Роль материнского генома в развитии потомка
| | | | |размера |
Относительное количество ДНК органелл в некоторых клетках и тканях
|Организм |Ткань или |Число мол-л |Число |Доля ДНК |
| |тип клеток |ДНК/органел-|орга- |орга-нелл во |
| | | |нелл в |всей |
| | |лу |клетке |ДНК клетки, % |
|Мит | Крыса |Печень |5-10 |1000 |1 |
|охон| | | | | |
| | | | | | |
|дриа| | | | | |
| | | | | | |
|льн | | | | | |
|ая | | | | | |
|Д | | | | | |
|Н | | | | | |
|К | | | | | |
| | | | | | |
| |Мышь |Клетки линии L |5-10 |100 |<1 |
| |Лягушка |Яйцеклетка |5-10 |107 |99 |
| |Дрожжи |Вегетативные |2-50 |2-50 |15 |
| | |диплоидные клетки| | | |
|Д | | | | | |
|Н |Chlamydomonas |Вегетативные |80 |2 |7 |
|К | |диплоидные клетки| | | |
|Хлор| | | | | |
| | | | | | |
|опла| | | | | |
| | | | | | |
|стов| | | | | |
| |Кукуруза |Листья |20-40 |20-40 |15 |
Функционирование митохондриального генома
Что же особенного в механизмах репликации и транскрипции ДНК
митохондрий млекопитающих?
У большинства животных комплементарные цепи в мтДНК значительно
различаются по удельной плотности, поскольку содержат неодинаковое количе-
ство “тяжелых” пуриновых и “легких” пиримидиновых нуклеотидов. Так они и
называются — H (heavy — тяжелая) и L (light — легкая) цепь. В начале репли-
кации молекулы мтДНК образуется так называемая D-петля (от англ. Displace-
ment loop — петля смещения). Эта структура, видимая в электронный микро-
скоп, состоит из двуцепочечного и одноцепочечного (отодвинутой части Н-
цепи) участков. Двуцепочечный участок формируется частью L-цепи и компле-
ментарным ей вновь синтезированным фрагментом ДНК длиной 450—650 (в
зависимости от вида организма) нуклеотидов, имеющим на 5'-конце рибонук-
леотидную затравку, которая соответствует точке начала синтеза Н-цепи
(oriH). Синтез L-цепи начинается лишь тогда, когда дочерняя Н-цепь доходит
до точки ori L. Это обусловлено тем, что область инициации репликации L-
цепи доступ-на для ферментов синтеза ДНК лишь в одноцепочечном состоянии, а
следовате-льно, только в расплетенной двойной спирали при синтезе Н-цепи.
Таким обра-зом, дочерние цепи мтДНК синтезируются непрерывно и асинхронно
(рис.3).
Рис 3. Схема репликации мтДНК млекопитающих. Сначала формируется D-петля,
затем синтезируется дочерняя Н-цепь, потом начинается синтез дочерней L-
цепи.
В митохондриях общее число молекул с D-петлей значительно превыша-ет
число полностью реплицирующихся молекул. Обусловлено это тем, что у D-петли
есть дополнительные функции — прикрепление мтДНК к внутренней ме-мбране и
инициация транскрипции, поскольку в этом районе локализованы промоторы
транскрипции обеих цепей ДНК. В отличие от большинства эв-кариотических
генов, которые транскрибируются независимо друг от друга, ка-ждая из цепей
мтДНК млекопитающих переписывается с образованием одной молекулы РНК,
начинающейся в районе ori H. Помимо этих двух длинных мо-лекул РНК,
комплементарных Н- и L-цепям, формируются и более короткие участки Н-цепи,
которые начинаются в той же точке и заканчиваются на 3'-кон-це гена 16S
рРНК (рис.4). Таких коротких транскриптов в 10 раз больше, чем длинных. В
результате созревания (процессинга) из них образуются 12S рРНК и 16S рРНК,
участвующие в формировании митохондриальных рибосом, а так-же
фенилаланиновая и валиновая тРНК. Из длинных транскриптов вырезаются
остальные тРНК и образуются транслируемые мРНК, к 3'-концам которых при-
соединяются полиадениловые последовательности. 5'-концы этих мРНК не кэ-
пируются, что необычно для эвкариот. Сплайсинга (сращивания) не происхо-
дит, поскольку ни один из митохондриальных генов млекопитающих не содер-жит
интронов.
|ND1—ND6, ND4L — гены субъединиц |
|НAД-H-дегидрогеназного комплекса; |
|СОI—COIII — гены субъединиц |
|цитохром-с-оксидазы; ATP6, ATP8 — гены |
|субъединиц AТФ-синтетазы Cyt b — ген |
|цитохрома b. |
Рис 4. Транскрипция мтДНК человека, содержащей 37 генов. Все
транскрипты начинают синтезироваться в районе ori H. Рибосомные РНК
вырезаются из длинного и короткого транскриптов Н-цепи. тРНК и мРНК
образуются в результате процессинга из транскриптов обеих цепей ДНК. Гены
тРНК обозначены светло-зеленым цветом.
Хотите узнать какие еще сюрпризы способен преподнести митохон-
дриальный геном? Отлично! Читаем дальше!..
Несмотря на то, что в геномах митохондрий млекопитающих и дрожжей
содержится приблизительно одинаковое количество генов, размеры дрожжево-го
генома в 4-5 раз больше — около 80 тыс. пар нуклеотидов. Хотя кодирую-щие
последовательности мтДНК дрожжей высоко гомологичны соответствую-щим
последовательностям у человека, дрожжевые мРНК дополнительно имеют 5'-
лидерную и 3'-некодирующую области, как и большинство ядерных мРНК. Ряд
генов содержит еще и интроны. Так, в гене box, кодирующем цитохром-оксидазу
b, имеется два интрона. Из первичного РНК-транскрипта автокатали-тически
(без участия каких-либо белков) вырезается копия большей части пер-вого
интрона. Оставшаяся РНК служит матрицей для образования фермента ма-туразы,
участвующей в сплайсинге. Часть ее аминокислотной последовательно-сти
закодирована в оставшихся копиях интронов. Матураза вырезает их, разру-шая
свою собственную мРНК, копии экзонов сшиваются, и образуется мРНК для
цитохромоксидазы b (рис.5). Открытие такого феномена заставило пере-
смотреть представление об интронах, как о “ничего не кодирующих последова-
тельностях”.
Рис 5. Процессинг (созревание) мРНК цитохромоксидазы b в митохондриях
дрожжей. На первом этапе сплайсинга образуется мРНК, по которой
синтезируется матураза, необходимая для второго этапа сплайсинга.
При изучении экспрессии митохон-дриальных генов Trypanosoma brucei
обнаружилось удивительное отклонение от одной из основных аксиом
молекулярной биологии, гласящей, что после-довательность нуклеотидов в мРНК
в точности соответствует таковой в коди-рующих участках ДНК. Оказалось,
мРНК одной из субъединиц цитохром-с-оксидазы редактируется, т.е. после
транскрипции изменяется ее первичная структура — вставляется четыре
урацила. В результате образуется новая мРНК, служащая матрицей для синтеза
дополнительной субъединицы фермента, пос-ледовательность аминокислот в
которой не имеет ничего общего с последова-тельностью, кодируемой
нередактированной мРНК (см. таблицу).
Происходит это за счет сдвига рамки считыва-ния на число нуклеотидов, не
кратное размеру триплета (в данном случае на четыре). Новая белковая
субъединица, необходимая для работы фермента, об-разуется в митохондриях
паразита только тогда, когда он попадает в организм холоднокровной мухи и
нуждается в окислительном фосфорилировании для получения большого
количества молекул АТФ. Если трипаносома живет в ор-ганизме теплокровных
млекопитающих, ей достаточно АТФ, образующейся в процессе гликолиза.
Впервые обнаруженное в митохондриях трипаносомы ре-дактирование РНК широко
распространено в хлоропластах и митохондриях вы-сших растений. Найдено оно
и в соматических клетках млекопитающих, напри-мер, в кишечном эпителии
человека редактируется мРНК гена аполипопротеина.
Наибольший сюрприз ученым митохондрии преподнесли в 1979 г. До то-го
времени считалось, что генетический код универсален и одни и те же трип-
леты кодируют одинаковые аминокислоты у бактерий, вирусов, грибов, расте-
ний и животных. Английский исследователь Беррел сопоставил структуру од-
