Роль материнского генома в развитии потомка
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
