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
