WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
БИОЛОГ ИЯ УНИКАЛЬНАЯ ГЕНЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА МИТОХОНДРИЙ А. У. ИГАМБЕРДИЕВ Воронежский государственный университет МИТОХОНДРИЯ И ЕЕ ГЕНОМ Митохондрии – важнейшие клеточные органеллы, коTHE UNIQUE GENETIC SYSTEM торые присутствуют во всех эукариотических организOF MITOCHONDRIA мах и являются энергетическими станциями клетки. В них осуществляются реакции клеточного дыхания, A. U. IGAMBERDIEV идущие с выделением энергии, которая запасается в виде аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). МитоMitochondria, the energy power stations of the хондрии, как и пластиды, – это относительно автономcell, are originated endosymbiotically from ные органеллы. Они отграничены двойной мембраной prokaryotes. They possess their own genetic и имеют собственную генетическую систему. Исследование генома митохондрий выявило совершенно униsystem encoding some of mitochondrial proкальные его особенности. Первое шокирующее сообteins and most mitochondrial RNAs. The щение пришло в 1979 году, когда было обнаружено, что genetic system of mitochondria is characterв митохондриях нередки отклонения от универсальноized by a genetic code with deviations from the го генетического кода. Эти отклонения были найдены universal, by editing the RNA after its synthe- позже во многих организмах, особенно в митохондриях животных и грибов. Так, в митохондриях человека коsis, and by other unique features. Many genetic дон АУА кодирует аминокислоту метионин вместо изоhuman diseases are caused by changes in the лейцина в стандартном коде. Кодоны АГА и АГГ, в mitochondrial genome.

стандартном коде кодирующие аргинин, являются стопкодонами, а кодон УГА, в стандартном коде являюМитохондрии, энергетические станции щийся стоп-кодоном, кодирует триптофан. Митохондрии растений, по-видимому, используют нормальный клетки, произошли в результате эндосимгенетический код.

биоза от прокариот. Некоторые митохондДругой необычной чертой митохондрий является риальные белки и большинство РНК кодиособенность узнавания кодонов транспортными РНК, руются в митохондриях, остальные – в что приводит к тому, что одна молекула узнает сразу чеядерном геноме. Генетическая система ми- тыре кодона. Указанное изменение митохондриального генетического кода уменьшает значимость третьего тохондрий характеризуется кодом, отлинуклеотида в кодоне и приводит к тому, что требуется чающимся от универсального, редактироменьше транспортных РНК. Всего 22 транспортных ванием РНК после ее синтеза, другими униРНК достаточно для узнавания всех 64 кодонов, тогда кальными особенностями. Многие генетикак для обычных рибосом их должно быть не менее ческие заболевания человека обусловлены (в некоторых организмах найдено до 61).

В митохондриальной генетической системе содердефектами митохондриального генома.

жится запись некоторых (но далеко не всех) митохондриальных белков и большинства митохондриальных РНК (иногда за исключением нескольких маленьких РНК, в том числе части транспортных РНК, которые транспортируются в митохондрию из цитоплазмы).

Митохондриальный геном кодирует 13 субъединиц СОРОСОВСКИЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ЖУРНАЛ, ТОМ 6, №1, Игамбердиев А.У., © БИОЛОГ ИЯ комплексов дыхательной цепи. Ядерный геном коди- новый нуклеотид. Митохондрии животных содержат рует остальные белки – переносчики электронов, ми- очень маленькие рибосомы, определяемые по коэффитохондриальные транслоказы, компоненты транспорта циенту седиментации при центрифугировании как 55S.

белков в митохондрии, факторы, необходимые для При этом две большие рибосомные РНК также имеют транскрипции, трансляции и репликации митохонд- меньшие размеры, чем у прокариот, а малая рибосомриальной ДНК. Поэтому можно сказать, что функцио- ная РНК вообще отсутствует. Часть рибосомных белнирование митохондрии представляет собой диалог ков также отсутствует. (Напомним, что митохондрии между двумя геномами: митохондриальным и ядер- эукариот имеют значение 80S, соответствующее моленым. Некоторые митохондриальные гены представле- кулярной массе около 4 млн дальтон, а митохондрии ны копиями в ядерном (а у растений и в хлоропласт- прокариот – 70S, соответствующее молекулярной масном) геноме. се 2,7 млн дальтон.) В митохондриях растений, напротив, рибосомы более сходны с прокариотическими по Особенность митохондриального генома многих размерам и строению.

организмов – это необычайно частое изменение структуры синтезированной РНК, так называемое редакти- Митохондрии имеют систему репликации ДНК, сходную с таковой у прокариот, но имеющую свои осорование. Иными словами, митохондриальный геном бенности у разных организмов. Система транскрипции содержит немало ошибок, исправляемых в процессе созревания матричных РНК. У высших растений ис- и трансляции также различается в митохондриях разных организмов. Особенности строения рибосомных правляется от 3 до 15% нуклеотидов (в отдельных мРНК до 40%), у простейших – до 50%. В водорослевых мито- РНК митохондрий животных и человека обусловливахондриях редактирование отсутствует, что свидетельст- ют, в частности, тот факт, что трансляция практически не ингибируется эритромицином и хлорамфениколом вует о том, что данное свойство появилось в эволюции (левомицетином) – мощными ингибиторами трансв связи с выходом растений на сушу. Редактирование ляции прокариот. Данная особенность обусловила отнаблюдается и в пластидах, но там оно составляет всего около 0,13% кодонов. Редактирование включает обыч- носительно невысокую токсичность этих веществ для человека и возможность их применения в качестве анно замену Ц на У в строго определенных местах, но в тибиотиков.



некоторых случаях, наоборот, происходит замена У на Ц. Процесс осуществляется специфическими ферменМИТОХОНДРИАЛЬНЫЕ ГЕНОМЫ тами, исправлению подвергаются различные участки РАЗЛИЧНЫХ ОРГАНИЗМОВ РНК, преимущественно участки, кодирующие аминокислоты, но могут модифицироваться последовательКоллекция полностью секвенированных (с расшифроности, соответствующие стоп-кодонам, а также послеванной последовательностью нуклеотидов) митохонддовательности внутри интронов (участки, вырезаемые риальных геномов пополняется с каждым годом. К напри “созревании” РНК – сплайсинге). Сплайсинг иместоящему времени ДНК митохондрий секвенирована ет место в митохондриях, хотя он почти отсутствует у более чем у 20 видов простейших, у человека, дрожжей, эубактерий, от которых они произошли. Более того, растений маршанции и арабидопсиса. Хотя ДНК митовырезаемые участки (интроны) митохондрий могут кохондрий разных организмов имеют существенные раздировать белки (матюразы), функция которых – осуличия, они все сохраняют общие черты. Обнаружиществлять сам этот процесс вырезания.

лось, что сходные по последовательности нуклеотидов РНК-редактирование включает разнообразные ме- участки иногда выполняют различные функции.

ханизмы. Оно, в частности, приводит к формированию Из имеющихся данных по определению нуклеофункциональных транспортных РНК митохондрий и тидных последовательностей митохондриальных геновозникло, по-видимому, как механизм, предотвращаюмов был сделан вывод о монофилетическом (то есть от щий накопление мутаций в асексуальных генетических одного предка) происхождении митохондрий. Митосистемах. Митохондрии являются такой системой, похондрии, по современным данным, произошли в рескольку они размножаются путем деления. Однако обзультате эндосимбиоза от древних пурпурных фотосинщие закономерности редактирования и чем оно обустетических грамотрицательных бактерий. Некоторые, ловлено еще надлежит выяснить.

правда, выводят митохондрии от другого предка – рикВ митохондриях иногда наблюдается и перекрыва- кетсий. Эти патогенные микроорганизмы содержат ние генов. Так, в митохондриальном геноме курицы ферменты цикла Кребса и электрон-транспортной цеген тирозиновой транспортной РНК перекрывается пи, но не содержат ферментов гликолиза, что роднит одним нуклеотидом с геном цистеиновой транспорт- их с митохондриями. Кроме того, они содержат гены ной РНК. Этот нуклеотид исходно гуаниновый, но он белков – транслокаторов (переносчиков через мемподвергается редактированию и превращается в адени- брану) адениновых нуклеотидов, что позволяет им ИГАМБЕРДИЕВ А.У. УНИКАЛЬНАЯ ГЕНЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА МИТОХОНДРИЙ БИОЛОГ ИЯ использовать АДФ и АТФ клетки-хозяина для своих разом, митохондрии содержат гораздо большие генонужд. Предшественниками клетки-хозяина (эукарио- мы, чем пластиды (последние обычно содержат 120– тической клетки) могли быть при этом организмы, 160 тыс. пар нуклеотидов), однако в митохондриальродственные архебактериям. Они имеют генетическую ном геноме растений гораздо меньше уникальных косистему, сходную в некоторых чертах с эукариотичес- дирующих последовательностей.

кой. В них присутствуют, например, интроны – нуклеБольшая вариабельность связана с рекомбиногенотидные последовательности, которые вырезаются в ной природой генома митохондрий высших растений процессе сплайсинга (созревания матричной РНК).

(рис. 1). Митохондриальный геном растений обычно ДНК митохондрии гетеротрофного жгутикового состоит из одной большой и нескольких маленьких моReclinomonas представляет собой в некотором смысле лекул ДНК. Каждый митохондриальный растительный связующее звено между ДНК эубактерий и ДНК митогеном представлен множеством молекул, образованхондрий эукариотических организмов. Геном этой миных рекомбинацией между повторяющимися последотохондрии содержит 69 тыс. пар нуклеотидов. Это не вательностями и их рекомбиногенными перестановкаочень много, но в нем имеется 62 гена, кодирующие ми. Часть последовательностей имеет ядерное и даже белки, что значительно больше, чем у митохондрий друхлоропластное происхождение.

гих организмов, где часть генов была или утрачена, или перешла в ядерный геном. Например, митохондриальКоличество митохондрий в растительной клетке ная РНК-полимераза кодируется митохондриальным составляет от 50 до 2000, и каждая митохондрия содергеномом, возможно, только у этого жгутикового.

жит от 1 до 100 копий генома. В настоящее время полностью секвенирована последовательность митохондОСОБЕННОСТИ МИТОХОНДРИЙ риального генома печеночника маршанции (растение, ВЫСШИХ РАСТЕНИЙ имеющее некоторое сходство с мхами, но без листостеРастительные митохондрии сильно отличаются от мибельного строения: объединение печеночника с мхами, тохондрий животных. Они имеют дополнительные пупо последним данным, не совсем корректно). Завершети электронного транспорта, не сопряженные с синтена работа по секвенированию митохондриального гезом АТФ, включая несопряженные окисления НАДН и нома арабидопсиса.

НАДФН снаружи и изнутри митохондрии, а также неМитохондриальный геном растений кодирует три сопряженный перенос электронов с убихинона на кисрибосомные РНК, 16 (то есть более половины) транслород. Белки, осуществляющие эти реакции (альтерпортных РНК, около 10 рибосомальных белков, некотонативные НАД(Ф)Н-дегидрогеназы и альтернативная рые белки дыхательной цепи, часть субъединиц (3) АТФоксидаза, устойчивая к цианиду), кодируются в ядре.





Функция этих путей, по-видимому, связана с фото- синтетазы, четыре белка, участвующих в синтезе цитохрома с. Рекомбинации и мутации митохондриальной синтезом и заключается в необходимости быстрого ДНК ведут к цитоплазматической мужской стерильноокисления фотосинтетически образуемых субстратов.

сти, вызывая нарушения созревания пыльцевых трубок.

Митохондрии фотосинтезирующих тканей способны интенсивно окислять глицин, образующийся в листьях в больших количествах и являющийся продуктом фотодыхания.

67т.п.н.

Геном митохондрий растений значительно больше генома животных митохондрий. Например, у арабидопсиса (растения из семейства крестоцветных, основ- 570т.п.н.

ного объекта изучения генома растений) митохондри250т.п.н.

альный геном содержит 370 тыс. пар нуклеотидов, то есть он в 20 раз больше, чем у человека (у которого он 503т.п.н.

содержит менее 17 тыс. пар нуклеотидов). В этом геноме также гораздо больше генов – примерно в 7 раз 250т.п.н.

больше, чем в митохондриях человека. Размер митохондриального генома растений сильно варьирует, даже внутри одного семейства иногда в 5–10 раз. Например, в семействе тыквенных у арбуза митохондриальный ге- Рис. 1. Рекомбинация митохондриальной ДНК кукурузы. Вследствие рекомбинации митохондриальная ном даже меньше, чем у арабидопсиса (330 тыс. пар ДНК может существовать как в форме одной моленуклеотидов), у тыквы он содержит 850 тыс. пар нуклеокулы размером 570 тыс. пар нуклеотидов (т.п.н.), так тидов, а у дыни – 2400 тыс. пар нуклеотидов. Таким об- и в форме нескольких молекул меньших размеров СОРОСОВСКИЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ЖУРНАЛ, ТОМ 6, №1, БИОЛОГ ИЯ МИТОХОНДРИАЛЬНЫЙ ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА леции. Клеточный энергетический кризис ведет в конечном счете к клеточной смерти – апоптозу через Геном митохондрий человека представлен одной кольфрагментацию митохондриальной ДНК, дегенерацию цевой молекулой ДНК размером 16 569 пар нуклеотидов и атрофию тканей (см. статью В.И. Агола “Генетически (рис. 2). Он кодирует 13 белков, 22 (все) транспортные запрограммированная смерть клеток”. Соросовский РНК, две рибосомные РНК. 60% генов, кодирующих Образовательный Журнал. 1996. № 6. С. 20–24). Показабелки, приходится на семь субъединиц комплекса, но, что внедрение митохондриальной ДНК в хромосоокисляющего НАДН, остальные гены кодируют две мы может быть причиной рака и старения. В настоящее субъединицы АТФ-синтетазы, три субъединицы цитовремя ни одна теория старения не может игнорировать хромоксидазы, одну субъединицу убихинол-цитохромроль митохондрий. Уже нет сомнений, что митохондс-редуктазы (цитохром b). Все белки, кроме одного, две рии представляют собой центр контроля апоптоза. Гирибосомные и шесть транспортных РНК транслируютбель клетки связана с выработкой специфического ся с матричной РНК, транскрибирующейся с более тябелка-убийцы, который локализован в межмембранжелой цепи ДНК (изображена снаружи), 14 других ном пространстве митохондрии и выходит из нее, когда транспортных РНК и один белок транслируются с матона не справляется с удалением активных форм кислоричной РНК, транскрибирующейся с более легкой церода (супероксид-аниона, перекиси водорода). Попи ДНК (изображена внутри). Как остроумно отметил следние индуцируют открывание пор во внешней мемодин из исследователей митохондрий, митохондриальбране, что и приводит к выходу этого белка в цитозоль ный геном человека напоминает университет, в котои включению цепи метаболических реакций, ведущих ром все уменьшено до минимальных размеров, но пока к синтезу протеаз и нуклеаз, переваривающих клетку.

еще никто не уволен.

Исследуются вещества (в том числе и синтезирующиеся внутри клетки), которые оказывают воздействие на МИТОХОНДРИИ И СТАРЕНИЕ митохондриальную мембрану и тем самым предотвращают или, напротив, ускоряют апоптоз. Некоторые из Ассоциированное со старением изменение митохондних являются онкобелками (белками, вовлеченными в риального генома наблюдается в различных видах. Оно развитие раковых опухолей). Их действие может быть включает точковые мутации нуклеотидов, а также десвязано с тем, что апоптоз является крайней мерой, позволяющей избавляться от сильно поврежденных геCYTb E 12S номов, накопление которых приводило бы к злокачеNDRNA ственному перерождению тканей. Действительно, регуляция апоптоза нарушена в опухолевой ткани (он в 16S ней практически не наблюдается). Кроме того, удалеNDRNA ние части клеток – это необходимый этап любого морL фогенеза. В 1998 году номер ведущего научного журнаL S ла “Biochimica et biophysica acta” [1] полностью был H посвящен роли митохондрий в клеточной смерти. ЧиNDNDтатель может получить информацию об этом и других I особенностях митохондриальной биоэнергетики из стаND4L Q R тей В.П. Скулачева [2–4].

M NDG NDМИТОХОНДРИАЛЬНАЯ МЕДИЦИНА COIII WA NC ATPПоскольку митохондрии находятся в центре энергетиY ATPческого обмена клетки, любое нарушение в них может K COI COII S D негативно воздействовать на основные функции организма. В настоящее время выявлено множество геРис. 2. Схематическое изображение кольцевой мо- нетических заболеваний, связанных с нарушениями лекулы митохондриальной ДНК человека (размер митохондриальных процессов, многие из которых 16 569 пар нуклеотидов). Обозначены гены, кодируобусловлены дефектами митохондриального генома.

Pages:     || 2 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.