) и G®T (окислително увреждане на гуанина), в резултат на което mtDNA вероятно е богата на AT двойки. В допълнение, всички mtDNA имат интересно свойство - те не са метилирани, за разлика от ядрената и прокариотната ДНК. Известно е, че метилирането (временна химическа модификация на нуклеотидната последователност без нарушаване на кодиращата функция на ДНК) е един от механизмите за програмирано генно инактивиране.

Репликация и транскрипция на митохондриална ДНК на бозайници

При повечето животни комплементарните вериги в мтДНК варират значително по отношение на специфичната плътност, тъй като съдържат различни количества „тежки” пуринови и „леки” пиримидинови нуклеотиди. Така се наричат - H (heavy - тежка) и L (light - лека) верига. В началото на репликацията на молекулата на mtDNA се образува така наречената D-примка (от англ. displacement loop - изместваща примка). Тази структура, видима под електронен микроскоп, се състои от двуверижен и едноверижен (удължена част от Н-веригата) регион. Двуверижната област се формира от част от L-веригата и новосинтезиран ДНК фрагмент, комплементарен към нея, с дължина 450-650 нуклеотида (в зависимост от вида на организма), имащ рибонуклеотиден праймер в 5" края, който съответства на до началната точка на синтеза на Н-веригата (ori Н). веригата е достъпна за ензимите за синтез на ДНК само в едноверижно състояние и следователно само в неусукана двойна спирала по време на Н-синтезни вериги.

Фигура 3.Схема на репликация на mtDNA на бозайници.
Първо се формира D-контурът, след това се синтезира дъщерната Н-верига,
тогава започва синтеза на дъщерната L-верига.

В митохондриите общият брой на молекулите с D-контур значително надвишава броя на напълно репликиращите се молекули. Това се дължи на факта, че D-контурът има допълнителни функции - прикрепване на mtDNA към вътрешната мембрана и започване на транскрипция, тъй като транскрипционните промотори на двете ДНК вериги са локализирани в този регион.

За разлика от повечето еукариотни гени, които се транскрибират независимо един от друг, всяка от mtDNA веригите на бозайниците се транскрибира, за да образува единична РНК молекула, започваща в ori H региона, в допълнение към тези две дълги РНК молекули, комплементарни на H- и L-вериги, образуват се повече къси участъци от Н-веригата, които започват в същата точка и завършват в 3" края на 16S rRNA гена (фиг. 4). Има 10 пъти повече такива къси транскрипти, отколкото дълги. В резултат на узряване (обработка) от тях се образува 12S рРНК и 16S рРНК, участващи в образуването на митохондриални рибозоми, както и фенилаланин и валин тРНК, останалите тРНК се изрязват от дългите транскрипти и се образуват транслирани иРНК, до 3" краищата на които са прикрепени полиаденилни последователности. 5" краищата на тези иРНК не са затворени, което е необичайно за еукариотите. Сплайсинг не се случва, защото нито един от митохондриалните гени на бозайниците не съдържа интрони.

Фиг. 4.Транскрипция на човешка мтДНК, съдържаща 37 гена. Всички транскрипти започват да се синтезират в ori Н областта се изрязват от дългите и късите Н-верижни транскрипти. tRNA и mRNA се образуват в резултат на обработка от транскрипти на двете вериги на ДНК. tRNA гените са показани в светло зелено.

Изненади на митохондриалния геном

Въпреки факта, че геномите на митохондриите на бозайниците и дрождите съдържат приблизително еднакъв брой гени, размерът на генома на дрождите е 4-5 пъти по-голям - около 80 хиляди базови двойки. Въпреки че кодиращите последователности на mtDNA на дрожди са силно хомоложни на съответните последователности при хора, mRNA на дрождите допълнително имат 5" водеща и 3" некодираща област, както повечето ядрени mRNA. Редица гени също съдържат интрони. По този начин генът на кутията, кодиращ цитохромоксидаза b, има два интрона. Копие на по-голямата част от първия интрон се изрязва от първичния РНК транскрипт автокаталитично (без участието на никакви протеини). Останалата РНК служи като матрица за образуването на ензима матураза, който участва в сплайсинга. Част от неговата аминокиселинна последователност е кодирана в останалите копия на интроните. Матуразата ги изрязва, унищожавайки собствената си иРНК, копия на екзони се зашиват заедно и се образува иРНК за цитохромоксидаза b (фиг. 5). Откриването на този феномен ни принуди да преразгледаме идеята за интроните като „некодиращи последователности“.

Фигура 5.Обработка (съзряване) на иРНК на цитохромоксидаза b в митохондриите на дрожди.
На първия етап на снаждане се образува иРНК, която се използва за синтезиране на матураза,
необходими за втората стъпка на снаждане.

При изследване на експресията на митохондриални гени Trypanosoma bruceiоткриха изненадващо отклонение от една от основните аксиоми на молекулярната биология, която гласи, че последователността на нуклеотидите в иРНК съвпада точно с тази в кодиращите региони на ДНК. Оказа се, че иРНК на една от субединиците на цитохром с оксидазата е редактирана, т.е. след транскрипция първичната му структура се променя - вмъкват се четири урацила. В резултат на това се образува нова иРНК, която служи като матрица за синтеза на допълнителна субединица на ензима, чиято аминокиселинна последователност няма нищо общо с последователността, кодирана от нередактираната иРНК (виж таблицата).

Открито за първи път в митохондриите на трипанозомите, редактирането на РНК е широко разпространено в хлоропластите и митохондриите на висшите растения. Намира се и в соматични клетки на бозайници; например в човешкия чревен епител иРНК на аполипопротеиновия ген е редактиран.

Митохондриите поднесоха най-голямата изненада на учените през 1979 г. Дотогава се смяташе, че генетичният код е универсален и едни и същи триплети кодират едни и същи аминокиселини в бактерии, вируси, гъби, растения и животни. Английският изследовател Бърел сравнява структурата на един от митохондриалните гени на телетата с последователността от аминокиселини в цитохромоксидазната субединица, кодирана от този ген. Оказа се, че генетичният код на митохондриите при говедата (както и при хората) не само се различава от универсалния, той е „идеален“, т.е. се подчинява на следното правило: „ако два кодона имат два идентични нуклеотида, а третият нуклеотид принадлежи към един и същ клас (пурин - A, G или пиримидин - U, C), тогава те кодират една и съща аминокиселина.“ В универсалния код има две изключения от това правило: AUA триплетът кодира изолевцин, а AUG кодонът кодира метионин, докато в идеалния митохондриален код и двата триплета кодират метионин; Триплетът UGG кодира само триптофан, а триплетът UGA кодира стоп кодон. В универсалния код и двете отклонения засягат фундаментални аспекти на протеиновия синтез: AUG кодонът е иницииращият, а стоп кодонът UGA спира синтеза на полипептида. Идеалният код не е присъщ на всички описани митохондрии, но нито една от тях няма универсален код. Можем да кажем, че митохондриите говорят на различни езици, но никога на езика на ядрото.

Както вече споменахме, в митохондриалния геном на гръбначните има 22 tRNA гена. Как такъв непълен набор обслужва всички 60 кодона за аминокиселини (идеалният код от 64 триплета има четири стоп кодона, универсалният код има три)? Факт е, че по време на синтеза на протеини в митохондриите, взаимодействията кодон-антикодон са опростени - два от трите антикодонови нуклеотида се използват за разпознаване. По този начин една тРНК разпознава всичките четири члена на семейство кодони, различаващи се само в третия нуклеотид. Например, левцинова тРНК с GAU антикодон стои на рибозомата срещу кодоните TsU, TsUC, TsUA и Tsug, осигурявайки безпроблемното включване на левцин в полипептидната верига. Два други левцинови кодона, UUA и UUG, се разпознават от tRNA с антикодона AAU. Общо осем различни tRNA молекули разпознават осем семейства от по четири кодона, а 14 tRNA разпознават различни двойки кодони, всяка кодираща една аминокиселина.

Симбиотична теория за произхода на митохондриите

Хипотезата за произхода на митохондриите и растителните пластиди от вътреклетъчни ендосимбионтни бактерии е изразена от R. Altman през 1890 г. През века на бързо развитие на биохимията, цитологията, генетиката и молекулярната биология, които се появяват преди половин век, хипотезата е прерасна в теория, основана на голямо количество фактически материал. Същността му е следната: с появата на фотосинтезиращите бактерии в атмосферата на Земята се натрупва кислород - страничен продукт от техния метаболизъм. С нарастването на концентрацията му животът на анаеробните хетеротрофи става по-сложен и някои от тях преминават от безкислородна ферментация към окислително фосфорилиране, за да получат енергия. Такива аеробни хетеротрофи биха могли с по-голяма ефективност от анаеробните бактерии да разграждат органичните вещества, образувани в резултат на фотосинтезата. Някои от свободно живеещите аероби са уловени от анаероби, но не са „усвоени“, а съхранени като енергийни станции, митохондрии. Митохондриите не трябва да се разглеждат като роби, взети в плен, за да доставят ATP молекули на клетки, които не са способни да дишат. Те са по-скоро „същества“, които още през протерозоя са намерили за себе си и своето потомство най-добрите убежища, където биха могли да изразходват най-малко усилия, без да рискуват да бъдат изядени.

Много факти говорят в полза на симбиотичната теория:

- размерите и формите на митохондриите и свободно живеещите аеробни бактерии съвпадат; и двете съдържат кръгови ДНК молекули, които не са свързани с хистони (за разлика от линейната ядрена ДНК);
По отношение на нуклеотидните последователности, рибозомните и трансферните РНК на митохондриите се различават от ядрените, като същевременно демонстрират изненадващо сходство с подобни молекули на някои аеробни грам-отрицателни еубактерии;
Митохондриалните РНК полимерази, въпреки че са кодирани в клетъчното ядро, се инхибират от рифампицин, подобно на бактериалните, а еукариотните РНК полимерази са нечувствителни към този антибиотик;
Синтезът на протеини в митохондриите и бактериите се потиска от същите антибиотици, които не засягат рибозомите на еукариотите;
Липидният състав на вътрешната мембрана на митохондриите и бактериалната плазмалема е подобен, но е много различен от този на външната мембрана на митохондриите, която е хомоложна на други мембрани на еукариотни клетки;
Кристите, образувани от вътрешната митохондриална мембрана, са еволюционните аналози на мезозомалните мембрани на много прокариоти;
Все още има организми, които имитират междинни форми по пътя към образуването на митохондрии от бактерии (примитивна амеба Пеломиксаняма митохондрии, но винаги съдържа ендосимбиотични бактерии).

Новият геном може да създаде метаболитни пътища, които водят до образуването на полезни продукти, които не могат да бъдат синтезирани от нито един от партньорите самостоятелно. По този начин синтезът на стероидни хормони от клетките на надбъбречната кора е сложна верига от реакции, някои от които протичат в митохондриите, а други в ендоплазмения ретикулум. Чрез улавяне на промитохондриалните гени, ядрото е в състояние надеждно да контролира функциите на симбионта. В ядрото са кодирани всички протеини и липиден синтез на външната мембрана на митохондриите, повечето от протеините на матрицата и вътрешната мембрана на органелите. Най-важното е, че ядрото кодира ензими за репликация, транскрипция и транслация на mtDNA, като по този начин контролира растежа и възпроизводството на митохондриите. Скоростта на растеж на партньорите за симбиоза трябва да бъде приблизително еднаква. Ако гостоприемникът расте по-бързо, тогава с всяко поколение броят на симбионтите на индивид ще намалява и в крайна сметка ще се появят потомци без митохондрии. Знаем, че всяка клетка на полово възпроизвеждащ се организъм съдържа много митохондрии, които репликират своята ДНК между отделите на гостоприемника. Това гарантира, че всяка от дъщерните клетки получава поне едно копие от митохондриалния геном.

Цитоплазмено наследство

В допълнение към кодирането на ключовите компоненти на дихателната верига и собствения си апарат за синтез на протеини, митохондриалният геном в някои случаи участва във формирането на някои морфологични и физиологични характеристики. Тези признаци включват синдром на NCS (нехромозомна ивица, нехромозомно кодирано листно петно) и цитоплазмен мъжки стерилитет (CMS), характерни за редица видове висши растения, което води до нарушаване на нормалното развитие на цветен прашец. Проявата на двата признака се дължи на промени в структурата на mtDNA. В CMS се наблюдават пренареждания на митохондриални геноми в резултат на събития на рекомбинация, водещи до делеции, дублирания, инверсии или вмъквания на определени нуклеотидни последователности или цели гени. Такива промени могат да причинят не само увреждане на съществуващите гени, но и появата на нови работещи гени.

Цитоплазменото наследство, за разлика от ядреното, не се подчинява на законите на Мендел. Това се дължи на факта, че при висшите животни и растения гаметите от различни полове съдържат различни количества митохондрии. И така, в едно яйце на мишка има 90 хиляди митохондрии, но в спермата има само четири. Очевидно е, че в оплодената яйцеклетка митохондриите са предимно или само от женския индивид, т.е. Унаследяването на всички митохондриални гени е по майчина линия. Генетичният анализ на цитоплазменото наследство е труден поради ядрено-цитоплазмени взаимодействия. В случай на цитоплазмен мъжки стерилитет, мутантният митохондриален геном взаимодейства с определени ядрени гени, чиито рецесивни алели са необходими за развитието на признака. Доминиращите алели на тези гени, както в хомо-, така и в хетерозиготни състояния, възстановяват плодовитостта на растенията, независимо от състоянието на митохондриалния геном.

Някои мутации в митохондриалната ДНК или в ядрените гени, които контролират митохондриите, са свързани с някои наследствени заболявания и стареенето на човека. Натрупват се данни за участието на дефекти в mtDNA в канцерогенезата. Следователно митохондриите могат да бъдат мишена за химиотерапия на рак. Има факти за тясното взаимодействие на ядрения и митохондриалния геном в развитието на редица човешки патологии. Множество делеции на mtDNA са открити при пациенти с тежка мускулна слабост, атаксия, глухота и умствена изостаналост, унаследени по автозомно-доминантен начин. Установен е полов диморфизъм в клиничните прояви на ИБС, който най-вероятно се дължи на майчиния ефект - цитоплазмено унаследяване. Развитието на генната терапия дава надежда за коригиране на дефекти в митохондриалните геноми в обозримо бъдеще.

Тази работа беше подкрепена от Руската фондация за фундаментални изследвания. Проект 01-04-48971.
Авторът изказва благодарност на студента М. К. Иванов, който създаде рисунките за статията.

Литература

1. Янковски Н.К., Боринская С.А.Нашата история, записана в ДНК // Nature. 2001. № 6. С.10-18.

2. Минченко А.Г., Дударева Н.А.Митохондриален геном. Новосибирск, 1990 г.

3. Гвоздев В.А.// Сорос. образование списание 1999. № 10. С.11-17.

4. Маргелис Л.Ролята на симбиозата в клетъчната еволюция. М., 1983.

5. Скулачев В.П.// Сорос. образование списание 1998. № 8. С.2-7.

6. Игамбердиев А.У.// Сорос. образование списание 2000. № 1. С.32-36.

Какво е ДНК?

Дезоксирибонуклеиновата киселина (ДНК) на клетките осигурява съхранение, предаване от поколение на поколение и изпълнение на генетичната програма за развитието и функционирането на организма.

ДНК се намира в клетъчното ядро като част от хромозомите. Всеки човек има 46 сдвоени хромозоми: първият комплект (22 хромозоми) получаваме от единия родител, вторият от другия. 44 от 46 хромозоми не зависят от пола, а две го определят: XY при мъжете или XX при жените. Общо всеки човек има 120 милиарда мили ДНК.

Възпроизвеждането на клетките става чрез репликация на ДНК. В същото време тя се развива в две вериги на РНК. Те се разминават и образуват репликационна вилка. След това всяка РНК верига се превръща в шаблон, върху който се изгражда подобна верига. В резултат се образуват две нови двуверижни ДНК молекули, идентични на родителската молекула.

Носителите на наследствената информация при човека са гените. Всеки ген е част от ДНК молекула, която носи информация за специфичен протеин. Пълният набор от човешки гени (генотип) е отговорен за функционирането на тялото, неговия растеж и развитие. Комбинацията от много гени определя уникалността на всеки човек.

Митохондриална ДНК

ДНК се съхранява не само в ядрото на клетките, но и в тяхната цитоплазма, по-точно в митохондриите. Това са специални клетъчни структури (органели), отговорни за образуването на енергия - енергийните станции на тялото.

Митохондриите участват и в много други клетъчни процеси: клетъчна диференциация, апоптоза (програмирана клетъчна смърт), контрол на клетъчния цикъл и растеж.

За да протичат такива жизненоважни процеси безпроблемно, митохондриите съдържат свой собствен геном, представен от кръгова ДНК молекула, състояща се от 37 гена. Всяка митохондрия съдържа няколко копия от своя геном, а всяка клетка съдържа няколко дузини митохондрии.

Наследяване на ДНК от родители

Ядрената и митохондриалната ДНК се унаследяват по различен начин. Всяко дете получава двоен „комплект“ ядрена ДНК: едната от мама, другата от татко. Ето защо децата са толкова подобни на родителите си.

Митохондриалните гени се предават на потомството САМО ОТ МАЙКАТА. Това се дължи на факта, че децата получават цялата цитоплазма с митохондриите, които съдържа, заедно с яйцеклетката, докато в спермата практически няма цитоплазма. Поради тази причина една жена с митохондриално заболяване го предава на всичките си деца, но мъжът с болестта не го предава.

Редица мутации в митохондриалния геном могат да бъдат наследени от майка на дете и допълнително умножени чрез разделяне на митохондриите, съдържащи мутантна ДНК.

Митохондриални заболявания

Обикновено всички митохондрии в една клетка имат едно и също копие на ДНК (хомоплазма). Въпреки това, митохондриалният геном се характеризира с изразена нестабилност: в него често се появяват мутации.

Нормалните митохондрии и тези с нарушена функция (хетероплазмия) могат да съществуват едновременно в една клетка. Благодарение на първото клетката изпълнява своите функции. Ако производството на енергия в него падне под определен праг, настъпва компенсаторна пролиферация (увеличаване на органелата и повишаване на нейната функция) на всички митохондрии, включително дефектните. Следователно, в началото на заболяването мутациите може да нямат никакви външни прояви.

Идва обаче момент, когато компенсаторните механизми се провалят и болестта се проявява. Естествено, в този случай клетките, които консумират много енергия, са в по-лошо положение: мускулни влакна, кардиомиоцити, неврони. Митохондриалните заболявания засягат предимно мускулната и нервната система и обикновено се характеризират с късно начало на клиничните прояви.

Характерни признаци на митохондриални мутации са:

Ниска толерантност към физическо натоварване, хипотония, проксимална миопатия, включително лицеви и фарингеални мускули, офталмопареза, птоза;
- нарушения на сърдечния ритъм, хипертрофична кардиомиопатия;
- оптична атрофия, пигментна ретинопатия, миоклонус, деменция, инсулт-подобни епизоди, психични разстройства;
- аксонална невропатия, нарушения на двигателната функция на стомашно-чревния тракт;
- диабет, хипопаратироидизъм, нарушена екзокринна функция на панкреаса, нисък ръст.

Митохондриалните мутации също причиняват нефротичен синдром по време на бременност и внезапна детска смърт.

Заболявания, причинени от генетични дефекти в митохондриите, се срещат при един на 200 души. В Съединените щати годишно се раждат от 1 до 4 хиляди деца с тази патология, а при повече от 4 хиляди се развива при навършване на 10-годишна възраст.

Установена е и реорганизация на митохондриалния геном при стареене на организма и злокачествена дегенерация на тъканите.

Всички тези проблеми, както и възможностите за прогнозиране и лечение на заболявания, свързани с аномалии на митохондриалния геном, са обект на изследване на "митохондриалната медицина". Образуван като самостоятелно направление в края на 20 век, днес той представлява най-интензивно развиващата се област на изследване на генетиката на клетъчните органели.

Диагностика на митохондриални заболявания

Следните лабораторни признаци са характерни за митохондриалните заболявания:

Наличие на ацидоза;
- повишени нива на лактат и пируват в кръвта;
- хиперкетонемия;
- хиперамонемия;
- повишаване на концентрацията на ацетоацетат и 3-хидроксибутират;
- повишено съдържание на аминокиселини в кръвта и урината (аланин, глутамин, глутаминова киселина, валин, левцин, изолевцин);
- повишени нива на мастни киселини в кръвта;
- свръхекскреция на органични киселини в урината;
- намаляване на нивото на карнитин в кръвта;
- повишаване на съдържанието на миоглобин в биологичните течности;
- намалена активност на митохондриалните ензими в миоцитите и фибробластите.

Въпреки това, за идентифициране на митохондриална дисфункция не са достатъчни рутинни биохимични методи за изследване: анализ на ензимната активност в биопсии на скелетните мускули, определяне на активността на ензимите на дихателната верига (цитрат синтетаза, сукцинат дехидрогеназа и цитохром С оксидаза); .

Важна информация може да бъде получена чрез едновременно изследване на материала с помощта на светлинна и електронна микроскопия. Маркери на митохондриални заболявания са: феноменът на "разкъсани" червени влакна, рязко увеличаване на размера на митохондриите, локална некроза на мускулни влакна и др.

Извършват се и генетични тестове за проверка на митохондриални ДНК мутации.

Иновативни методи на лечение

Лечението на заболявания, причинени от мутации на различни гени, в момента представлява определени трудности. Учените от Калифорнийския университет в Лос Анджелис обаче бяха първите, които намериха универсален начин за коригиране на мутациите в човешката митохондриална ДНК с помощта на РНК молекули.

Geng Wang, изследовател в Центъра за регенеративна медицина и изследване на стволови клетки, е разработил метод за доставяне в митохондриите на специфични ядрени РНК молекули, необходими за възстановяване на мутациите в митохондриалните гени.

В експерименти върху модели на митохондриални заболявания в две различни клетъчни линии учените успяха да доставят много различни РНК молекули в митохондриите, където успешно коригираха нарушенията и възстановиха нормалните нива на производство на енергия.

Методът може да се превърне в иновативна технология за лечение на митохондриални генетични заболявания. Все още обаче е в процес на разработка.

Ембрион от трима родители

Ако бъдещата майка има митохондриални мутации, те могат да бъдат предадени на потомството заедно с цитоплазмата на яйцеклетката.

Предаването на митохондриални мутации може да бъде предотвратено чрез замяна на цитоплазмата на яйцеклетката на носител на мутация с цитоплазмата на здрава донорска яйцеклетка. Това може да стане както преди инвитро оплождането, така и през първите дни след него. Така оплодената яйцеклетка ще съдържа генетичния материал не на двама, а на трима души: ядрената ДНК на бащата, ядрената ДНК на майката и митохондриалната ДНК на донора на цитоплазмата на яйцеклетката.

В момента изследванията с ембриони, получени от зародишни клетки на трима родители, активно се провеждат във Великобритания и се планират в САЩ.

Бъдете щастливи и здрави!

Винаги с вас,

ДНК в митохондриите е представена от циклични молекули, които не образуват връзки с хистони; в това отношение те приличат на бактериални хромозоми.
При хората митохондриалната ДНК съдържа 16,5 хиляди bp, тя е напълно дешифрирана. Установено е, че митохондриалната ДНК на различни обекти е много хомогенна; тяхната разлика е само в размера на интроните и нетранскрибираните области. Цялата митохондриална ДНК е представена от множество копия, събрани в групи или клъстери. Така една митохондрия на черен дроб на плъх може да съдържа от 1 до 50 циклични ДНК молекули. Общото количество митохондриална ДНК на клетка е около един процент. Синтезът на митохондриална ДНК не е свързан със синтеза на ДНК в ядрото. Точно както при бактериите, митохондриалната ДНК се събира в отделна зона - нуклеоид, размерът му е около 0,4 микрона в диаметър. Дългите митохондрии могат да имат от 1 до 10 нуклеоида. Когато дълга митохондрия се дели, от нея се отделя участък, съдържащ нуклеоид (подобно на бинарното делене на бактерии). Количеството ДНК в отделните митохондриални нуклеоиди може да варира до 10 пъти в зависимост от типа клетка. Когато митохондриите се сливат, техните вътрешни компоненти могат да се обменят.
РРНК и рибозомите на митохондриите са рязко различни от тези в цитоплазмата. Ако в цитоплазмата се намират 80s рибозоми, тогава рибозомите на митохондриите на растителните клетки принадлежат към 70s рибозоми (състоят се от 30s и 50s субединици, съдържат 16s и 23s РНК, характерни за прокариотните клетки), а по-малки рибозоми (около 50s) се намират в митохондриите на животинските клетки. В митоплазмата протеиновият синтез се осъществява върху рибозомите. Той спира, за разлика от синтеза върху цитоплазмените рибозоми, под действието на антибиотика хлорамфеникол, който потиска протеиновия синтез в бактериите.
Върху митохондриалния геном се синтезират и трансферни РНК; синтезират се общо 22 тРНК. Триплетният код на митохондриалната синтетична система е различен от този, използван в хиалоплазмата. Въпреки наличието на привидно всички компоненти, необходими за синтеза на протеини, малките митохондриални ДНК молекули не могат да кодират всички митохондриални протеини, а само малка част от тях. Така че ДНК е с размер 15 хиляди bp. може да кодира протеини с общо молекулно тегло около 6x105. В същото време общото молекулно тегло на протеините на частица от пълния респираторен ансамбъл на митохондриите достига стойност от около 2x106.

Ориз. Относителни размери на митохондриите в различни организми.

Интересно е да се наблюдава съдбата на митохондриите в клетките на дрождите. При аеробни условия клетките на дрождите имат типични митохондрии с ясно дефинирани кристи. Когато клетките се прехвърлят в анаеробни условия (например, когато се субкултивират или когато се прехвърлят в азотна атмосфера), типичните митохондрии не се откриват в тяхната цитоплазма и вместо това се виждат малки мембранни везикули. Оказа се, че при анаеробни условия клетките на дрождите не съдържат пълна дихателна верига (липсват цитохроми b и a). Когато културата се аерира, има бърза индукция на биосинтеза на респираторни ензими, рязко увеличаване на консумацията на кислород и нормални митохондрии се появяват в цитоплазмата.
Заселване на хората на Земята

Гените, останали по време на еволюцията в „енергийните станции на клетката“, помагат да се избегнат проблеми с управлението: ако нещо се счупи в митохондриите, то може да го поправи само, без да чака разрешение от „центъра“.

Нашите клетки получават енергия с помощта на специални органели, наречени митохондрии, които често се наричат енергийни станции на клетката. Външно изглеждат като резервоари с двойна стена, а вътрешната стена е много неравна, с множество силни вдлъбнатини.

Клетка с ядро (оцветено в синьо) и митохондрии (оцветено в червено). (Снимка от NICHD/Flickr.com)

Митохондриите в разрез, израстъците на вътрешната мембрана се виждат като надлъжни вътрешни ивици. (Снимка от Visuals Unlimited/Corbis.)

В митохондриите протичат огромен брой биохимични реакции, по време на които "хранителните" молекули постепенно се окисляват и разпадат, а енергията на техните химични връзки се съхранява в удобна за клетката форма. Но освен това тези „енергийни станции“ имат своя собствена ДНК с гени, която се обслужва от техните собствени молекулярни машини, които осигуряват синтез на РНК, последван от синтез на протеини.

Смята се, че митохондриите в много далечното минало са били независими бактерии, които са били изядени от някои други едноклетъчни същества (най-вероятно археи). Но един ден „хищниците“ внезапно спряха да усвояват погълнатите протомитохондрии, задържайки ги в себе си. Започна дълго триене на симбионтите един с друг; в резултат на това тези, които са били погълнати, значително са опростили структурата си и са се превърнали в вътреклетъчни органели, а техните „гостоприемници“ са били в състояние, благодарение на по-ефективната енергия, да се развият допълнително във все по-сложни форми на живот, до растения и животни.

Фактът, че митохондриите някога са били независими, се доказва от останките от техния генетичен апарат. Разбира се, ако живеете вътре с всичко готово, необходимостта да съдържате собствените си гени изчезва: ДНК на съвременните митохондрии в човешките клетки съдържа само 37 гена - срещу 20-25 хиляди от тези, съдържащи се в ядрената ДНК. В продължение на милиони години на еволюция много от митохондриалните гени са се преместили в клетъчното ядро: протеините, които те кодират, се синтезират в цитоплазмата и след това се транспортират до митохондриите. Но веднага възниква въпросът: защо 37 гена все още са останали там, където са били?

Митохондриите, повтаряме, присъстват във всички еукариотни организми, тоест в животни, растения, гъби и протозои. Иън Джонстън ( Иън Джонстън) от университета в Бирмингам и Бен Уилямс ( Бен П. Уилямс) от института Whitehead анализира повече от 2000 митохондриални генома, взети от различни еукариоти. Използвайки специален математически модел, изследователите успяха да разберат кои гени е по-вероятно да останат в митохондриите по време на еволюцията.