Роль материнского генома в развитии потомка
ного из митохондриальных генов теленка с последовательностью аминокислот в
кодируемой этим геном субъединице цитохромоксидазы. Оказалось, что гене-
тический код митохондрий крупного рогатого скота (как и человека) не просто
отличается от универсального, он “идеален”, т.е. подчиняется следующему пра-
вилу: “если два кодона имеют два одинаковых нуклеотида, а третьи нуклеоти-
ды принадлежат к одному классу (пуриновых — А, Г, или пиримидиновых — У,
Ц), то они кодируют одну и ту же аминокислоту”. В универсальном коде есть
два исключения из этого правила: триплет АУА кодирует изолейцин, а кодон
АУГ — метионин, в то время как в идеальном коде митохондрий оба эти трип-
лета кодируют метионин; триплет УГГ кодирует лишь триптофан, а триплет УГА
— стоп-кодон. В универсальном коде оба отклонения касаются прин-ципиальных
моментов синтеза белка: кодон АУГ — инициирующий, а стоп-кодон УГА
останавливает синтез полипептида. Идеальный код присущ не всем описанным
митохондриям, но ни у одной из них нет универсального кода. Мож-но сказать,
что митохондрии говорят на разных языках, но никогда — на языке ядра.
Различия между “универсальным” генетическим кодом и двумя
митохондриальными кодами
|Кодон |Митохондриальный |Митохондриальный |“Универсальный”|
| |код млекопитающих |код дрожжей | |
| | | |код |
|UGA |Trp |Trp |Stop |
|AUA |Met |Met |Ile |
|CUA |Leu |Thr |Leu |
|AGA |Cmon |Arg |Arg |
|AGG | | | |
Как уже говорилось, в митохондриальном геноме позвоночных есть 22 ге-
на тРНК. Каким же образом такой неполный набор обслуживает все 60 кодонов
для аминокислот (в идеальном коде из 64 триплетов четыре стоп-кодона, в уни-
версальном — три)? Дело в том, что при синтезе белка в митохондриях упроще-
ны кодон-антикодонные взаимодействия — для узнавания используется два из
трех нуклеотидов антикодона. Таким образом, одна тРНК узнает все четыре
представителя кодонового семейства, отличающиеся только третьим нуклеоти-
дом. Например, лейциновая тРНК с антикодоном ГАУ встает на рибосоме на-
против кодонов ЦУУ, ЦУЦ, ЦУА и ЦУГ, обеспечивая безошибочное включе-ние
лейцина в полипептидную цепь. Два других лейциновых кодона УУА и УУГ
узнаются тРНК с антикодоном ААУ. В целом, восемь разных молекул тРНК узнают
восемь семейств по четыре кодона в каждом, и 14 тРНК узнают разные пары
кодонов, каждая из которых шифрует одну аминокислоту.
Важно, что ферменты аминоацил-тРНК-синтетазы, ответственные за при-
соединение аминокислот к соответствующим тРНК митохондрий, кодируются в
ядре клетки и синтезируются на рибосомах эндоплазматической сети. Таким
образом, у позвоночных животных все белковые компоненты митохондриаль-ного
синтеза полипептидов зашифрованы в ядре. При этом синтез белков в ми-
тохондриях не подавляется циклогексимидом, блокирующим работу эвкариоти-
ческих рибосом, но чувствителен к антибиотикам эритромицину и хлорамфени-
колу, ингибирующим белковый синтез в бактериях. Этот факт служит одним из
аргументов в пользу происхождения митохондрий из аэробных бактерий при
симбиотическом образовании эвкариотических клеток.
Значение наличия собственной генетической системы для митохондрий
Почему митохондриям необходима собственная генетическая система, тогда как
другие органеллы, например пероксисомы и лизосомы ее не имеют? Этот вопрос
совсем не тривиален, так как поддержание отдельной генетической сис-темы
дорого обходится клетке, если учесть необходимое количество дополни-тельных
генов в ядерном геноме. Здесь должны быть закодированы рибосом-ные белки,
аминоацил-тРНК-синтетазы, ДНК- и РНК-полимеразы, ферменты процессинга и
модификации РНК и т. д. Большинство изученных белков из митохондрий
отличаются по аминокислотной последовательности от своих аналогов из других
частей клетки, и есть основание полагать, что в этих органе-ллах очень мало
таких белков, которые могли бы встретиться еще где-нибудь. Это означает,
что только для поддержания генетической системы митохондрий в ядерном
геноме должно быть несколько десятков дополнительных генов.При-чины такого
“расточительства” неясны, и надежда на то, что разгадка будет найдена в
нуклеотидной последовательности митохондриальной ДНК, не опра-вдалась.
Трудно представить себе, почему образующиеся в митохондриях бел-ки должны
непременно синтезироваться именно там, а не в цитозоле.
Обычно существование генетической системы в энергетических органеллах
объясняют тем, что некоторые из синтезируемых внутри органеллы белков
слишком гидрофобны, чтобы пройти сквозь митохондриальную мембрану из-вне.
Однако изучение АТР-синтетазного комплекса показало, что такое объясне-ние
неправдоподобно. Хотя отдельные белковые субъединицы АТР-синтетазы весьма
консервативны в ходе эволюции, места их синтеза изменяются. В хлоропластах
несколько довольно гидрофильных белков, в том числе четыре из пяти
субъединиц F1-ATPазной части комплекса, образуются на рибосомах внутри
органеллы. Напротив, у гриба Neurospora и в животных клетках весьма
гидрофобный компонент (субъединица 9) мембранной части АТРазы синтези-
руется на рибосомах цитоплазмы и лишь после этого переходит в органеллу.
Различную локализацию генов, кодирующих субъединицы функционально
эквивалентных белков у разных организмов, трудно объяснить с помощью какой
бы то ни было гипотезы, постулирующей определенные эволюционные
преимущества современных генетических систем митохондрий и хлоропластов.
Учитывая все вышесказанное, остается только предположить, что
генетическая система митохондрий представляет собой эволюционный тупик. В
рамках эндо-симбиотической гипотезы это означает, что процесс переноса
генов эндосимбионта в ядерный геном хозяина прекратился раньше, чем был
полностью завершен.
Цитоплазматическая наследственность
Последствия цитоплазматической передачи генов для некоторых животных,
в том числе и для человека, более серьезны, нежели для дрожжей. Две
сливающиеся гаплоидные дрожжевые клетки имеют одинаковую величину и вносят
в образующуюся зиготу одинаковое количество митохондриальной ДНК. Таким
образом, у дрожжей митохондриальный геном наследуется от обоих родителей,
которые вносят равный вклад в генофонд потомства (хотя, спустя несколько
генераций отдельные потомки нередко будут содержать митохондрии только
одного из родительских типов). В отличие от этого у высших животных
яйцеклетка вносит в зиготу больше цитоплазмы чем спермий, а у некоторых
животных спермии могут вообще не вносить цитоплазмы. Поэтому можно думать,
что у высших животных митохондриальный геном будет передаваться только от
одного родителя (а именно по материнской линии); и действительно, это было
подтверждено экспериментами. Оказалось, например, что при скрещивании крыс
двух лабораторных линий с митохондриальной ДНК, слегка различающейся по
пocледовательности нуклеотидов (типы А и В), получается потомство, содержа-
щее митохондриальную ДНК только материнского типа.
Цитоплазматическая наследственность, в отличие от ядерной, не под-
чиняется законам Менделя. Это связано с тем, что у высших животных и расте-
ний гаметы от разных полов содержат несопоставимые количества митохон-дрий.
Так, в яйцеклетке мыши имеется 90 тыс. митохондрий, а в сперматозоиде —
лишь четыре. Очевидно, что в оплодотворенной яйцеклетке митохондрии
преимущественно или только от женской особи, т.е. наследование всех мито-
хондриальных генов материнское. Генетический анализ цитоплазматической
наследственности затруднен из-за ядерно-цитоплазматических взаимодействий.
В случае цитоплазматической мужской стерильности мутантный митохон-
дриальный геном взаимодействует с определенными генами ядра, рецессивные
аллели которых необходимы для развития признака. Доминантные аллели этих
генов как в гомо-, так и в гетерозиготном состоянии восстанавливают фертиль-
ность растений вне зависимости от состояния митохондриального генома.
Хотелось бы остановиться на механизме материнского наследования генов
путем приведения конкретного примера. Для того чтобы окончательно и
бесповоротно понять механизм неменделевского (цитоплазматического)
наследования митохондриальных генов, рассмотрим, что происходит с такими
генами, когда две гаплоидные клетки сливаются, образуя диплоидную зиготу. В
случае когда одна дрожжевая клетка несет мутацию, определяющую
резистентность митохондриального белкового синтеза к хлорамфениколу, а
другая - клетка дикого типа - чувствительна к этому антибиотику: мутантные
гены легко выявить, выращивая дрожжи на среде с глицеролом, использовать
который способны только клетки с интактными митохондриями; поэтому в
