Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Генетика митохондрий

1. Формальная генетика митохондрий

В отличие от пластид, митохондрии содержатся у всех эукариот: у растений, животных и грибов. Митохондрии всех трех царств выполняют одну и ту же функцию, и структура у них в целом сходна. Митохондрии представляют собой округлые структуры размером от 1 мкм (рис. 1).

Рис. 1 Электронная микрофотография митохондрий листового мезофилла

Однако, в ряде случаев митохондрии могут быть объединены в достаточно длинную трубчатую изогнутую структуру. Внутреннее содержимое митохондрий называется матрикс. Матрикс содержит тонкие фибриллы и гранулы. Было выяснено, что гранулы -- это митохондриальные рибосомы, отличающиеся по размеру и плотности от рибосом цитоплазмы. Митохондрии, как и другие органеллы, окружены наружной двойной мембраной. Наружная мембрана митохондрий сходна с наружной мембраной пластид, ядра и с мембраной эндоплазматического ретикулума. Внутренняя мембрана митохондрий образует впячивания -- кристы. Именно на поверхности внутренней мембраны расположены все основные ферментные ансамбли, обеспечивающие функции митохондрий. Существуют методы разделения внутренней и внешней мембраны митохондрий. Поскольку наружная мембрана митохондрий менее плотная и необратимо набухает в растворе фосфата, это приводит к ее разрыву и отделению от внутренней. После обработки фосфатом изолированных митохондрий при помощи центрифугирования можно разделить внешние и внутренние мембраны этих органелл. Если посмотреть на них в электронный микроскоп, то они выглядят как прозрачные полые сферы, причем объем сферы, образованной внутренней мембраной, намного выше, чем объем сферы внешней мембраны. Поэтому объемную структуру митохондрий легко представить себе как большой шар, помещенный внутри маленького шара. В этом случае у внутренней мембраны возникнут многочисленные складки, так называемые кристы. Активность процессов, протекающих в митохондриях, непосредственно связана с количеством и размером крист. Чем больше поверхность крист и, следовательно, поверхность внутренней мембраны, тем активнее идут эти процессы. Следовательно, внутренняя мембрана митохондрий изменяется в размерах в зависимости от функционального состояния органелл.

Внутренние и наружные мембраны различаются между собой по плотности (внутренняя более плотная), по проницаемости (внутренняя обладает высокоспецифичной проницаемостью, наружная неспецифичной), разным составом ферментов и разным соотношением белков к липидам.

Внутренняя мембрана митохондрий уникальна по своему строению. Она содержит многокомпонентные комплексы белков-ферментов, которые осуществляют перенос электронов, окислительное фосфолирование, синтез цепи жирных кислот, а также белки, которые регулируют перенос небольших молекул во внутреннюю полость митохондрий.

Митохондрии так же, как и пластиды, никогда не возникают «de novo». Даже у организмов, живущих в анаэробных условиях, структуры, подобные митохондриям, есть. Если, например, выращивать один и тот же штамм дрожжей в аэробных и анаэробных условиях, то в клетках, выросших в анаэробных условиях, изменяется размер митохондрий, но не снижается их количество.

Деление митохондрий так же, как и пластид, осуществляется при помощи амитоза, с образованием гантелевидных фигур и их последующей перешнуровкой.

В некоторых случаях удалось показать синхронность деления митохондрий с ядром клетки и достаточно точное их распределение по дочерним клеткам у некоторых биологических объектов. Так, у инфузорий показана полная синхронность деления митохондрий вместе с ядром клетки. В митотически делящихся клетках растений и делящихся сперматоцитах аскариды было показано, что митохондрии достаточно точно распределяются вдоль веретена деления.

Исторически, почти вся формальная генетика митохондрий была изучена на грибах и, главным образом, на дрожжах. У остальных организмов имеются только отдельные факты связи тех или иных признаков с митохондриями. Жизненный цикл дрожжей представлен на рисунке

Рис. 2 Жизненный цикл Saccharomyces cerevisiae

Дрожжи -- одноклеточный, но многоядерный организм. Значительную часть своей жизни они находятся в гаплофазе и, следовательно, их ядра гаплоидны. Гаплоидные клоны, обладающие противоположными половыми факторами (или типами скрещиваемости), А и а, могут сливаться друг с другом. Гаплоидные клоны с одинаковыми типами скрещиваемости не могут участвовать в оплодотворении. После оплодотворения ядра сливаются и образуются диплоидные клоны. В диплоидных клонах происходит споруляция и мейоз, образуется аск, дающий начало гаплоидным клонам двух противоположных типов скрещиваемости А и а в равных пропорциях. Естественно, что простые менделевские гены будут расщепляться точно так же, как и ген, контролирующий половой фактор, т.е. будут давать расщепление 1:1.

Дрожжи в зиготной фазе являются гетерозиготными и могут размножаться двояко: вегетативным и генеративным путем. При вегетативном размножении они просто делятся, и в образовавшиеся клетки попадает несколько диплоидных ядер. Кроме того, вегетативное размножение может происходить и при помощи почкования. В образовавшихся почках ядра тоже, диплоидные. Естественно, что при вегетативном размножении никакого расщепления ядерных генов не происходит -- гетерозиготы остаются гетерозиготами.

При генеративном размножении происходит мейоз и образуются клетки с гаплоидными ядрами, называемые аскоспорами. Аскоспоры гаплоидны, и расщепление у них происходит на равное количество аскоспор с доминантным и рецессивным аллелями, т.е. 1:1.

Таким образом, если расщепления 1:1 не наблюдается, то это могло бы указывать нам на то, что эти гены, возможно, неменделевские и, следовательно, возможно, цитоплазматические.

Существование внеядерного мутанта у дрожжей впервые продемонстрировал французский исследователь Б. Эффрусси еще в 1949 г. Эти мутанты проявляли дефекты дыхания и слабый рост. Они не содержали некоторые цитохромы. Такие мутанты можно было получить в большом количестве (иногда до 100 %) под действием акридиновых красителей. Но и спонтанно они могут возникать с частотой до 1 %. Эти мутанты получили название «petite », от французского слова «маленький».

При скрещивании этих мутантов с нормальными штаммами все потомство было без исключения нормальным. Хотя по другим генетическим маркерам, таким, как потребность в аденине, тиамине, расщепление по факторам полового типа было нормальным -- 1:1.

Если из первого поколения гибридов случайно выбирать клетки и скрещивать их опять с мутантами petite , все потомство было опять нормальным, правда, иногда появлялись и редкие мутантные выщепенцы с частотой менее 1%. Т.е. они появлялись практически с той же частотой, что и спонтанное возникновение этих мутантов. Можно было опять отбирать эти гибриды и скрещивать с нормальными с тем же результатом. Если исходить из того, что это мутации ядерных генов, то это можно было бы представить, как результат расщепления по 20 независимым локусам. Возникновение мутанта с одновременной мутацией в 20 локусах событие практически невероятное.

Р. Райт и Д. Ледерберг получили убедительные доказательства того, что данные мутанты не являются ядерными. Схема их эксперимента была следующей. При слиянии клеток дрожжей ядра сливаются не сразу, и в этот момент можно отсадить почки, содержащие еще гаплоидные ядра как одного, так и другого родителя. Такие гаплоидные почки спонтанно диплоидизируются (А --> АА; а --> аа). Если один штамм, например, с мутацией petite помечен неспособностью расти на аргинине, а второй -- не petite , помечен неспособностью расти на триптофане, то, отбирая почки у таких гибридов, мы отбираем родительские штаммы по ядерным генам. Что же происходит с цитоплазматическими? В результате эксперимента Р. Райта и Д. Ледерберга было выявлено следующее. Из 91 клона было обнаружено 6 клонов, у которых ядро было такое же, как и у не petite мутанта, а фенотип типичный petite . Следовательно, данный фенотип определяется не ядром, а независимо от него, и данную мутацию можно было назвать неядерной.

В дальнейшем были обнаружены и ядерные мутации petite . Всего таких мутантов было обнаружено около 20. Все они нормально менделировали и потомство аскоспор давало нормальное расщепление 2:2, хотя фенотипически они были очень схожи с цитоплазматическими мутантами. При скрещивании цитоплазматических petite с ядерными было обнаружено, что у зигот появляется способность к нормальному дыханию, а затем происходит расщепление 2: Таким образом, тест на комплементарность доказывал то, что мы имеем дело с мутантами разной локализации. Обнаружение ядерных и цитоплазматических мутантов с нарушенной функцией митохондрий указывало также и на то, что не все функции этих органелл кодируются цитоплазматическими генами. Часть из них кодируют ядерные гены.

В дальнейшем Б. Эффрусси обнаружил еще один такой же фенотип, как petite , но наследование данной мутации происходило другим образом. При скрещивании мутантов petite с нормальными клетками все потомство приобретало свойство медленно расти, а расщепление было 0:4. Первый тип цитоплазматических мутантов, который давал только нормальное потомство, в связи с этим был назван нейтральным, а второй, который давал только мутантное, был назван супрессивным, или доминантным, petite . Супрессивность в данном случае это своего рода доминирование. Но это доминирование особого рода, когда рецессивный аллель не просто скрывается в гетерозиготе, он попросту исчезает совсем. Многочисленные опыты показали, что и супрессивные мутанты petite также являются цитоплазматическими, так как факторы, обуславливающие их появление, не наследуются вместе с ядром.

В дальнейшем молекулярные исследования выявили, что супрессивные мутанты petite в отличие от нейтральных обладают более короткими молекулами митохондриальной ДНК, состоящими практически только из АТ-пар. Вероятнее всего, эффект супрессивности основан на более быстром размножении таких митохондриальных ДНК и вследствие этого вытеснением нормальных митохондриальных ДНК.

Таким образом, в цитоплазматических мутантах типа petite имеют место либо сравнительно небольшие делеции в митохондриальной ДНК (нейтральные мутанты petite ), либо тотальные перестройки митохондриального генома -- (супрессивные мутанты petite ).

Кроме того, были обнаружены мутанты с неполной супрессивностью, т.е. способностью давать определенный процент особей нормального типа 10, 20, 30 и даже около 50 процентов.

Оказалось, что степень супрессивности зависит от воздействий внешней среды -- температуры, субстрата и т.д. Ядерные мутанты не проявляли такой зависимости, что позволило отличать неполно супрессивные цитоплазматические petite от ядерных.

После получения данных о цитоплазматических мутантах устойчивости к антибиотикам у хламидомонады, стали получать мутации устойчивости к антибиотикам и у дрожжей. Целый ряд таких мутантов - также оказался цитоплазматическим. При скрещивании, например, эритромицинчувствительных с эритромицинустойчивыми ERs х ERr , все потомство было эритромицинчувствительным Ers (т.е. таким же, как и дикий тип) и не происходило никакого расщепления. Такой же результат был продемонстрирован и с мутантами устойчивости к другим антибиотикам. Однако, если сразу после образования зиготы отбирать почки, то среди них можно найти и мутантные фенотипы.

При дигибридном скрещивании, т.е. при скрещивании двух цитоплазматических мутантов, чувствительных к разным антибиотикам, например устойчивых к хлорамфениколу, но чувствительных к эритромицину с чувствительными к хлорамфениколу, но устойчивыми к эритромицину CrERs х CsERr , в потомстве преобладал фенотип только одного из родителей -- CrERs . Вместе с тем, при отборе из почек сразу после оплодотворения были обнаружены не только родительские классы фенотипов, но и рекомбинанты: CrERr и CsERs , т.е. чувствительные или устойчивые к обоим антибиотикам. Наличие рекомбинантов впервые показало, что и митохондриальные гены могут рекомбинировать так же, как и ядерные. Вместе с тем, в отличие от экспериментов по рекомбинации пластидных генов у хламидомонады, у дрожжей была обнаружена полярность рекомбинации, т.е. неравное количество рекомбинантных фенотипов в зависимости от направления скрещивания. Полярность рекомбинации была объяснена как наличие специального генетического фактора пола в геноме митохондрий. Этот фактор был обозначен как щ+ и щ-. Родительская форма, имеющий фактор щ+, т.е. женский родитель, обеспечивает преимущественную передачу (более высокую частоту передачи) своих маркеров. При скрещивании однополых по этому митохондриальному фактору родителей полярности рекомбинации не наблюдается и получается равное число рекомбинантов. Сам половой фактор митохондрий наследуется независимо от пола организма.

В действительности имеется ли пол у органелл цитоплазмы -- митохондрий в общепринятом смысле? Можно считать, что имеется, если мы считаем, что у кишечной палочки он есть.

Но главное заключалось в том, что при помощи множества полученных мутаций и обнаружения рекомбинации митохондриальных генов стало возможным их картирование.

В экспериментах по скрещиванию мутаций типа petite с мутациями устойчивости к антибиотикам было выяснено, что, по крайней мере, все супрессивные мутации petite в скрещиваниях утрачивают гены устойчивости к антибиотикам. Как было выяснено, это происходит потому, что супрессивные petite имеют обширные области поражения митохондриальной ДНК, и в этом случае ожидать рекомбинации просто невозможно. При индукции мутаций дыхательной недостаточности у мутантов с устойчивостью к тем или иным антибиотикам оказывалось, что иногда маркеры устойчивости утрачивались. При получении мутантов с дыхательной недостаточностью, используя в качестве исходной формы мутантов с двойной устойчивостью к антибиотикам, у полученных дефектных по дыханию мутантов могли быть потеряны оба маркера устойчивости или только один из них. Это свидетельствовало о том, что мутанты с дыхательной недостаточностью представляют собой ту или иную степень делетирования митохондриальной ДНК, и, следовательно, это также можно было использовать для картирования генома митохондрий.

У нейроспоры в 1952 г. К. Митчелом был обнаружен первый медленно растущий мутант, названный впоследствии MI -1 (сокращение от английского «материнское наследование» -- maternal inheritance ). Наследование этой мутации происходило в зависимости от направления скрещивания, и все потомство было таким же по фенотипу, как и материнская форма. Вероятно, это происходит потому, что при оплодотворении мужская гамета у нейроспоры не привносит цитоплазмы. На связь этой спонтанно возникшей мутации с митохондриями указывало не только материнское наследование и различия в реципрокных скрещиваниях, но и то, что у них отсутствовали цитохромы a и b в системе переноса электронов.

Впоследствии были получены и другие медленно растущие штаммы у нейроспоры, связанные с дыхательной недостаточностью митохондрий. Некоторые из них, например, мутанты MI -3 и MI -4, как оказалось, наследовались так же, как и мутант MI -1, в то время как другая часть, например, мутанты С115 и С117 проявляли обычное менделевское моногибридное наследование. Это напоминает и о других аналогичных случаях, когда фенотип органелл, и хлоропластов, и митохондрий изменяется при возникновении как ядерных, так и цитоплазматических мутаций, что свидетельствует, что и цитоплазматические и ядерные генетические системы совместно контролируют их функции.

В дальнейшем было обнаружено несколько генов супрессоров, введение которых восстанавливало скорость роста у медленно растущих мутантов. Интересно отметить, что каждый из этих супрессоров восстанавливал скорость роста только у одного из мутантов. Например, ген супрессор, названный f , восстанавливал скорость роста у цитоплазматичкого мутанта MI -1, но не у другого цитоплазматического мутанта MI -3 или MI -4, и не у ядерных мутантов С115 и С117 . Аналогичным образом действовали и другие супрессоры. Если через множество поколений путем скрещиваний вывести гены супрессоры из грибов, то мутантный цитоплазматический фенотип снова проявится. Аналогичное взаимодействие ядерных и цитоплазматических генов можно наблюдать и у высших растений, например, при наследовании признака мужской стерильности у многих растений.

При скрещивании ядерных и цитоплазматических медленно растущих мутантов между собой было показано независимое наследование ядерных и цитоплазматических генов.

Например, при скрещивании дикий тип х (MI -1 х С115 ) потомство F 1 (MI -1 х С115 ) было фенотипически однородным -- все особи были медленно растущими, а потомство возвратных или анализирующих скрещиваний дикий тип х (MI -1 х С115 ) уже не содержало мутаций MI -1 и расщеплялось по ядерному гену С-115 в соотношении 1:1.

Скрещивание цитоплазматических мутантов между собой не давало каких-то новых результатов, так как цитоплазматические мутанты, по крайней мере, у нейроспоры при половом воспроизведении демонстрируют строго материнское наследование. Между тем разные цитоплазматические мутанты, хотя и обладали в принципе одинаковым фенотипом -- замедленным ростом -- фенотипические различия между ними все же можно было выявлять, так как они обладали разной степенью замедления этого роста. Однако строгое материнское наследование при половом воспроизведении не позволяло объединить в цитогету (цитоплазматическую гетерозиготу) две цитоплазматические мутации, что делало невозможным рекомбинации цитоплазматических генов и, следовательно, их картирование.

Выход из этого положения был найден при помощи слияния гифов нейроспоры, что позволило соединять в одной клетке различные как ядерные, так и неядерные геномы.

При создании различных цитогет были получены следующие результаты:

MI -1 / дикий тип -- все потомство только дикого типа;

MI -3 / дикий тип -- часть потомства дикого типа, а другая часть растет со скоростью, свойственной мутанту MI -3;

MI -1 / MI -З -- большая часть потомства с фенотипом MI -3 и небольшая часть потомства с фенотипом MI -1;

MI -1 / MI -4 -- первоначально фенотип, свойственный дикому типу, а затем расщепление на фенотипы MI -1 и MI -4.

Таким образом, в последнем случае была обнаружена комплементация цитоплазматических мутаций, что свидетельствует, что эти мутации произошли в разных участках митохондриального генома.

В дальнейшем были получены и другие цитоплазматические мутации нейроспоры. Метод слияния гиф и получения при этом цитогет позволял надеяться на получение различных рекомбинантов и последующего построения генетической карты нейроспоры. Однако этому воспрепятствовало то обстоятельство, что у нейроспоры не было получено большого разнообразия цитоплазматических мутаций такого, как у хламидомонады или дрожжей.

Впоследствии различные нехромосомные мутации, полученные у нейроспоры, исследовали при помощи методов молекулярной биологии, и их удалось связать с митохондриальным геномом.

У другого гриба подоспоры была обнаружена мутация, вызывающая феномен преждевременного старения. У мутантов постепенно снижалась жизнеспособность культуры при пересеве. При реципрокных скрещиваниях был выяснен материнский характер наследования феномена старения. Вместе с тем, материнское наследование было неполным. Передача признака осуществляется как половым путем, так и путем соединения мицелиев. Наличие расщепления, хотя и нерегулярного, указывает на корпускулярную природу наследования признака. Было проведено достаточно много исследований, которые позволили показать, что это неинфекционный агент, а митохондриальный ген. Хотя в настоящее время нет полных молекулярных данных, уже ясно, что это также мутации митохондриального генома. Наличие гена старения в митохондриальном геноме породило массу спекуляций на геронтологические темы, и некоторые медики считают, что старение и у человека связано не только с изменением функций митохондрий, но и с изменением их генома.

Несмотря на спекулятивность идеи о связи геронтологических процессов у человека с изменениями митохондриальной ДНК, новые данные по изучению изменчивости генома митохондрий человека это подтверждают.

Издавна у человека было известно достаточно большое количество заболеваний, наследующихся по материнской линии -- от матери ко всем потомкам. Эти болезни достаточно редко распространены, вероятно, и в силу того, что передаются только женским полом. Кроме того, большие делеционные изменения в митохондриальной ДНК, конечно, чаще всего приводят либо к летальному исходу еще в эмбриональном периоде, либо к нарушению репродукционных функций. В любом случае они эффективно отметаются естественным отбором.

Формальный генетический подход, который был достаточно хорошо применен для исследования цитоплазматических генов у модельных объектов (хламидомонада, дрожжи и др.), не был столь успешным для анализа цитоплазматически наследуемых признаков у человека и поэтому самое большее, что удалось выяснить из анализа родословных, это то, что такие наследственные болезни все же существуют.

Кроме хорошо известного синдрома -- атрофии зрительного нерва (болезнь Лебера или наследственная оптическая невропатия) существуют и другие болезни, наследующиеся по внеядерному типу. Эти болезни связаны, прежде всего, с нарушением функционирования мышц, работы мозга, сердца, эндокринных систем и связаны с недостаточно активной функцией митохондрий в тех или других органах. Существует даже митохондриально обусловленная форма диабета.

Только с помощью молекулярных методов удалось выявить природу этих болезней. Исследование различных семей с болезнью Лебера показало, что в разных случаях имеют место мутации в различных участках митохондриального генома.

Чаще всего семьи с наследственными цитоплазматическими болезнями проявляют гетероплазмию и матери имеют как нормальные, так и мутантные митохондриальные ДНК, в результате чего выщепляются потомки как с мутантным, так и нормальным плазматипом.

Связь между возрастом человека и митохондриальной ДНК также была показана при помощи методов молекулярной биологии. Исследования митохондриальной ДНК у людей различного возраста показали, что у пожилых людей быстро увеличивается процент мутантной митохондриальной ДНК в клетках мозга и сердца. Кроме того, исследования некоторых наследственных синдромов показывают, что обладающие ими пациенты имеют и повышенную частоту мутаций митохондриальной ДНК, что возможно и является причиной сокращения продолжительности жизни.

Кроме мутаций митохондриального генома, приводящих к серьезным патологиям организма, было обнаружено множество, в достаточной степени, нейтральных мутаций митохондриального генома среди различных популяций рас человека. Эти обширные исследования тысяч людей со всех континентов помогают восстанавливать происхождение и эволюцию человека. Сравнивая митохондриальную ДНК человека с ДНК человекообразных обезьян (горилла, орангутанг, шимпанзе) и исходя из того, что дивергенция человека и человекообразных приматов произошла примерно 13 миллионов лет назад, можно рассчитать количество лет, необходимых для изменения одной пары оснований. В дальнейшем, сравнивая дивергенцию митохондриальной ДНК у различных человеческих рас, можно было определить место рождения первой женщины, можно сказать Евы, и время расселения человека по различным континентам (рис. 3).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3 Расселение человека, согласно данным Д. Уоллеса, по анализу изменчивости митохондриальных ДНК. Цифрами обозначено время заселения данной территории в тысячах лет тому назад

Поскольку самая изменчивая митохондриальная ДНК была обнаружены среди аборигенов Африки, то можно предположить, что «праматерью» человеческого рода была африканская женщина. Произошло это приблизительно 100 000 лет тому назад. Приблизительно 70 000 лет тому назад человек начал заселять центральную Азию через Ближний Восток и Саудовскую Аравию, чуть позже Юго-Восточную Азию, Индонезию и Австралию. Около 50 000 лет тому назад люди появились в Европе. Эти же данные показали, что заселение Американского континента происходило в два этапа: сначала 30 000 лет тому назад через Беренгию (существовавшую в то время сушу, связывающую Америку и Азию) с Севера до самого юга Американского континента, а затем 8 000 лет тому назад также из Северо-Восточной Азии на восток Северной Америки. Переселенцы на островах Тихого океана появились сравнительно недавно -- несколько тысяч лет тому назад.

Следует отметить, что эти данные, основанные на сравнительном анализе митохондриальной ДНК, достаточно хорошо согласуются как с археологическими данными, так и с данными лингвистического анализа.

Использование именно митохондриальной ДНК для анализа истории человечества стало возможным потому, что митохондриальный геном имеет сравнительно небольшой размер, наследуется исключительно по материнской линии и в отличие от ядерных генов не рекомбинирует.

Геном митохондрий

Митохондрии содержатся не только в клетках растений, но также и в клетках животных и грибов. Эти органеллы более универсальны, чем пластиды. Впервые ДНК в митохондриях были открыты в 1963 году (М. Наас) сразу же после открытия ДНК в пластидах. Несмотря на сходство функций и структуры митохондрий всех трех царств эукариот, их генетическая организация достаточно сильно различается, поэтому обычно организацию геномов митохондрий у этих царств рассматривают отдельно, выявляя при этом общие черты организации генома.

Физико-химический состав ДНК митохондрий у различных царств различен. У растений он довольно постоянен: от 45 до 47 % ДНК состоит из ГЦ-пар. У животных и грибов -- варьирует более значительно: от 21 до 50 % ГЦ-пар.

У многоклеточных животных размеры генома митохондрий колеблются от 14.5 до 19.5 т.п.н. Практически, это всегда одна кольцевая молекула ДНК. Например, ДНК митохондрий человека -- кольцевая молекула размером 16 569 пар нуклеотидов. Этот размер можно выразить и в других единицах -- в виде молекулярной массы -- 10 6 дальтон или в виде длины контура молекулы -- 5 мкм. Первичная структура этой молекулы полностью определена. В митохондриях содержится собственный аппарат трансляции -- т.е. собственные рибосомы 70S, похожие на хлоропластные или прокариотические и состоящие из двух субъединиц, собственные матричные РНК, необходимые ферменты и белковые факторы. В их геноме закодированы 12S- и 16S - рибосомальные РНК, а так же 22 транспортные РНК. Кроме того, митохондриальная ДНК кодирует 13 полипептидов, из которых 12 идентифицированы. Все кодирующие последовательности расположены прямо друг за другом. В крайнем случае, они разделены лишь несколькими нуклеотидами. Некодирующие последовательности, т.е. интроны отсутствуют. Вслед за кодирующей последовательностью почти всегда находится ген транспортной РНК. Например, порядок таков: транспортная РНК фенилаланина -- ген 12S рибосомальной РНК -- транспортная РНК валина -- ген 16S рибосомальной РНК -- транспортная РНК лейцина и т.д. Такой порядок характерен не только для митохондрий человека, он очень консервативен и характерен для всех животных: дрозофилы, быка, мыши, птиц, рептилий и др. животных.

Большая часть генов расположена в тяжелой цепи, в легкой цепи только гены восьми транспортных РНК и один структурный ген. Таким образом, в отличие от всех других геномов, в геноме митохондрий обе цепи смысловые.

Хотя порядок генов у митохондрий животных и одинаков, выяснено, что сами гены обладают различной консервативностью. Наиболее вариабельна последовательность нуклеотидов участка начала репликации и ряд структурных генов. Наиболее консервативные последовательности расположены в генах рибосомальных РНК и некоторых структурных генах, в том числе в кодирующей последовательности АТФ-азы.

Следует отметить, что универсальность генетического кода нарушена в геноме митохондрий. Например, митохондрии человека используют триплет AUA в качестве кодона для метионина, а не для изолейцина, как у всех, а триплет UGA, используемый в стандартном генетическом словаре как терминирующий кодон, у митохондрий кодирует триптофан.

В целом митохондриальная ДНК человека выглядит так же, как и других млекопитающих: мыши и быка. Несмотря на то, что это далеко не близкие виды -- размеры их митохондриальных ДНК довольно близки между собой: 16 569; 16 295; и 16 338 пар оснований, соответственно. Гены транспортной РНК разделяют некоторые смысловые гены. Наиболее важные из структурных генов -- гены цитохромоксидазы, NADH-дегидрогеназы, цитохром-С оксидоредуктазы и АТФ-синтетазы (рис. 4).

На карте митохондриального генома человека, кроме генов показано и пять хорошо известных болезней человека, наследующихся по материнской линии и вызванных мутациями в митохондриальном геноме.

Так, например, болезнь Лебера -- атрофия зрительного нерва -- вызвана мутацией в гене NADH дегидрогеназы. Эта же болезнь может быть вызвана и мутацией в гене цитохрома b и других локусов. Всего известно нарушение четырех локусов, способных вызвать тот же мутантный фенотип. Кроме того, на этой же карте показано еще четыре болезни, связанные с дефектами мозга, мышц, сердца, почек и печени. Все эти болезни наследуются по материнской линии, и если мать имеет не только дефектные, но и нормальные митохондриальные ДНК и митохондрии, то, происходит сортировка мутантных и нормальных органелл, и потомство может иметь и те, и другие органеллы в различных пропорциях, и мы можем наблюдать также и соматическое расщепление, когда отдельные части тела не будут иметь этих дефектов.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4 Структура митохондриального генома млекопитающих, основанная на полном сиквенсе митохондриальной ДНК человека, мыши и быка

Таким образом, небольшой по размерам митохондриальный геном животных может кодировать чрезвычайно важные функции организма и в значительной степени определять его нормальное развитие.

Так же, как и геном пластид, геном митохондрий кодирует только часть митохондриальных полипептидов (табл. 1) и наблюдается феномен двойного кодирования. Например, часть субъединиц АТФ-азного комплекса кодируется ядром, в то время как другая часть -- геномом митохондрий. Большая часть генов, кодирующих рибосомальные миохондриальные РНК и белки, а также ферменты транскрипции и трансляции, кодируется ядром клетки.

Таблица 1

Гены митохондриальных ДНК животных

митохондрия геном нейроспора мезофилл

генома животных:

1. компактное расположение генов на мтДНК;

отсутствие в генах интронов;

3. отсутствие некодирующих участков в мтДНК, кроме областей ORI;

4. расположение генов тРНК между другими генами;

5. высокое сходство в размерах генома и в расположении генов у различных видов;

6. наличие одного ORI для каждой нити мтДНК;

7. симметричная транскрипция обеих нитей;

8. наличие одной, в принципе, области инициации транскрипции для каждой нити ДНК;

9. отсутствие 5 / - и 3 / - концевых некодирующих последовательностей в мРНК;

10. созревание мРНК в результате расщепления первичного транскрипта по последовательностям тРНК.

У грибов размеры генома митохондрий в среднем значительно больше и колеблются от 17,3 до 101 т.п.н. Причем в дополнении к основной, как правило, кольцевой молекуле ДНК обнаруживают и от одной до 4-х плазмидоподобных кольцевых или линейных молекул размером от 1 до 13 т.п.н. Размеры митохондриального генома у дрожжей варьируют не только между различными видами, но и даже между различными штаммами. Основные причины существенных различий в геноме митохондрий у грибов заключаются в наличии - отсутствии интронов. У разных видов дрожжей, например, размер митохондриальной ДНК колеблется от 57 до 85 т.п.н.

Наличие интронов и молекул митохондриальной ДНК различного размерного класса является наиболее характерной чертой, отличающей митохондрии грибов от митохондрий животных. Интроны разрывают многие последовательности -- гены рибосомальной РНК, гены некоторых структурных белков, кодирующих митохондриальные ферменты. Наличие большинства интронов не является обязательным для нормального функционирования митохондрий. Искусственно сконструированы штаммы дрожжей, полностью лишенные митохондриальных интронов.

Многие интроны митохондриальной ДНК дрожжей содержат открытые рамки считывания, которые кодируют мутуразы, участвующие в сплайсинге, тогда как другие интроны содержат кодирующие последовательности эндонуклеаз и даже обратных транскиптаз.

Все гены, обнаруженные в митохондриальной ДНК животных, присутствуют и у грибов. Кроме того, у грибов обнаружены и другие гены: у них большее число генов тРНК, обнаружены гены 6-й, 8-й и 9-й субъединиц АТФ-азного комплекса, ряд новых структурных генов и ряд генов с неизвестной функцией (табл. 2).

Таблица 2

Гены митохондриальных ДНК дрожжей

Компоненты митохондрий
Рибосомальные РНК	rns(21 S), rnl(1 5 S)
Рибосомальные белки: малая субъединица
Транспортные РНК
Цитохром b (комплекс III)	с ob (или cyb )
Цитохром с оксидаза (комплекс IV)	cox 1, cox 2, coxd 3
АТФ-синтаза	atp6, atp8, atp9
Интрон-кодируемые off: РНК-матуразы Эндонуклеазы Белки, подобные обратной трансриптазе	aI1, aI2
Неидентифицированные рамки считывания

В митохондриальной ДНК дрожжей обнаружено только 2 гена рибосомальной РНК и только 1 ген рибосомальных белков. Этот белок расположен в малой субъединице рибосомы. Ген рибосомального белка достаточно вариабелен по размерам даже у разных штаммов, за что и получил название вариабельного (Var l). Остальные белки и РНК митохондриальных рибосом кодируются ядерными генами. 24 гена транспортной РНК обеспечивают транспорт всех аминокислот к месту синтеза белка и только одна транспортная РНК, транспортирующая лизин, импортируется из цитоплазмы и кодируется ядром. Все транспортные РНК митохондрий дрожжей кодируются одной и той же нитью ДНК и только одна из них -- противоположной нитью. Ни один из генов транспортной ДНК не имеет интронов. Гены белков цитохрома b и гены белков цитохрома С могут иметь множество интронов -- от 5 до 9.

Из приведенных данных следует, что кодируемых митохондриальным геномом дрожжей структурных белков явно недостаточно для функционирования этих органелл и большая часть из них кодируется ядерным геномом.

Характерные черты организации и экспрессии митохондриального генома грибов:

1. значительное разнообразие в наборах и расположении митохондриальных генов у различных видов;

большое разнообразие способов организации генетического материала - от компактной организации генома до свободного распределения генов по мтДНК при протяжённых некодирующих последовательностях между генами;

3. мозаичное строение ряда генов;

4. значительные внутривидовые вариации размеров мтДНК, связанные с наличием "необязательных" интронов;

5. способность отдельных сегментов мтДНК к выщеплению и амплификации с образованием дефектного митохондриального генома;

6. наличие одного или нескольких ORI, в каждом из которых репликация инициируется двунаправлено;

7. расположение всех митохондриальных генов на одной нити мтДНК и асимметричная транскрипция мтДНК;

8.множественность транскрипционных единиц мтДНК;

9. разнообразие сигналов процессинга первичных транскриптов, в качестве которых могут использоваться и тРНК, и олигонуклеотидные блоки другого типа - в зависимости от вида;

10. в большинстве случаев мРНК содержат протяжённые концевые некодирующие последовательности.

Наиболее сложная организация митохондриального генома у высших растений. У них митохондриальный геном представляет собой набор суперскрученных двуцепочечных кольцевых и/или линейных молекул. Все последовательности митохондриального генома могут быть организованы в одну крупную кольцевую «хромосому», а наблюдаемые различные размерные классы митохондриальных ДНК, скорее всего, являются результатом рекомбинационных процессов. По крайней мере, на шпинате, видах двух родов Brassica и Raphanus , сахарной свекле и пшенице было показано, что причина такой диспергированности митохондриального генома заключается в рекомбинации гомологичных участков митохондриальной ДНК. Благодаря наличию прямо ориентированных двух-трех семейств повторов размером от 1 до 14 т.п.н., молекулы митохондриальной ДНК способны к активным меж- и внутригеномным перестройкам. В результате таких перестроек митохондриальная ДНК может присутствовать в виде молекул различного размерного класса.

Так, например, у крестоцветного Brassica campestris митохондриальная ДНК присутствует в виде кольцевых молекул трех типов. Первый тип содержит полный геном -- 218 т.п.н., второй - 135 и третий -- 83 т.п.н. Субгеномные кольца образуются в результате рекомбинации геномных колец, имеющих пару прямых повторов длиной 2 т.п.н.

У пшеницы размер митохондриального генома значительно больше -- 430 т.п.н., и имеется более 10 прямых рекомбинационных повторов, в результате при электронно-микроскопическом наблюдении удается увидеть множество колец различного размера, но никто не наблюдал одну большую кольцевую молекулу, возможно, в этом состоянии митохондриальный геном пшеницы никогда и не присутствует. У мха маршанции и другого крестоцветного Brassica hirta прямые рекомбинационные повторы отсутствуют и, возможно, именно поэтому митохондриальная ДНК находиться в виде кольцевых молекул одного размерного класса. Однако для митохондриальной ДНК высших растений это скорее исключение, чем правило. У большинства высших растений в митохондриальном геноме присутствуют как рекомбинационные повторы, так и молекулы митохондриальной ДНК различного размерного класса.

Количество молекул одного размерного класса может различаться очень значительно в различных тканях растения, в зависимости от состояния растений и условий окружающей среды. Отмечено изменение численных соотношений молекул митохондриальной ДНК разного размерного класса при культивировании растений in vivo и in vitro . Возможно, изменение численных отношений между молекулами различных размерных классов отражает адаптивность растений путем повышенной амплификации нужных генов.

Кроме того, в митохондриальной геноме могут присутствовать и плазмиды как линейные, так и кольцевые, как с ДНК-ми, так и РНК-ми последовательностями, размером от 1 до 30 т.п.н. Митохондриальные плазмиды, вероятно, произошли от других клеточных геномов или даже других организмов. Иногда их наличие или отсутствие удается связать с цитоплазматической мужской стерильностью растений, но, правда, не всегда. Плазмиды у некоторых видов присутствуют, а стерильности не наблюдается. По крайней мере, в одном случае достаточно четко продемонстрировано, что в митохондриях линий с так называемым S-типом стерильности кукурузы обнаружена корреляция между присутствием плазмидоподобной митохондриальной ДНК и проявлением феномена цитоплазматической мужской стерильности. Была отмечена способность митохондриальных плазмид встраиваться, как в геном митохондрий, так и в хромосомы ядра. Однако, в других случаях присутствие плазмидной ДНК не всегда вызывает стерильность пыльцы.

Размер митохондриального генома растений наиболее вариабелен -- от 200 до 2500 т.п.н. Размер митохондриального генома высших растений больше, чем размер их хлоропластного генома.

Значительное варьирование размеров митохондриального генома является второй особенностью митохондриального генома растений. Геном не только очень велик, но и может быть различным, даже у близкородственных видов, причем в одних случаях может наблюдаться низкая вариабельность -- виды рода Brassica , в других -- очень большая. Самая высокая вариабельность размеров наблюдается у тыквенных. В пределах этого семейства размер митохондриального генома наиболее изменчив -- от 330 т.п.н. у арбуза до 2500 т.п.н. у дыни. Поэтому доля митохондриальной ДНК в общем объеме генома растений также может значительно изменяться -- порядка 1 % у большинства растений, до 15 % в клетках гипокотиля дыни.

Наличие у митохондриальных геномов больших размеров пытаются объяснить различными причинами.

Наличие дополнительных генов или особых последовательностей, необходимых для функционирования митохондрий.

Присутствие ДНК, которая используется растением, но не в качестве кодирующей, а какой-то другой функции.

ДНК, которая не используется для функционирования митохондрий, так называемая «эгоистичная» ДНК.

По-видимому, существует еще одна возможность для увеличения размеров митохондриального генома -- это последовательности, гомологичные ядерной и хлоропластной ДНК. Последовательности, гомологичные ядерной ДНК, например, у арабидопсис составляют до 5 % митохондриального генома. Первоначально последовательность хлоропластного генома, инкорпорированная в митохондриальный, была обнаружена у кукурузы. Она включала участок около 14 т.п.н., содержащий измененные хлоропластные гены 16S-рибосомальной РНК и участок большой субъединицы РДФК/О. Впоследствии хлоропластные вставки были обнаружены в митохондриальном геноме многих видов высших растений. Обычно, они составляют 1 -- 2 % от митохондриальных последовательностей и включают три главные последовательности.

Последовательность длиной 12 т.п.о. из обратного повтора хлоропластной ДНК. Она содержит последовательности для 3" экзона четырех транспортных РНК и последовательность 16S рибосомальной РНК.

Последовательность длиной от 1,9 до 2,7 т.п.н., которая полностью кодирует большую субъединицу РБФК/О.

Последовательность длиной не более 2 т.п.о. В хлоропластом геноме этот участок кодирует 3" -- конец 23S-pибоcoмальной РНК, 4,5S- и 5S-pPHK, а также три транспортные РНК. Из всех последовательностей хлоропластного генома, которые присутствуют в митохондриальном геноме растений, только последовательности транспортной РНК действительно транскрибируются.

Поскольку у многих видов растений в митохондриальном геноме присутствуют одни и те же хлоропластные последовательности, можно предположить, что они имеют какое-либо функциональное значение. В то же время их роль, механизм переноса и время этого переноса остаются неизвестными. Произошел ли этот перенос в отдаленное в эволюции время становления эукариотической клетки или же наличие хлоропластных вставок в митохондриальном геноме свидетельствует о том, что это нормальный процесс обмена информации между органеллами, происходящий и сейчас, либо он происходит периодически в относительно недавнем эволюционном времени становления конкретных видов и родов растений?

Кроме того, часть последовательностей митохондриального генома представляет собой последовательности, гомологичные вирусным.

Для установления числа генов в геноме митохондрий растений, которые действительно функционируют, рядом исследователей было определено количество продуктов трансляции. Было показано, что число обнаруживаемых белковых полос было одинаковым даже для растений с 10-кратными различиями по величине генома. Хотя использованные методы и не дают прямого ответа на вопрос об общем числе генов митохондриального генома, тем не менее, интересно, что одно и то же число продуктов трансляции было выявлено у анализируемых видов покрытосеменных и было близко к числу генов, кодирующих белки у митохондрий животных и дрожжей.

Впервые полная нуклеотидная последовательность митохондриальной ДНК у растений была определена в 1986 г. у одного вида -- маршанции (Marchantia polymorpha ), а позже у арабидопсиса и у нескольких видов водорослей.

Молекула митохондриальной ДНК у маршанции имеет размер 186 608 п.н. Она кодирует гены 3 рРНК, 29 генов для 27 тРНК и 30 генов известных функциональных белков (16 рибосомальных белков, 3 субъединицы цитохром С оксидазы, цитохрома b, 4 субъединицы АТФ-синтетазы и 9 субъединиц НАДН-дегидрогеназы). Геном также содержит 32 неидентифицированные открытые рамки считывания. Кроме того, обнаружено 32 интрона, расположенных в 16 генах. У разных растений количество генов того или иного комплекса может варьировать, поскольку один или более генов этого комплекса могут быть перенесены в ядро. Среди неидентифицированных генов, по крайней мере, 10 постоянно встречаются практически у всех видов растений, что свидетельствует о важности их функций.

Число митохондриальных генов, кодирующих транспортные РНК митохондрий растений, в значительной степени изменчиво. У многих видов собственных митохондриальных транспортных РНК явно недостаточно, и поэтому они экспортируются из цитоплазмы (кодируются ядром или пластидным геномом). Так, например, у арабидопсиса 12 транспортных РНК имеют митохондриальное кодирование, 6 -- хлоропластное и 13 -- ядерное; у маршанции 29 -- митохондриальное и 2 -- ядерное, и ни одна из транспортных РНК не имеет хлоропластного кодирования; у картофеля 25 -- митохондриальное, 5 -- хлоропластное и 11 -- ядерное; у пшеницы, 9 -- митохондриальное, 6 -- хлоропластное и 3 -- ядерное (табл. 3).

В отличие от митохондриальной ДНК животных и хлоропластных генов, гены митохондриальной ДНК растений дисперсно распределены в геноме. Это касается как генов, кодирующих транспортные РНК, так и генов, кодирующих белки.

Таблица 3

Природа митохондриальных транспортных РНК у растений

	Количество транспортных РНК, кодируемых геномами
		органелл
	митохондрий	хлоропластов
Арабидопсис
Маршанция
Картофель

	Не определено	Не определено
Подсолнечник			Не определено
			Не определено
Кукуруза			Не определено

Как и геном митохондрий грибов, геном митохондрий растений имеет интроны, которых не имеют геномы митохондрий животных.

У некоторых видов ряд генов в геноме продублирован. Так, у кукурузы и кормовых бобов гены рРНК не повторены, а у пшеницы они повторены несколько раз. Гены, кодирующие белки митохондрий, также могут быть повторены в их геноме.

Естественно, что митохондрии так же, как и хлоропласты, содержат гораздо больше белков-ферментов, чем их геном генов. И, следовательно, большинство белков контролируются ядерным геномом, собираются в цитоплазме на цитоплазматических, а не на митохондриальных рибосомах и транспортируются в митохондриальные мембраны.

Таким образом, митохондриальный геном растений представляет собой крайне изменчивую по структуре, но достаточно стабильную по числу генов систему. В отличие от компактного генома хлоропластов, в митохондриальном геноме растений гены составляют менее 20 % генома. Увеличение генома митохондрий по сравнению с грибами или животными вызвано наличием интронов, различных повторяющихся последовательностей, вставок из генома хлоропластов, ядра и вирусов. Функции примерно 50 % митохондриального генома растений пока не выяснены. Кроме того, что многие структурные гены, контролирующие функцию митохондрий, находятся в ядре, там же находятся и многие гены, контролирующие процессы транскрипции, процессинга, трансляции митохондриальных генов. Следовательно, митохондрии являются даже менее автономными органеллами, чем пластиды.

Литература

Основная:

1. Алехина Н.Д., Балнокин Ю.В., Гавриленко В.Ф. и др. Физиология растений. Учебник для студ. Вузов. М.: Академия. 2005. 640 с.

Давыденко О.Г. Нехромосомная наследственность. Минск: БГУ. 2001. 189 с.

3. Даниленко Н.Г., Давыденко О.Г. Миры геномов органелл. Минск: Техналогия. 2003. 494 с.

4. Иванов В.И. и др. Генетика. М.: Академкнига. 2006. 638 с.

5. Жимулев И.С. Общая и молекулярная генетика. Новосибирск: Сиб. унив. 2007. 479 с.

6. Сингер М., Берг П. Гены и геномы. М.: Мир. 1998. Т. 1-

7. Ченцов Ю. С. Введение в клеточную биологию. М.: Академкнига. 2004. 495 с.

Дополнительная:

1. Даниленко Н.Г. РНК-редактирование: генетическая информация корректируется после транскрипции // Генетика. 2001. Т. 37. №3. С. 294-316.

Маргелис Л. Роль симбиоза в эволюции клетки. М.: Мир, 1983.

3. Одинцова М. С., Юрина Н. П. Геном митохондрий протистов // Генетика. 200 Т. 38. №6. С. 773-778.

4. Одинцова М. С., Юрина Н. П. Геном пластид высших растений и водорослей: структура и функции // Мол. Биол. 2003. Т. 37. № 5. С. 768-783.

5. Юрина Н. П., Одинцова М. С. Общие черты организации генома хлоропластов. Сравнение с геномами про- и эукариот // Мол. Биол. 199 Т. 36. № 4. С. 757-771.

6. Юрина Н. П., Одинцова М. С. Сравнительная характеристика структурной организации геномов хлоропластов и митохондрий растений// Генетика. 1998. Т. 34. №1. С. 5-2.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Сущность ультраструктурной организации митохондрий. Роль митохондрий в поддержании окислительно-восстановительного баланса клетки. Специфика энергетических функций митохондрий. Изменение морфофункциональных характеристик митохондрий при ацидозе.

дипломная работа , добавлен 27.01.2018

Исследование функциональной роли и структурной организации митохондрий. Рассмотрение и характеристика работы дыхательной цепи митохондрий в условиях нормоксии. Ознакомление с антигипоксическим действием нейротрофического фактора головного мозга.

курсовая работа , добавлен 18.04.2018

Основные механизмы клеточной гибели. Митохондрия как центральный контрольный пункт апоптоза. Морфологические изменения и перераспределение митохондрий в клетке во время апоптоза. Модели высвобождения цитохрома С. Роль митохондрий в процессе старения.

курсовая работа , добавлен 07.01.2013

Комплекс ферментов, локализованных на внутренней мембране митохондрий. Процесс окислительного фосфорилирования. Синтез АТФ на внутренней мембране митохондрий в присутствии кислорода. Компоненты дыхательной цепи. Суть хемиосмотической теории П. Митчелла.

презентация , добавлен 22.10.2014

Изучение плана строения митохондрий и пластид, их функций. Гипотеза о симбиотическом происхождении митохондрий и хлоропластов. Общая типовая характеристика мышечной ткани. Сперматогенез, его основные периоды: размножение, рост, созревание и формирование.

контрольная работа , добавлен 11.03.2014

Понятие и свойства митохондрий, их строение, участие в клеточном дыхании и обмене энергией. Характерные особенности гаструляции эмбрионального развития. Рассмотрение функций, строения, классификации лейкоцитов. Внешний вид тимуса (вилочковой железы).

контрольная работа , добавлен 21.04.2015

Строение, химический состав, распространение в природе и значение таксономической группы слизевиков. Вегетативные тела слизевиков. Трофическая и расселительная стадии. Процесс образования спор. Присутствие в циклах подвижных стадий, строение митохондрий.

курсовая работа , добавлен 12.08.2015

Строение и основные компоненты клеточной оболочки водорослей. Случаи беспорядочного расположения фибрилл среди зеленых водорослей, организация цитоплазмы у различных у различных представителей вида, назначение жгутиков, митохондрий и хлоропластов.

курсовая работа , добавлен 29.07.2009

Клиническое применение фотодинамической терапии. Механизм действия фотосенсибилизаторов на клеточном уровне. Роль митохондрий и ионов кальция в фотодинамически индуцированном апоптозе. Участие сигнальных процессов и защитных белков в реакциях клеток.

контрольная работа , добавлен 19.08.2015

Митохондрия - двумембранная гранулярная или нитевидная органелла, элемент эукариотических клеток (автотрофов и гетеротрофов), энергетическая станция. Основная функция и энергообразование; происхождение, структура. Митохондриальная ДНК и наследственность.

Presentation Transcript

Синдром Лебера: LHON (1871 г.) наследуемая по материнской линии потеря зрения происходит у людей 20-30 лет вследствие атрофии зрительного нерва и дегенерации ганглиозного слоя клеток ретины Заболевание связано с передаваемой от матери мутацией митохондриальной ДНК в одном из ND генов (комплекс I). В 70% случаев это G11778A(ND4), а в Японии в 90% в 13% случаев G3460A (ND1); в 14% случаевT14484C (ND6) Мутация находится в гомоплазматическом состоянии

634 п.н. ДНК-диагностика синдрома Лебера в семье Nпроведена нами впервые в 2006 году G11778 G11778A замена пробанд с синдромом Лебера здоровый сестра мать человек пробанда

В 80-85% случаев поражаются мужчины (Х хромосома несет какой-то локус чувствительности?) Лишь у 50% мужчин и 10% женщин носителей патогенных мутаций комплекса I в действительности происходит потеря зрения?? Чаще всего мутации, ведущие к синдрому Лебера, встречаются в мтДНК гаплогруппы J; эту группу несут около 15% европейцев?? В формировании заболевания участвуют какие-то дополнительные факторы (???)

Самая часто встречающаяся точечная мутация: А3243Gв лейциновой тРНК Обнаружена у большинства больных с синдромом MELAS инсультоподобные(stroke-like) эпизоды Миопатия лактат-ацидоз энцефалопатия Мутация встречается исключительно в гетероплазматическом состоянии В одних семьях А3243Gвызывает преимущественно кардиомиопатию, в других – диабет и глухоту, в третьих PEO, в четвертых - энцефалопатию???

Синдрома MELAS была проведена нами в 2007 году Мама: фенотипически здоровая женщина очень маленького роста I брак II брак 2ой ребенок 1991-2007 Менингоэнцефалит Умерот ишемического инфаркта обоих полушарий мозжечка 3ий ребенок родился в 1998 Прогрессирующая миопатия, миокардио-дистрофия 1ый ребенок 1988-2000 Кардиопатия, ЗПР, ЗФР. Умерла скоропостижно после травмы Митохондриопатия?? Обнаружена мутация MELAS у сына (80% мутантных молекул в крови) у мамы(40%)

РНК(продолжение) Мутация А8344Gв гене лизиновой тРНК при уровне мутантных молекул > 85% приводит к синдрому MERRF: Миоклонус-эпилепсия; «рваные» красные мышечные волокна; задержка умственного развития; атаксия; атрофия мышц и др. Матери больных обычно фенотипически здоровы или несут слабо выраженные симптомы Мутация резко снижает эффективность трансляции в мт и тем самым провоцирует дефицит дыхательной цепи

Чаще всего встречается мутация гена 12S рРНК A1555G Вызывает несиндромную потерю слуха из-за чувствительности носителей мутации к ототоксическим аминогликозидам Другие мутации генов 12S и 16S вызывают кардиомиопатию, атаксию, MELAS, диабет mellitus, сенсорно-невральная потерю слуха

NARP (neuropathy ataxia and retinitis pigmentosa) Мутация в генеATPase6– трансверсияТ – G в нуклеотиде 8993 (70-90% мутантной ДНК) T8993G:лейцин замещаетсянааргинин вATPase6, чтоприводит к нарушению синтеза АТФ Если доля мтДНК больше 90%, клиническое проявление наблюдается раньшеи симптомы более тяжелые:подострая некротизирующая энцефалопатия с чертами синдрома Лея (LS)

Нейродегенеративное заболевание: - симметричные некротические повреждения в субкортикальных областях ЦНС – базальных ганглиях, таламусе, стволе мозга, спинном мозге; - демиелинизация, сосудистая пролиферация и «глиозис»; - моторная и умственная регрессия, атаксия, дистония, аномальное дыхание Заболевание начинается в раннем детстве, редко во взрослом состоянии; Смерть наступает обычно через два года после начала заболевания

ДНК (MILS) 7/10 cлучаев – рецессивные мутации ядерных аутосомных генов, кодирующих субъединицы дыхательной цепи или белки, участвующие в ее сборке ATPase 6 LS 1/10 cлучаев – мутации Х-хромосомы PDHC

Причина – крупная делеция 5 т.п.н. Утрачиваются 5 генов тРНК и 5 белковых генов KSS –фатальная мультисистемная патология, проявляется в возрасте 4-18 лет:CPEO, пигментный ретинит, атаксия,глухота, эндокринная дисфункция, атриовентрикулярная блокада сердца, повышение уровня белка в цереброспинальной жидкости выше 100 мг/дл, «рваные» волокна в скелетных мышцах Делеция не наследуется

2 синдрома: Синдром Пирсона –PS Гипопластическая анемия, нарушение экзокринной функции поджелудочной железы Синдром PEO– Прогрессирующая наружная офтальмоплегия Все три синдрома являются спорадическими, формиуются в зависимости от сегрегации мутантных мтДНК с накоплением в разных тканях

П.н. вместо фатального KSS может наблюдаться PEO Прогрессирующая наружная офтальмоплегия, птоз Патология связана с параличом наружных глазодвигательных мышц Процент мутантных молекул в этом случае меньше, чем при KSS синдроме, синдром не связан с угрозой для жизни больного Биохимически в мышцах обнаруживаются дефекты ферментов дыхательной цепи, особенно цитохромоксидазы

Деплеции -МDS В клетках остается 1 - 30% от нормального количества мтДНК Синдром проявляется в первые недели после рождения: фатальная гепатопатия; миопатия с генерализованной гипотонией; кардиомиопатия с судорогами (синдр. де-Тони-Дебре-Фанкони); атрофия проксимальных групп мышц; утрата сухожильных рефлексов. Смерть наступает в тяжелых случаях в первый год жизни

Генов дыхательной цепи LHON LHON+дистония Спорадическая миопатия Спорадическая миопатия Энцефаломиопатия Спорадическаямиопатия NARP MILS FBSN М Я Синдром Лея Лейкодистрофия Синдром Лея Кардиоэнцефалопатия Лейкодистрофия/тубулопатия Синдром Лея Параганглиома

Митохондриальную аномалию? При ясных симптомах – выделить кровь из вены и сделать ПЦР-анализ на точечные мутации или делеции Если результат анализа крови отрицательный, это еще не значит отсутствия заболевания (гетероплазмия!) Нужно взять биопсию: мышечную или кожную пробу у взрослых у детей Для неинвазивного тестирования используют седимент мочи, соскоб внутренней поверхности щеки, реже волосяные фолликулы

Митохондриальную аномалию? (2) Свежую мышцу анализируют гистологически и гистохимически Проводятся измерения активности отдельных звеньев комплексов дыхательной цепи «Рваные» мышечные волокна выявляются при окраске на сукцинатдегидрогеназную активность или с помощью Гомори “trichrome stain” культура фибробластов свежая мышца Если обнаруживается дефект в одном звене, это указывает на мутацию соответствующей субъединицы (я или м), если дефекты множественные – возможен дефект мт тРНК либо ядерных генов, участвующих в работе митохондрий

Митохондриальную аномалию? (3) Иногда дефект проявляется при нагрузке (NARP синдром при мутации гена ATPase6) –нужно клиническое тестирование: физические нагрузки с замерами лактата, магнитно-резонансной или инфракрасной спектроскопией Наконец, в случае еще не описанных, редких «private» мутаций проводят прямое секвенирование мтДНК

Заболеваний вовлеченность разных органов и одновременное проявление внешне не связанных между собой аномалий Наружная офтальмоплегия с нарушением проводимости сердечной мышцы и мозжечковой атаксией Мигрени с мышечной слабостью Энцефало- миопатия с диабетом Тошнота, рвота с оптической атрофией и кардиомиопатией Диабет с глухотой Глухота с наружной офтальмоплегией, птозом и ретинопатией Низкорослость с миопатией и инсультоподобными эпизодами Экзокринная дисфункция поджелудочной железы с сидеробластной анемией Задержка развития или потеря навыков и офтальмоплегия, офтальмопарез

Митохондриальные болезни? Частота митохондриальных энцефалопатий определяется примерно как 1: 11.000 Общая частота митохондриальных заболеваний – как 1: 8.000 Возраст манифестациимитохондриальных заболеваний сильно варьирует ~ 50 % после 5 лет ~ 50% - до 5 лет Смертность от митохондриальных заболеваний составляет 5-20% в год от даты манифестации

Митохондриопатия, то после перенесенных инфекционных заболеваний его состояние может резко ухудшиться также отягощают состояние стресс, голодание, переохлаждение, продолжительная обездвиженность, прием седативных средств Осторожно применять местную и общую анестезию!

Болезней –насколько это реально? Фармакологический подход Витамины, кофакторы, «ловцы» свободных радикалов – для предотвращения повреждения дыхательной цепи Наиболее успешный пример – дихлорацетат, применяемый для уменьшения лактоацидоза у пациентов с МELAS Успех частичный и временный, чаще терапия неэффективна

Болезней (2) Другой подход - уменьшить соотношение мутантная:нормальная мтДНК I. Увеличить количество немутантных молекулпутем «сдвига генов» Обычно сателлитные клетки пролиферируют и сливаются со скелетными миофибриллами в ответ на стресс или упражнение У некоторых больных с миопатией % мутантной мтДНК в сателлитных клетках ниже, чем в в скелетной мышце Пропорция нормальных мтДНК молекул в мышце увеличивалась, дефект корректировался Индуцируется пролиферация сателлитных клеток в скелетных мышцах

Болезней (3) II.Уменьшить количество мутантных молекул мтДНК Разработка синтетических молекул, избирательно связывающихся с мутаными ДНК и блокирующих их репликацию Введение в митохондрии фермента рестриктазы, избирательно разрушающего мутантную ДНК Успех достигнут пока только in vitro

Болезней (4) «Молекулярно-внутриклеточная реконструкция» Импорт из цитоплазмы нормальных тРНК вместо дефектных митохондриальных Замена дефектного комплекса дых. цепи на нормальный, полученный из другого организма (дрожжей) Пересадка ядра яйцеклетки из мутантной цитоплазмы в нормальную Все эти подходы - в стадии экпериментальной разработки

Болезней –насколько это реально? Вылечить от митохондриального заболевания сегодня невозможно Применяется симптоматическое лечение: Физическое Физиотерапия, аэробная гимнастика, умеренные и легкие нагрузки Анти-эпилептические препараты, гормоны, витамины, метаболиты, кофакторы Фармакологическое Блефаропластика, имплантация cohlear, трансплантация сердца, почек, печени, подкожная эндоскопическая гастротомия, cricopharyngeal миотомия Хирургическое

Митохондриальные заболевания или отягощает их течение Вальпроат: увеличивает частоту судорог при MELAS, гепатотоксичен Аспирин, фенобарбитал Кортикостероиды Тетрациклин, хлорамфеникол Аминогликозидыстрептомицин, гентамицин, амикацин, неомицин, канамицин - ототоксичны Этамбутол (провоцирует проявление LHON) Статин (провоцирует проявление MELAS) Антиретровирусные препараты: AZT – zidovudine, doxorubicin вызывают деплецию мтДНК Список далеко не полный!

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.

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. Бóль-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 бóльшим 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 му тантами 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-карбокси лазы. 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 бóльшую часть своих липидов извне. В животных клетках фосфолипиды, синтезированные в эндоплазматическом ретикулуме, транспортируются к наружной мембране митохондрий с помощью особых белков, а затем включаются во внутреннюю мембрану; как полагают, это происходит в месте контакта двух мембран. Основная реакция биосинтеза липидов, катализируемая самими митохондриями, - это превращение фосфатидной кислоты в фосфолипид кардиолипин, который содержится главным образом во внутренней митохондриальной мембране и составляет около 20% всех ее липидов.

Размеры и форма митохондриальных геномов

К настоящему времени прочитано более 100 разных геномов митохондрий. На-бор и количество их генов в митохондриальных ДНК, для которых полностью определена последовательность нуклеотидов, сильно различаются у разных ви-дов животных, растений, грибов и простейших. Наибольшее количество генов обнаружено в митохондриальном геноме жгутикового простейшего Rectinomo-nas americana - 97 генов, включая все кодирующие белок гены, найденные в мтДНК других организмов. У большинства высших животных геном митохон-дрий содержит 37 генов: 13 для белков дыхательной цепи, 22 для тРНК и два для рРНК (для большой субъединицы рибосом 16S рРНК и для малой 12S рРНК). У растений и простейших, в отличие от животных и большинства гри-бов, в митохондриальном геноме закодированы и некоторые белки, входящие в состав рибосом этих органелл. Ключевые ферменты матричного полинуклеоти-дного синтеза, такие как ДНК-полимераза (осуществляющая репликацию мито-хондриальной ДНК) и РНК-полимераза (транскрибирующая геном митохон-дрий), зашифрованы в ядре и синтезируются на рибосомах цитоплазмы. Этот факт указывает на относительность автономии митохондрий в сложной иерар-хии эвкариотической клетки.

Геномы митохондрий разных видов отличаются не только по набору ге-нов, порядку их расположения и экспрессии, но по размеру и форме ДНК. По-давляющее большинство описанных сегодня митохондриальных геномов пред-ставляет собой кольцевые суперспирализованные двуцепочечные молекулы ДНК. У некоторых растений наряду с кольцевыми формами имеются и линей-ные, а у некоторых простейших, например инфузорий, в митохондриях обнару-жены только линейные ДНК.

Как правило, в каждой митохондрии содержится несколько копий ее ге-нома. Так, в клетках печени человека около 2 тыс. митохондрий, и в каждой из них - по 10 одинаковых геномов. В фибробластах мыши 500 митохондрий, со-держащих по два генома, а в клетках дрожжей S. cerevisiae - до 22 митохон-дрий, имеющих по четыре генома.

https://pandia.ru/text/78/545/images/image002_21.jpg" align="left" width="386 height=225" height="225">Рис 2. Схема образования линейных (А), кольцевых (Б), цепных (В) олигомеров мтДНК. ori - район начала репликации ДНК.

Размер генома митохондрий разных организмов колеблется от менее 6 тыс. пар нуклеотидов у малярийного плазмодия (в нем, помимо двух генов рРНК, содержится только три гена, кодирующих белки) до сотен тысяч пар ну-клеотидов у наземных растений (например, у Arabidopsis thaliana из семейства крестоцветных 366924 пар нуклеотидов). При этом 7-8-кратные различия в ра-змерах мтДНК высших растений обнаруживаются даже в пределах одного се-мейства. Длина мтДНК позвоночных животных отличается незначительно: у человека - 16569 пар нуклеотидов, у свиньи - 16350, у дельфина - 16330, у шпорцевой лягушки Xenopus laevis - 17533, у карпа - 16400. Эти геномы схо-дны также и по локализации генов, большинство которых располагаются встык; в ряде случаев они даже перекрываются, обычно на один нуклеотид, так что по-следний нуклеотид одного гена оказывается первым в следующем. В отличие от позвоночных, у растений, грибов и простейших мтДНК содержат до 80% не-кодирующих последовательностей. У разных видов порядок генов в геномах митохондрий отличается.

Высокая концентрация активных форм кислорода в митохондриях и сла-бая система репарации увеличивают частоту мутаций мтДНК по сравнению с ядерной на порядок. Радикалы кислорода служат причиной специфических за-мен Ц®Т (дезаминирование цитозина) и Г®Т (окислительное повреждение гуанина), вследствие чего, возможно, мтДНК богаты АТ-парами. Кроме того, все мтДНК обладают интересным свойством - они не метилируются, в отли-чие от ядерных и прокариотических ДНК. Известно, что метилирование (време-нная химическая модификация нуклеотидной последовательности без наруше-ния кодирующей функции ДНК) - один из механизмов программируемой инактивации генов.

Размеры и строение молекул ДНК в органеллах

	Структура	Масса, млн. дальтон	Примечания
охон дриа	Животные	Кольцевая		У каждого отдельного вида все молекулы одного размера
Высшие ра стения	Кольцевая	Варьирует	У всех изученных видов имеются разные по величине кольцевые ДНК, в которых общее содержание генетической информации соответ-ствует массе от 300 до 1000 млн. дальтон в зависимости от вида
Грибы: Простейшие	Кольцевая Кольцевая Кольцевая Линейная
Хлор опла стов	Водоросли	Кольцевая Кольцевая
Высшие растения	Кольцевая		У каждого отдельного вида найдены молекулы только одного

Относительное количество ДНК органелл в некоторых клетках и тканях

Организм	Ткань или тип клеток	Число мол-л ДНК/органел-	Число орга- нелл в клетке	Доля ДНК орга-нелл во всей ДНК клетки, %
охон дриа
	Клетки линии L
	Яйцеклетка

Хлор опла стов		Вегетативные диплоидные клетки
Кукуруза

Функционирование митохондриального генома

Что же особенного в механизмах репликации и транскрипции ДНК митохондрий млекопитающих?

Комплементарий" href="/text/category/komplementarij/" rel="bookmark">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.

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.

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!..

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-Вирус" href="/text/category/virus/" rel="bookmark">вирусов , грибов, расте-ний и животных. Английский исследователь Беррел сопоставил структуру од-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 код млекопитающих	Митохондриальный код дрожжей	“ Универсальный ”

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 присутствии хлорамфеникола на такой среде смогут расти только клетки, несущие мутантный ген. Наша диплоидная зигота вначале будет иметь митохондрии как мутантного, так и дикого типа. От зиготы в результате митоза отпочкуется диплоидная дочерняя клетка, которая будет содержать лишь небольшое число митохондрий. После нескольких митотических циклов в конце концов какая-то из новых клеток получит все митохондрии либо мутантного, либо дикого типа. Поэтому все потомство такой клетки будет иметь генетически идентичные митохондрии. Такой случайный процесс, в результате которого образуется диплоидное потомство содержащее митохондрии только одного типа, называют митотическо й се грегацие й . Когда диплоидная клетка с одним лишь типом митохондрий претерпевает мейоз, все четыре дочерние гаплоидные клетки получают одинаковые митохондриальные гены. Этот тип наследования называют неменде лев ским или цитоплазматическим в отличие от менделевского наследования ядерных генов. Передача генов по цитоплазматическому типу означает, что изучаемые гены находятся в митохондриях.

Изучение геномов митохондрий, их эволюции, идущей по специфическим законам популяционной генетики, взаимоотношений между ядерными и мито-хондриальными генетическими системами, необходимо для понимания слож-ной иерархической организации эвкариотической клетки и организма в целом.

С определенными мутациями в митохондриальной ДНК или в ядерных генах, контролирующих работу митохондрий, связывают некоторые наслед-ственные болезни и старение человека. Накапливаются данные об участии де-фектов мтДНК в канцерогенезе. Следовательно, митохондрии могут быть ми-шенью химиотерапии рака. Имеются факты о тесном взаимодействии ядерного и митохондриального геномов в развитии ряда патологий человека. Множес-твенные делеции мтДНК обнаружены у больных с тяжелой мышечной слабос-тью, атаксией, глухотой, умственной отсталостью, наследующихся по аутосомно-доминантному типу. Установлен половой диморфизм в клинических проявлениях ишемической болезни сердца, что скорее всего обусловлено мате-ринским эффектом - цитоплазматической наследственностью. Развитие ген-ной терапии внушает надежду на исправление дефектов в геномах митохон-дрий в обозримом будущем.

Как известно, для того чтобы проверить функцию одного из компонентов многокомпонентной системы, необходимой становится ликвидация даного компонента с последующим анализом произошедших изменений. Так как темой даного реферата является указание роли материнского генома для развития потомка, логично было бы узнать о последствиях нарушений в составе митохондриального генома вызванных различными факторами. Инструментом для изучения вышеуказанной роли оказался мутационный процесс, а интересующими нас последствиями его действия стали т. н. митохондриальные болезни.

Митохондриальные болезни представляют собой пример цитоплазмати-ческой наследственности у человека, а точнее «органелльной наследствен-ности». Это уточнение следует сделать, т.к. теперь доказано существование, по крайней мере, у некоторых организмов, цитоплазматических наследственных детерминант , не связанных с клеточными органеллами, - цитогенов(-Вечтомов, 1996).

Митохондриальные болезни - гетерогенная группа заболеваний, обусловленных генетическими, структурными, биохимическими дефектами митохондрий и нарушением тканевого дыхания. Для постановки диагноза митохондриального заболевания важен комплексный генеалогический, клинический, биохимический, морфологический и генетический анализ. Основным биохимическим признаком митохондриальной патологии является развитие лактат-ацидоза, обычно выявляется гиперлактатацидемия в сочетании с гиперпируватацидемией. Число различных вариантов достигло 120 форм. Отмечается стабильное повышение концентрации молочной и пировиноградной кислот в цереброспинальной жидкости.

Митохондриальные болезни (МБ) представляют собой существенную про-блему для современной медицины. По способам наследственной передачи среди МБ выделяют заболевания, наследуемые моногенно по менделевскому типу, при которых в связи с мутацией ядерных генов либо нарушаются структура и функционирование митохондриальных белков, либо изменяется экспрессия митохондриальной ДНК, а также болезни, вызываемые мутациями митохондри-альных генов, которые в основном передаются потомству по материнской линии.

Данные морфологических исследований, свидетельствующие о грубой патологии митохондрий: анормальная пролиферация митохондрий, полимор-физм митохондрий с нарушением формы и размеров, дезорганизация крист, скопления аномальных митохондрий под сарколеммой, паракристаллические включения в митохондрии, наличие межфибриллярных вакуолей

Формы митохондриальных заболеваний

1 . Митохондриальные болезни, вызванные мутациями митохондриальной ДНК

1.1.Болезни, обусловленные делециями митохондриальной ДНК

1.1.1.Синдром Кернса-Сейра

Заболевание проявляется в возрасте 4-18 лет, прогрессирующая наружная офтальмоплегия, пигментный ретинит, атаксия, интенционный тремор, атриовентрикулярная блокада сердца, повышение уровня белка в цереброспи-нальной жидкости более 1 г\л, "рваные" красные волокна в биоптатах скелет-ных мышц

1.1.2.Синдром Пирсона

Дебют заболевания с рождения или в первые месяцы жизни, иногда возможно развитие энцефаломиопатий, атаксии, деменции, прогрессирующей наружной офтальмоплегии, гипопластическая анемия , нарушение экзокринной функции поджелудочной железы, прогрессирующее течение

2 .Болезни, обусловленные точковыми мутациями митохондриальной ДНК

Материнский тип наследования, острое или подострое снижение остроты зре-ния на один или оба глаза, сочетание с неврологическими и костно-суставными нарушениями, микроангиопатия сетчатки, прогрессирующее течение с возмо-жностью ремиссии или восстановления остроты зрения, дебют заболевания в возрасте 20-30 лет

2.2.Синдром NAPR (невропатия, атаксия, пигментный ретинит)

Материнский тип наследования, сочетание нейропатии, атаксии и пигментного ретинита, задержка психомоторного развития, деменция, наличие "рваных" красных волокон в биоптатах мышечной ткани

2.3.Синдром MERRF (миоклонус-эпилепсия, "рваные" красные волокна)

Материнский тип наследования, дебют заболевания в возрасте 3-65 лет, мио-клоническая эпилепсия, атаксия, деменция в сочетании с нейросенсорной глу-хотой, атрофией зрительных нервов и нарушениями глубокой чувствительно-сти, лактат-ацидоз, при проведении ЭЭГ обследования выявляются генерализо-ванные эпилептические комплексы, "рваные" красные волокна в биоптатах скелетных мышц, прогрессирующее течение

2.4.Синдром MELAS (митохондриальная энцефаломиопатия, лактат-ацидоз, инсультоподобные эпизоды)

Материнский тип наследования, дебют заболевания в возрасте до 40 лет, непе-реносимость физических нагрузок, мигренеподобные головные боли с тошно-той и рвотой, инсультоподобные эпизоды, судороги, лактат-ацидоз, "рваные" красные волокна в биоптатах мышц, прогрессирующее течение.

3 .Патология, связанная с дефектами межгеномной коммуникации

3.1.Синдромы множественных делеций митохондриальной ДНК

Блефароптоз, наружная офтальмоплегия, мышечная слабость, нейросенсорная глухота, атрофия зрительных нервов, прогрессирующее течение, "рваные" крас-ные волокна в биоптатах скелетных мышц, снижение активности ферментов дыхательной цепи.

3.2.Синдром делеции митохондриальной ДНК

Аутосомно-рецессивный тип наследования

Клинические формы:

3.2.1.Фатальная инфантильная

а) тяжелая печеночная недостаточность б)гепатопатия в)мышечная гипотония

Дебют в периоде новорожденности

3.2.2.Врожденная миопатия

Выраженная мышечная слабость, генерализованная гипотония, кардиомиопа-тия и судороги, поражение почек, глюкозурия, аминоацидопатия, фосфатурия

3.2.3.Инфантильная миопатия

возникает в первые 2 года жизни, прогрессирующая мышечная слабость, атро-фия проксимальных групп мышц и утрата сухожильных рефлексов, течение быстро прогрессирующее, летальный исход в первые 3 года жизни.

4 .Митохондриальные болезни, обусловленные мутациями ядерной ДНК

4.1.Заболевания, связанные с дефектами дыхательной цепи

4.1.1.Дефицит комлекса 1 (NADH:CoQ-редуктаза)

Начало заболевания до 15 лет, синдром миопатии, задержка психомоторного развития, нарушение сердечно-сосудистой системы, судороги, резистентные к терапии, множественные неврологические нарушения, прогрессирующее тече-ние

4.1.2.Дефицит комплекса 2 (сукцинат-CoQ-редуктаза)

Характеризуется синдромом энцефаломиопатии, прогрессирующие течение, су-дороги, возможно развитие птоза

4.1.3.Дефицит комплекса 3 (CoQ-цитохром С-оксидоредуктаза)

Мультисистемные нарушения, поражение различных органов и систем, с вовле-чением центральной и периферической нервной системы, эндокринной систе-мы, почек, прогрессирующее течение

4.1.4.Дефицит комплекса (цитохром С-оксидаза)

4.1.4.1.Фатальный инфантильный врожденный лактат-ацидоз

Митохондриальная миопатия с почечной недостаточностью или кардиомиопа-тия, дебют в неонатальном возрасте, выраженные дыхательные нарушения, диффузная мышечная гипотония, течение прогрессирующее, летальный исход на первом году жизни.

4.1.4.2.Доброкачественная инфантильная мышечная слабость

Атрофии, при адекватном и своевременном лечении возможна быстрая стаби-лизация процесса и выздоровление к 1-3 годам жизни

5 .Синдром Менкеса (трихополиодистрофия)

Резкая задержка психомоторного развития, отставание в росте, нарушение рос-та и дистрофические изменения волос,

6 . Митохондриальные энцефаломиопатии

6.1.Синдром Лея (подострая невротизирующая энцефаломиелопатия)

Проявляется после 6 месяцев жизни, мышечная гипотония, атаксия, нистагм, пирамидные симптомы, офтальмоплегия, атрофия зрительных нервов, часто от-мечается присоединение кардиомиопатии и легкого метаболического ацидоза

6.2.Синдром Альперса (прогрессирующая склерозирующая полидистрофия)

Дегенерация серого вещества мозга в сочетании с циррозом печени, дефицит комплекса 5 (АТФ-синтетаза), задержка психомоторного развития, атаксия, деменция, мышечная слабость, течение заболевания прогрессирующее, небла-гоприятный прогноз

6.3.Дефицит Коэнзима-Q

Метаболические кризы, мышечная слабость и утомляемость, офтальмоплегия, глухота, снижение зрения, инсультоподобные эпизоды, атаксия, миоклонус-эпилепсия, поражение почек: глюкозурия, аминоацидопатия, фосфатурия, эндо-кринные нарушения, прогрессирующее течение, снижение активности фермен-тов дыхательной цепи

7 .Заболевания, связанные с нарушением метаболизма молочной и пировиноградной кислот

7.1.Дефицит пируваткарбоксилазы Аутосомно-рецессивный тип наследования, дебют заболевания в неоната-льном периоде, симптомокомплекс "вялого ребенка", судороги, резистентные к терапии, высокие концентрации кетоновых тел в крови, гипераммониемия, ги-перлизинемия, снижение активности пируваткарбоксилазы в скелетных мышцах

7.2.Дефицит пируватдегидрогеназы

Проявление в неонатальном периоде, черепно-лицевая дизморфия, судороги, резистентные к терапии, нарушение дыхания и сосания, симптомокомплекс "вя-лого ребенка", дисгинезии мозга, выраженный ацидоз с высоким содержанием лактата и пирувата

7.3.Снижение активности пируватдегидрогеназы

Проявление на первом году жизни, микроцефалия, задержка психомоторного развития, атаксия, мышечная дистония, хореоатетоз, лактат-ацидоз с высоким содержанием пирувата

7.4.Дефицит дигидролипоилтрансацетилазы

Аутосомно-рецессивный тип наследования, дебют заболевания в неонатальном периоде, микроцефалия, задержка психомоторного развития, мышечная гипотония с последующим повышением мышечного тонуса, атрофия дисков зрительных нервов, лактат-ацидоз, снижение активности дигидролипоилтранс-ацетилазы

7.5.Дефицит дигидролипоилдегидрогеназы

Аутосомно-рецессивный тип наследования, дебют заболевания на первом году жизни, симптомокомплекс "вялого ребенка", дисметаболические кризы со рво-той и диареей, задержка психомоторного развития, атрофия дисков зрительных нервов, лактат-ацидоз, повышение содержания в сыворотке крови аланина, α-кетоглутарата, α-кетокислот с разветвленной цепью, снижение активности ди-гидролипоилдегидрогеназы

8 .Заболевания, обусловленные дефектами бета-окисления жирных кислот

8.1.Недостаточность Ацетил-CoA-дегидрогеназы с длинной углеродной цепью

Аутосомно-рецессивный тип наследования, дебют заболевания в первые месяцы жизни, метаболические кризы со рвотой и диареей, симптомокомплекс "вялого ребенка", гипогликемия, дикарбоксиловая ацидурия, снижение актив-ности ацетил-CoA-дегидрогеназы жирных кислот с длинной углеродной цепью

8.2.Недостаточность Ацетил-CoA-дегидрогеназы со средней углеродной цепью

Аутосомно-рецессивный тип наследования, дебют заболевания в неонатальном периоде или первые месяцы жизни, метаболические кризы со рвотой и диареей,

мышечная слабость и гипотония, часто развивается синдром внезапной смерти, гипогликемия, дикарбоксиловая ацидурия, снижение активности ацетил-CoA-дегидрогеназы жирных кислот со средней углеродной цепью

8.3. Недостаточность Ацетил-CoA-дегидрогеназы жирных кислот с короткой углеродной цепью

Аутосомно-рецессивный тип наследования, различный возраст дебюта заболевания, снижение толерантности к физическим нагрузкам, метаболичес-кие кризы со рвотой и диареей, мышечная слабость и гипотония, увеличение экскреции с мочой метилсукциновой кислоты, ацетил-CoA-дегидрогеназы жирных кислот с короткой углеродной цепью

8.4.Множественная недостаточность Ацетил-CoA-дегидрогеназ жирных кислот

Неонатальная форма : черепно-лицевая дизморфия, дисгинезии мозга, тяжелая гипогликемия и ацидоз, злокачественное течение, снижение активности всех ацетил-СоА-дегидрогеназ жирных кислот,

Инфантильная форма: симптомокосплекс "вялого ребенка", кардиомиопатия, метаболические кризы, гипогликемия и ацидоз

8.5.Снижение активности всех ацетил-СоА-дегидрогеназ жирных кислот

Форма с поздним дебютом: периодические эпизоды мышечной слабости, мета-болические кризы, гипогликемия и ацидоз менее выражены, интеллект сохра-нен,

9 .Ферментопатии цикла Кребса

9.1.Дефицит фумаразы

Аутосомно-рецессивный тип наследования, дебют заболевания в неонатальном периоде или периоде новорожденности, микроцефалия, генерализованная мы-шечная слабость и гипотония, эпизоды летаргии, быстро прогрессирующая эн-цефалопатия, неблагоприятный прогноз

9.2.Дефицит сукцинатдегидрогеназы

Редкое заболевание, характеризующееся прогрессирующей энцефаломиопатией

9.3.Дефицит альфа-кетоглутаратдегидрогеназы

Аутосомно-рецессивный тип наследования, неонатальный дебют заболевания, микроцефалия, симптомокомплекс "вялого ребенка", эпизоды летаргии, лактат-ацидоз, быстро прогрессирующее течение, снижение содержания ферментов цикла Кребса в тканях

9.4.Синдромы дефицита карнитина и ферментов его метаболизма

Дефицит карнитин-пальмитоилтрансферразы-1, аутосомно-рецессивный тип наследования, ранний дебют заболевания, эпизоды не кетонемической гипогли-кемической комы, гепатомегалия, гипертриглицеридемия и умеренная гиперам-мониемия, снижение активности карнитин-пальмитоилтрансферразы-1 в фибробластах и клетках печени

9.5.Дефицит карнитин-ацилкарнитин-транслоказы

Ранний дебют заболевания, сердечно-сосудистые и дыхательные нарушения, симптомокомплекс "вялого ребенка", эпизоды летаргии и комы, повышение концентрации эфиров карнитина и длинной углеродной цепью на фоне сниже-ния свободного карнитина в сыворотке крови, снижение активности карнитин-ацилкарнитин-транслоказы

9.6.Дефицит карнитин-пальмитоилтрансферразы-2

Аутосомно-рецессивный тип наследования, мышечная слабость, миалгии, миоглобинурия, снижение активности карнитин-пальмитоилтрансферразы-2 в скелетных мышцах

Аутосомно-рецессивный тип наследования, миопатический симптомокомплекс, эпизоды вялости и летаргии, кардиомиопатия, эпизоды гипогликемии, снижение уровня карнитина в сыворотке крови и увеличение его экскреции с мочой.

Проанализировав такой ‘страшный’ список патологий, связанных с теми или другими изменениями функционирования митохондриального(и не только) генома возникают определенные вопросы. Что же собой представляют продукты митохондриальных генов и в каких именно супермега-жизненноважных клеточных процессах они принимают участие?

Как оказалось, некоторые из вышеперечисленных патологий могут возни-кать при нарушениях синтеза 7 субъединиц НАДН-дегидрогеназного комплек-са, 2 субъединиц АТФ-синтетазы, 3 субъединиц цитохром-с-оксидазы и 1 субъединицы убихинол-цитохром-с-редуктазы(цитохром b), которые и являют-ся генными продуктами митохондрий. Исходя из этого можно сделать вывод о существовании ключевой роли данных белков в процессах клеточного дыхания, окисления жирных кислот и синтеза АТФ, переноса электронов в электронтран-спортной системе внутренней мт мембраны, функционирования антиоксидант-ной системы и т. д.

Судя по последним данным о механизмах апоптоза, многие ученые пришли к выводу о наличии центра контроля апоптоза именно...

Роль митохондриальных белков также была показана при применении антибиотиков, блокирующих мт синтез. Если клетки человека в культуре ткани обработать антибиотиком, например тетрациклином или хлорамфениколом, то после одного-двух делений их рост прекратится. Это связано с ингибированием митохондриального белкового синтеза, приводящим к появлению дефектных митохондрий и как следствие к недостаточному образованию АТР. Почему же тогда антибиотики можно использовать при лечении бактериальных инфекций? Есть несколько ответов на этот вопрос:

1. Некоторые антибиотики (такие, как эритромицин) не проходят через внутрен-нюю мембрану митохондрий млекопитающих.

2. Большинство клеток нашего тела не делятся или делятся очень медленно, поэтому столь же медленно происходит и замена существующих митохондрий новыми (во многих тканях половина митохондрий заменяется примерно за пять дней или еще дольше). Таким образом, количество нормальных митохондрий снизится до критического уровня только в том случае, если блокада митохондриального белкового синтеза будет поддерживаться на протяжении многих дней.

3. Определенные условия внутри ткани препятствуют проникновению некоторых препаратов в митохондрии наиболее чувствительных клеток. Например, высокая концентрация Са2+ в костном мозге приводит к образованию Са2+-тетрациклинового комплекса, который не может проникнуть в быстро делящиеся (и потому наиболее уязвимые) предшественники клеток крови.

Эти факторы дают возможность использовать некоторые препараты, ингиби-рующие митохондриальный синтез белка, в качестве антибиотиков при лечении высших животных. Только два таких препарата оказывают побочное действие: длительное лечение большими дозами хлорамфеникола может привести к нарушению кроветворной функции костного мозга (подавить образование эритроцитов и лейкоцитов), а длительное применение тетрациклина - к поврежде-нию кишечного эпителия. Но в обоих случаях еще не вполне ясно, вызываются ли эти побочные эффекты блокадой биогенеза митохондрий или какими-то иными причинами.

Вывод

Структурно-функциональные особенности мт генома состоят в следу-ющем. Во-первых, установлено, что мтДНК передается от матери всем ее

потомкам и от ее дочерей всем последующим поколениям, но сыновья не передают свою ДНК (материнское наследование). Материнский характер

наследования мтДНК, вероятно, связан с двумя обстоятельствами: либо доля отцовских мтДНК так мала (по отцовской линии может передаваться не

более одной молекулы ДНК на 25 тыс. материнских мтДНК), что они не могут быть выявлены существующими методами, либо после оплодотворения блоки-руется репликация отцовских митохондрий. Во-вторых, отсутствие комбинати-вной изменчивости - мтДНК принадлежит только одному из родителей, сле-довательно рекомбинационные события, характерные для ядерной ДНК в мейо-зе, отсутствуют, а нуклеотидная последовательность меняется из поколения в поколение только за счет мутаций. В-третьих, мтДНК не имеет интронов

(большая вероятность, что случайная мутация поразит кодирующий район ДНК), защитных гистонов и эффективной ДНК-репарационной системы -все это определяет в 10 раз более высокую скорость мутирования, чем в ядерной ДНК. В-четвертых, внутри одной клетки могут сосуществовать одновременно нормальные и мутантные мтДНК -явление гетероплазмии (присутствие толь-ко нормальных или только мутантных мтДНК называется гомоплазмией). Наконец, в мтДНК транскрибируются и транслируются обе цепи, а по ряду ха-рактеристик генетический код мтДНК отличается от универсального (UGA кодирует триптофан, AUA кодирует метионин, AGA и AGG являются стоп-

кодонами).

Эти свойства и вышеуказанные функции мт-генома сделали иссле-дование изменчивости нуклеотидной последовательности мтДНК неоценимым инструментом для врачей, судебных медиков, биологов-эволюционистов,

представителей исторической науки в решении своих специфических задач.

Начиная с 1988 г., когда было открыто, что мутации генов мтДНК лежат в основе митохондриальных миопатий (J. Y. Holt et al., 1988) и наследственной оптической нейропатии Лебера (D. C. Wallace, 1988), дальнейшее систематичес-кое выявление мутаций мт-генома человека привело к формированию концеп-ции митохондриальных болезней (МБ). В настоящее время патологические му-тации мтДНК открыты в каждом типе митохондриальных генов.

Список литературы

1. Скулачев, митохондрии и кислород, Сорос. образоват. журн.

2. Основы биохимии: В трех томах, М.: Мир, .

3. Nicholes D. G. Bioenergetics, An Introd. to the Chemiosm. Th., Acad. Press, 1982.

4. Stryer L. Biochemistry, 2nd ed. San Fransisco, Freeman, 1981.

5. Скулачев биологических мембран. М., 1989.

6. , Ченцов ретикулум: Строение и некоторые функции // Итоги науки. Общие проблемы биологии. 1989

7. Ченцов цитология. М.: Изд-во МГУ, 1995

8. , Сфера компетенции митохон-дриального генома // Вестн. РАМН, 2001. ‹ 10. С. 31-43.

9. Holt I. J, Harding A. E., Morgan -Hughes I. A. Deletion of muscle mitochondrial DNA in patients with mitochondrial myopathies. Nature, 1988, 331:717-719.

10. и др. Геном человека и гены предрасположенности. СПб., 2000

11. , Митохондриальный геном. Новосибирск, 1990.

12. // Сорос. образоват. журн. 1999. №10. С.11-17.

13. Роль симбиоза в эволюции клетки. М., 1983.

14. // Сорос. образоват. журн. 1998. №8. С.2-7.

15. // Сорос. образоват. журн. 2000. №1. С.32-36.

Киевский Национальный Университет им. Тараса Шевченка

Биологический факультет

Реферат

на тему:

“Роль материнского генома в развитии потомка”

с туд е нта IV курса

кафедры биохимии

Фролова Артема

Киев 2004

План :

Вступление...............................................................................1

Симбиотическая теория происхождения митохондрий......2

Роль клеточного ядра в биогенезе митохондрий...................................5

Транспортные системы митохондрий.....................................................7

Размеры и форма митохондриальных геномов..................10

Функционирование митохондриального генома...............14

Значение наличия собственной генетической системы для митохондрий..............................................................................19

Цитоплазматическая наследственность..............................20

Размер: px

Начинать показ со страницы:

Транскрипт

1 МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, 2010, том 44, 5, с УДК ОБЗОРЫ МИТОХОНДРИАЛЬНЫЙ ГЕНОМ И МИТОХОНДРИАЛЬНЫЕ ЗАБОЛЕВАНИЯ ЧЕЛОВЕКА 2010 г. И. О. Мазунин*, Н. В. Володько, Е. Б. Стариковская, Р. И. Сукерник Институт химической биологии и фундаментальной медицины Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск, Поступила в редакцию г. Принята к печати г. На сегодняшний день известно более 400 точковых мутаций и более сотни структурных перестроек митохондриальной ДНК (мтднк), связанных с нейромышечными и другими митохондриальными синдромами от летальных в неонатальном периоде до заболеваний с поздним началом. Причина возникновения и развития митохондриальных расстройств кроется, в первую очередь, в дефектах системы окислительного фосфорилирования. Отличительная особенность митохондриальных заболеваний человека состоит в их фенотипической многоликости и в феномене гетероплазмии. Существует необходимость точной оценки количества мутантных мтднк, поскольку уровень гетероплазмии во многом определяет фенотипическое проявление заболевания. Несмотря на то, что с момента установления причинно-следственной связи между мутацией в мтднк и определенной клинической картиной в митохондриальной биологии достигнут значительный прогресс, митохондриальные заболевания и по сей день остаются неизлечимыми. Ключевые слова: митохондриальный геном, окислительное фосфорилирование, мутации митохондриальной ДНК, гетероплазмия, митохондриальные заболевания, терапия дефектов дыхательной цепи митохондрий. MITOCHONDRIAL GENOME AND HUMAN MITOCHONDRIAL DISEASES, by I. O. Mazunin*, N. V. Volodko, E. B. Starikovskaya, R. I. Sukernik (Institute of Chemical Biology and Fundamental Medicine, Siberian Division, Russian Academy of Sciences, Novosibirsk, Russia;* Today there are described more than 400 point mutations and more than hundred of structural rearrangements of mitochondrial DNA associated with characteristic neuromuscular and other mitochondrial syndromes, from lethal in the neonatal period of life to the disease with late onset. The defects of oxidative phosphorylation are the main reasons of mitochondrial disease development. Phenotypic diversity and phenomenon of heteroplasmy are the hallmark of mitochondrial human diseases. It is necessary to assess the amount of mutant mtdna accurately, since the level of heteroplasmy largely determines the phenotypic manifestation. In spite of better understanding of the processes of phenotypic expression, currently there are no adequate treatments for mitochondrial diseases. Key words: mitochondrial genome, oxidative phosphorylation, mtdna mutations, heteroplasmy, mitochondrial diseases, mitochondrial respiratory chain defect therapy. Митохондрии выполняют в клетке множество функций, наиболее важная из которых выработка энергии путем окислительного фосфорилирования (ОФ). В отличие от других органелл митохондрии имеют собственную ДНК (мтднк), которая кодирует некоторые субъединицы комплексов ОФ. Мутации мтднк могут приводить к нарушению выработки энергии и, в конечном счете, к гибели клетки. Подобные нарушения высокодифференцированных клеток различных тканей и органов человека приводят к различным патологическим состояниям . О том, что нарушения процесса выработки энергии в форме АТР могут быть причиной некоторых нейромышечных синдромов, известно уже давно , однако причинно-следственную связь между известными заболеваниями/синдромами и Принятые сокращения: ОФ окислительное фосфорилирование; мтднк митохондриальная ДНК; КР контрольный регион; ND NADН-дегидрогеназа; Сytb убихинол-цитохром-с-оксидоредуктаза; CO цитохром-с-оксидаза; LHON наследственная оптическая нейропатия (атрофия) Лебера; LS синдром Лея; NARP/MILS нейропатия, атаксия, пигментная ретинопатия и наследуемый по материнской линии синдром Лея; SNHL/DEAF нейросенсорная глухота и аминогликозид-индуцированная глухота; MELAS митохондриальная энцефалопатия с инсультоподобными эпизодами и лактат-ацидозом; MERRF миоклональная эпилепсия с разорванными красными мышечными волокнами; KSS синдром Кернса Сейра; CPEO хроническая прогрессирующая наружная офтальмоплегия; АФК активные формы кислорода; ЦТК цикл трикарбоновых кислот. * Эл. почта: 755

2 756 МАЗУНИН и др. мутациями в кодирующем районе мтднк обнаружили значительно позже . На сегодняшний день установлено, что от митохондриального заболевания страдает в среднем 1 из взрослых жителей планеты . В обзоре рассмотрены современные представления о структуре и организации митохондриального генома, а также о молекулярных механизмах возникновения митохондриальных заболеваний, обусловленных мутациями мтднк. Мы также сравним молекулярные методы детекции мутаций мтднк и экспериментальные стратегии, направленные на исправление дефектов ОФ. В заключении мы обсудим способы предотвращения наследования мутаций мтднк, поскольку это актуальная проблема митохондриальной медицины в общем и медико-генетического консультирования в частности. СТРУКТУРА МИТОХОНДРИАЛЬНОГО ГЕНОМА мтднк человека представляет собой двухцепочечную кольцевую молекулу размером п.н., в которой расположены 37 генов, участвующих в процессе выработки энергии в дыхательной цепи митохондрий. В их число входят 13 структурных генов, кодирующих субъединицы комплексов ОФ, а также гены 22 трнк и двух ррнк, принимающих участие в синтезе белка непосредственно в митохондриях. Большинство регуляторных участков находятся в некодирующем, так называемом контрольном, районе (КР) протяженностью 1122 п.н. В процессе репликации мтднк в КР образуется трехцепочечный фрагмент размером 710 п.н., называемый D-петлей (displacement loop). Большую часть митохондриального генома занимает кодирующая последовательность, внутри которой межцистронным участкам принадлежат всего 87 п.н. В КР размещены промоторы тяжелой (HSP1 и HSP2) и легкой (LSP) цепей, а также точка инициации репликации тяжелой цепи (O H). Точка инициации репликации легкой цепи (O L) находится за пределами КР. Цепи мтднк характеризуются асимметричным распределением G/C-пар. Обогащенная остатками гуанина тяжелая цепь содержит оба гена ррнк, 12 структурных генов и 14 генов трнк. Оставшиеся восемь генов трнк и один структурный ген (ND6) располагаются в легкой цепи (рис. 1а) . Несмотря на некоторое сходство в строении мтднк человека и ДНК прокариот, заключающееся, в частности, в отсутствии интронов и перекрывании генов, структурная организация генома митохондрий значительно сложнее . Установлено, что молекулы мтднк (пять семь молекул) соматических клеток организованы в нуклеоиды, в состав которых входят гистоноподобные белки и белки, участвующие в регуляции транскрипции и репликации мтднк, основные из которых mtssb, POLG, TFAM и Twinkle . Нуклеоиды взаимодействуют с внутренней мембраной митохондрий посредством белков, которые специфически связываются с КР мтднк (предположительно, с D-петлей), с одной стороны, и внутренней мембраной митохондрий, с другой, объединяя и стабилизируя несколько молекул мтднк . Предполагается, что нуклеоид имеет многослойную организацию: в его центральной части происходят процессы репликации и транскрипции, а на периферии процессинг РНК и ее трансляция . Вероятно, роль нуклеоидной организации заключается в защите мтднк от повреждений, а взаимное расположение молекул мтднк в составе нуклеоида способствует процессу репарации путем генной конверсии. Предполагается также, что нуклеоид это основная единица сегрегации мтднк . Установлено, что отдельные нуклеоиды крайне редко обмениваются мтднк . Это косвенным образом подтверждает гипотезу стойкого нуклеоида (faithful nucleoid) . Согласно альтернативной модели динамичного нуклеоида (dynamic nucleoid), мтднк свободно перемещается между нуклеоидами с последующей рекомбинацией . ОСОБЕННОСТИ РЕПЛИКАЦИИ, ТРАНСКРИПЦИИ И ТРАНСЛЯЦИИ мтднк В настоящее время обсуждаются две возможные модели репликации мтднк. Согласно одной из них, репликация происходит по традиционному асинхронному механизму, начинается в O H и двигается по тяжелой цепи вплоть до O L, после чего начинает реплицироваться легкая цепь в противоположном направлении . В альтернативной модели копирование также начинается в O H, однако синтез обеих цепей происходит одновременно . Предполагается, что в зависимости от состояния клетки репликация может происходить по тому или иному механизму. В стационарной фазе роста мтднк реплицируется, по-видимому, по синхронному механизму, переключаясь на асинхронный, когда необходимо быстро увеличить число митохондрий . Известно, что репликация осуществляется с участием белков, кодируемых яднк, митохондриальной ДНК-полимеразой (POLG), геликазой (Twinkle) и белком, связывающимся с оцднк (mtssb) . Транскрипция мтднк начинается с двух промоторов тяжелой цепи (HSP1 и HSP2) и одного промотора легкой цепи (LSP). С LSP синтезируется полицистронная РНК, состоящая из восьми трнк и одной мрнк, кодирующей субъединицу ND6, в то время как с HSP1 и HSP2 синтезируются транскрипты, включающиие остальные 14 трнк, две ррнк и 12 мрнк, причем количество транскриптов, включающих две ррнк и две трнк (короткий транскрипт с HSP1), на порядок больше. Особенностью созревания индивидуальных мрнк является их вырезание из полицистронного транскрипта пу-

3 МИТОХОНДРИАЛЬНЫЙ ГЕНОМ И МИТОХОНДРИАЛЬНЫЕ ЗАБОЛЕВАНИЯ 757 HSP а 16S V 12S F LSP O H D-петля P T Cytb ND1 L E ND6 M I ND2 W Q A N CY O L L S H ND5 COI S ND4 D COII K ATP8 ATP6 G COIII ND4L R ND3 H + б H + H + H + Матрикс Внутренняя мембрана Межмембранное пространство ND2 ND1 ND3 ND6 ND5 ND4 ND4L Сукцинат e CoQ Фумарат Cytb Cytc O 2 e e e COI COII COIII H 2 OADP ATP8 ATP6 ATP Субъединицы гены мтднк: гены яднк: Комплекс I Комплекс II Комплекс III Комплекс IV Комплекс V ~ ~14 Рис. 1. Карта митохондриального генома человека (а) и схема окислительного фосфорилирования (б). Геном включает 37 генов, из которых 13 (ND1 ND6, ND4L, Cytb, COI COIII, ATP6, ATP8) кодируют субъединицы комплексов окислительного фосфорилирования, два гена (12S и 16S) ррнк, 22 гена (обозначены заглавными английскими буквами) трнк. D-петля трехцепочечный участок контрольного региона мтднк, образующийся в процессе репликации; в контрольном регионе находятся также точки инициации транскрипции тяжелой (HSP) и легкой (LSP) цепи и точка инициации трансляции тяжелой цепи (О Н). Точка инициации трансляции легкой цепи (О L) находится вне контрольного региона. Система окислительного фосфорилирования включает пять комплексов: комплекс I состоит из 46 субъединиц (семь кодируются мтднк и 39 яднк); комплекс II состоит из четырех субъединиц (яднк); комплекс III из 11 субъединиц (одна мтднк и 10 яднк); комплекс IV состоит из 13 субъединиц (три мтднк и 10 яднк); комплекс V состоит из 16 субъединиц (две мтднк и 14 яднк); и два специфических переносчика электронов, CoQ и Сytс. По мере движения электронов по дыхательной цепи, протоны переносятся из матрикса в межмембранное пространство комплексами I, III и IV, а затем, через комплекс V, возвращаются в матрикс. Комплекс V синтезирует АТР из АDP и неорганического фосфата за счет Ψp. Адаптировано из . тем узнавания вторичных структур трнк, гены которых располагаются между структурными генами . Ключевой процесс в экспрессии митохондриальных мрнк полиаденилирование, так как в ходе него для некоторых мрнк создаются стоп-кодоны (UAA), отсутствующие в пре-мрнк . В число основных белков транскрипционной машины входят митохондриальная РНК-полимераза (POLRMT), митохондриальные факторы активации транскрипции A (TFAM), В1 (TFB1M) и В2 (TFB2M), а также фактор терминации транскрипции (mterf) . Трансляция белков, кодируемых мтднк, происходит в матриксе на митохондриальных рибосомах (миторибосомы), которые содержат меньше ррнк (по сравнению с бактериальными или эукариотическими рибосомами), но больше рибосомных белков. Трансляционный аппарат митохондрий человека включает два фактора инициации (IF2, IF3), три фактора элонгации (EFG, EFTs, EFTu) и по крайней мере один фактор терминации (mtrf1). К особенностям трансляции в митохондриях относится использование уникального генетического кода, присутствие 22 трнк и отсутствие кепов, необходимых

4 758 МАЗУНИН и др. для узнавания мрнк сайтов связывания на рибосомах . ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ ОФ одна из фундаментальных метаболических реакций, протекающая во внутренней мембране митохондрий. Она заключается в сопряжении транспорта электронов с образованием АТР. Система ОФ включает пять белковых комплексов, каждый из которых состоит из нескольких субъединиц (рис. 1б). Уэукариот электроны переносятся по дыхательной цепи, начиная с NADН, через комплекс I (NADНубихинон-редуктаза), либо с молекулы сукцината через комплекс II (сукцинат-убихинон-редуктаза), а затем последовательно на интегральный мембранный переносчик электронов СоQ, комплекс III (убихинол-цитохром-с-редуктаза), переносчик электронов цитохром с (Cytc) и, наконец, через комплекс IV (цитохром-с-оксидаза) на молекулярный кислород . Энергия, высвобождаемая потоком электронов, используется для переноса протонов из матрикса в межмембранное пространство комплексами I, III и IV . Это создает электрохимическую разницу потенциалов (Ψp, протонный градиент) по обе стороны внутренней мембраны. Энергия, запасенная в виде Ψp, используется комплексом V (АТРсинтаза). По мере обратного транспорта протонов в матрикс через протонный канал (F о -субъединица АТРсинтазы) происходит фосфорилирование АDP неорганическим фосфатом с образованием молекулы АТР . Таким образом, процесс окисления субстрата и восстановления кислорода сопряжен с образованием АТР. Установлено, что комплексы ОФ дрейфуют по внутренней мембране не в виде отдельных структур, а в составе единого высокомолекулярного суперкомплекса респирасомы . Соотношение комплексов в респирасоме, вероятно, видоспецифично . Очевидно, что истинная респирасома, т.е. образование, способное переносить электроны от NADН к молекулярному кислороду, это суперкомплекс, включающий комплексы I, II, III и IV, а также специфические агенты-переносчики CoQ и Cytc . Предполагается, что существует АТР-синтасома, объединяющая комплекс V, переносчик неорганического фосфата и адениннуклеотид-транслоказу (ANT) в соотношении 1: 1: 1 . Однако получены свидетельства в пользу независимого функционирования этих компонентов . Несмотря на всеобщее признание теории Митчелла , механизм переноса протонов из матрикса в межмембранное пространство до сих пор не ясен неизвестно, какие именно структуры комплексов вовлечены в этот процесс. Однако сравнительный анализ комплексов ОФ у представителей разных видов показал, что перенос протонов и электронов осуществляется при участии субъединиц, кодируемых мтднк. Помимо синтеза АТР, ОФ представляет собой эндогенный источник активных форм кислорода (АФК): O 2 (супероксид), Н 2 О 2 (пероксид водорода) и ОН (гидроксильный радикал) . O 2 формируется, главным образом, в комплексах I и III . При помощи митохондриальной Mn-зависимой супероксиддисмутазы либо Cu Zn-зависимой супероксиддисмутазы O 2 превращается в Н 2 О 2, которую, в свою очередь, глутатионпероксидаза превращает в Н 2 О. Кроме того, в присутствии ионов Fe 2+ и Сu 2+ Н 2 О 2 может превращаться в ОН. O 2 может реагировать и с NO (оксид азота), который, как показано , образуется эндогенно в митохондриях при помощи митохондриальной NO-синтазы, приводя к образованию ONOO (пероксинитрит). Установлено, что в формировании активных форм азота принимает участие комплекс IV . Хроническое воздействие АФК на клетку приводит к окислительному повреждению белков, липидов и нуклеиновых кислот, а острое воздействие к инактивации Fe Sцентров ферментативных комплексов ОФ и фермента цикла трикарбоновых кислот (ЦТК) аконитазы , что приводит к снижению продукции АТР . Высокоактивный ONOO нитрирует остатки тирозина окружающих белков, в результате чего повреждаются комплекс I и митохондриальная супероксиддисмутаза . Кроме того, в комплексе I сульфгидрильные группы могут подвергаться нитрозилированию, что приводит к подавлению активности комплекса . Воздействие АФК на мтднк приводит к накоплению множественных мутаций, снижению скорости ОФ и еще большему накоплению АФК. Все это в итоге нарушает функционирование клетки, вызывает программируемую клеточную смерть апоптоз . ПАТОГЕННЫЕ МУТАЦИИ мтднк И МИТОХОНДРИАЛЬНЫЕ ЗАБОЛЕВАНИЯ Скорость мутирования у мтднк примерно в 17 раз выше, чем у яднк . Это определяется совокупностью таких факторов, как особенности структурной организации митохондриального генома, функциональное состояние рибонуклеотидредуктазы, ошибки репликации, мутации ядерных генов, кодирующих белки, действующие в митохондриях. Однако наиболее значителен вклад АФК . Путь от возникновения мутации в мтднк до клинического проявления заболевания во многом неясен: предполагается, что возникновение мутаций мтднк приводит к накоплению АФК, изменению кальциевого обмена, активации митохондриальных пор повышенной проницаемости (mtptp, mitochondrial permeability transition pore) и, в итоге, к апоптозу. Такой сценарий, вероятно, характерен для нейродеге-

5 МИТОХОНДРИАЛЬНЫЙ ГЕНОМ И МИТОХОНДРИАЛЬНЫЕ ЗАБОЛЕВАНИЯ 759 Таблица 1. Патогенные точковые мутации мтднк Заболевание комплекс I (гены ND) Патогенные мутации в структурных генах комплекс III (Cytb) комплекс IV (гены CО) комплекс V (АТР6 и АТР8) Патогенные мутации в генах ррнк и трнк ррнк трнк LHON LS NARP/MILS 5 SNHL/DEAF MELAS MERRF 5 KSS 3 CPEO 1 17 Другие Всего мутаций Примечание. ND NADН-дегидрогеназа; Сytb убихинол-цитохром-с-оксидоредуктаза; CO цитохром-с-оксидаза; ATP АТPсинтаза; LHON наследственная оптическая нейропатия (атрофия) Лебера; LS синдром Лея; NARP/MILS нейропатия, атаксия, пигментная ретинопатия и наследуемый по материнской линии синдром Лея; SNHL/DEAF нейросенсорная глухота и аминогликозид-индуцированная глухота; MELAS митохондриальная энцефалопатия с инсультоподобными эпизодами и лактатацидозом; MERRF миоклональная эпилепсия с разорванными красными мышечными волокнами; KSS синдром Кернса Сейра; CPEO хроническая прогрессирующая наружная офтальмоплегия. неративных процессов, обусловленных мутациями мтднк . На сегодняшний день клинико-биохимические характеристики митохондриальных заболеваний хорошо известны . Однако при установлении диагноза, а значит, и прогноза для заболевших и степени риска для здоровых носителей не обойтись без молекулярного анализа мтднк. Для описания заболеваний обычно применяют классификацию, основанную на том, какую область мтднк затрагивает мутация. В соответствии с этим патогенные мутации мтднк подразделяют на: 1) мутации структурных генов; 2) мутации генов ррнк и трнк и 3) структурные перестройки, затрагивающие большие сегменты мтднк. Патогенные мутации в структурных генах Патогенные мутации, изменяющие нуклеотидную последовательность структурных генов мтднк, подразделяют на четыре группы, в зависимости от того, какой комплекс ОФ они затрагивают. Мутации митохондриальных генов комплекса I. Наибольшее число патогенных мутаций обнаружено в структурных генах комплекса I . Согласно базе данных MITOMAP (данные на 09/02/2010), в гене ND1 обнаружено 33 патогенных мутации, в ND2 12, ND3 6, ND4L 5, ND4 14, ND5 22 и ND6 18, т.е. всего 110 мутаций. Наследственная оптическая нейропатия (атрофия) Лебера (LHON) наиболее распространенное митохондриальное заболевание, обусловленное мутациями в структурных генах мтднк и, в большинстве случаев, в генах ND (табл. 1). Клинически LHON характеризуется дегенерацией ганглиозного слоя сетчатки и атрофией зрительного нерва. Около 95% случаев LHON в европейской популяции вызываются тремя мутациями первичного риска: A3460G (ND1), G11778A (ND4) и T14484C (ND6). В генах мтднк выявлено множество редких мутаций, ассоциированных с LHON, число которых постоянно растет . LHON одно из немногих митохондриальных заболеваний, для которого установлена корреляция между экспрессией патогенной мутации и принадлежностью к определенной филетической линии (гаплогруппе мтднк): так, мутации G11778A и T14484C часто ассоциированы с гаплогруппой J, в то время как мутация G3460A с гаплогруппой K . Нами, в частности, показано, что мутация G3460A, найденная на территории Сибири, ассоциирована с гаплогруппами, производными макрогаплогруппы M, которая с наибольшей частотой представлена у коренных жителей Сибири (алтайцев, тувинцев, бурят); в то же время, мутация G11778A, в соостветствии с опубликованными данными, экспрессируется на фоне гаплогрупп кластера TJ .

6 760 МАЗУНИН и др. Другое распространенное заболевание, связанное с мутацией в генах ND, синдром Лея (LS) прогрессирующее нейродегенеративное состояние, при котором поражаются ствол головного мозга и базальные ганглии с образованием характерных симметричных некротических изменений. Подобные симптомы вызываются мутациями генов COIII и ATP6, а также некоторых трнк . Мутации митохондриальных генов комплекса III. В гене Сytb выявлено 29 патогенных мутаций, которые приводят, как правило, к миопатиям . Кроме того, мутации в гене Сytb ассоциированы с энцефаломиопатией, кардиомиопатией, тубулопатией и LHON . Мутации митохондриальных генов комплекса IV. К настоящему времени в гене COI найдено 33 патогенных мутации, 14 мутаций в COII, 13 в COIII . У большинства больных с мутациями в этих генах развиваются нейромышечные синдромы, а некоторые мутации связаны с LHON и SNHL (нейросенсорная глухота) , отдельные мутации гена COI ассоциированы с раком предстательной железы . Мутации митохондриальных генов комплекса V. В гене ATP6, кодирующем субъединицу АТРсинтазы, обнаружено 19 патогенных мутаций , а в гене субъединицы ATP8 идентифицирована лишь одна мутация, A8381G, приводящая к MIDD (сахарный диабет типа 2 и нейросенсорная глухота) . Наиболее распространенное заболевание, ассоциированное с мутацией T8993G гена АТР6, комплекс симптомов, включающих нейропатию, атаксию и пигментную ретинопатию (NARP). Интересно отметить, что в виде NARP мутация T8993G проявляется, когда мутантная мтднк составляет 70 90% всей мтднк в клетке, а при 90 95% эта мутация вызывает развитие наследуемого по материнской линии синдрома Лея (MILS). Подобные синдромы связаны с мутациями T8993C, T9176G и T9176C . Патогенные мутации T8993G и T8993C, приводящие в замене высококонсервативного остатка лейцина в положении 156 на пролин или аргинин, соответственно, снижают ток протонов через АТРсинтазу на 30% . Отмечено, что принадлежность к определенной митохондриальной гаплогруппе может влиять на патогенез заболевания . Патогенные мутации генов рибосомных и транспортных РНК Мутации в генах ррнк и трнк, которые участвуют в биосинтезе белков в митохондриях, могут быть причиной ряда митохондриальных заболеваний . Патогенные мутации генов ррнк. К настоящему времени выявлено 16 патогенных мутаций, изменяющих структуру 12S ррнк; в гене 16S ррнк мутаций, приводящих к заболеваниям, не обнаружено. Наиболее часто в ррнк встречается транзиция G1555A, фенотипически проявляющаяся в виде SNHL. Эта мутация задевает высококонсервативную область 12S ррнк, входящую в состав малой субъединицы рибосомы, в результате чего изменяется аминогликозид-связывающий сайт 12S ррнк, и больные становятся чувствительными к ототоксичным аминогликозидам . Все другие патогенные мутации в гене 12S ррнк также приводят к SNHL . Патогенные мутации генов трнк. Примерно две трети (166 мутаций) патогенных точковых мутаций мтднк локализованы в генах трнк. Мутации, затрагивающие различные трнк, проявляются в виде разнообразных клинических синдромов. Наиболее распространены мутации в генах трнк Leu и трнк Lys. Так, мутация A3243G диагностируется примерно в 80% случаев MELAS (митохондриальная энцефалопатия с инсультоподобными эпизодами и лактатацидозом). Эта транзиция влияет на третичную структуру трнк Lys и процессы метилирования, ацетилирования и тауриновой модификации антикодона, что приводит к нарушению трансляции . Интересно отметить, что мутация A3243G находится, как правило, в состоянии гетероплазмии. При этом соотношение мутантной мтднк и мтднк дикого типа сильно варьирует в различных тканях: наибольшее количество мутантной мтднк обнаруживается в мышечной ткани и клетках головного мозга, наименьшее в лейкоцитах крови . С возрастом содержание мутантных мтднк может увеличиваться во всех тканях, кроме клеток крови, очевидно, вследствие специфического отбора . Помимо MELAS, мутация A3243G ассоциируется с MERRF (миоклональная эпилепсия с разорванными красными мышечными волокнами), CPEO (хроническая прогрессирующая наружная офтальмоплегия), KSS (синдром Кернса Сейра), SNHL и LS . Другая наиболее распространенная мутация транзиция A8344G в гене трнк Lys, в 80% случаев ассоциирована с MERRF . В результате этой мутации изменяется высококонсервативный нуклеотид в псевдоуридиновой петле трнк, что приводит к блокированию митохондриального синтеза белка. Отмечено, что для фенотипического проявления заболевания необходимо, чтобы уровень гетероплазмии достигал 85 90% . Структурные перестройки, затрагивающие большие сегменты мтднк Делеции мтднк лежат в основе некоторых митохондриальных заболеваний и, вероятно, играют ключевую роль в процессе старения постмитотических тканей. В настоящее время рассматриваются две модели происхождения делеций в мтднк . Согласно первой, делеции возникают во время репликации мтднк по асинхронному механизму. Дру-

7 МИТОХОНДРИАЛЬНЫЙ ГЕНОМ И МИТОХОНДРИАЛЬНЫЕ ЗАБОЛЕВАНИЯ 761 гая модель постулирует, что делеции формируются в ходе репарации двухцепочечных разрывов мтднк. Как правило, делеции возникают спорадически и не передаются следующему поколению . Обширная делеция мтднк размером 4977 п.н. (участок) считается наиболее частой причиной KSS, при котором наблюдается прогрессирующая наружная офтальмоплегия, пигментная ретинопатия и ранняя манифестация (до 20 лет) . Основная причина CPEO либо одна обширная делеция, либо множество коротких. CPEO характеризуется прогрессирующим параличом глазодвигательной мышцы, который приводит к уменьшению подвижности глаза и птозу . Синдром Пирсона (PS) довольно редкое заболевание детей раннего возраста, при котором развивается сидеробластная анемия с панцитопенией и экзокринной недостаточностью поджелудочной железы. Заболевание характеризуется крайне тяжелым течением и приводит к ранней смерти; у выживших больных развиваются клинические симптомы KSS. Как правило, при данных синдромах все ткани и органы содержат большое количество мтднк с делециями . Развитие каждого из трех описанных синдромов связано с делециями мтднк определенного размера и локализации, что следует учитывать при постановке диагноза . ПАТОГЕННЫЕ МУТАЦИИ яднк И МИТОХОНДРИАЛЬНЫЕ ЗАБОЛЕВАНИЯ В биогенезе митохондрий принимают участие около 2000 генов ядерного генома , поэтому очевидно, что повреждения яднк также приводят к митохондриальным заболеваниям. Дефекты яднк значительно более разнообразны, нежели дефекты мтднк, они включают как мутации генов системы ОФ и аппарата белкового синтеза в митохондриях, так и мутации генов системы импорта/экспорта в митохондрии, движения митохондрий, слияния/деления митохондрий, транскрипции и репликации мтднк, а также мутации генов различных ферментативных циклов (ЦТК, β-окисление жирных кислот) и других метаболических путей, связанных с функционированием митохондрий . Указанные дефекты яднк и связанные с ними заболевания, которые клинически отличаются от классических митохондриальных, в нашем обзоре не рассматриваются. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ПРОЯВЛЕНИЕ МИТОХОНДРИАЛЬНОГО ЗАБОЛЕВАНИЯ Наблюдаемое разнообразие клинических симптомов митохондриальных заболеваний формируется за счет таких факторов, как гетероплазмия, пороговый эффект и эффект бутылочного горлышка (генетической воронки). Существование множества копий мтднк в клетке зачастую приводит к возникновению гетероплазмии, т.е. состоянию, при котором в одной митохондрии, клетке или органе сосуществуют несколько вариантов мтднк, в отличие от гомоплазмии, когда все мтднк идентичны . При делении клетки митохондрии распределяются между дочерними клетками случайным образом вследствие митотической сегрегации, в результате чего дочерние клетки могут различаться уровнем гетероплазмии . Предполагается, что в дочерних (соматических) клетках скорость сдвига в сторону мутантных мтднк, либо мтднк дикого типа определяется составом нуклеоида родительской клетки. И мутантная мтднк, и мтднк дикого типа могут входить в состав одного нуклеоида (гетероплазматический нуклеоид, heteroplasmic nucleoid), либо в отдельные нуклеоиды (гомоплазматический нуклеоид, homoplasmic nucleoid). Если материнская клетка содержит гетероплазматические нуклеоиды, то колебание уровня гетероплазмии дочерних клеток остается незначительным, однако, если нуклеоиды гомоплазматические уровень гетероплазмии дочерних клеток различается весьма значительно и зависит от отбора и генетического дрейфа . Уровень гетероплазмии патогенной мутации мтднк, как правило, определяет тяжесть митохондриального заболевания . При этом для манифестации заболевания необходимо, чтобы количество мутантной мтднк превысило определенный уровень это явление получило название порогового эффекта. Так, в случае MERRF количество мтднк с мутацией A8344G должно составлять 85 90%. Мутация T8993G может приводить к развитию одного заболевания (NARP), если ее содержание (уровень гетероплазмии) достигает 70 90%, однако, при более высоком уровне гетероплазмии, 90 95%, возникают клинические симптомы другого заболевания (MILS) . мтднк млекопитающих, за некоторым исключением, наследуется по материнской линии. Зрелые яйцеклетки содержат по крайней мере копий мтднк, примерно по одной две копии на каждую митохондрию . Несмотря на большое число копий мтднк в яйцеклетке, уже в следующем поколении мтднк может быть представлена новыми вариантами. Так, быстрая сегрегация новых вариантов мтднк (мутации D-петли) у крупного рогатого скота произошла всего за несколько поколений . Это позволило выдвинуть концепцию о влиянии эффекта бутылочного горлышка на одной из стадий развития яйцеклеток (рис. 2). Действительно, последующее изучение ультраструктуры показало, что после оплодотворения происходит череда зиготических делений без деления митохондрий (и, соответственно, без репликации мтднк), в результате чего митохондриальный пул вдвое умень-

8 762 МАЗУНИН и др. Число митохондрий в клетке Оплодотворенная яйцеклетка Бутылочное горлышко (генетическая воронка) Бластоциста Первичные половые клетки Оогонии Примордиальный фолликул Зрелая яйцеклетка Рис. 2. Схематическое представление изменения количества митохондрий в течение развития женских половых клеток у мышей. Указано количество митохондрий на каждой стадии развития. Эффект бутылочного горлышка (генетической воронки) наблюдается на стадии формирования первичных половых клеток. Cправа приведено примерное количество половых клеток у мышей. Адаптировано из . шается с каждым клеточным делением. Так, первичные половые клетки мыши содержат всего примерно 10 митохондрий . Таким образом, при формировании предшественников половых клеток митохондрии составляют лишь малую часть (0.01%) от изначального митохондриального пула зиготы . Предполагается, что количество митохондрий, характерное для зрелой яйцеклетки, восстанавливается за счет лишь некоторых субпопуляций митохондрий примордиальных фолликулов . Поскольку количество митохондрий, характерное для зрелой яйцеклетки, происходит из весьма ограниченного набора митохондрий первичных половых клеток, вновь образовавшиеся митохондрии будут, очевидно, гомогенными (или почти гомогенными) по составу. Другими словами, фундаментальное значение эффекта генетической воронки в эволюции заключается, вероятно, в поддержании гомоплазмии мтднк, минимизируя гетероплазмию ОПРЕДЕЛЕНИЕ МУТАЦИЙ мтднк И УРОВНЯ ГЕТЕРОПЛАЗМИИ Известно, что уровень гетероплазмии во многом определяет фенотипическое проявление мутации, поэтому при проведении молекулярного анализа необходимо оценивать количество мутантных мтднк. Следует заметить, что оценка уровня гетероплазмии уже включает детекцию мутации, в то время как методы обнаружения мутации не всегда учитывают уровень ее гетероплазмии. В табл. 2 указаны основные методы определения уровня гетероплазмии мутаций мтднк. Метод клонирования, дающий достоверные количественные результаты, считается наиболее трудоемким и продолжительным. Более точные результаты при меньшей трудоемкости можно получить с помощью флуоресцентной ПЦР, однако, метод не позволяет выявлять мелкие делеции и вставки. Денатурирующая высокоразрешающая жидкостная хроматография дает воспроизводимые результаты при любых видах мутаций (делеции, вставки, точковые мутации), находящихся в состоянии гетероплазмии. Оценка уровня гетероплазмии с помощью этого метода более точна по сравнению с клонированием и флуоресцентной ПЦР . Для обнаружения и количественной оценки мутаций мтднк использовали также метод ПЦР в реальном времени: превосходные результаты получены как при использовании гидролизуемых зондов (TaqMan), так и интеркалирующего красителя SYBR . В другой работе для детекции мутаций мтднк и количественной оценки уровня гетероплазмии предложено использовать молекулярные маячки (Molecular beacon). Модификация системы TaqМan, заключающаяся в применении специфических праймеров, использована для оценки уровня гетероплазмии мутации A3243G . Сравнение трех методов определения уровня гетероплазмии секвенирования ДНК, Саузерн-блот-анализа, комбинированного метода ПНК (пептидо-нуклеиновые кислоты) и ПЦР в реальном времени, показало, что комбинация ПНК/ПЦР в реальном времени позволяет более точно (количественно) разграничить мутантную мтднк и мтднк дикого типа, нежели секвенирование; Саузерн-блот-анализ не отражает реального уровня гетероплазмии . Как оказалось, наиболее точные оценки дают три метода: SNaPshot , пиросеквенирование и Biplex Invader . Однако при сопоставимой точности Biplex Invader оказался наиболее простым в использовании, а SNaPshot наиболее дорогостоящим . В настоящее время, когда обнаружение мутаций мтднк выходит на поток, предпочтение отдается чиповым технологиям, позволяющим анализировать основные патогенные мутации мтднк сразу во множестве образцов, устанавливая при этом уровень гетероплазмии каждой отдельной мутации .

9 МИТОХОНДРИАЛЬНЫЙ ГЕНОМ И МИТОХОНДРИАЛЬНЫЕ ЗАБОЛЕВАНИЯ 763 Таблица 2. Методы детекции гетероплазмии мутаций мтднк Метод ТЕРАПИЯ ДЕФЕКТОВ ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ Ссылка Клонирование Флуоресцентная ПЦР Денатурирующая высокоразрешающая жидкостная хроматография Высокоразрешающий анализ плавления Саузерн-блот-гибридизация Biplex Invader assay Комбинированный метод ПНК/ПЦР в реальном времени Количественная ПЦР в реальном времени Минисеквенирование (SNaPshot) Пиросеквенирование Чиповые технологии К настоящему времени митохондриальные заболевания не поддаются излечению. Используемые в клинической практике стратегии симптоматического лечения включают применение фармакологических средств, специальных диет , а также физических нагрузок . Некоторые патологии, обусловленные мутациями в мтднк, корректируют посредством хирургических вмешательств. Так, при нейросенсорной потере слуха, сопровождающей синдромы MELAS, SNHL и KSS, применяют улитковые имплантаты; нарушение проводимости сердца при KSS можно компенсировать вживлением водителя ритма . Экспериментальные методы (табл. 3), направленные на устранение дефектов дыхательной цепи путем воздействия на генетический аппарат митохондрий, находятся на стадии разработки и их применение в ближайшем будущем сомнительно . Далее будут рассмотрены основные стратегии устранения дефектов дыхательной цепи митохондрий. Стратегия аллотопической экспрессии заключается в создании векторной конструкции, содержащей нормальную копию митохондриального гена. Клетку трансформируют этой конструкцией и после ее встраивания в ядерный геном начинается экспрессия нормального митохондриального гена. Однако не все митохондриальные гены можно экспрессировать таким образом . К настоящему времени подобную процедуру применили на клеточных линиях для устранения дефектов генов ND1, ND4 и ATP6 . Ксенотопическая экспрессия подразумевает использование генов субъединиц комплексов ОФ других видов организмов. Так, для компенсации дефектов комплекса I в клетках млекопитающих применили дрожжевую NADH-оксидазу (Ndi1) . В другой работе дефекты комплекса I устраняли путем доставки в ядро и последующей экспрессии гена альтернативной оксидазы (AOX, cyanide-insensitive alternative oxidase) из асцидии . Теоретически, альтернативные комплексы ОФ могут компенсировать работу дефектного комплекса вне зависимости от мутации, которая нарушила работу комплекса. Однако большинство таких альтернативных комплексов не способны перекачивать протоны из матрикса в межмембранное пространство . Несмотря на то, что остаются сомнения в возможности импорта трнк в митохондрии (в норме трнк в митохондрию не импортируется, поскольку Таблица 3. Методы генной терапии дефектов дыхательной цепи Методы генной терапии дефектов дыхательной цепи Заболевание Мутация мтднк аллотопическая экспрессия ксенотопическая экспрессия коррекция системы трансляции (трнк) эндонуклеазы рестрикции пептидо-нуклеиновые кислоты метилазы типа цинковые пальцы LHON A11778G G3460G NARP/MILS T8993G MERRF A8344G G611A MELAS A3234G Примечание. Сокращения, как в табл. 1.

10 764 МАЗУНИН и др. полностью там синтезируется), эксперименты в этом направлении продолжаются . Так, используя комплекс импорта трнк (RIC, trna import complex) из Leishmania tropica, удалось доставить трнк Lys в митохондрии, компенсировав тем самым дефект трансляции, и восстановить клеточное дыхание . Патогенные мутации трнк компенсировали при помощи модификации либо гиперэкспрессии соответствующих аминоацил-трнксинтетаз . Стратегия манипулирования уровнем гетероплазмии состоит в использовании молекулярных конструкций, которые специфически связываются с определенной нуклеотидной последовательностью в мтднк, блокируя ее транскрипцию и/или репликацию. Изменять уровень гетероплазмии в сторону мтднк дикого типа могут эндонуклеазы рестрикции, которые узнают определенные сайты, возникшие после появления мутации, и специфически разрезают мутантную мтднк . Интересно, что участок узнавания определенной эндонуклеазой рестрикции не обязательно должен быть уникальным: мутантная мтднк и мтднк дикого типа могут отличаться по количеству сайтов рестрикции . Использование ПНК, представляющих собой линейные полимеры N-(2-аминоэтил)-глицина, замещенные по атому азота аминоэтильной группы производными азотистых оснований, и способных к нековалентному взаимодействию с азотистыми основаниями ДНК и РНК, также весьма перспективно для изменения соотношения мтднк, мутантных и дикого типа. Эти химические соединения специфически связываются с мутантной мтднк, блокируя репликацию . Модифицированный вариант ПНК, названный CMCO (cell membrane crossing oligomers), имеет бо" льшую полярность, нежели ПНК, и лучше проникает в митохондрию . Более того, оказалось, что связываться с определенной нуклеотидной последовательностью в мтднк могут также белки типа цинковые пальцы . Перемещение нормальных митохондрий из стволовых и соматических клеток в клетки с дефектными митохондриями с последующим восстановлением клеточного дыхания в перспективе может применяться при митохондриальных заболеваниях . Интересным направлением в разработке стратегий лечения митохондриальных заболеваний считается доставка ДНК/белка непосредственно в дефектные митохондрии. С этой целью используют жирорастворимые капсулы липосомы, в которые упаковывают ДНК/белки. Такие капсулы, имея сродство к митохондриальной мембране, специфически связываются с митохондриями и, сливаясь с ними, высвобождают в митохондриальный матрикс свое содержимое . Основная проблема терапии митохондриальных заболеваний, как и всех наследственных заболеваний, заключается в отсутствии возможности адресной доставки необходимого вещества во все митохондрии всех (либо определенных) клеток человека. Таким образом, предотвращение передачи патогенных мутаций мтднк от матери детям рассматривается в данный момент в качестве единственной альтернативы. СТРАТЕГИИ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ПЕРЕДАЧИ ПАТОГЕННЫХ МУТАЦИЙ мтднк Предотвращение передачи мутантных мтднк потомству представляется особо актуальной проблемой на данном этапе развития митохондриальной медицины . Предотвратить передачу мутантной мтднк следующему поколению можно с помощью донорской яйцеклетки. Полученный в результате экстракорпорального оплодотворения (ЭКО) эмбрион имплантируют в матку, таким образом будущему ребенку удается избежать митохондриального заболевания, которым страдает его мать . Важно учитывать, что привлечение родственниц со стороны матери (в качестве донора яйцеклетки) не рекомендуется, поскольку они могут быть носителями патогенной мутации мтднк. Пренатальная диагностика (ПНД) с целью взятия плодного материала для последующего лабораторного исследования имеет серьезные ограничения из-за неравномерного распределения мутаций мтднк в различных тканях и органах. Утверждены критерии проведения ПНД митохондриальных заболеваний . Согласно этим критериям достоверно интерпретировать результаты ПНД можно лишь в случае мутаций с высокой степенью корреляции между уровнем гетероплазмии и тяжестью заболевания, равномерным распределением во всех тканях и уровнем гетероплазмии, который не меняется в течение жизни. Как оказалось, такие требования справедливы лишь для мутаций T8993G/C. Преимплантационная генетическая диагностика (ПГД) диагностика генетических аномалий у эмбрионов до момента их имплантации в матку. Такую диагностику можно проводить на отдельных клетках эмбрионов, полученных в результате процедуры ЭКО . Для выявления мутаций мтднк можно использовать как полярное тельце, так и один либо два бластомера раннего эмбриона (до 8-клеточной стадии), поскольку все эти клетки обладают одинаковым уровнем гетероплазмии. Установлено, что эффективность оценки уровня гетероплазмии в бластомерах значительно выше, нежели в полярном тельце . Эмбрион имплантируют в матку в случае полного отсутствия патогенных мутаций, либо при низком уровне гетероплазмии, поскольку критерии, принятые для ПНД , здесь также справедливы. Нужно отметить, что эту процедуру применяли лишь дважды .

11 МИТОХОНДРИАЛЬНЫЙ ГЕНОМ И МИТОХОНДРИАЛЬНЫЕ ЗАБОЛЕВАНИЯ 765 Несомненное преимущество ПГД перед ПНД состоит в возможности сохранить беременность . Цитоплазматический транспорт представляет собой перенос нормально функционирующих митохондрий (из другой яйцеклетки или зиготы) в яйцеклетку, содержащую дефектные митохондрии, чтобы снизить количество дефектных митохондрий и компенсировать нарушение выработки энергии . Однако результаты экспериментов по переносу донорской цитоплазмы в пораженную яйцеклетку для последующего распространения донорских митохондрий оказались неутешительными: уровень хромосомных аномалий у новорожденных значительно превышал средний показатель . Как оказалось, помимо митохондрий с цитоплазмой переносятся мрнк, белки и другие факторы, которые вносят вклад в новое окружение ядерного генома . Ядерный транспорт теоретически может выполняться на разных стадиях развития яйцеклетки/зиготы в случае пересадки: а) зародышевого пузырька; б) хромосом зрелой яйцеклетки; в) пронуклеусов; г) ядра одного из бластомеров . В связи с этическими проблемами клонирования следует уточнить, что первые три этапа не связаны с клонированием, поскольку на этих стадиях еще не произошло дублирования яднк. Однако использование ядра одного из бластомеров это уже, по определению, клонирование, запрещенное в отношении человека (59/280 Декларация Организации Объединенных Наций о клонировании человека от 8 марта 2005; Законопроект о продлении запрета на клонирование человека, Россия, от 22 января 2010). Недавно удалось переместить ядерный материал зрелой яйцеклетки примата (Macaca mulatta) на стадии метафазы II в энуклеированную яйцеклетку . Анализ мтднк показал, что во время переноса хромосом митохондрии не переместились. Уникальность процедуры заключается в выборе нужной стадии (метафаза II), когда кариопласт яйцеклетки свободен от митохондрий. Другой способ, который позволяет избежать переноса митохондрий вместе с яднк их уничтожение . ЗАКЛЮЧЕНИЕ Несмотря на значительный прогресс, достигнутый с момента установления причинно-следственной связи между мутацией мтднк и заболеванием человека , вылечиться от митохондриальных болезней в настоящее время практически невозможно. В первую очередь, это связано с пробелами в понимании биогенеза митохондрий. Однако по мере развития физико-химических, молекулярно-генетических и биоинформатических методов данные о структуре и функциях митохондрий постоянно корректируются и дополняются. Кроме того, существует большая пропасть между молекулярными и патофизиологическими исследованиями, поскольку за исключением мышиных моделей (mitomouse) и клеточных линий , человек остается практически единственным объектом исследований, что, естественно, вносит массу ограничений в связи с возможностью опасных для здоровья/жизни последствий. Тем не менее, существуют возможности избежать наследования патогенной митохондриальной мутации, либо отсрочить развитие заболевания, вызванного нарушением функции митохондрий. Авторы признательны Г.М. Дымшицу (ИЦиГ СО РАН) и К.Ю. Попадьину (ИППИ РАН) за полезные замечания по прочтении рукописи. Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (а). СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Сукерник Р.И., Дербенева О.А., Стариковская Е.Б., Володько Н.В., Михайловская И.Е., Бычков И.Ю., Лотт М.Т., Браун М.Д., Уоллес Д.К Митохондриальный геном и митохондриальные болезни человека. Генетика. 38, DiMauro S., Schon E.A Mitochondrial disorders in the nervous system. Annu. Rev. Neurosci. 31, Di Donato S Multisystem manifestations of mitochondrial disorders. J. Neurol. 256, Ernster L., Ikkos D., Luft R Enzymic activities of human skeletal muscle mitochondria: a tool in clinical metabolic research. Nature. 184, Luft R., Ikkos D., Palmieri G., Ernster L., Afzelius B A case of severe hypermetabolism of monthyroid origin with a defect in the maintenance of mitochondrial respiratory control: a correlated clinical, biochemical, and morphological study. J. Clin. Ivest. 41, Holt I.J., Harding A.E., Morgan Hughes J.A Deletions of muscle mitochondrial DNA in patients with mitochondrial myopathies. Nature. 331, Wallace D.C., Singh G., Lott M.T., Hodge J.A., Shurr T.G., Lezza A.M., Elsas L.J. 2 nd., Nikoskelainen E.K Mitochondrial DNA mutation associated with Leber s hereditary optic neuropathy. Science. 242, van den Ouweland J.M., Lemkes H.H., Ruitenbeek W., Sandkuijl L.A., de Vijlder M.F., Struyvenberg P.A., van de Kamp J.J., Maassen J.A Mutation in mitochondrial trna(leu)(uur) gene in a large pedigree with maternally transmitted type II diabetes mellitus and deafness. Nat. Genet. 1, Tatuch Y., Christodoulou J., Feigenbaum A., Clarke J.T., Wherret J., Smith C., Rudd N., Petrova-Benedict R., Robinson B.H Heteroplasmic mtdna mutation (T G) at 8993 can cause Leigh disease when the percentage of abnormal mtdna is high. Am. J. Hum. Genet. 50, A Human Mitochondrial Genome Database. www. mitomap.org, 2009.

12 766 МАЗУНИН и др. 11. Schaefer A.M., McFarland R., Blakely E.L., He L., Whittaker R.G., Taylor R.W., Chinnery P.F., Turnbull D.M Prevalence of mitochondrial DNA disease in adults. Ann. Neurol. 63, Anderson S., Bankier A.T., Barrell B.G., de Bruijn M.H., Coulson A.R., Drouin J., Eperon I.C., Nierlich D.P., Roe B.A., Sanger F., Schreier P.H., Smith A.J., Staden R., Young I.G Sequence and organization of the human mitochondrial genome. Nature. 290, Spelbrink J.N Functional organization of mammalian mitochondrial DNA in nucleoids: history, recent developments, and future challenges. IUBMB. Life. 62, Iborra F.J., Kimura H., Cook P.R The functional organization of mitochondrial genomes in human cells. BMC. Biol. 24, Holt I.J., He J., Mao C.C., Boyd-Kirkup J.D., Martinsson P., Sembongi H., Reyes A., Spelbrink J.N Mammalian mitochondrial nucleoids: organizing an independently minded genome. Mitochondrion. 7, Bogenhagen D.F., Rousseau D., Burke S The layered structure of human mitochondrial DNA nucleoids. J. Biol. Chem. 8, He J., Mao C.C., Reyes A., Sembongi H., Di Re M., Granycome C., Clippingdale A.B., Fearnley I.M., Harbour M., Robinson A.J., Reichelt S., Spelbrink J.N., Walker J.E., Holt I.J The AAA+ protein ATAD3 has displacement loop binding properties and is involved in mitochondrial nucleoid organization. J. Cell. Biol. 15, Di Re M., Sembongi H., He J., Reyes A., Yasukawa T., Martinsson P., Bailey L.J., Goffart S., Boyd-Kirkup J.D., Wong T.S., Fersht A.R., Spelbrink J.N., Holt I.J Nucl. Acids Res. 37, Gilkerson R.W., Schon E.A., Hernandez E., Davidson M.M Mitochondrial nucleoids maintain genetic autonomy but allow for functional complementation. J. Cell. Biol. 30, Jacobs H.T., Lehtinen S.N., Spelbrink J.N No sex please, we re mitochondria: a hypothesis on the somatic unit of inheritance of mammalian mtdna. BioEssays. 22, D Aurelio M., Gajewski C.D., Lin M.T., Mauck W.M., Shao L.Z., Lenaz G., Moraes C.T., Manfredi G Heterologous mitochondrial DNA recombination in human cells. Hum. Mol. Genet. 15, Clayton D.A Replication of animal mitochondrial DNA. Cell. 28, Clayton D.A Mitochondrial DNA replication: what we know. IUBMB. Life. 55, Holt I.J., Lorimer H.E., Jacobs H.T Coupled leading- and lagging-strand synthesis of mammalian mitochondrial DNA. Cell. 100, Fish J., Raule N., Attardi G Discovery of a major D-loop replication origin reveals two modes of human mtdna synthesis. Science. 306, Korhonen J.A., Pham X.H., Pellegrini M., Falkenberg M Reconstitution of a minimal mtdna replisome in vitro. EMBO J. 23, Holt I Mitochondrial DNA replication and repair: all a flap. Trends Biochem. Sci. 34, Ojala D., Montoya J., Attardi G trna punctuation model of RNA processing in human mitochondria. Nature. 290, Nagaike T., Suzuki T., Ueda T Polyadenylation in mammalian mitochondria: insights from recent studies. Biochim. Biophys. Acta. 1779, Asin-Cayuela J., Gustafsson C.M Mitochondrial transcription and its regulation in mammalian cells. Trends Biochem. Sci. 32, Scarpulla R.C Transcriptional paradigms in mammalian mitochondrial biogenesis and function. Physiol. Rev. 88, Сологуб М.Ю., Кочетков С.Н., Темяков Д.Е Транскрипция и ее регуляция в митохондриях млекопитающих и человека. Молекуляр. биология. 43, Spremulli L.L., Coursey A., Navratil T., Hunter S.E Initiation and elongation factors in mammalian mitochondrial protein biosynthesis. Prog. Nucleic Acids Res. Mol. Biol. 77, Coenen M.J., Antonicka H., Ugalde C., Sasarman F., Rossi R., Heister J.G., Newbold R.F., Trijbels F.J., van den Heuvel L.P., Shoubridge E.A., Smeitink J.A Mutant mitochondrial elongation factor G1 and combined oxidative phosphorylation deficiency. N. Engl. J. Med. 351, Rorbach J., Soleimanpour-Lichaei R., Lightowlers R.N., Chrzanowska-Lightowlers Z.M How do mammalian mitochondria synthesize proteins? Biochem. Soc. Trans. 35, Hatefi Y The mitochondrial electron transport and oxidative phosphorylation system. Annu. Rev. Biochem. 54, Moser C.C., Farid T.A., Chobot S.E., Dutton P.L Electron tunneling chains of mitochondria. Biochim. Biophys. Acta. 1757, Lenaz G., Genova M.L Structure and organization of mitochondrial respiratory complexes: a new understanding of an old subject. Antioxid. Redox Signal. 12, Zickermann V., Dröse S., Tocilescu M.A., Zwicker K., Kerscher S., Brandt U Challenges in elucidating structure and mechanism of proton pumping NADH:ubiquinone oxidoreductase (complex I). J. Bioenerg. Biomembr. 40, Hunte C., Palsdottir H., Trumpower B.L Protonmotive pathways and mechanisms in the cytochrome bc1 complex. FEBS Lett. 12, Belevich I., Verkhovsky M.I Molecular mechanism of proton translocation by cytochrome c oxidase. Antioxid. Redox Signal. 10, von Ballmoos C., Wiedenmann A., Dimroth P Essentials for ATP synthesis by F1F0 ATP synthases. Annu. Rev. Biochem. 78, Schaegger H Respiratory Chain Supercomplexes. IUBMB. Life. 52, Wittig I., Carrozzo R., Santorelli F.M., Schägger H Supercomplexes and subcomplexes of mito-

МИТОХОНДРИАЛЬНЫЕ ЗАБОЛЕВАНИЯ ЧЕЛОВЕКА Сагандыкова А.К. Оренбургский Государственный Медицинский Университет Оренбург, Россия HUMAN MITOCHONDRIAL DISEASES Sagandykova A. K. Orenburg State Medical University

ОСОБЕННОСТИ МИТОХОНДРИАЛЬНОИ ДНК У БОЛЬНЫХ ЭНЦЕФАЛОМИОПАТИЯМИ Н.А. ЛИТВИНОВА, А.С. ВОРОНКОВА, В.С. СУХОРУКОВ Научно-исследовательский клинический институт педиатрии ГБОУ ВПО РНИМУ им. Н.И. Пирогова МИТОХОНДРИАЛЬНЫЕ

СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОГО МАТЕРИАЛА 1. ВВЕДЕНИЕ Предмет и задачи молекулярной биологии. История ее развития и основные достижения. 2. СТРОЕНИЕ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ Химический состав

Генетика Прогноз эволюции болезни Пренатальная диагностика Новые методы диагностики Понимание патогенеза Зачем нужны врачу генетические знания? Предсимптоматическая диагностика Планирование семьи Клеточная

ГЕНЕТИКА МИТОХОНДРИЙ. Часть 2 Лекция 4 раздел ГЕНЕТИКА КЛЕТОЧНЫХ ОРГАНЕЛЛ дисциплина СТРУКТУРНАЯ ГЕНОМИКА Словарик Стренга (strand) цепь, нить макромолекулы Генетика клеточных органелл. Лекция 3. Генетика

Харьковский национальный медицинский университет Кафедра медицинской генетики Заведующий кафедрой: д.мед.н., лауреат государственной премии Украины для молодых ученых в области науки и техники Гречанина

Задания для внеаудиторной работы студентов специальности медицинская биохимия 1 курс. Резюме - краткое изложение информации по какому-либо изученному материалу. Необходимо изложить пройденную тему в 5-7

Биохимия Лекция 3 ДНК Дезоксирибонуклеи новая кислота (ДНК) макромолекула, обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых

Ррнк Рибосомальная РНК входит в состав рибосом, сложных надмолекулярных структур, которые состоят из четырех типов ррнк и нескольких десятков белков. Рибосомальная РНК составляет большую долю (до 80%)

Аннотация проекта (ПНИЭР), выполняемого в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 2020 годы» Номер Соглашения о предоставлении

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО НАУЧНЫХ ОРГАНИЗАЦИЙ РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ЦИТОЛОГИИ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК Билеты вступительного экзамена в аспирантуру

Репликация ДНК Биосинтез белка Репликация удвоение молекулы ДНК Происходит в S (синтетический)период митотического цикла Образующиеся дочерние молекулы - точные копии материнской Принципы репликации Комплементарность

Геном органоидов Варианты взаимодействия ядерного генома и генома органоидов: - закодированные в хромосомной ДНК белки, танспортируются в органоид - органоидные мутации могут маскироваться ядерными генами

Группа Ф.И.О. Билет 1 1. Какие из перечисленных макромолекул обладают какими-либо общими характеристиками: ДНК, РНК, белки, углеводы, липиды? Укажите, какие именно общие свойства Вы выделяете для каждого

Глава 9 Транскрипция и процессинг РНК 1. СS Кэпирование про-мрнк обеспечивает: a) репликацию ДНК; b) репарацию ДНК; c) стабильность молекул РНК; d) денатурацию ДНК; e) сплайсинг. 2. CS В транскрипции участвует:

Глава 11 Методы анализа генов 1. CS Ферменты рестрикции: a) используются в ПЦР; b) узнают одноцепочечную ДНК; c) узнают и разрезают специфические двуцепочечные последовательности ДНК; d) встречаются у

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ГЕНТИКА МОЛЕКУЛЯРНАЯ ГЕНЕТИКА. РЕПЛИКАЦИЯ ДНК ЭУКАРИОТ Организм Количество репликонов Средний размер репликона, тыс.п.н. Скорость движения репликативной вилки, п.н./сек. 1 4200 50000 500 40

P A R T N E R " S P R E S E N T A T I O N МОЛЕКУЛЯРНО- ГЕНЕТИЧЕСКИЙ МЕТОД Вороная Ю.М 1мед 1группа S E C T I O N F O U R МОЛЕКУЛЯРНО - ГЕНЕТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ Большая и разнообразная группа методов, предназначенная

ВАРИАНТ 1 Часть 1 Ответами к заданиям 1-10 являются последовательность цифр, число или слово (словосочетание). Запишите ответы в поля ответов в тексте работы, а затем перенесите в БЛАНК ОТВЕТОВ 1 справа

Введение в молекулярную биологию (для информатиков) Александр Предеус Институт биоинформатики Урок 1.1 Основные концепции молекулярной биологии молекулы, составляющие клетку биополимеры: ДНК, РНК, протеины

Предлагаемая книга является первым наиболее полным и авторитетным руководством по интенсивно развивающейся области науки молекулярной генетике, аналогов которому в мировой научной литературе нет. Издание

Описание основных митохондриальных заболеваний Органоспецифические митохондриальные заболевания... 1 Митохондриальная кардиомиопатия... 1 Митохондриальная миопатия... 1 Наследственная нейропатия зрительного

12 МЕТОДЫ АНАЛИЗА ГЕНОВ Гены являются молекулярным субстратом наследственности. Структура и локализация генов в геноме определяет свойства организма. При функционировании генома и в результате взаимодействия

ГЕНЕТИКА ПЛАСТИД И МИТОХОНДРИЙ РАСТЕНИЙ Лекция 4 раздел ГЕНЕТИКА КЛЕТОЧНЫХ ОРГАНЕЛЛ дисциплина СТРУКТУРНАЯ ГЕНОМИКА Словарик Пропластиды предшественники остальных типов пластид Лейкопласты пластиды запасающих

ЭПИГЕНЕТИКА Грин Инга Ростиславовна Мультимедийный курс для студентов биологов Китайско-российского института. Структура генома эукариот Геном Эукариот Размер: 1,2x10 6 1,5x10 11 п.н. Генов: 6000-31000

Вопрос 34 3 В биологии развития один из самых используемых модельных организмов обыкновенная шпорцевая лягушка (Xenopus laevis). Ученые Тартуского университета кафедры генетики и дарвинизма провели опыт,

Лекция 7 Хлоропласты строение и функции. Основы фотосинтеза. Митохондрии и хлоропласты как полуавтономные органеллы. Пероксисомы. Растительная клетка с хлоропластами и вакуолью Хлоропласт, вид на срезе

*Генная Инженерия Генетическая инженерия Генетическая инженерия (генная инженерия) совокупность приёмов, методов и технологий получения рекомбинантных РНК и ДНК, выделения генов из организма (клеток),

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН Западно-Казахстанский государственный университет им.м.утемисова РАБОЧАЯ УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА MONI 1101 Молекулярные основы наследственности и изменчивости

Занятие 7. Тема: ОРГАНИЗАЦИЯ НАСЛЕДСТВЕННОГО МАТЕРИАЛА (занятие II) " " 200 г Цель занятия: изучить классификацию и свойства генов; уровни структурно-функциональной организации наследственного материала

ПОУРОЧНОЕ ТЕМАТИЧЕСКОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ 10 КЛАСС 21 ПОУРОЧНОЕ ТЕМАТИЧЕСКОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ «БИОЛОГИЯ. 10 КЛАСС. ПРОФИЛЬНЫЙ УРОВЕНЬ» Планирование составлено на основе программы «Биология. 10 11 классы. Профильный

Генный уровень организации наследственного материала. Ген - единица наследственной информации: занимающая определенное положение в хромосоме, контролирующая выполнение определенной функции, определяющая

Рестриктазы - группа бактериальных нуклеаз. Рестриктазы - это ферменты, обладающие эндонуклеазной активностью, которые специфически гидролизуют молекулы двухцепочечных ДНК при наличии в них определенных

Федеральное агентство научных организаций (ФАНО России) ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ЦИТОЛОГИИ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК (ИНЦ РАН) УТВЕРЖДАЮ: ВРИО директора ИНЦ РАН академик

Клетка БИОЛОГИЯ КЛЕТКИ И ДНК КЛЕТКА Глава 1: Клетки Что такое клетка? Все организмы состоят из клеток, будь то одноклеточные организмы бактерии, либо многоклеточные, такие как растения и животные. Клетка

Молекулярная биология. Эволюция. Надежда Маркина, ИБХ РАН, 2015 Основные термины Биополимер химическое соединение, состоящее из повторяющихся звеньев (остатков мономеров) и способное образовываться в живой

МОУ «Лицей 3 им. П.А. Столыпина г. Ртищево Саратовской области» Демонстрационный вариант контрольной работы для проведения промежуточной аттестации по биологии 10 класс 1.Развитие организма животного от

Контрольная работа за первое полугодие в 10 классе. Вариант 1. ЧАСТЬ 1 А1. К прокариотам относятся 1) растения 2) животные 3) грибы 4) бактерии и цианобактерии А2.Принцип комплементарности лежит в основе

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ГЕНЕТИКА МОЛЕКУЛЯРНАЯ ГЕНЕТИКА. ПРОЦЕССИНГ РИБОСОМАЛЬНЫХ И ТРАНСПОРТНЫХ РНК. синтез молекул РНК, образование первичного транскрипта (пре-рнк) (посттранскрипционные модификации) модификация

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Ставропольский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации Кафедра биотехнологии

2 1. ТРЕБОВАНИЯ К УРОВНЮ ПОДГОТОВКИ УЧАЩИХСЯ: В результате обучения ученик должен знать /понимать основные положения биологических теорий (клеточная); сущность законов Г.Менделя, закономерностей изменчивости.

Генетика БИОЛОГИЯ КЛЕТКИ И ДНК ГЕНЕТИКА Глава 1: Гены и ДНК Что такое ДНК? ДНК это длинная макромолекула внутри клетки, несущая в себе генетическую информацию о синтезируемых белках. Генетический код образован

Синтез ДНК Реализация наследственной информации Заведующий кафедрой биологии, профессор Колесников О.Л. Особенности ДНК-полимеразы Синтез новой цепи идет в направлении от 5 к 3 концу цепи Фермент может

Занятие 4. ТРАНСКРИПЦИЯ ДНК Цель занятия: ознакомиться с процессами транскрипции ДНК у про- и эукариот и особенностями организации их генов. 1. Транскрипция прокариот 2. Транскрипция эукариот 3. Нематричный

Молекулярная биология Лекция 12. Регуляция. Скоблов Михаил Юрьевич Часть 1. Регуляция активности генов у прокариот Парадокс количества и сложности: Эволюционное качество достигается не количеством генов,

10 класс Контрольная работа по биологии 1 вариант А1. Какой уровень организации живого служит основным объектом изучения цитологии? 1) Клеточный 2) Популяционно-видовой 3) Биогеоценотический 4) биосферный

НОВЫЕ ДАННЫЕ О ЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКОЙ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ продолжение Митохондриальные Митохондриальные цитопатии цитопатии (МЦ) (МЦ) разнородная разнородная группа мультисистемных мультисистемных расстройств,

Составляющие элементы процесса транскрипции РНК-полимераза + НТФ + ДНК-матрица РНК + ДНК-матрица + ФФн = РНК-полимераза кор-фермент σ-фактор Ген Промотор ДНКматрица ω: восстанавливает РНК полимеразу обратно

Молекулярная биология Лекция 11. Разнообразие реализации природных молекул. Скоблов Михаил Юрьевич Часть 1. Межвидовое разнообразие Человек и шимпанзе Человек и шимпанзе Человек и шимпанзе Поэтому мы не

Биология. 10 класс. Демонстрационный вариант 1 Итоговая диагностическая работа по БИОЛОГИИ 10 класс базовый уровень Демонстрационный вариант На выполнение работы по биологии даётся 45 минут. Работа включает

ДНК в митохондриях представлена циклическими молекулами, не образующими связь с гистонами, в этом отношении они напоминают бактериальные хромосомы.
У человека митохондриальная ДНК содержит 16,5 тыс. н.п., она полностью расшифрована. Найдено, что митохондральная ДНК различных объектов очень однородна, отличие их заключается лишь в величине интронов и нетранскрибируемых участков. Все митохондриальные ДНК представлены множественными копиями, собранными в группы, кластеры. Так в одной митохондрии печени крысы может содержаться от 1 до 50 циклических молекул ДНК. Общее же количество митохондриальной ДНК на клетку составляет около одного процента. Синтез митохондриальных ДНК не связан с синтезом ДНК в ядре. Так же как и у бактерий митохондральная ДНК собрана в отдельную зону – нуклеоид, его размер составляет около 0, 4 мкм в диаметре. В длинных митохондриях может быть от 1 до 10 нуклеоидов. При делении длинной митохондрии от нее отделяется участок, содержащий нуклеоид (сходство с бинарным делением бактерий). Количество ДНК в отдельных нуклеоидах митохондрий может колебаться в 10 раз в зависимости от типа клеток. При слиянии митохондрий может происходить обмен их внутренними компонентами.
рРНК и рибосомы митохондрий резко отличны от таковых в цитоплазме. Если в цитоплазме обнаруживаются 80s рибосомы, то рибосомы митохондрий растительных клеток принадлежат к 70s рибосомам (состоят из 30s и 50s субъединиц, содержат 16s и 23s РНК, характерные для прокариотических клеток), а в митохондриях клеток животных обнаружены более мелкие рибосомы (около 50s). В митоплазме на рибосомах идет синтез белков. Он прекращается, в отличие от синтеза на цитоплазматических рибосомах, при действии антибиотика хлорамфеникола, подавляющего синтез белка у бактерий.
На митохондриальном геноме синтезируются и транспортные РНК, всего синтезируется 22 тРНК. Триплетный код митохондриальной синтетической системы отличен от такового, используемого в гиалоплазме. Несмотря на наличие казалось бы всех компонентов, необходимых для синтеза белков, небольшие молекулы митохондриальной ДНК не могут кодировать все митохондриальные белки, только лишь их небольшую часть. Так ДНК размером 15 тыс.н.п. может кодировать белки с суммарным молекулярным весом около 6х105. В это же время суммарный молекулярный вес белков частицы полного дыхательного ансамбля митохондрии достигает величины около 2х106.

Рис. Относительные размеры митохондрий у различных организмов.

Интересны наблюдения за судьбой митохондрий в дрожжевых клетках. В аэробных условиях дрожжевые клетки имеют типичные митохондрии с четко выраженными кристами. При переносе клеток в анаэробные условия (например, при их пересеве или при перемещении в атмосферу азота) типичные митохондрии в их цитоплазме не обнаруживаются, и вместо них видны мелкие мембранные пузырьки. Оказалось, что в анаэробных условиях дрожжевые клетки не содержат полную дыхательную цепь (отсутствуют цитохромы b и a). При аэрации культуры наблюдается быстрая индукция биосинтеза дыхательных ферментов, резкое повышение потребления кислорода, а в цитоплазме появляются нормальные митохондрии.
Расселение людей на Земле