Роль материнского генома в развитии потомка
Роль материнского генома в развитии потомка
Вступление
Со времени обнаружения в митохондриях молекул ДНК прошло четверть ве-ка,
прежде чем ими заинтересовались не только молекулярные биологи и цито-логи,
но и генетики, эволюционисты, а также палеонтологи и криминалисты. Такой
широкий интерес спровоцировала работа А.Уилсона из Калифорнийско-го
университета. В 1987 г. он опубликовал результаты сравнительного анализа
ДНК митохондрий, взятых у 147 представителей разных этносов всех человече-
ских рас, заселяющих пять континентов. По типу, местоположению и количес-
тву индивидуальных мутаций установили, что все митохондриальные ДНК воз-
никли из одной предковой последовательности нуклеотидов путем диверген-ции.
В околонаучной прессе вывод этот интерпретировали крайне упрощенно — все
человечество произошло от одной женщины, названной митохондриаль-ной Евой
(т.к. и дочери и сыновья получают митохондрии только от матери), которая
жила в Северо-Восточной Африке около 200 тыс. лет назад. Еще через 10 лет
удалось расшифровать фрагмент ДНК митохондрий, выделенный из ос-танков
неандертальца, и оценить время существования последнего общего предка
человека и неандертальца в 500 тыс. лет назад.
Сегодня митохондриальная генетика человека интенсивно развивается как в
популяционном, так и в медицинском аспекте. Установлена связь между рядом
тяжелых наследственных заболеваний и дефектами в митохондриальных ДНК.
Генетические изменения, ассоциированные со старением организма, наиболее
выражены в митохондриях. Что же представляет из себя геном митохондрий,
отличающийся у человека и других животных от такового у растений, грибов и
простейших и по размеру, и по форме, и по генетической емкости? Какова
роль, как работает и как возник митохондриальный геном у разных таксонов в
целом и у человека в частности? Об этом и пойдет речь в моем “маленьком и
самом скромном” реферате.
У всех эвкариот — будь это малярийный плазмодий, мельчайший одноклето-
чный паразит, разрушающий эритроциты человека, или сам человек, гигантская
свободноживущая клетка амеба протей, микроскопическая колония дрожжей или
гриб, имеющий многокилометровый мицелий, эфемерные насекомые поде-нки или
тысячелетние секвойи — у всех генетическая информация содержится не только
в хромосомах клеточного ядра, но и в митохондриях — само-воспроизводящихся
полуавтономных органеллах клетки, имеющих собствен-ный геном. В то время
как ядерный геном представляет собой совокупность линейных молекул ДНК
гаплоидного набора хромосом, митохондриальный ге-ном — одну или несколько
кольцевых(редко линейных)молекул ДНК (мтДНК). В исключительных случаях
эвкариотические клетки не содержат митохондрий, например некоторые
паразитирующие в кишечнике анаэробные амебы.
В матриксе митохондрий, кроме ДНК, находятся и собственные рибосомы, по
многим характеристикам отличающиеся от эвкариотических рибосом, рас-
положенных на мембранах эндоплазматической сети. Однако на рибосомах ми-
тохондрий образуется не более 5% от всех белков, входящих в их состав. Буль-
шая часть белков, составляющих структурные и функциональные компоненты
митохондрий, кодируется ядерным геномом, синтезируется на рибосомах эндо-
плазматической сети и транспортируется по ее каналам к месту сборки. Таким
образом, митохондрии — это результат объединенных усилий двух геномов и
двух аппаратов транскрипции и трансляции. Некоторые субъединичные ферме-нты
дыхательной цепи митохондрий состоят из разных полипептидов, часть ко-торых
кодируется ядерным, а часть — митохондриальным геномом. Например, ключевой
фермент окислительного фосфорилирования — цитохром-с-оксидаза у дрожжей
состоит из трех субъединиц, кодируемых и синтезируемых в мито-хондриях, и
четырех, кодируемых в ядре клетки и синтезируемых в цитоплазме. Экспрессией
большинства генов митохондрий управляют определенные гены ядер.
Симбиотическая теория происхождения митохондрий
Гипотезу о происхождении митохондрий и растительных пластид из вну-
триклеточных бактерий-эндосимбионтов высказал Р.Альтман еще в 1890 г. За
век бурного развития биохимии, цитологии, генетики и появившейся полвека
назад молекулярной биологии гипотеза переросла в теорию, основанную на бо-
льшом фактическом материале. Суть ее такова: с появлением фотосинтезирую-
щих бактерий в атмосфере Земли накапливался кислород — побочный продукт их
метаболизма. С ростом его концентрации усложнялась жизнь анаэробных ге-
теротрофов, и часть из них для получения энергии перешла от бескислородного
брожения к окислительному фосфорилированию. Такие аэробные гетеротрофы
могли с бульшим КПД, чем анаэробные бактерии, расщеплять органические ве-
щества, образующиеся в результате фотосинтеза. Часть свободно живущих аэ-
робов была захвачена анаэробами, но не “переварена”, а сохранена в качестве
энергетических станций, митохондрий. Не стоит рассматривать митохондрии как
рабов, взятых в плен, чтобы снабжать молекулами АТФ не способные к ды-ханию
клетки. Они скорее “существа”, еще в протерозое нашедшие для себя и своего
потомства лучшее из убежищ, где можно затрачивать наименьшие уси-лия, не
подвергаясь риску быть съеденными.
В пользу симбиотической теории говорят многочисленные факты:
— совпадают размеры и формы митохондрий и свободно живущих аэробных
бактерий; те и другие содержат кольцевые молекулы ДНК, не связанные с
гистонами (в отличие от линейных ядерных ДНК);
— по нуклеотидным последовательностям рибосомные и транспортные РНК
митохондрий отличаются от ядерных, демонстрируя при этом удивительное
сходство с аналогичными молекулами некоторых аэробных грамотрицательных
эубактерий;
— митохондриальные РНК-полимеразы, хотя и кодируются в ядре клетки,
ингибируются рифампицином, как и бактериальные, а эвкариотические РНК-
полимеразы нечувствительны к этому антибиотику;
— белковый синтез в митохондриях и бактериях подавляется одними и теми же
антибиотиками, не влияющими на рибосомы эвкариот;
— липидный состав внутренней мембраны митохондрий и бактериальной
плазмалеммы сходен, но сильно отличается от такового наружной мембраны
митохондрий, гомологичной другим мембранам эвкариотических клеток;
— кристы, образуемые внутренней митохондриальной мембраной, являются
эволюционными аналогами мезосомных мембран многих прокариот;
— до сих пор сохранились организмы, имитирующие промежуточные формы на пути
к образованию митохондрий из бактерий (примитивная амеба Pelomyxa не имеет
митохондрий, но всегда содержит эндосимбиотические бактерии).
Существует представление, что разные царства эвкариот имели разных
предков и эндосимбиоз бактерий возникал на разных этапах эволюции живых
организмов. Об этом же говорят отличия в строении митохондриальных гено-мов
простейших, грибов, растений и высших животных. Но во всех случаях ос-
новная часть генов из промитохондрий попала в ядро, возможно, с помощью
мобильных генетических элементов. При включении части генома одного из
симбионтов в геном другого интеграция симбионтов становится необратимой.
Новый геном может создавать метаболические пути, приводящие к образова-нию
полезных продуктов, которые не могут быть синтезированы ни одним из
партнеров по отдельности. Так, синтез стероидных гормонов клетками коры
надпочечников представляет собой сложную цепь реакций, часть которых
происходит в митохондриях, а часть — в эндоплазматической сети. Захватив
гены промитохондрий, ядро получило возможность надежно контролировать
функции симбионта. В ядре кодируются все белки и синтез липидов наружной
мембраны митохондрий, большинство белков матрикса и внутренней мембраны
органелл. Самое главное, что ядро кодирует ферменты репликации, транскрип-
ции и трансляции мтДНК, контролируя тем самым рост и размножение мито-
хондрий. Скорость роста партнеров по симбиозу должна быть приблизительно
одинаковой. Если хозяин будет расти быстрее, то с каждым его поколением
число симбионтов, приходящихся на одну особь, будет уменьшаться, и, в конце
концов, появятся потомки, не имеющие митохондрий. Мы знаем, что в каждой
клетке организма, размножающегося половым путем, содержится много мито-
хондрий, реплицирующих свои ДНК в промежутке между делениями хозяина. Это
служит гарантией того, что каждая из дочерних клеток получит по крайней
мере одну копию генома митохондрии.
Роль клеточного ядра в биогенезе митохондрий
У мутантных дрожжей определенного типа имеется обширная делеция в
митохондриальной ДНК, что ведет к полному прекращению белкового синтеза в
митохондриях; в результате эти органеллы не способны выполнять, свою
функцию. Так как при росте на среде с низким содержанием глюкозы такие
мутанты образуют мелкие колонии, их называют цитоплазматическими мутантами
petite.
Хотя у мутантов petite нет митохондриального синтеза белков и поэтому
нормальных митохондрий не образуется, тем не менее такие мутанты содержат
промитохондрии, которые в известной мере сходны с обычными митохондриями,
имеют нормальную наружную мембрану и внутреннюю мeмбрану со слабо
развитыми кристами. В промитохондриях имеются многие ферменты, кодируемые
ядерными генами и синтезируемые на рибосомах цитоплазмы, в том числе ДНК-
и РНК-полимеразы, все ферменты цикла лимонной кислоты и многие белки,
входящие в состав внутренней мембраны. Это наглядно демонстрирует
преобладающую роль ядерного генома в биогенезе митохондрий.
Интересно отметить, что, хотя утраченные фрагменты ДНК составляют от
20 до более чем 99,9% митохондриального генома, общее количество
митохондриальной ДНК у мутантов petite всегда остается на том же уровне,
что и у дикого типа. Это обусловлено еще мало изученным процессом
aмплификации ДНК, в результате которого образуется молекула ДНК, состоящая
из тандемных повторов одного и того же участка и равная по величине
нормальной молекуле. Например, митохондриальная ДНК мутанта petite,
сохранившая 50% нуклеотидной последовательности ДНК дикого типа, будет
состоять из двух повторов, тогда как молекула, сохранившая только 0,1%
генома дикого типа, будет построена из 1000 копий оставшегося фрагмента.
Таким образом, мутанты petite могут быть использованы для получения в
большом количестве определенных участков митохондриальной ДНК, которые,
можно сказать, клонируются самой природой.
Хотя биогенез органелл контролируется главным образом ядерными
генами, сами органеллы тоже, судя по некоторым данным, оказывают какое-то
регулирующее влияние по принципу обратной связи; во всяком случае так
обстоит дело с митохондриями. Если блокировать синтез белка в митохондриях
интактных клеток, то в цитоплазме начинают в избытке образовываться
ферменты участвующие в митохондриальном синтезе ДНК, РНК и белков, как
будто клетка пытается преодолеть воздействие блокирующего агента. Но, хотя
существование какого-то сигнала со стороны митохондрий и не вызывает
сомнений, природа его до сих пор не известна.
По ряду причин механизмы биогенеза митохондрий изучают сейчас в
большинстве случаев на культурах Saccharomyces carlsbergensis (пивные
дрожжи и S. cerevisiae (пекарские дрожжи). Во-первых, при росте на глюкозе
эти дрожжи обнаруживают уникальную способность существовать только за счет
гликолиза, т.е. обходиться без функции митохондрий. Это дает возможность
изучать мутации в митохондриальной и ядерной ДНК, препятствующие развитию
этих органелл. Такие мутации летальны почти у всех других организмов. Во-
вторых, дрожжи - простые одноклеточные эукариоты- легко культивировать и
подвергать биохимическому исследованию. И наконец, дрожжи могут
размножаться как в гаплоидной, так и в диплоидной фазе, обычно бесполым
способом-почкованием (асимметричный митоз). Но у дрожжей встречается и
половой процесс: время от времени две гаплоидные клетки сливаются, образуя
диплоидную зиготу, которая затем либо делится путем митоза, либо
претерпевает мейоз и снова дает гаплоидные клетки. Контролируя в ходе
эксперимента чередование бесполого и полового раз-множения, можно многое
узнать о генах, ответственных за функцию митохондрий. С помощью этих
методов можно, в частности, выяснить, локализованы ли такие гены в ядерной
ДНК или в митохондриальной, так как мутации митохондриальных генов не
наследуются по законам Менделя, которым подчиняется наследование ядерных
генов.
Транспортные системы митохондрий
Большая часть белков, содержащихся в митохондриях и хлоропластах импор-
тируется в эти органеллы из цитозоля. В связи с этим возникают два
вопроса: как клетка направляет белки к надлежащей органелле и каким
образом эти белки проникают в нее?
Частичный ответ был получен при изучении транспорта в строму хлоропласта
малой субъединицы (S) фермента рибулозо-1,5-бисфосфат-карбоксилазы. Если
мРНК, выделенную из цитоплазмы одноклеточной водоросли Chlamydomonas или
из листьев гороха, ввести в качестве матрицы в белоксинтезирующую систему
in vitro, то один из многих образующихся белков будет связываться
специфическим анти-S-антителом. S-белок, синтезируемый in vitro, называют
пpo-S, так как он больше обычного S-белка примерно на 50 аминокислотных
остатков. При инкубации белка пpo-S с интактными хлоропластами он
проникает в органеллы и превращается там под действием пептидазы в S-
белок. Затем S-белок связывается с большой субъединицей рибулозо-1,5-
бисфосфат-карбоксилазы, синтезируемой на рибосомах хлоропласта, и образует
с нею в строме хлоропласта активный фермент.
Механизм переноса S-белка неизвестен. Полагают, что пpo-S связывается с
белком-рецептором, находящимся на наружной мембране хлоропласта или в
месте контакта наружной и внутренней мембран, а затем переносится в строму
через трансмембранные каналы в результате процесса, требующего затраты
энергии.
Сходным образом осуществляется транспорт белков внутрь митохондрий. Если
очищенные митохондрии дрожжей инкубировать с клеточным экстрактом,
содержащим только что синтезированные радиоактивные дрожжевые белки, то
можно наблюдать, что митохондриальные белки, кодируемые ядерным геномом,
отделяются от немитохондриальных белков цитоплазмы и избирательно
включаются в митохондрии-так же, как это происходит в интактной клетке. При
этом белки наружной и внутренней мембран, матрикса и межмембранного
пространства находят свой путь к соответствующему компартменту митохондрии.
Многие из вновь синтезированных белков, предназначенных для внутренней
мембраны, матрикса и межмембранного пространства, имеют на своем N-конце
лидерный пептид, который во время транспортировки отщепляется специфической
протеазой, находящейся в матриксе. Для переноса белков в эти три
митохондриальных компартмента необходима энергия электрохимического
протонного градиента, создаваемого на внутренней мембране. Механизм
переноса белков для наружной мембраны иной: в этом случае не требуется ни
затрат энергии, ни протеолитического расщепления более длинного белка-
предшественника. Эти и другие наблюдения позволяют думать, что все четыре
группы митохондриальных белков транспортируются в органеллу с помощью
следующего механизма: предполагается, что все белки, кроме тех, которые
предназначены для наружной мембраны, включаются во внутреннюю мембрану в
результате процесса, требующего затраты энергии и происходящего в местах
контакта наружной и внутренней мембран. По-видимому, после этого
первоначального включения белка в мембрану он подвергается
протеолитическому расщеплению, которое приводит к изменению его
конформации; в зависимости от того, как изменится конформация, белок либо
закрепляется в мембране, либо «выталкивается» в матрикс или в межмембранное
пространство.
Перенос белков через мембраны митохондрий и хлоропластов в принципе
аналогичен переносу их через мембраны эндоплазматического ретикулума.
Однако здесь есть несколько важных отличий. Во-первых, при транспорте в
матрикс или строму белок проходит как через наружную, так и через
внутреннюю мембрану органеллы, тогда как при переносе в просвет
эндоплазматического ретикулума молекулы проходят только через одну
мембрану. Кроме того, перенос белков в ретикулум осуществляется с помощью
механизма направленного выведения (vectorial discharge)-он начинается
тогда, когда белок еще не полностью сошел с рибосомы (котрансляционный
импорт), а перенос в митохондрии и хлоропласты происходит уже после того,
как синтез белковой молекулы будет полностью завершен (посттрансляционный
импорт).
Несмотря на эти различия, и в том и в другом случае клетка
синтезирует белки-предшественники, содержащие сигнальную
последовательность, которая определяет, к какой мембране направится данный
белок. По-видимому, во многих случаях эта последовательность отщепляется от
молекулы-предшественника после завершения транспортного процесса. Однако
некоторые белки сразу синтезируются в окончательном виде. Полагают, что в
таких случаях сигнальная последовательность заключена в полипептидной цепи
готового белка. Сигнальные последовательности еще плохо изучены, но,
вероятно, должно быть несколько типов таких последовательностей, каждый из
которых определяет перенос белковой молекулы в определенную область клетки.
Например, в растительной клетке некоторые из белков, синтез которых
начинается в цитозоле, транспортируются затем в митохондрии, другие - в
хлоропласты, третьи - в пероксисомы, четвертые - в эндоплазматический
ретикулум. Сложные процессы, приводящие к правильному внутриклеточному
распределению белков, только сейчас становятся понятными.
Помимо нуклеиновых кислот и белков для построения новых митохондрий
нужны липиды. В отличие от хлоропластов митохондрии получают бульшую часть
своих липидов извне. В животных клетках фосфолипиды, синтезированные в
эндоплазматическом ретикулуме, транспортируются к наружной мембране
Страницы: 1, 2, 3
|