Mitokondrid sisaldavad ümmargust DNA -d. Mitokondriaalse DNA uuringud. DNA omadused ja funktsioonid

Miks vajavad mitokondrid oma DNA -d? Kuigi miks ei võiks sümbiontidel olla oma DNA, mis toodab kohapeal kõik vajaliku? Miks siis kanda osa mitokondriaalsest DNAst rakutuuma, tekitades vajaduse transportida geeniprodukte mitokondritesse? Miks antakse mitokondrid edasi ainult ühelt vanemalt? Kuidas saavad emalt saadud mitokondrid läbi raku genoomiga, mis koosneb ema ja isa DNA -st? Mida rohkem inimesi mitokondritest teada saab, seda rohkem küsimusi tekib.

Kuid see ei kehti mitte ainult mitokondrite kohta: mis tahes teadusvaldkonnas toob teadmiste sfääri laienemine kaasa ainult selle pinna suurenemise kokkupuutel tundmatuga, tekitades üha uusi küsimusi, millele vastused laiendab sama sfääri sama prognoositava tulemusega.

Niisiis levib tänapäevaste mitokondrite DNA väga kummalisel viisil: väike osa geene sisaldub otse ringikujulise kromosoomi mitokondrites (täpsemalt, mitmes mitokondris sama kromosoomi mitmes eksemplaris) ja enamik plaane. mitokondrite koostisosade tootmiseks säilitatakse rakutuumas. Seetõttu toimub nende geenide kopeerimine samaaegselt kogu organismi genoomi kopeerimisega ja nende toodetud tooted liiguvad raku tsütoplasmast mitokondritesse kaugele. Sellegipoolest on see mitmel viisil mugav: mitokondrid vabastatakse vajadusest paljundamise ajal kopeerida kõik need geenid, neid lugeda ja ehitada valke ja muid komponente, keskendudes selle põhifunktsioonile energia tootmiseks. Miks on siis mitokondrites väike DNA, mille säilitamiseks on kõik need mehhanismid vajalikud, millest vabanemisel võivad mitokondrid nende olemasolu põhieesmärgile veelgi rohkem ressursse visata?

Esialgu eeldati, et mitokondritesse jäänud DNA on atavism, pärand pro-mitokondritest, mida absorbeerib metanogeen, millel on täielik bakteriaalne genoom. Nende sümbioosi alguses, hoolimata nende mitokondriaalsete geenide tuumas olemasolust ( m-geenid), mis olid vajalikud pro-mitokondrite mugava keskkonna säilitamiseks metanogeeni sees (seda on üksikasjalikult kirjeldatud mitokondrite osas), salvestati igasse mitokondrisse samad geenid. Pro-mitokondrid oma elu alguses sümbiontidena nägid sellest lõigust vasakul oleval diagrammil umbes samasugused välja nagu tänapäevane bakter.

Ja väga aeglaselt, nõudluse puudumise tõttu, kadusid need geenid mitokondriaalsest kromosoomist mitmesuguste mutatsioonide tagajärjel. Kuid rakutuum kogus üha rohkem m-geene, mis sisenesid tsütoplasmasse hävitatud sümbiontidest-mitokondritest ja integreerusid eukarüootsete kimääride genoomi. Niipea kui hakati lugema äsja ehitatud m-geeni, tootsid rakumehhanismid mitokondrite jaoks vajalikke tooteid, vabastades sümbionid nende iseseisvast loomisest. See tähendab, et tuuma sisenenud geeni mitokondriaalset analoogi ei säilitanud enam loomulik valik töökorras ja see kustutati mutatsioonidega samamoodi nagu kõik eelmised. Seetõttu oleks loogiline eeldada, et varsti lähevad need mitokondrites olevad geenid tuuma, mis toob eukarüootidele suure energiakasu: lõppude lõpuks saab DNA kopeerimise, lugemise ja parandamise tülikad mehhanismid eemaldada igast mitokondrist ja seega kõik, mida vajate valkude loomiseks.

Sellele järeldusele jõudes arvutasid teadlased välja, kui kaua kulus kõigi geenide loomulikul triivimisel mitokondritest tuuma. Ja selgus, et see periood oli ammu möödas. Eukarüootsete rakkude ilmumise ajal oli mitokondritel ühine bakterite genoom, mis koosnes mitmest tuhandest geenist (teadlased määravad kindlaks, milline see genoom oli, uurides erinevates organismides tuuma ülekantud m-geene) ja nüüd on seda tüüpi mitokondrid. eukarüootid on kaotanud 95 kuni 99,9% oma geenidest. Keegi ei ole mitokondritesse jätnud üle saja geeni, kuid kellelgi pole ka geenita mitokondreid. Kui juhuslikkus mängiks selles protsessis võtmerolli, siis oleks vähemalt mõni liik juba läbinud geeni siirdumise tuuma lõpuni. Kuid seda ei juhtunud ja hetkel uuritud erinevate liikide mitokondrid, kaotades üksteisest sõltumatult oma geenid, säilitasid sama komplekti, mis näitab otseselt vajadust täpselt nende geenide olemasolu järele mitokondrites.

Veelgi enam, teistel energiat tootvatel rakkude organellidel, kloroplastidel, on ka oma DNA ja samamoodi arenesid erinevate liikide kloroplastid paralleelselt ja sõltumatult, igaüks sama geenikomplektiga.

See tähendab, et kõik need olulised ebamugavused oma genoomi säilitamisel igas raku mitokondris (ja keskmiselt sisaldab üks rakk mitusada!) Ja mahukas aparaat selle kopeerimiseks-parandamiseks-tõlkimiseks (peamine, kuid mitte kõik!) Kaalub üles. millegi poolt.

Ja praegu on selle "millegi" kohta järjekindel teooria: võime toota teatud detaile mitokondritest otse selle sees on vaja reguleerida hingamissagedust ja kohandada mitokondrites toimuvaid protsesse iga minutiga muutuvate vajadustega. kogu organism.

Kujutage ette, et ühel raku sadadest mitokondritest puuduvad äkki hingamisahela elemendid (vt selle kohta üksikasju) või selles pole piisavalt ATP süntaase. Selgub, et see on kas toidu ja hapnikuga ülekoormatud ning ei suuda neid piisavalt kiiresti töödelda, või selle membraanidevaheline ruum lõhkeb prootonitest, millel pole kuhugi minna - üldiselt täielik katastroof. Loomulikult vallandavad kõik need kõrvalekalded ideaalsest eluolukorrast mitmeid signaale, mille eesmärk on uppuva laeva rulli tasandamine.

Need signaalid käivitavad täpselt nende osade tootmise, mis mitokondrites hetkel puuduvad, aktiveerides valkude ehitamise geenide lugemise. Niipea, kui mitokondril on piisavalt hingamisahela komponente või ATPaase, "rull ühtlustub", lakkavad tulema signaalid uute osade ehitamise vajaduse kohta ja geenid lülitatakse uuesti välja. See on üks lihtsuses üllatavalt elegantsetest vajalikest raku eneseregulatsiooni mehhanismidest, selle vähimgi rikkumine põhjustab tõsiseid haigusi või isegi organismi elujõulisust.

Proovime loogiliselt kindlaks teha, kus peaksid paiknema sellele hädasignaalile reageerimiseks vajalikud geenid. Kujutage ette olukorda, kus need geenid paiknevad rakus, mis sisaldab paarsada mitokondrit. Ühes mitokondrites näiteks puudumine NADH dehüdrogenaas: esimene ensüüm hingamisteede ahelas, mille ülesanne on eemaldada kaks elektroni NADH molekulist, kanda need üle järgmisele ensüümile ja pumbata 2-4 prootoni läbi membraani.

Tegelikult esinevad sellised puudused ükskõik millisel ensüümil üsna sageli, kuna need perioodiliselt ebaõnnestuvad, tarbitava toidu kogus muutub pidevalt, ka raku vajadused ATP järele hüppavad pärast seda rakku sisaldava keha hüppeid või viltimist. Seetõttu on olukord väga tüüpiline. Ja nii saadab mitokondrion signaali: "Peame ehitama rohkem NADH -dehüdrogenaasi!" Rakustandardite järgi on selle signaali transiidi aeg väga märkimisväärne ja tegelikult on vaja ka konstrueeritud sõnumitooja RNA tuumast tsütoplasmasse tõmmata, sellest valke luua, need mitokondritesse saata ...

Ja siin tekib probleem, mis on palju olulisem kui lisaaja raiskamine: spetsialiseeritud mitokondriaalsete valkude loomisel on need märgistatud signaaliga "toimetage mitokondritesse", kuid milline neist? Teadmata. Seetõttu hakkavad valgud, mida nad ei vaja, sisenema iga paarisaja mitokondri hulka. Rakk kulutab ressursse nende tootmiseks ja kohaletoimetamiseks, mitokondrid on täidetud täiendavate hingamisahelatega (mis põhjustab hingamisprotsesside ebaefektiivsust) ja ainsad mitokondrid, mis neid valke vajavad, ei saa neid piisavas koguses, sest see saab parimal juhul kätte , sajas toodetud. Seetõttu saadab ta jätkuvalt hädasignaale ja kaos jätkub. Isegi sellest toimuvast lüürilisest ja pealiskaudsest kirjeldusest on selge, et selline rakk pole elujõuline. Ja et on olemas geene, mida tuleb lugeda ja tõlkida otse mitokondritesse, et reguleerida neis toimuvaid protsesse, mitte tugineda tuumapartei käivitatud küünte tootmise plaanile ... st. kõigi mitokondrite hingamisahel korraga.

Olles kontrollinud, mida mitokondritesse jäänud erinevad organismid täpselt toodavad (ja seega m-geenid üksteisest sõltumatult tuuma liigutavad), leidsime, et need on hingamisahelate ja ATPaasi ning ribosoomide ehitamise elemendid (st põhiosa ringhäälinguaparaat).

Selle (ja mitte ainult) kohta saate rohkem lugeda Lane'ist "Energia, seks, enesetapp: mitokondrid ja elu mõte"... Noh, võite lihtsalt võrrelda mitokondriaalse DNA diagrammi, kus kodeeritud tooted on dekodeeritud (sellest lõigust paremal), hingamisahela diagrammiga (ülal), nii et selgub, mida mitokondrites täpselt toodetakse . Loomulikult ei toodeta kõiki sellesse ahelasse sisestatud valke kohapeal; mõned neist on ehitatud raku tsütoplasmasse. Kuid peamised "ankrud", mille külge teised osad klammerduvad, luuakse mitokondritesse. See võimaldab teil toota täpselt nii palju ensüüme kui vaja ja täpselt seal, kus neid vaja on.

Kuidas mitokondrid seostuvad ja kuidas ühes rakus eksisteerivad erinevad genoomid, kirjutan selle rea ühes järgmises peatükis.

Sissejuhatus

Veerand sajandit möödus DNA molekulide avastamisest mitokondrites, enne kui nende vastu hakkasid huvi tundma molekulaarbioloogid ja tsütoloogid, aga ka geneetikud, evolutsionistid, samuti paleontoloogid ja kohtuarstid. Nii laia huvi tekitas California ülikooli A. Wilsoni töö. 1987. aastal avaldas ta mitokondrite DNA võrdleva analüüsi tulemused, mis võeti 147 erineva rahvusrühma esindajalt kõigist viiest kontinendist. Üksikute mutatsioonide tüübi, asukoha ja arvu järgi tehti kindlaks, et kogu mitokondriaalne DNA tekkis lahknemise teel ühest esivanemate nukleotiidjärjestusest. Pseudoteaduslikus ajakirjanduses tõlgendati seda järeldust äärmiselt lihtsustatult - kogu inimkond põlvnes ühest naisest, kelle nimi oli mitokondriaalne Eve (kuna nii tütred kui ka pojad saavad mitokondreid ainult oma emalt), kes elas Kirde -Aafrikas umbes 200 tuhat aastat tagasi ... Veel 10 aasta pärast oli võimalik dešifreerida neandertallaste herilastest eraldatud mitokondriaalse DNA fragment ning hinnata inimese ja neandertallase viimase ühise esivanema eluiga 500 tuhande aasta eest.

Täna areneb inimese mitokondriaalne geneetika intensiivselt nii populatsioonis kui ka meditsiinilises aspektis. On loodud seos mitmete raskete pärilike haiguste ja mitokondriaalse DNA defektide vahel. Vananemisega seotud geneetilised muutused on kõige märgatavamad mitokondrites. Mis on mitokondriaalne genoom, mis erineb inimestel ja teistel loomadel taimede, seente ja algloomade suuruse, kuju ja geneetilise võimekuse poolest? Milline on roll, kuidas see toimib ja kuidas tekkis mitokondriaalne genoom üldiselt erinevates taksonites ja eriti inimestel? Seda arutatakse minu "väikseimas ja tagasihoidlikumas" essees.

Mitokondriaalses maatriksis on lisaks DNA -le ka oma ribosoomid, mis erinevad paljude omaduste poolest eukarüootsetest ribosoomidest, mis paiknevad endoplasmaatilise retikulumi membraanidel. Mitokondrite ribosoomidel moodustub aga mitte rohkem kui 5% kõigist nende koostist moodustavatest valkudest. Enamik valke, mis moodustavad mitokondrite struktuursed ja funktsionaalsed komponendid, kodeeritakse tuumagenoomi poolt, sünteesitakse endoplasmaatilise retikulumi ribosoomidel ja transporditakse selle kanalite kaudu kokkupanemiskohta. Seega on mitokondrid kahe genoomi ning kahe transkriptsiooni- ja translatsioonimasina ühiste jõupingutuste tulemus. Mõned mitokondriaalse hingamisahela subühiku ensüümid koosnevad erinevatest polüpeptiididest, millest mõnda kodeerib tuum ja mõnda mitokondriaalne genoom. Näiteks oksüdatiivse fosforüülimise võtmeensüüm, pärmis sisalduv tsütokroom c oksüdaas, koosneb kolmest allüksusest, mis on kodeeritud ja sünteesitud mitokondrites, ning neljast, mis on kodeeritud raku tuumas ja sünteesitud tsütoplasmas. Enamiku mitokondriaalsete geenide ekspressiooni kontrollivad tuuma spetsiifilised geenid.

Mitokondrite päritolu sümbiootiline teooria

Hüpoteesi mitokondrite ja taimsete plastiidide päritolu kohta rakusisestest bakteritest-endosümbiontidest väljendas R. Altman juba aastal 1890. Pool sajandit tagasi ilmnenud biokeemia, tsütoloogia, geneetika ja molekulaarbioloogia kiire arengu sajandil see hüpotees kasvas. teooriaks, mis põhineb suurel hulgal faktilisel materjalil ... Selle olemus on järgmine: fotosünteesivate bakterite ilmnemisel kogunes Maa atmosfääri hapnik - nende ainevahetuse kõrvalsaadus. Selle kontsentratsiooni suurenemisega muutus anaeroobsete heterotroofide eluiga raskemaks ja mõned neist said energia saamiseks anoksilisest käärimisest oksüdatiivse fosforüülimise juurde. Sellised aeroobsed heterotroofid võivad anaeroobsetest bakteritest suurema efektiivsusega lagundada fotosünteesi tulemusena tekkinud orgaanilise aine. Mõned vabalt elavad aeroobid püüti kinni anaeroobide poolt, kuid neid ei „seeditud”, vaid säilitati energiajaamadena, mitokondritena. Mitokondreid ei tohiks pidada orjadeks, kes on võetud vangi, et varustada rakke ATP molekulidega, mis ei suuda hingata. Pigem on nad “olendid”, kes juba algupärasel ajal leidsid endale ja oma järglastele parimad varjualused, kus saate kõige vähem vaeva näha, ilma et peaksite sööma.

Sümbiootilise teooria kasuks räägivad paljud faktid:

Mitokondrite ja vabalt elavate aeroobsete bakterite suurus ja kuju on samad; mõlemad sisaldavad ringikujulisi DNA molekule, mis ei ole seotud histoonidega (vastupidiselt lineaarsele tuuma -DNA -le);

Nukleotiidjärjestuste osas erinevad mitokondrite ribosomaalsed ja transport-RNA-d tuumaenergiast, näidates samal ajal üllatavaid sarnasusi mõne aeroobse gramnegatiivse eubakteri analoogse molekuliga;

Mitokondriaalsed RNA polümeraasid, kuigi need on kodeeritud raku tuumas, on rifampitsiini poolt pärsitud, nagu bakteriaalsed, ja eukarüootsed RNA polümeraasid ei ole selle antibiootikumi suhtes tundlikud;

Valgu sünteesi mitokondrites ja bakterites pärsivad samad antibiootikumid, mis ei mõjuta eukarüootide ribosoome;

Mitokondrite sisemise membraani ja bakteriaalse plasmalemma lipiidide koostis on sarnane, kuid väga erinev mitokondrite välismembraanist, mis on homoloogne teiste eukarüootsete rakkude membraanidega;

Cristae, mis on moodustatud sisemisest mitokondriaalsest membraanist, on paljude prokarüootide mesosomaalsete membraanide evolutsioonianaloogid;

Siiani on ellu jäänud organismid, mis jäljendavad vahevorme teel mitokondrite moodustumiseni bakteritest (primitiivne amööb) Pelomyxa ei sisalda mitokondreid, kuid sisaldab alati endosümbiootilisi baktereid).

On olemas idee, et erinevatel eukarüootide kuningriikidel olid erinevad esivanemad ja bakterite endosümbioos tekkis elusorganismide evolutsiooni erinevatel etappidel. Seda tõendavad ka algloomade, seente, taimede ja kõrgemate loomade mitokondriaalsete genoomide struktuuri erinevused. Kuid kõigil juhtudel sisenes promokondria geenide põhiosa tuuma, võimalik, et mobiilsete geneetiliste elementide abil. Kui osa ühe sümbionti genoomist on kaasatud teise genoomi, muutub sümbiontide integratsioon pöördumatuks. Uus genoom võib luua metaboolseid radu, mis toovad kaasa kasulike toodete moodustumise, mida ükski partner eraldi ei sünteesi. Seega on steroidhormoonide süntees neerupealise koore rakkude poolt keeruline reaktsiooniahel, millest mõned esinevad mitokondrites ja mõned endoplasmaatilises retikulumis. Promokondrite geenide hõivamisega suutis tuum sümbionti funktsioone usaldusväärselt kontrollida. Tuumas on kodeeritud kõik mitokondrite välismembraani valgud ja lipiidide süntees, enamik maatriksi valke ja organellide sisemembraan. Kõige tähtsam on see, et tuum kodeerib mtDNA replikatsiooni, transkriptsiooni ja translatsiooni ensüüme, kontrollides seeläbi mitokondrite kasvu ja paljunemist. Sümbiootiliste partnerite kasvutempo peaks olema ligikaudu sama. Kui peremees kasvab kiiremini, väheneb iga põlvkonnaga sümbiontide arv üksikisiku kohta ja lõpuks ilmnevad mitokondriteta järeltulijad. Me teame, et iga sugulisel teel paljuneva organismi rakk sisaldab palju mitokondreid, mis kordavad nende DNA peremehe jagunemiste vahel. See tagab, et kõik tütarrakud saavad vähemalt ühe mitokondriaalse genoomi koopia.

Rakutuuma roll mitokondriaalses biogeneesis

Teatud tüüpi mutantsel pärmil on mitokondriaalses DNA -s ulatuslik deletsioon, mis viib valgu sünteesi täieliku lõpetamiseni mitokondrites; selle tulemusena ei suuda need organellid oma ülesannet täita. Kuna madala glükoosisisaldusega söötmel kasvatades moodustavad sellised mutandid väikesed kolooniad, nimetatakse neid tsütoplasmaatiline mutantamipetite.

Kuigi väikestel mutantidel puudub mitokondriaalne valkude süntees ja seetõttu ei moodusta nad normaalseid mitokondreid, sisaldavad sellised mutandid siiski promokondrid, mis on teatud määral sarnased tavaliste mitokondritega, millel on normaalne välismembraan ja sisemembraan, millel on halvasti arenenud kristallid. Promitokondrites on palju ensüüme, mida kodeerivad tuumageenid ja sünteesitakse tsütoplasma ribosoomidel, sealhulgas DNA ja RNA polümeraasid, kõik sidrunhappe tsükli ensüümid ja paljud sisemembraani moodustavad valgud. See näitab selgelt tuumagenoomi domineerivat rolli mitokondriaalses biogeneesis.

Huvitav on märkida, et kuigi kadunud DNA fragmendid moodustavad 20 kuni üle 99,9% mitokondriaalsest genoomist, jääb mitokondriaalse DNA kogus petite mutantides alati samale tasemele kui metsikut tüüpi. Selle põhjuseks on endiselt halvasti uuritud DNA amplifikatsiooniprotsess, mille tulemusena moodustub DNA molekul, mis koosneb sama piirkonna tandem -kordustest ja suuruselt võrdne normaalse molekuliga. Näiteks väikese mutandi mitokondriaalne DNA, mis säilitab 50% metsiktüüpi DNA nukleotiidjärjestusest, koosneb kahest kordusest, samas kui molekul, mis säilitab ainult 0,1% metsikut tüüpi genoom ehitatakse järelejäänud fragmendi 1000 koopiast. Seega saab väikeste mutantide abil saada mitokondriaalse DNA teatud sektsioone, mida võib öelda, et loodus on ise kloonitud.

Kuigi organellide biogeneesi kontrollivad peamiselt tuumageenid, on organellidel endal teatud andmete põhjal mingisugune tagasiside põhimõtet reguleeriv mõju; igal juhul on see mitokondrite puhul nii. Kui te blokeerite valkude sünteesi puutumatute rakkude mitokondrites, siis hakkavad DNA, RNA ja valkude mitokondriaalses sünteesis osalevad ensüümid tsütoplasmas tekkima liigselt, justkui rakk püüaks blokeerida toimeainet. Kuid kuigi mitokondritest pärineva signaali olemasolu on väljaspool kahtlust, pole selle olemus endiselt teada.

Mitmel põhjusel uuritakse mitokondriaalse biogeneesi mehhanisme nüüd enamikul juhtudel kultuurides Saccharomyces carlsbergensis(õllepärm ja S. tserevisiae(pagaripärm). Esiteks on neil pärmidel glükoosil kasvatades ainulaadne võime eksisteerida ainult glükolüüsi teel, st ilma mitokondriaalse funktsioonita. See võimaldab uurida mitokondriaalse ja tuuma DNA mutatsioone, mis takistavad nende organellide arengut. Sellised mutatsioonid on surmavad peaaegu kõigis teistes organismides. Teiseks on pärmi - lihtsaid üherakulisi eukarüoote - lihtne kasvatada ja biokeemiliselt testida. Lõpuks võib pärm paljuneda nii haploidses kui ka diploidses faasis, tavaliselt aseksuaalse tärkamisprotsessi (asümmeetriline mitoos) abil. Kuid pärmil on ka seksuaalne protsess: aeg -ajalt ühinevad kaks haploidset rakku, moodustades diploidse sügooti, ​​mis seejärel kas jaguneb mitoosi teel või läbib meioosi ja annab uuesti haploidrakke. Kontrollige aseksuaalse ja seksuaalse paljunemise vaheldumist katse ajal, saate palju teada mitokondrite funktsiooni eest vastutavate geenide kohta. Neid meetodeid kasutades on võimalik eelkõige välja selgitada, kas sellised geenid paiknevad tuuma- või mitokondriaalses DNA -s, kuna mitokondriaalsete geenide mutatsioone ei pärita vastavalt Mendeli seadustele, mis reguleerivad tuumageenide pärimist.

Mitokondriaalsed transpordisüsteemid

Enamik mitokondrites ja kloroplastides sisalduvatest valkudest imporditakse nendesse organellidesse tsütosoolist. See tekitab kaks küsimust: kuidas rakk suunab valke õigesse organelli ja kuidas need valgud sinna sisenevad?

Osaline vastus saadi ensüümi väikese subühiku (S) transpordi uurimisel kloroplasti stroomasse ribuloos-1,5-bisfosfaat-karboksülaisk. Kui mRNA eraldatakse üherakulise vetika tsütoplasmast Chlamydomonas või hernelehtedest, mis sisestati maatriksina valkude sünteesimissüsteemi in vitro, siis seotakse üks paljudest moodustatud valkudest spetsiifilise S-vastase antikehaga. In vitro sünteesitud S-valku nimetatakse pro-S-ks, kuna see on tavalisest S-proteiinist umbes 50 aminohappejäägi võrra suurem. Kui pro-S valku inkubeeritakse puutumata kloroplastidega, tungib see organellidesse ja muundatakse seal peptidaasi poolt S-valguks. Seejärel seondub S-valk ribuloos-1,5-bisfosfaatkarboksülaasi suure alaühikuga, mis on sünteesitud kloroplasti ribosoomidel, ja moodustab sellega kloroplasti stroomas aktiivse ensüümi.

S-valgu ülekande mehhanism pole teada. Arvatakse, et pro-S seondub retseptorvalguga, mis asub kloroplasti välismembraanil või välis- ja sisemembraani kokkupuutepunktis, ning transporditakse seejärel transmembraansete kanalite kaudu stroomasse. intensiivne protsess.

Valgud transporditakse mitokondritesse sarnasel viisil. Kui puhastatud pärmi mitokondreid inkubeeritakse rakuekstraktiga, mis sisaldab äsja sünteesitud radioaktiivseid pärmvalke, võib täheldada, et tuumagenoomi poolt kodeeritud mitokondriaalsed valgud eraldatakse tsütoplasma mitte-mitokondriaalsetest valkudest ja lisatakse selektiivselt mitokondritesse. terves kambris. Sel juhul leiavad välis- ja sisemembraanide, maatriksi ja membraanidevahelise ruumi valgud tee vastavasse mitokondriaalsesse sektsiooni.

Paljudel äsja sünteesitud valkudel, mis on ette nähtud sisemembraanile, maatriksile ja membraanidevahelisele ruumile, on N-otsas liiderpeptiid, mille transportimisel maatriksis lõhustub spetsiifiline proteaas. Valkude ülekandmine nendesse kolme mitokondriaalsesse sektsiooni nõuab kogu sisemembraanis loodud elektrokeemilise prootongradiendi energiat. Välise membraani valkude ülekandmise mehhanism on erinev: sel juhul ei ole vaja energiakulu ega pikema prekursorvalgu proteolüütilist lõhustamist. Need ja muud tähelepanekud viitavad sellele, et kõik neli mitokondriaalsete valkude rühma transporditakse organellidesse järgmise mehhanismi abil: eeldatakse, et kõik valgud, välja arvatud välismembraanile mõeldud, kuuluvad protsessi tulemusena sisemembraani mis nõuab energiat ja esineb välis- ja sisemembraanide kontaktpunktides. Ilmselt pärast seda valgu esmast lisamist membraanile läbib see proteolüütilise lõhustamise, mis viib selle konformatsiooni muutumiseni; sõltuvalt sellest, kuidas konformatsioon muutub, fikseeritakse valk kas membraanis või "surutakse" maatriksisse või membraanidevahelisse ruumi.

Valkude ülekandumine mitokondrite ja kloroplastide membraanide kaudu on põhimõtteliselt analoogne nende ülekandumisega endoplasmaatilise retikulumi membraanide kaudu. Siiski on siin mitmeid olulisi erinevusi. Esiteks, maatriksisse või stroomasse transportimisel läbib valk nii organelli välis- kui ka sisemembraani, samas kui endoplasmaatilise retikulumi luumenisse transportimisel läbivad molekulid ainult ühe membraani. Lisaks toimub mehhanismi abil valkude ülekandmine retikulumi suuna eemaldamine(vektoriaalne eritis) - see algab siis, kui valk ei ole ribosoomist veel täielikult lahkunud (kaastõlke import), ja ülekanne mitokondritesse ja kloroplastidesse toimub pärast valgumolekuli sünteesi täielikku lõpuleviimist (tõlkejärgne import).

Nendest erinevustest hoolimata sünteesib rakk mõlemal juhul lähtevalke, mis sisaldavad signaaljärjestust, mis määrab, millisele membraanile antud valk on suunatud. Ilmselt lõigatakse see järjestus paljudel juhtudel pärast transpordiprotsessi lõpuleviimist eellasmolekulist. Kuid mõned valgud sünteesitakse kohe nende lõplikul kujul. Arvatakse, et sellistel juhtudel on signaaljärjestus lõppvalgu polüpeptiidahelas. Signaaljärjestused on endiselt halvasti mõistetavad, kuid tõenäoliselt peab selliseid järjestusi olema mitut tüüpi, millest igaüks määrab valgu molekuli ülekande raku spetsiifilisse piirkonda. Näiteks transporditakse taimerakus osa valke, mille süntees algab tsütosoolis, seejärel mitokondritesse, teised kloroplastidesse, teised peroksisoomidesse ja kolmandad endoplasmaatilisse võrgustikku. Keerulised protsessid, mis viivad valkude õige rakusisese jaotumiseni, saavad alles nüüd aru.

Lisaks nukleiinhapetele ja valkudele on uute mitokondrite ehitamiseks vaja lipiide. Erinevalt kloroplastidest saavad mitokondrid suurema osa oma lipiididest väljastpoolt. Loomarakkudes transporditakse endoplasmaatilises retikulumis sünteesitud fosfolipiidid spetsiaalsete valkude abil mitokondrite välismembraani ja seejärel sisestatakse sisemembraani; arvatakse, et see juhtub kahe membraani kokkupuutekohas. Lipiidide biosünteesi peamine reaktsioon, mida katalüüsivad mitokondrid ise, on fosfatiidhappe muundamine fosfolipiidseks kardiolipiiniks, mida leidub peamiselt sisemises mitokondriaalses membraanis ja mis moodustab umbes 20% kõigist selle lipiididest.

Mitokondriaalsete genoomide suurus ja kuju

Praeguseks on loetud üle 100 erineva mitokondriaalse genoomi. Nende geenide komplekt ja arv mitokondriaalses DNA -s, mille nukleotiidjärjestus on täielikult kindlaks määratud, on loomade, taimede, seente ja algloomade puhul väga erinevad. Suurim arv geene, mis leiti lipuliste algloomade mitokondriaalses genoomis Rectinomo-nas americana- 97 geeni, sealhulgas kõik valgud kodeerivad geenid, mida leidub teiste organismide mtDNA-s. Enamikul kõrgematel loomadel sisaldab mitokondriaalne genoom 37 geeni: 13 hingamisahela valkudele, 22 tRNA -le ja kaks rRNA -le (suure ribosoomi 16S rRNA ja väikese 12S rRNA jaoks). Taimedes ja algloomades, erinevalt loomadest ja enamikust seentest, kodeeritakse mõned nende organellide ribosoomidest koosnevad valgud mitokondriaalsesse genoomi. Matriitspolünukleotiidide sünteesi peamised ensüümid, nagu DNA polümeraas (replitseeriv mitokondriaalne DNA) ja RNA polümeraas (mitokondriaalse genoomi transkribeerimine), on kodeeritud tuumas ja sünteesitud tsütoplasmaatilistes ribosoomides. See asjaolu näitab mitokondriaalse autonoomia suhtelisust eukarüootsete rakkude keerulises hierarhias.

Erinevate liikide mitokondrite genoomid erinevad mitte ainult geenide kogumi, nende asukoha ja ekspressiooni järjekorra poolest, vaid ka DNA suuruse ja kuju poolest. Valdav enamus täna kirjeldatud mitokondriaalsetest genoomidest on ümmargused ülakeerutatud kaheahelalised DNA molekulid. Mõnel taimel on koos ümmarguste vormidega lineaarsed ja mõnedel algloomadel, näiteks ripsmetel, leidub mitokondrites ainult lineaarset DNA -d.

Reeglina sisaldab iga mitokondrion mitu genoomi koopiat. Niisiis, inimese maksa rakkudes on umbes 2000 mitokondrit ja igas neist on 10 identset genoomi. Hiire fibroblastides on 500 mitokondrit, mis sisaldavad kahte genoomi, ja pärmirakkudes S. cerevisiae- kuni 22 mitokondrit nelja genoomiga.

DIV_ADBLOCK1003 ">

Joonis 2. Lineaarsete (A), ringikujuliste (B), ahela (C) mtDNA oligomeeride moodustamise skeem. ori - DNA replikatsiooni alguse piirkond.

Erinevate organismide mitokondrite genoomi suurus ulatub malaaria plasmodiumis vähem kui 6 tuhandest aluspaarist (lisaks kahele rRNA geenile sisaldab see ainult kolme valku kodeerivat geeni) kuni sadade tuhandete nukleotiidipaarideni maismaataimedes (näiteks sisse Arabidopsis thaliana ristõieliste sugukonnast 366924 aluspaari). Samal ajal leitakse isegi sama perekonna sees 7-8-kordseid erinevusi kõrgemate taimede mtDNA suuruses. Selgroogsete mtDNA pikkus erineb veidi: inimestel - 16 569 aluspaari, sigadel - 16350, delfiinidel - 16330, küünisel konnal Xenopus laevis- 17533, karpkaladel- 16400. Need genoomid on sarnased ka geenide lokaliseerimisel, millest enamik paikneb otsast lõpuni; mõnel juhul isegi kattuvad, tavaliselt ühe nukleotiidi võrra, nii et ühe geeni viimane nukleotiid on järgmise esimene. Erinevalt selgroogsetest sisaldavad taimedes, seentes ja algloomades mtDNA-d kuni 80% mittekodeerivaid järjestusi. Geenide järjestus mitokondriaalsetes genoomides on liigiti erinev.

Reaktiivsete hapnikuliikide suur kontsentratsioon mitokondrites ja nõrk parandussüsteem suurendavad mtDNA mutatsioonide sagedust võrreldes tuumadega suurusjärgu võrra. Hapnikuradikaalid põhjustavad C®T (tsütosiini deamineerimine) ja GT®T (guaniini oksüdatiivne kahjustus) spetsiifilisi asendusi, mille tagajärjel võib mtDNA sisaldada AT-paare. Lisaks on kõigil mtDNA -del huvitav omadus - erinevalt tuuma- ja prokarüootsest DNA -st ei ole need metüülitud. On teada, et metüleerimine (nukleotiidjärjestuse ajutine keemiline modifitseerimine ilma DNA kodeerimisfunktsiooni katkestamata) on üks programmeeritud geeni inaktiveerimise mehhanisme.

DNA molekulide suurus ja struktuur organellides

DNA organellide suhteline kogus mõnedes rakkudes ja kudedes

Mitokondriaalse genoomi toimimine

Mis on imetajate mitokondriaalse DNA replikatsiooni ja transkriptsiooni mehhanismides erilist?

Täiendavad "href =" / text / category / komplementarij / "rel =" järjehoidja "> mtDNA komplementaarsed ahelad erinevad erikaalu poolest oluliselt, kuna need sisaldavad erinevas koguses" rasket "puriini ja" kerget "pürimidiini nukleotiidi. - H (raske -raske) ja L (kerge-kerge) ahel. MtDNA molekuli replikatsiooni alguses moodustub nn D-silmus (inglise keele asendusringist). osp, koosneb kaheahelalisest ja üheahelalised (H-ahela sissetõmmatav osa) lõigud. ribonukleotiidseemne ots, mis vastab H-ahela (oriH) sünteesi alguspunktile. L-ahela süntees algab alles siis, kui tütre H-ahel jõuab punkti ori L. See on tingitud asjaolust, et L-ahela replikatsiooni alguspiirkond on DNA sünteesi ensüümidele kättesaadav ainult üheahelalise olekus ja järelikult ainult keerutamata topeltheeliksis H-ahela sünteesis. Seega sünteesitakse mtDNA tütahelaid pidevalt ja asünkroonselt (joonis 3).

Joonis 3. Imetajate mtDNA replikatsiooniskeem. Esiteks moodustatakse D-silmus, seejärel sünteesitakse tütre H-ahel, seejärel algab tütre L-ahela süntees.

16S rRNA geeni lõpp (joonis 4). Selliseid lühikesi ärakirju on 10 korda rohkem kui pikki. Küpsemise (töötlemise) tulemusena moodustub neist 12S rRNA ja 16S rRNA, mis osalevad mitokondriaalsete ribosoomide, aga ka fenüülalaniini ja valiini tRNA moodustamises. Ülejäänud tRNA -d lõigatakse välja pikkadest transkriptidest ja moodustatakse transleeritud mRNA -d, mille 3 "otsadesse on kinnitatud polüadenüüljärjestused. Nende mRNA -de 5" otsad ei ole kaetud, mis on eukarüootide puhul ebatavaline. Splaissimist (splaissimist) ei toimu, kuna ükski imetaja mitokondriaalne geen ei sisalda introneid.

Joonis 4. Inimese mtDNA transkriptsioon, mis sisaldab 37 geeni. Kõik transkriptid hakkavad sünteesima ori H piirkonnas. Ribosomaalsed RNA -d lõigatakse välja pika ja lühikese H -ahela transkriptidest. tRNA ja mRNA moodustuvad töötlemise tulemusena mõlema DNA ahela transkriptidest. TRNA geenid on näidatud helerohelisena.

Kas soovite teada, milliseid muid üllatusi mitokondriaalne genoom võib pakkuda? Hästi! Loe edasi! ..

Liider ja 3'-mittekodeerivad piirkonnad, nagu enamik tuuma mRNA-sid. Mitmed geenid sisaldavad ka introneid. Seega on tsütokroomoksüdaasi b kodeerivas kastigeenis kaks intronit. Esmasest RNA transkriptist autokatalüütiliselt (ilma ühegi osaluseta) või proteiinid) lõigatakse välja enamiku esimese introni koopia. Ülejäänud RNA toimib mallina splaissimisega seotud ensüümi kylaraasi moodustamiseks. Osa selle aminohappejärjestusest on kodeeritud intronite ülejäänud koopiatesse . Maturaas lõikab need välja, hävitades oma mRNA, eksonite koopiad õmmeldakse kokku ja moodustub tsütokroomoksüdaasi b mRNA (joonis 5). Selle nähtuse avastamine pani meid uuesti kaaluma intronite kontseptsiooni kui “mitte midagi kodeerivat” järjestused ”.

Joonis 5. Tsütokroomoksüdaasi b mRNA töötlemine (küpsemine) pärmi mitokondrites. Splaissingu esimeses etapis moodustub mRNA, mille abil sünteesitakse matraasi, mis on vajalik splaissimise teise etapi jaoks.

Mitokondriaalsete geenide ekspressiooni uurimisel Trypanosoma brucei avastati üllatav kõrvalekalle ühest molekulaarbioloogia põhiaksioomist, mis väidab, et nukleotiidide järjestus mRNA -s vastab täpselt DNA kodeerivate piirkondade omale. Selgus, et tsütokroom c oksüdaasi ühe allüksuse mRNA -d toimetatakse, see tähendab, et pärast transkriptsiooni muutub selle esmane struktuur - sisestatakse neli uratsiili. Selle tulemusena moodustub uus mRNA, mis toimib mallina ensüümi täiendava subühiku sünteesiks, mille aminohapete järjestus ei ole järjestusega kuidagi seotud. Viirus "href =" / text / category / virus / "rel =" bookmark "> viirused, seened, Inglise teadlane Burrell võrdles ühe vasika mitokondriaalse geeni struktuuri selle geeni poolt kodeeritud tsütokroomoksüdaasi alaühiku aminohapete järjestusega. see on" ideaalne ", ehk järgib järgmist reeglit: „kui kahel koodonil on kaks identset nukleotiidi ja kolmandad nukleotiidid kuuluvad samasse klassi (puriin - A, G või pürimidiin - Y, C), siis kodeerivad nad sama aminohapet. Universaalses koodis on sellest reeglist kaks erandit: AUA triplett kodeerib isoleutsiini ja AUG koodon metioniini, ideaalses mitokondriaalses koodis aga mõlemad kolmikud või metioniin; UGG triplett kodeerib ainult trüptofaani ja UGA triplett stoppkoodonit. Universaalses koodis on mõlemad kõrvalekalded seotud valkude sünteesi põhiliste hetkedega: AUG koodon on initsiaator ja UGA stoppkoodon peatab polüpeptiidi sünteesi. Ideaalne kood ei ole omane kõigile kirjeldatud mitokondritele, kuid ühelgi neist pole universaalset koodi. Võib öelda, et mitokondrid räägivad erinevaid keeli, kuid ei räägi kunagi tuuma keelt.

Erinevused „universaalse” geneetilise koodi ja kahe mitokondriaalse koodi vahel

Nagu juba mainitud, on selgroogsete mitokondriaalses genoomis 22 tRNA geeni. Kuidas teenib selline mittetäielik komplekt kõiki 60 aminohapete koodonit (ideaalses 64 kolmiku koodis on neli stoppkoodonit, universaalses - kolm)? Fakt on see, et valgu sünteesi ajal mitokondrites on koodoni -antikoodoni interaktsioonid lihtsustatud - äratundmiseks kasutatakse kahte kolmest antikoodoonnukleotiidist. Seega tunneb üks tRNA ära kõik neli koodoniperekonna liiget, mis erinevad ainult kolmanda nukleotiidi poolest. Näiteks seisab leutsiini tRNA koos GAU antikoodoniga ribosoomi vastu koodonite CUU, CUC, CUA ja CUG vastu, tagades leutsiini vigadeta kaasamise polüpeptiidahelasse. Ülejäänud kaks leutsiinikoodonit, UUA ja UUG, tunneb tRNA ära antikoodoon AAU -ga. Kokku tunneb kaheksa erinevat tRNA molekuli ära kaheksa nelja koodoni perekonda ja 14 tRNA -d tunnevad ära erinevad koodonipaarid, millest igaüks krüpteerib ühe aminohappe.

On oluline, et aminoatsüül -tRNA süntetaasi ensüümid, mis vastutavad aminohapete kinnitumise eest mitokondrite vastava tRNA -ga, oleksid raku tuumas kodeeritud ja sünteesitud endoplasmaatilise retikulumi ribosoomidel. Seega on selgroogsetel kõik mitokondriaalse polüpeptiidi sünteesi valgukomponendid kodeeritud tuumas. Samal ajal ei pärsi valgu sünteesi mitokondrites tsükloheksimiid, mis blokeerib eukarüootsete ribosoomide tööd, vaid on tundlik antibiootikumide erütromütsiini ja klooramfenikooli suhtes, mis pärsivad valkude sünteesi bakterites. See asjaolu on üks argument, mis toetab mitokondrite päritolu aeroobsetest bakteritest eukarüootsete rakkude sümbiootilise moodustumise ajal.

Mitokondrite jaoks oma geneetilise süsteemi olemasolu tähtsus

Miks vajavad mitokondrid oma geneetilist süsteemi, samas kui teistel organellidel, nagu peroksisoomid ja lüsosoomid, seda pole? See küsimus pole sugugi triviaalne, kuna eraldi geneetilise süsteemi säilitamine on raku jaoks kallis, arvestades tuumagenoomis nõutavat arvu täiendavaid geene. Siin tuleks kodeerida ribosomaalsed valgud, aminoatsüül tRNA süntetaasid, DNA ja RNA polümeraasid, RNA töötlemise ja modifitseerimise ensüümid jne. Enamik mitokondritest uuritud valke erineb aminohappejärjestuse poolest nende analoogidest teistest rakuosadest ja põhjust arvata, et nendes organites on väga vähe valke, mida võiks leida mujalt. See tähendab, et lihtsalt mitokondrite geneetilise süsteemi säilitamiseks peab tuumagenoomis olema mitukümmend lisageeni. Selle "raiskamise" põhjused on ebaselged ja lootus, et mitokondriaalse DNA nukleotiidjärjestusest leitakse vihje, ei olnud õigustatud. Raske on ette kujutada, miks mitokondrites tekkinud valke tuleb sünteesida seal, mitte tsütosoolis.

Tavaliselt on geneetilise süsteemi olemasolu energiaorganellides seletatav asjaoluga, et mõned organellide sees sünteesitud valgud on liiga hüdrofoobsed, et väljastpoolt mitokondriaalset membraani läbida. Kuid ATP-süntetaasikompleksi uuring näitas, et selline seletus on ebatõenäoline. Kuigi ATP süntetaasi valgu üksikud üksused on evolutsiooni käigus väga konserveerunud, muutuvad nende sünteesi kohad. Kloroplastides moodustuvad organellide ribosoomidel mitmed üsna hüdrofiilsed valgud, sealhulgas neli kompleksi F1-ATPaasi osa viiest allüksusest. Vastupidi, seenel Neurospora ja loomarakkudes sünteesitakse ATPaasi membraaniosa väga hüdrofoobne komponent (subühik 9) tsütoplasmaatilistel ribosoomidel ja alles pärast seda läheb see organellidesse. Funktsionaalselt samaväärsete valkude allüksusi kodeerivate geenide erinevat lokaliseerumist erinevates organismides on raske seletada mis tahes hüpoteesi abil, mis eeldab mitokondrite ja kloroplastide kaasaegsete geneetiliste süsteemide teatavaid evolutsioonilisi eeliseid.

Kõike eelnevat arvesse võttes jääb üle vaid eeldada, et mitokondrite geneetiline süsteem kujutab endast evolutsioonilist tupikut. Endosümbiootilise hüpoteesi raames tähendab see seda, et endosümbionti geenide ülekandmine peremehe tuumagenoomi lõppes enne selle täielikku lõpuleviimist.

Tsütoplasmaatiline pärand

Tsütoplasmaatilise geeniülekande tagajärjed mõnedel loomadel, sealhulgas inimestel, on tõsisemad kui pärmil. Kahel ühineval haploidsel pärmirakul on sama suurus ja nad annavad saadud sügootile sama koguse mitokondriaalset DNA -d. Seega pärmis päritakse mitokondriaalne genoom mõlemalt vanemalt, kes annavad võrdselt panuse järglaste geenivaramusse (kuigi mitme põlvkonna pärast eraldi järglased sisaldavad sageli ainult ühe vanematüübi mitokondreid). Vastupidiselt sellele, kõrgemate loomade puhul viib munarakk sügootti rohkem tsütoplasmat kui sperma ja mõnedel loomadel ei pruugi sperma tsütoplasmat üldse lisada. Seetõttu võib arvata, et kõrgematel loomadel edastatakse mitokondriaalne genoom ainult ühelt vanemalt (nimelt emapoolne read); ja tõepoolest, seda on katsetega kinnitatud. Näiteks selgus, et kui ristatakse kahe laboriliini rotid, mille mitokondriaalne DNA erineb nukleotiidide järjestuses (tüübid A ja B) veidi, saadakse järglasi, mis sisaldavad

mis sisaldab ainult ematüüpi mitokondriaalset DNA -d.

Tsütoplasma pärilikkus, erinevalt tuumast, ei allu Mendeli seadustele. See on tingitud asjaolust, et kõrgematel loomadel ja taimedel sisaldavad eri soost sugurakud võrreldamatult palju mitokondreid. Niisiis, hiire munarakus on 90 tuhat mitokondrit ja sperma - ainult neli. Ilmselgelt on viljastatud munas mitokondrid valdavalt või ainult naissoost, st kõigi mitokondriaalsete geenide pärand on emalik. Tsütoplasmaatilise pärilikkuse geneetiline analüüs on tuuma-tsütoplasmaatilise koostoime tõttu keeruline. Tsütoplasmaatilise isassteriilsuse korral interakteerub mutantne mitokondriaalne genoom teatud tuumageenidega, mille retsessiivsed alleelid on tunnuse kujunemiseks vajalikud. Nende geenide domineerivad alleelid nii homo- kui ka heterosügootses olekus taastavad taimede viljakuse sõltumata mitokondriaalse genoomi olekust.

Tahaksin peatuda konkreetse näite abil ema geenide pärimise mehhanismil. Selleks, et lõplikult ja pöördumatult mõista mitokondriaalsete geenide mitte-Mendeli (tsütoplasma) pärimise mehhanismi, kaalugem, mis juhtub selliste geenidega, kui kaks haploidset rakku sulanduvad, moodustades diploidse sügooti. Juhul, kui üks pärmirakk kannab mutatsiooni, mis määrab mitokondriaalse valgu sünteesi resistentsuse klooramfenikooli suhtes, ja teine, metsikut tüüpi rakk, on selle antibiootikumi suhtes tundlik: mutantseid geene saab hõlpsasti tuvastada pärmi kasvatamisel söötmel glütserool, mida saavad kasutada ainult rakud, millel on puutumatud mitokondrid; seetõttu võivad klooramfenikooli juuresolekul sellisel söötmel kasvada ainult rakud, mis kannavad mutantset geeni. Meie diploidsel sügootil on esialgu nii mutantseid kui ka metsikut tüüpi mitokondreid. Mitoosi tagajärjel tärkab sügootist diploidne tütarrakk, mis sisaldab vaid väikest hulka mitokondreid. Pärast mitootilist tsüklit saab üks uutest rakkudest lõpuks kätte kõik mutantsed või metsikut tüüpi mitokondrid. Seetõttu on kõigil sellise raku järglastel geneetiliselt identsed mitokondrid. Sellist juhuslikku protsessi, mille tulemusena moodustuvad diploidsed järglased, mis sisaldavad ainult ühte tüüpi mitokondreid, nimetatakse mitootilineth vaatakreekath. Kui ainult ühte tüüpi mitokondreid sisaldav diploidne rakk läbib meioosi, saavad kõik neli tütar -haploidset rakku samad mitokondriaalsed geenid. Seda tüüpi pärandit nimetatakse nemendelõvi koorima või tsütoplasmaatiline erinevalt tuumageenide Mendeli pärandist. Geenide ülekandmine tsütoplasmaatilise tüübi järgi tähendab, et uuritavad geenid asuvad mitokondrites.

Mitokondriaalsete genoomide uurimine, nende areng, lähtudes populatsioonigeneetika spetsiifilistest seadustest, tuuma- ja mitokondriaalsete geneetiliste süsteemide seostest, on vajalik eukarüootsete rakkude ja organismi kui terviku keerulise hierarhilise korralduse mõistmiseks.

Teatud pärilikud haigused ja inimese vananemine on seotud teatud mutatsioonidega mitokondriaalses DNA -s või tuumageenides, mis kontrollivad mitokondriaalset funktsiooni. Kogunevad andmed mtDNA defektide osalemise kohta kantserogeneesis. Seetõttu võivad mitokondrid olla vähi keemiaravi sihtmärk. On fakte tuuma- ja mitokondriaalsete genoomide tiheda interaktsiooni kohta paljude inimeste patoloogiate kujunemisel. Raske lihasnõrkuse, ataksia, kurtuse, vaimse alaarenguga patsientidel, kes pärisid autosomaalselt domineerival viisil, leiti mitu mtDNA deletsiooni. Väljakujunenud seksuaalne dimorfism südame isheemiatõve kliinilistes ilmingutes, mis on tõenäoliselt tingitud ema toimest - tsütoplasmaatilisest pärilikkusest. Geeniteraapia arendamine annab lootust lähitulevikus mitokondrite genoomide defektide parandamiseks.

Nagu teate, on mitmekomponentse süsteemi ühe komponendi funktsiooni kontrollimiseks vajalik see komponent kõrvaldada, millele järgneb toimunud muutuste analüüs. Kuna selle essee teema viitab ema genoomi rollile järglaste arengus, oleks loogiline õppida tundma mitokondriaalse genoomi koostise rikkumiste tagajärgi, mis on põhjustatud erinevatest teguritest. Mutatsiooniprotsess osutus vahendiks ülaltoodud rolli uurimiseks ja selle meid huvitava tegevuse tagajärjed olid nn. mitokondriaalsed haigused.

Mitokondriaalsed haigused on näide tsütoplasmaatilisest pärilikkusest inimestel või pigem "organellide pärilikkusest". See täpsustus tuleks teha, sest nüüd on vähemalt mõnedes organismides tõestatud tsütoplasmaatiliste pärilike determinantide olemasolu, mis ei ole seotud rakuliste organellide, tsütogeenidega (Vechtomov, 1996).

Mitokondriaalsed haigused on heterogeenne haiguste rühm, mis on põhjustatud mitokondrite geneetilistest, struktuurilistest, biokeemilistest defektidest ja kudede hingamise halvenemisest. Mitokondriaalse haiguse diagnoosimiseks on oluline põhjalik genealoogiline, kliiniline, biokeemiline, morfoloogiline ja geneetiline analüüs. Mitokondriaalse patoloogia peamine biokeemiline märk on laktatsidoosi tekkimine, tavaliselt tuvastatakse hüperlaktaatideemia ja hüperpüruvatsidideemia. Erinevate variantide arv on jõudnud 120 vormini. Tserebrospinaalvedelikus suureneb stabiilselt piim- ja püroviinamarjade kontsentratsioon.

Mitokondriaalsed haigused (MB) on kaasaegse meditsiini jaoks oluline probleem. Päriliku ülekande meetodite kohaselt eristatakse MB -de hulgas haigusi, mis päritakse monogeenselt vastavalt Mendeli tüübile, mille korral tuumageenide mutatsiooni tõttu on häiritud kas mitokondriaalsete valkude struktuur ja toimimine või ekspressioon. mitokondriaalse DNA muutused, samuti mitokondriaalsete geenide mutatsioonidest põhjustatud haigused, mis kanduvad järglastele peamiselt emaliini kaudu.

Morfoloogiliste uuringute andmed, mis viitavad mitokondrite raskele patoloogiale: mitokondrite ebanormaalne vohamine, mitokondrite polümorfism koos kuju ja suuruse häiretega, kristallide desorganiseerumine, ebanormaalsete mitokondrite kogunemine sarkolemma alla, parakristallilised inklusioonid mitokondrites, interfibrillaarsete vakuoolide olemasolu

Mitokondriaalsete haiguste vormid

1 ... Mitokondriaalsed haigused, mida põhjustavad mitokondriaalsed DNA mutatsioonid

1.1 Mitokondriaalse DNA deletsioonidest põhjustatud haigused

1.1.1 Kearns-Sayre'i sündroom

Haigus avaldub 4–18-aastaselt, progresseeruv väline oftalmopleegia, retinitis pigmentosa, ataksia, tahtlik värisemine, atrioventrikulaarne südame blokaad, valgu taseme tõus tserebrospinaalvedelikus üle 1 g / l, biopsiates „rebenenud“ punased kiud skeletilihastest

1.1.2 Pearsoni sündroom

Haiguse algus sünnist või esimestel elukuudel, mõnikord on võimalik arendada entsefalomüopaatiat, ataksiat, dementsust, progresseeruvat välist oftalmopleegiat, hüpoplastilist aneemiat, eksokriinse pankrease funktsiooni halvenemist, progresseeruvat kulgu

2 Mitokondriaalsete DNA punktmutatsioonidest tingitud haigused

Ema pärilikkus, äge või alaäge nägemisteravuse vähenemine ühes või mõlemas silmas, kombinatsioon neuroloogiliste ja osteoartikulaarsete häiretega, võrkkesta mikroangiopaatia, progresseeruv kulg koos remissiooni või nägemisteravuse taastamisega, haiguse algus 20 -aastaselt -30 aastat

2.2 NAPR -sündroom (neuropaatia, ataksia, pigment -retiniit)

Ema tüüpi pärilikkus, neuropaatia, ataksia ja pigment -retiniidi kombinatsioon, hilinenud psühhomotoorne areng, dementsus, "rebenenud" punaste kiudude olemasolu lihaskoe biopsiates

2.3. MERRF-sündroom (müokloonus-epilepsia, "rebenenud" punased kiud)

Ema pärilikkuse tüüp, haiguse algus 3-65-aastaselt, müoklooniline epilepsia, ataksia, dementsus koos neurosensorilise kurtusega, nägemisnärvi atroofia ja sügav tundlikkus, laktatsidoos, EEG-uuringu ajal , "rebenenud" punased kiud skeletilihaste biopsiates, progresseeruv kulg

2.4 MELAS-sündroom (mitokondriaalne entsefalomüopaatia, laktatsidoos, insulditaolised episoodid)

Ema tüüpi pärilikkus, haiguse algus enne 40. eluaastat, füüsilise koormuse talumatus, migreenitaolised peavalud koos iivelduse ja oksendamisega, insulditaolised episoodid, krambid, laktatsidoos, lihaste biopsiate "rebitud" punased kiud, progresseeruv kulg.

3 . Patoloogia, mis on seotud geenidevahelise kommunikatsiooni vigadega

3.1 Mitokondriaalse DNA mitme deletsiooni sündroomid

Blefaroptoos, väline oftalmopleegia, lihasnõrkus, sensineuraalne kurtus, optiline atroofia, progresseeruv kulg, "rebenenud" punased kiud skeletilihaste biopsiates, hingamisahela ensüümide aktiivsuse vähenemine.

3.2 Mitokondriaalse DNA deletsiooni sündroom

Autosomaalne retsessiivne pärand

Kliinilised vormid:

3.2.1.Surmav infantiilne

a) raske maksakahjustus b) hepatopaatia c) lihaste hüpotensioon

Debüüt vastsündinute perioodil

3.2.2.Kaasasündinud müopaatia

Raske lihasnõrkus, üldine hüpotensioon, kardiomüopaatia ja krambid, neerukahjustus, glükoosuria, aminoatsidopaatia, fosfatuuria

3.2.3.Lapse müopaatia

esineb esimesel 2 eluaastal, progresseeruv lihasnõrkus, proksimaalsete lihasrühmade atroofia ja kõõluste reflekside kaotus, kiiresti progresseeruv kulg, surm esimese 3 eluaasta jooksul.

4 .Tuuma DNA mutatsioonidest tingitud mitokondriaalsed haigused

4.1 Hingamisteede defektidega seotud haigused

4.1.1 Kompleksi 1 (NADH: CoQ reduktaas) puudus

Haiguse algus enne 15 -aastaseks saamist, müopaatia sündroom, psühhomotoorse arengu hilinemine, kardiovaskulaarsüsteemi kahjustus, ravile vastupidavad krambid, mitmed neuroloogilised häired, progresseeruv kulg

4.1.2 Kompleksi 2 (suktsinaat-CoQ reduktaas) puudus

Seda iseloomustab entsefalomüopaatia sündroom, progresseeruv kulg, alamteed, ptoosi areng on võimalik

4.1.3 Kompleksi 3 (CoQ-tsütokroom C-oksüdoreduktaasi) puudus

Multisüsteemi häired, erinevate elundite ja süsteemide kahjustused, kaasates kesk- ja perifeerset närvisüsteemi, endokriinsüsteemi, neere, progresseeruv kulg

4.1.4.Kompleksi (tsütokroom C-oksüdaasi) puudus

4.1.4.1 Surmav imiku kaasasündinud laktatsidoos

Mitokondriaalne müopaatia neerupuudulikkuse või kardiomüopaatiaga, debüüt vastsündinute eas, rasked hingamishäired, difuusne lihaste hüpotensioon, progresseeruv kulg, surm esimesel eluaastal.

4.1.4.2.Lapse healoomuline lihasnõrkus

Atroofia, piisava ja õigeaegse ravi korral on võimalik protsessi kiire stabiliseerimine ja taastumine 1-3 aasta vanuseks

5 . Menkesi sündroom (trichopolyodystrophy)

Psühhomotoorse arengu järsk hilinemine, kasvupeetus, kasvu halvenemine ja juuste düstroofsed muutused,

6 ... Mitokondriaalsed entsefalomüopaatiad

6.1.Leigh sündroom(alaäge neurootiline entsefalomüelopaatia)

See avaldub pärast 6 -kuulist eluiga, lihaste hüpotooniat, ataksiat, nüstagmi, püramiidi sümptomeid, oftalmopleegiat, nägemisnärvide atroofiat, mis on sageli seotud kardiomüopaatia ja kerge metaboolse atsidoosiga

6.2.Alpersi sündroom(progresseeruv skleroseeriv polüdüstroofia)

Aju halli aine degeneratsioon koos maksatsirroosiga, kompleksi 5 puudus (ATP süntetaas), psühhomotoorse arengu hilinemine, ataksia, dementsus, lihasnõrkus, haiguse progresseeruv kulg, ebasoodne prognoos

6.3 Koensüüm-Q puudus

Ainevahetuskriisid, lihasnõrkus ja väsimus, oftalmopleegia, kurtus, nägemise halvenemine, insulditaolised episoodid, ataksia, müokloonus epilepsia, neerukahjustus: glükosuuria, aminoatsidopaatia, fosfatuuria, endokriinsüsteemi häired, progresseeruv kulg, hingamisteede ensüümide aktiivsuse vähenemine

7 .Haigused, mis on seotud piim- ja püroviinamargi hapete metabolismi halvenemisega

7.1. Püruvaadi karboksülaasi puudulikkus Autosomaalne retsessiivne pärimisviis, haiguse algus vastsündinute perioodil, "lõtv laps" sümptomite kompleks, ravile vastupidavad krambid, ketoonkehade kõrge kontsentratsioon veres, hüperammoneemia, hüperlüsineemia, vähenenud püruvaatkarboksülaas aktiivsus skeletilihastes

7.2 Püruvaadi dehüdrogenaasi puudus

Manifestatsioon vastsündinute perioodil, kraniofasiaalne düsmorfia, ravile vastupidavad krambid, hingamis- ja imemisraskused, sümptomite kompleks "lõtv laps", aju düsgineesia, raske laktoosi- ja püruvaadisisaldusega atsidoos

7.3 Püruvaadi dehüdrogenaasi aktiivsuse vähenemine

Manifestatsioon esimesel eluaastal, mikrotsefaalia, psühhomotoorse arengu hilinemine, ataksia, lihasdüstoonia, koreoatetoos, kõrge püruvaadisisaldusega laktatsidoos

7.4 Dihüdrolipoüültransetsetülaasi puudulikkus

Autosomaalne retsessiivne päranditüüp, haiguse algus vastsündinute perioodil, mikrotsefaalia, psühhomotoorse arengu hilinemine, lihaste hüpotensioon, millele järgneb lihastoonuse tõus, optilise ketta atroofia, laktatsidoos, dihüdrolipüültrans-atsetülaasi aktiivsuse vähenemine

7.5 Dihüdrolipoüüldehüdrogenaasi puudus

Autosomaalne retsessiivne päranditüüp, haiguse algus esimesel eluaastal, "lõtva lapse" sümptomite kompleks, düsmetaboolsed kriisid koos oksendamise ja kõhulahtisusega, psühhomotoorse arengu hilinemine, optilise ketta atroofia, laktatsidoos, suurenenud seerumi alaniin, α- ketoglutaraat, hargnenud ahelaga a-ketohapped, dihüdrolipoüüldehüdrogenaasi aktiivsuse vähenemine

8 Rasvhapete beetaoksüdatsiooni defektidest tingitud haigused

8.1 Pika ahelaga atsetüül-CoA dehüdrogenaasi puudus

Autosomaalne retsessiivne pärimisviis, haiguse algus esimestel elukuudel, metaboolsed kriisid koos oksendamise ja kõhulahtisusega, "lõtv laps" sümptomite kompleks, hüpoglükeemia, dikarboksüülhappeuria, rasvhapete atsetüül-CoA-dehüdrogenaasi aktiivsuse vähenemine pika süsinikahelaga happed

8.2 Keskmise süsinik -atsetüül -CoA dehüdrogenaasi puudus

Autosomaalne retsessiivne pärimisviis, haiguse algus vastsündinute perioodil või esimestel elukuudel, metaboolsed kriisid koos oksendamise ja kõhulahtisusega,

lihasnõrkus ja hüpotensioon, sageli areneb äkksurma sündroom, hüpoglükeemia, dikarboksüülhappeuria, keskmise süsinikuahelaga rasvhapete atsetüül-CoA dehüdrogenaasi vähenemine

8.3. Lühikese süsinikahelaga rasvhapete atsetüül-CoA dehüdrogenaasi puudus

Autosomaalne retsessiivne pärand, haiguse alguse erinevad vanused, vähenenud koormustaluvus, oksendamise ja kõhulahtisusega seotud metaboolsed kriisid, lihasnõrkus ja hüpotensioon, metüülmerevaikhappe eritumise suurenemine uriiniga, lühikese süsinikuahelaga rasvhapete atsetüül-CoA dehüdrogenaas

8.4 Rasvhapete atsetüül-CoA dehüdrogenaaside mitu puudust

Vastsündinu vorm: kraniofasiaalne düsmorfia, aju düsgineesia, raske hüpoglükeemia ja atsidoos, pahaloomuline kulg, kõigi rasvhapete atsetüül-CoA dehüdrogenaaside aktiivsuse vähenemine,

Infantiilne vorm: loid lapse sümptomite kompleks, kardiomüopaatia, metaboolsed kriisid, hüpoglükeemia ja atsidoos

8.5 Kõigi rasvhapete atsetüül-CoA dehüdrogenaaside aktiivsuse vähenemine

Hiline debüütvorm: perioodilised lihasnõrkuse episoodid, metaboolsed kriisid, hüpoglükeemia ja atsidoos on vähem väljendunud, intelligentsus säilib,

9 .Krebi tsükli fermentopaatia

9.1 Fumaraasi puudus

Autosomaalne retsessiivne pärimisviis, haiguse algus vastsündinute või vastsündinute perioodil, mikrotsefaalia, üldine lihasnõrkus ja hüpotensioon, letargia episoodid, kiiresti progresseeruv entsefalopaatia, halb prognoos

9.2 Suktsinaatdehüdrogenaasi puudus

Harv haigus, mida iseloomustab progresseeruv entsefalomüopaatia

9.3 Alfa-ketoglutaraadi dehüdrogenaasi puudulikkus

Autosomaalne retsessiivne päranditüüp, haiguse algus vastsündinutel, mikrotsefaalia, "lõtva lapse" sümptomite kompleks, letargia episoodid, laktatsidoos, kiiresti arenev kulg, Krebsi tsükli ensüümide sisalduse vähenemine kudedes

9.4. Karnitiini ja selle metabolismi ensüümide puudulikkuse sündroomid

Karnitiinpalmitoüültransferaasi-1 puudus, autosomaalne retsessiivne pärimisviis, haiguse varajane algus, mitteketoneemilise hüpoglükeemilise kooma episoodid, hepatomegaalia, hüpertriglütserideemia ja mõõdukas hüperammoneemia, karnitiin-palmitoüültransferraas-1 aktiivsuse vähenemine maksas

9.5 Karnitiinatsüülkarnitiini translokaasi puudus

Haiguse varajane algus, südame -veresoonkonna ja hingamisteede häired, "lõtva lapse" sümptomid, letargia ja kooma episoodid, karnitiinestrite ja pika süsinikuahela kontsentratsiooni tõus vere vaba karnitiini vähenemise taustal seerum, karnitiin-atsüülkarnitiin-translokaasi aktiivsuse vähenemine

9.6 Karnitiinpalmitoüültransferaasi-2 puudus

Autosomaalne retsessiivne pärimine, lihasnõrkus, müalgia, müoglobinuuria, karnitiinpalmitoüültransferaas-2 aktiivsuse vähenemine skeletilihastes

Autosomaalne retsessiivne pärimisviis, müopaatiline sümptomite kompleks, letargia ja letargia episoodid, kardiomüopaatia, hüpoglükeemia episoodid, karnitiini taseme langus seerumis ja karnitiini eritumine uriiniga.

Pärast sellise "kohutava" patoloogiate loetelu analüüsimist, mis on seotud mitokondriaalse (ja mitte ainult) genoomi toimimise teatud muutustega, tekivad teatud küsimused. Millised on mitokondriaalsete geenide saadused ja millistes ülimega-elulistes rakuprotsessides nad osalevad?

Nagu selgus, võivad mõned ülaltoodud patoloogiad tekkida siis, kui sünteesitakse NADH dehüdrogenaasi kompleksi 7 subühikut, 2 ATP süntetaasi allüksust, 3 tsütokroom c oksüdaasi allüksust ja 1 subühik ubikinooli tsütokroom c reduktaasi (tsütokroom b), mis on mitokondrite geeniproduktid. Selle põhjal võib järeldada, et neil valkudel on võtmeroll rakkude hingamise, rasvhapete oksüdatsiooni ja ATP sünteesi protsessides, elektronide ülekandes sisemise MT membraani elektronide transpordisüsteemis, antioksüdantse süsteemi toimimises , jne.

Otsustades viimaseid andmeid apoptoosi mehhanismide kohta, on paljud teadlased jõudnud järeldusele, et on olemas apoptoosi tõrje keskus, nimelt ...

Mitokondriaalsete valkude rolli on näidatud ka antibiootikumidega, mis blokeerivad MT sünteesi. Kui koekultuuri inimese rakke töödeldakse antibiootikumiga, näiteks tetratsükliini või klooramfenikooliga, siis pärast ühe või kahe jagamist nende kasv peatub. Selle põhjuseks on mitokondriaalse valgu sünteesi pärssimine, mis põhjustab defektsete mitokondrite ilmnemist ja selle tagajärjel ATP ebapiisavat moodustumist. Miks saab siis antibiootikume kasutada bakteriaalsete infektsioonide raviks? Sellele küsimusele on mitu vastust:

1. Mõned antibiootikumid (näiteks erütromütsiin) ei läbi imetajate mitokondrite sisemist membraani.

2. Enamik meie keha rakke ei jagu ega jagu väga aeglaselt, mistõttu olemasolevate mitokondrite asendamine uutega toimub sama aeglaselt (paljudes kudedes asendatakse pooled mitokondrid umbes viie päeva või isegi pikema ajaga). Seega väheneb normaalsete mitokondrite arv kriitilisele tasemele ainult siis, kui mitokondriaalse valgu sünteesi blokaadi säilitatakse mitu päeva.

3. Teatud tingimused koe sees takistavad teatud ravimite tungimist kõige tundlikumate rakkude mitokondritesse. Näiteks põhjustab Ca2 + kõrge kontsentratsioon luuüdis Ca2 + tetratsükliinikompleksi moodustumist, mis ei suuda tungida kiiresti jagunevatesse (ja seega ka kõige haavatavamatesse) vererakkude lähteainetesse.

Need tegurid võimaldavad kõrgemate loomade ravis kasutada antibiootikumidena mõningaid ravimeid, mis pärsivad mitokondriaalset valgu sünteesi. Ainult kahel neist ravimitest on kõrvaltoimed: pikaajaline ravi suurte klooramfenikooli annustega võib põhjustada luuüdi vereloomefunktsiooni häireid (pärsib punaste vereliblede ja leukotsüütide teket) ning tetratsükliini pikaajaline kasutamine võib kahjustada soole epiteeli. Kuid mõlemal juhul pole veel täielikult selge, kas need kõrvaltoimed on põhjustatud mitokondriaalse biogeneesi blokeerimisest või mõnel muul põhjusel.

Väljund

Mt genoomi struktuurilised ja funktsionaalsed omadused on järgmised. Esiteks leiti, et mtDNA edastatakse emalt kõigile talle

järeltulijad ja tema tütred kõikidele järgnevatele põlvedele, kuid pojad ei edasta oma DNA -d (emade pärand). Ema iseloom

mtDNA pärimine on tõenäoliselt tingitud kahest asjaolust: kas isa mtDNA osakaal on nii väike (isa

rohkem kui üks DNA molekul 25 tuhande ema mtDNA kohta), mida ei saa olemasolevate meetoditega tuvastada, või isa mitokondrite replikatsioon on pärast viljastamist blokeeritud. Teiseks, kombinatiivse varieeruvuse puudumine - mtDNA kuulub ainult ühele vanematest, seetõttu ei esine meioosis tuuma -DNA -le iseloomulikke rekombinatsioonisündmusi ja nukleotiidjärjestus muutub põlvest põlve ainult mutatsioonide tõttu. Kolmandaks, mtDNA -l pole introone

(suur tõenäosus, et juhuslik mutatsioon mõjutab DNA kodeerivat piirkonda), kaitsvad histoonid ja tõhus DNA parandussüsteem - kõik see määrab 10 korda suurema mutatsioonikiiruse kui tuuma -DNA puhul. Neljandaks võib sama raku sees samaaegselt eksisteerida normaalne ja mutantne mtDNA - heteroplasmia nähtus (ainult normaalse või ainult mutantse mtDNA olemasolu nimetatakse homoplasmiaks). Lõpuks transkribeeritakse ja tõlgitakse mõlemad ahelad mtDNA -ks ning mitmete omaduste poolest erineb mtDNA geneetiline kood universaalsest (UGA kodeerib trüptofaani, AUA kodeerib metioniini, AGA ja AGG on peatatud

koodonid).

Need omadused ja mt genoomi eelnimetatud funktsioonid muutsid mtDNA nukleotiidjärjestuse varieeruvuse uurimise hindamatuks vahendiks arstidele, kohtuarstidele, evolutsioonibioloogidele,

ajalooteaduse esindajad oma konkreetsete ülesannete lahendamisel.

Alates 1988. aastast, mil avastati, et mtDNA geenide mutatsioonid on mitokondriaalsete müopaatiate aluseks (JY Holt et al., 1988) ja Leberi pärilik optiline neuropaatia (DC Wallace, 1988), viis mutatsioonide edasine süstemaatiline tuvastamine inimese mt genoomis mitokondriaalsete haiguste (MB) mõistest. Praegu avastatakse mtDNA patoloogilisi mutatsioone igat tüüpi mitokondriaalsetes geenides.

Bibliograafia

1. Skulachev, mitokondrid ja hapnik, Soros. haritud. zhurn.

2. Biokeemia alused: kolmes köites, M.: Mir ,.

3. Nicholes D. G. Bioenergetics, Introd. Chemiosmile. Th., Akad. Press, 1982.

4. Striter L. Biokeemia, 2. väljaanne. San Fransisco, Freeman, 1981.

5. Bioloogiliste membraanide Skulachev. M., 1989.

6., Chentsovi retikulum: struktuur ja mõned funktsioonid // Teaduse tulemused. Bioloogia üldised probleemid. 1989

7. Tšentsovi tsütoloogia. M.: Moskva Riikliku Ülikooli kirjastus, 1995

8. , Mitokondriaalse genoomi pädevusvaldkond // Vestn. RAMS, 2001. nr 10, lk 31-43.

9. Holt I. J, Harding A. E., Morgan-Hughes I. A. Lihaste mitokondriaalse DNA kustutamine mitokondriaalse müopaatiaga patsientidel. Nature 1988, 331: 717-719.

10. ja jne. Inimese genoom ja eelsoodumuse geenid. SPb., 2000

11. , Mitokondriaalne genoom. Novosibirsk, 1990.

12. // Soros. haritud. zhurn. 1999. nr 10. S.11-17.

13. Sümbioosi roll rakkude arengus. M., 1983.

14. // Soros. haritud. zhurn. 1998. nr 8. S.2-7.

15. // Soros. haritud. zhurn. 2000. nr 1. S.32-36.

Kiievi riiklik ülikool. Taras Ševtšenko

Bioloogia osakond

abstraktne

teemal:

"Ema genoomi roll järglaste arengus"

kooskolksenta IVmuidugi

Biokeemia osakond

Frolova Artem

Kiiev 2004

Plaani:

Sissejuhatus ................................................. .............................. 1

Mitokondrite päritolu sümbiootiline teooria ... 2

Rakutuuma roll mitokondriaalses biogeneesis ................................... 5

Mitokondrite transpordisüsteemid .............................................. ...... 7

Mitokondriaalsete genoomide suurus ja kuju .................. 10

Mitokondriaalse genoomi toimimine ............... 14

Mitokondrite jaoks oma geneetilise süsteemi omamise tähtsus ........................................ ... ................................... 19

Tsütoplasmaatiline pärand .............................. 20

Ajalooliselt viidi esimene selline uuring läbi mitokondriaalse DNA abil. Teadlased võtsid proovi Aafrika, Aasia, Euroopa, Ameerika aborigeenidelt ja selles, esialgu väikeses proovis, võrreldi erinevate isendite mitokondriaalset DNA -d üksteisega. Nad leidsid, et mitokondriaalse DNA mitmekesisus on suurim Aafrikas. Ja kuna on teada, et mutatsioonisündmused võivad muuta mitokondriaalse DNA tüüpi ja samuti on teada, kuidas see võib muutuda, siis on seega võimalik öelda, millist tüüpi inimesed võisid mutatsiooniliselt tekkida. Kõigil inimestel, kelle DNA -d testiti, leiti aafriklastest palju rohkem varieeruvust. Teiste mandrite mitokondriaalse DNA tüübid olid vähem mitmekesised. See tähendab, et aafriklastel oli nende muutuste kogumiseks rohkem aega. Neil oli rohkem aega bioloogiliseks arenguks, kui just Aafrikas leitakse iidsed DNA jäänused, mis ei ole iseloomulikud Euroopa inimeste mutatsioonidele.

Võib väita, et mitokondriaalse DNA geneetikud suutsid tõestada naiste päritolu Aafrikas. Nad uurisid ka Y -kromosoome. Selgus, et Aafrikast on pärit ka mehi.

Tänu mitokondriaalse DNA uuringutele on võimalik kindlaks teha mitte ainult see, et inimene on pärit Aafrikast, vaid ka määrata tema päritolu aeg. Inimkonna mitokondriaalse esiema ilmumise aeg määrati šimpanside ja tänapäeva inimeste mitokondriaalse DNA võrdleva uuringu abil. Teades mutatsioonide lahknemise määra - 2-4% miljoni aasta kohta - on võimalik kindlaks määrata kahe haru, šimpanside ja tänapäeva inimese eraldamise aeg. See juhtus umbes 5-7 miljonit aastat tagasi. Sellisel juhul loetakse mutatsioonide lahknemise määr konstantseks.

Mitokondriaalne õhtu

Kui inimesed räägivad mitokondriaalsest Eevast, ei pea nad silmas indiviidi. Nad räägivad sarnaste omadustega isendite kogu populatsiooni tekkimisest evolutsiooni käigus. Arvatakse, et mitokondriaalne Eeva elas meie esivanemate arvu järsu languse perioodil, umbes kümne tuhande isendini.

Rasside päritolu

Erinevate populatsioonide mitokondriaalset DNA -d uurides soovitasid geneetikud, et juba enne Aafrikast lahkumist jagati esivanemate populatsioon kolme rühma, millest tekkis kolm kaasaegset rassi - Aafrika, Kaukaasia ja Mongoloid. Arvatakse, et see juhtus umbes 60–70 tuhat aastat tagasi.

Mittestandardsete ja kaasaegsete inimeste mitokondriaalse DNA võrdlus

Lisateavet inimeste päritolu kohta saadi neandertallase ja tänapäeva inimese mitokondriaalse DNA geneetiliste tekstide võrdlemisel. Teadlased said lugeda kahe neandertallase luujäänuste mitokondriaalse DNA geneetilisi tekste. Esimese neandertallase mehe luud leiti Saksamaalt Feldhoveri koopast. Veidi hiljem loeti neandertallase lapse mitokondriaalse DNA geneetilist teksti, mis leiti Põhja -Kaukaasias Mezhmayskaya koopast. Kaasaegsete inimeste ja neandertallaste mitokondriaalse DNA võrdlemisel leiti väga suuri erinevusi. Kui võtta tükk DNA -d, siis erineb 370 nukleotiidist 27. Ja kui võrrelda kaasaegse inimese, tema mitokondriaalse DNA geneetilisi tekste, siis erinevad vaid kaheksa nukleotiidi. Arvatakse, et neandertallane ja tänapäeva inimene on täiesti eraldiseisvad harud, igaühe areng kulges üksteisest sõltumatult.

Neandertallase ja tänapäeva inimese mitokondriaalse DNA geneetiliste tekstide erinevuse uurimisel määrati kindlaks nende kahe haru eraldamise kuupäev. See juhtus umbes 500 tuhat aastat tagasi ja umbes 300 tuhat aastat tagasi toimus nende lõplik lahkuminek. Arvatakse, et neandertallased asusid elama Euroopasse ja Aasiasse ning neid ajas välja kaasaegse tüüpi mees, kes lahkus Aafrikast 200 tuhat aastat hiljem. Ja lõpuks, umbes 28 - 35 tuhat aastat tagasi, surid neandertallased välja. Miks see üldiselt juhtus, pole veel selge. Võib-olla ei suutnud nad kaasaegse tüüpi inimesega konkurentsile vastu pidada või võib-olla olid sellel muud põhjused.

© G.M. Dymshits

Mitokondriaalne genoom üllatab

G.M. Düssid

Grigori Moisejevitš Dymshits, Bioloogiateaduste doktor, Novosibirski Riikliku Ülikooli molekulaarbioloogia osakonna professor, Venemaa Teaduste Akadeemia Siberi filiaali tsütoloogia ja geneetika instituudi genoomi struktuuri labori juhataja. Nelja üldbioloogia kooliõpiku kaasautor ja toimetaja.

Täna areneb inimese mitokondriaalne geneetika intensiivselt nii populatsioonis kui ka meditsiinilises aspektis. On loodud seos mitmete raskete pärilike haiguste ja mitokondriaalse DNA defektide vahel. Vananemisega seotud geneetilised muutused on kõige märgatavamad mitokondrites. Mis on mitokondriaalne genoom, mis erineb inimestel ja teistel loomadel taimede, seente ja algloomade suuruse, kuju ja geneetilise võimekuse poolest? Kuidas mitokondriaalne genoom töötab ja kuidas see erinevates taksonites ilmus? Seda arutatakse meie artiklis.

Mitokondreid nimetatakse raku elektrijaamadeks. Lisaks välimisele siledale membraanile on neil sisemine membraan, mis moodustab arvukalt voldikuid - cristae. Neil on sisseehitatud hingamisahela valgukomponendid - ensüümid, mis on seotud oksüdeeritud toitainete keemiliste sidemete energia muundamisega adenosiini trifosforhappe (ATP) molekulide energiaks. Selle "konverteeritava valuuta" abil maksab rakk kogu oma energiavajaduse. Roheliste taimede rakkudes on lisaks mitokondritele ka teisi energiajaamu - kloroplaste. Need töötavad "päikesepatareidel", kuid moodustavad ka ADP -st ja fosfaadist ATP. Nagu mitokondritel, on ka autonoomselt reprodutseerivatel organellidel kloroplastidel kaks membraani ja need sisaldavad DNA -d.

Mitokondriaalses maatriksis on lisaks DNA -le ka oma ribosoomid, mis erinevad paljude omaduste poolest eukarüootsetest ribosoomidest, mis paiknevad endoplasmaatilise retikulumi membraanidel. Mitokondrite ribosoomidel moodustub aga mitte rohkem kui 5% kõigist nende koostist moodustavatest valkudest. Enamik valke, mis moodustavad mitokondrite struktuursed ja funktsionaalsed komponendid, kodeeritakse tuumagenoomi poolt, sünteesitakse endoplasmaatilise retikulumi ribosoomidel ja transporditakse selle kanalite kaudu kokkupanemiskohta. Seega on mitokondrid kahe genoomi ning kahe transkriptsiooni- ja translatsioonimasina ühiste jõupingutuste tulemus. Mõned mitokondriaalse hingamisahela subühiku ensüümid koosnevad erinevatest polüpeptiididest, millest mõnda kodeerib tuum ja mõnda mitokondriaalne genoom. Näiteks pärmi oksüdatiivse fosforüülimise võtmeensüüm tsütokroom c oksüdaas koosneb kolmest mitokondritesse kodeeritud ja sünteesitud alaühikust ning neljast raku tuumas kodeeritud ja tsütoplasmas sünteesitud alaühikust. Enamiku mitokondriaalsete geenide ekspressiooni kontrollivad tuuma spetsiifilised geenid.

Mitokondriaalsete genoomide suurused ja kuju

Praeguseks on loetud üle 100 erineva mitokondriaalse genoomi. Nende geenide hulk ja arv mitokondriaalses DNA -s, mille nukleotiidjärjestus on täielikult kindlaks määratud, on loomade, taimede, seente ja algloomade liikide puhul väga erinev. Suurim arv geene, mis leiti lipuliste algloomade mitokondriaalses genoomis Ameerika rohttaim- 97 geeni, sealhulgas kõik valgud kodeerivad geenid, mida leidub teiste organismide mtDNA-s. Enamikul kõrgematel loomadel sisaldab mitokondriaalne genoom 37 geeni: 13 hingamisahela valkude jaoks, 22 tRNA jaoks ja kaks rRNA jaoks (suure 16S rRNA ribosoomi alaühiku ja väikese 12S rRNA jaoks). Taimedes ja algloomades, erinevalt loomadest ja enamikust seentest, kodeeritakse mõned nende organellide ribosoomidest koosnevad valgud mitokondriaalsesse genoomi. Matriitspolünukleotiidide sünteesi peamised ensüümid, nagu DNA polümeraas (replitseeriv mitokondriaalne DNA) ja RNA polümeraas (mitokondriaalse genoomi transkribeerimine), on kodeeritud tuumas ja sünteesitud tsütoplasmaatilistes ribosoomides. See asjaolu näitab mitokondriaalse autonoomia suhtelisust eukarüootsete rakkude keerulises hierarhias.

Erinevate liikide mitokondrite genoomid erinevad mitte ainult geenide kogumi, nende asukoha ja ekspressiooni järjekorra poolest, vaid ka DNA suuruse ja kuju poolest. Valdav enamus täna kirjeldatud mitokondriaalsetest genoomidest on ümmargused ülerõngaga kaheahelalised DNA molekulid. Mõnedel taimedel on ringikujuliste vormide kõrval ka lineaarseid ja mõnedel algloomadel, näiteks ripsmetel, leidub mitokondrites ainult lineaarset DNA -d.

Tavaliselt sisaldab iga mitokonder oma genoomi mitu koopiat. Niisiis, inimese maksa rakkudes on umbes 2000 mitokondrit ja igas neist on 10 identset genoomi. Hiire fibroblastides on 500 mitokondrit, mis sisaldavad kahte genoomi, ja pärmirakkudes S.cerevisiae- kuni 22 mitokondrit nelja genoomiga.

Taimede mitokondriaalne genoom koosneb reeglina mitmest erineva suurusega molekulist. Üks neist, "peamine kromosoom", sisaldab enamikku geene, samas kui lühemad ümmargused vormid, mis on dünaamilises tasakaalus nii üksteisega kui ka peamise kromosoomiga, moodustuvad molekulidevahelise ja molekulidevahelise rekombinatsiooni tagajärjel. korduvate järjestuste olemasolu (joonis 1).

Joonis 1. Taimede mitokondrites erineva suurusega ümmarguste DNA molekulide moodustamise skeem.
Rekombinatsioon toimub korduvates piirkondades (sinisega tähistatud).

Joonis 2. Lineaarsete (A), ringikujuliste (B), ahela (C) mtDNA oligomeeride moodustamise skeem.
ori - DNA replikatsiooni alguse piirkond.

Erinevate organismide mitokondrite genoomi suurus ulatub malaaria plasmodiumis vähem kui 6 tuhandest aluspaarist (lisaks kahele rRNA geenile sisaldab see ainult kolme valku kodeerivat geeni) kuni sadade tuhandete aluspaarideni maismaataimedes (näiteks sisse Arabidopsis thaliana ristõieliste sugukonnast 366924 aluspaari). Samal ajal leitakse isegi sama perekonna sees 7-8-kordseid erinevusi kõrgemate taimede mtDNA suuruses. Selgroogsete mtDNA pikkus erineb veidi: inimestel - 16 569 aluspaari, sigadel - 16350, delfiinidel - 16330, küünisel konnal Xenopus laevis- 17533, karpkaladel- 16400. Need genoomid on sarnased ka geenide lokaliseerimisel, millest enamik paikneb otsast lõpuni; mõnel juhul isegi kattuvad, tavaliselt ühe nukleotiidi võrra, nii et ühe geeni viimane nukleotiid on järgmise esimene. Erinevalt selgroogsetest sisaldavad taimedes, seentes ja algloomades mtDNA-d kuni 80% mittekodeerivaid järjestusi. Geenide järjestus mitokondriaalsetes genoomides on liigiti erinev.

Reaktiivsete hapnikuühendite suur kontsentratsioon mitokondrites ja nõrk parandussüsteem suurendavad mtDNA mutatsioonide sagedust suurusjärgu võrra võrreldes tuumaga. Hapnikuradikaalid põhjustavad spetsiifilisi asendusi C® T (tsütosiini deamineerimine) ja G® T (guaniini oksüdatiivne kahjustus), mille tagajärjel võib mtDNA sisaldada AT-paare. Lisaks on kõigil mtDNA -del huvitav omadus - erinevalt tuuma- ja prokarüootsest DNA -st ei ole need metüülitud. On teada, et metüleerimine (nukleotiidjärjestuse ajutine keemiline modifitseerimine ilma DNA kodeerimisfunktsiooni katkestamata) on üks programmeeritud geeni inaktiveerimise mehhanisme.

Imetajate mitokondriaalse DNA replikatsioon ja transkriptsioon

Enamiku loomade puhul erinevad mtDNA täiendavad ahelad erikaalu poolest oluliselt, kuna need sisaldavad ebavõrdses koguses “raskeid” puriini ja “kergeid” pürimidiini nukleotiide. Nii et neid nimetatakse - H (raske - raske) ja L (kerge - kerge) kett. MtDNA molekuli replikatsiooni alguses moodustub nn D-silmus (ingliskeelsest nihkeahelast). See elektronmikroskoobiga nähtav struktuur koosneb kaheahelalistest ja üheahelalistest (H-ahela sissetõmmatav osa) sektsioonidest. Kaheahelalise piirkonna moodustab osa L-ahelast ja täiendav äsja sünteesitud DNA fragment, mille pikkus on 450-650 (olenevalt organismi tüübist) ja mille 5'-otsas on ribonukleotiidne praimer, mis vastab H-ahela (ori H) sünteesi alguspunktile. L-ahel algab alles siis, kui tütre H-ahel jõuab punkti ori L. See on tingitud asjaolust, et replikatsiooni algatamise piirkond L-ahela DNA-sünteesi ensüümidele on juurdepääsetav ainult üheahelalises olekus ja seetõttu ainult H-sünteesi ajal keerdumata kahekordse spiraalina. Seega sünteesitakse mtDNA tütartahelaid pidevalt ja asünkroonselt (joonis 3). ).

Joonis 3. Imetajate mtDNA replikatsiooniskeem.
Esiteks moodustatakse D-silmus, seejärel sünteesitakse tütre H-ahel,
siis algab tütre L-ahela süntees.

Mitokondrites ületab D-ahela molekulide koguarv oluliselt täielikult replitseeruvate molekulide arvu. See on tingitud asjaolust, et D -silmusel on lisafunktsioone - mtDNA kinnitumine sisemembraanile ja transkriptsiooni algatamine, kuna mõlema DNA ahela transkriptsiooni promootorid on selles piirkonnas lokaliseeritud.

Erinevalt enamikust eukarüootsetest geenidest, mis transkribeeritakse üksteisest sõltumatult, kirjutatakse iga imetaja mtDNA ahel ümber, moodustades ühe RNA molekuli, mis algab ori H piirkonnast. Lisaks nendele kahele pikale RNA molekulile, mis komplementaarsed H- ja L-ahelaga , rohkem lühikesi H-ahela osi, mis algavad samas kohas ja lõpevad 16S rRNA geeni 3 'otsas (joonis 4). Selliseid lühikesi transkripte on 10 korda rohkem kui pikki. Küpsemise tulemusena (töötlemine), neist moodustub 12S rRNA ja 16S rRNA, mis on seotud mitokondriaalsete ribosoomide, aga ka fenüülalaniini ja valiini tRNA -de moodustamisega. Ülejäänud tRNA -d lõigatakse pikkadest transkriptidest välja ja moodustuvad transleeritud mRNA -d kuni 3 ' mille otsad on polüadenüüljärjestused kinnitatud. Nende mRNA -de 5 "otsad ei ole suletud, mis on eukarüootide puhul ebatavaline. Splaissimist ei toimu, sest ükski imetajate mitokondriaalsetest geenidest ei sisalda introneid.

Joonis 4. Inimese mtDNA transkriptsioon, mis sisaldab 37 geeni. Kõik transkriptid hakkavad sünteesima ori H piirkonnas. Ribosomaalsed RNA -d lõigatakse välja pika ja lühikese H -ahela transkriptidest. tRNA ja mRNA moodustuvad töötlemise tulemusena mõlema DNA ahela transkriptidest. TRNA geenid on näidatud helerohelisena.

Hoolimata asjaolust, et imetajate ja pärmi mitokondrite genoomid sisaldavad ligikaudu sama arvu geene, on pärmi genoomi suurus 4-5 korda suurem - umbes 80 tuhat aluspaari. Kuigi pärmi mtDNA kodeerivad järjestused on inimeste omadega väga homoloogsed, on pärmi mRNA-del lisaks 5 "liider ja 3" mittekodeeriv piirkond, nagu enamikul tuuma mRNA-del. Paljud geenid sisaldavad ka introneid. Seega sisaldab tsütokroomoksüdaasi b kodeeriv kastigeen kahte intronit. Enamiku esimese introni koopia lõigatakse autokatalüütiliselt esmasest RNA transkriptsioonist välja (ilma valkude osaluseta). Ülejäänud RNA toimib matriitsina splaissimisensüümi maturaasi moodustamiseks. Osa selle aminohappejärjestusest on kodeeritud intronite ülejäänud koopiatesse. Maturaas lõikab need välja, hävitades oma mRNA, eksonite koopiad õmmeldakse kokku ja moodustub tsütokroomoksüdaasi b mRNA (joonis 5). Sellise nähtuse avastamine sundis meid ümber vaatama intronite kontseptsiooni kui "mitte midagi kodeerivaid järjestusi".

Joonis 5. Tsütokroomoksüdaasi b mRNA töötlemine (küpsemine) pärmi mitokondrites.
Splaissingu esimeses etapis moodustub mRNA, mille järgi sünteesitakse kylaraas,
vajalik splaissimise teise etapi jaoks.

Mitokondriaalsete geenide ekspressiooni uurimisel Trypanosoma brucei avastas üllatava kõrvalekalde ühest molekulaarbioloogia põhiaksioomist, mis väidab, et mRNA nukleotiidide järjestus vastab täpselt DNA kodeerivate piirkondade omale. Selgus, et tsütokroom c oksüdaasi ühe allüksuse mRNA -d toimetatakse, s.t. pärast transkriptsiooni muutub selle esmane struktuur - sisestatakse neli uratsiili. Selle tulemusena moodustub uus mRNA, mis toimib mallina ensüümi täiendava subühiku sünteesiks, mille aminohappejärjestusel pole midagi ühist toimetamata mRNA kodeeritud järjestusega (vt tabel).

RNA redigeerimine, mis avastati esmakordselt trüpanosoomi mitokondrites, on laialt levinud kõrgemate taimede kloroplastides ja mitokondrites. Seda leiti ka imetajate somaatilistes rakkudes, näiteks inimese sooleepiteelis, redigeeritakse apolipoproteiini geeni mRNA -d.

Suurima üllatuse teadlastele esitasid mitokondrid aastal 1979. Kuni selle ajani usuti, et geneetiline kood on universaalne ja samad kolmikud kodeerivad samu aminohappeid bakterites, viirustes, seentes, taimedes ja loomades. Inglise teadlane Burrell võrdles vasika ühe mitokondriaalse geeni struktuuri selle geeni poolt kodeeritud tsütokroomoksüdaasi alaühiku aminohappejärjestusega. Selgus, et veiste (nagu ka inimeste) mitokondrite geneetiline kood ei erine lihtsalt universaalsest, vaid on „ideaalne“, st. järgib järgmist reeglit: "kui kahel koodonil on kaks identset nukleotiidi ja kolmandad nukleotiidid kuuluvad samasse klassi (puriin - A, G või pürimidiin - Y, C), siis kodeerivad nad sama aminohapet". Universaalses koodis on sellest reeglist kaks erandit: AUA triplett kodeerib isoleutsiini ja AUG koodon - metioniini, samas kui ideaalses mitokondriaalses koodis kodeerivad mõlemad kolmikud metioniini; UGG triplett kodeerib ainult trüptofaani ja UGA triplett stoppkoodonit. Universaalses koodis on mõlemad kõrvalekalded seotud valkude sünteesi põhiliste hetkedega: AUG koodon on initsiaator ja UGA stoppkoodon peatab polüpeptiidi sünteesi. Ideaalne kood ei ole omane kõigile kirjeldatud mitokondritele, kuid ühelgi neist pole universaalset koodi. Võime öelda, et mitokondrid räägivad erinevaid keeli, kuid ei räägi kunagi tuuma keelt.

Nagu juba mainitud, on selgroogsete mitokondriaalses genoomis 22 tRNA geeni. Kuidas selline mittetäielik komplekt teenib kõiki 60 aminohapete koodonit (ideaalses 64 kolmiku koodis on neli stoppkoodonit, universaalses - kolm)? Fakt on see, et valgu sünteesi ajal mitokondrites on koodoni -antikoodoni interaktsioonid lihtsustatud - äratundmiseks kasutatakse kahte kolmest antikoodoonnukleotiidist. Seega tunneb üks tRNA ära kõik neli koodoniperekonna liiget, mis erinevad ainult kolmanda nukleotiidi poolest. Näiteks seisab leutsiini tRNA koos GAU antikoodoniga ribosoomi vastas koodonitele CUU, CUC, CUA ja CUG, tagades leutsiini vigadeta liitmise polüpeptiidahelasse. Ülejäänud kaks leutsiinikoodonit, UUA ja UUG, tunneb tRNA ära antikoodoon AAU -ga. Kokku tunneb kaheksa erinevat tRNA molekuli ära kaheksa nelja koodoni perekonda ja 14 tRNA -d tunnevad ära erinevad koodonipaarid, millest igaüks krüpteerib ühe aminohappe.

On oluline, et aminoatsüül -tRNA süntetaasi ensüümid, mis vastutavad aminohapete kinnitumise eest mitokondrite vastava tRNA -ga, oleksid raku tuumas kodeeritud ja sünteesitud endoplasmaatilise retikulumi ribosoomidel. Seega on selgroogsetel kõik mitokondriaalse polüpeptiidi sünteesi valgukomponendid kodeeritud tuumas. Samal ajal ei pärsi valkude sünteesi mitokondrites tsükloheksimiid, mis blokeerib eukarüootsete ribosoomide tööd, vaid on tundlik antibiootikumide erütromütsiini ja klooramfenikooli suhtes, mis pärsivad valkude sünteesi bakterites. See asjaolu on üks argument, mis toetab mitokondrite päritolu aeroobsetest bakteritest eukarüootsete rakkude sümbiootilise moodustumise ajal.

Mitokondrite päritolu sümbiootiline teooria

Hüpoteesi mitokondrite ja taimsete plastiidide päritolu kohta rakusisestest bakteritest-endosümbiontidest väljendas R. Altman juba aastal 1890. Pool sajandit tagasi ilmnenud biokeemia, tsütoloogia, geneetika ja molekulaarbioloogia kiire arengu sajandil hüpotees kasvas. teooriaks, mis põhineb suurel hulgal faktilisel materjalil. Selle olemus on järgmine: fotosünteetiliste bakterite ilmnemisel kogunes Maa atmosfääri hapnik - nende ainevahetuse kõrvalsaadus. Selle kontsentratsiooni suurenemisega muutus anaeroobsete heterotroofide eluiga raskemaks ja mõned neist said energia saamiseks anoksilisest käärimisest oksüdatiivse fosforüülimise juurde. Sellised aeroobsed heterotroofid võivad anaeroobsetest bakteritest suurema efektiivsusega lagundada fotosünteesi tulemusena tekkinud orgaanilise aine. Mõned vabalt elavad aeroobid püüti kinni anaeroobide poolt, kuid neid ei „seeditud”, vaid säilitati energiajaamadena, mitokondritena. Mitokondritesse ei tohiks suhtuda kui orjadesse, kes on võetud vangi, et varustada ATP molekule rakkudega, mis ei suuda hingata. Pigem on nad “olendid”, kes juba algupärasel ajal leidsid endale ja oma järglastele parimad varjualused, kus saate kõige vähem vaeva näha, ilma et peaksite sööma.

Sümbiootilise teooria kasuks räägivad paljud faktid:

- mitokondrite ja vabalt elavate aeroobsete bakterite suurus ja kuju on samad; mõlemad sisaldavad ringikujulisi DNA molekule, mis ei ole seotud histoonidega (vastupidiselt lineaarsele tuuma -DNA -le);

Nukleotiidjärjestuste osas erinevad mitokondrite ribosomaalsed ja transport-RNA-d tuumaenergiast, näidates samal ajal üllatavaid sarnasusi mõne aeroobse gramnegatiivse eubakteri analoogse molekuliga;

Mitokondriaalsed RNA polümeraasid, kuigi need on kodeeritud raku tuumas, on rifampitsiini poolt pärsitud, nagu bakteriaalsed, ja eukarüootsed RNA polümeraasid ei ole selle antibiootikumi suhtes tundlikud;

Valgu sünteesi mitokondrites ja bakterites pärsivad samad antibiootikumid, mis ei mõjuta eukarüootide ribosoome;

Mitokondrite sisemise membraani ja bakteriaalse plasmalemma lipiidide koostis on sarnane, kuid väga erinev mitokondrite välismembraanist, mis on homoloogne teiste eukarüootsete rakkude membraanidega;

Cristae, mis on moodustatud sisemisest mitokondriaalsest membraanist, on paljude prokarüootide mesosomaalsete membraanide evolutsioonianaloogid;

Siiani on ellu jäänud organismid, mis jäljendavad vahevorme teel mitokondrite moodustumiseni bakteritest (primitiivne amööb) Pelomyxa ei sisalda mitokondreid, kuid sisaldab alati endosümbiootilisi baktereid).

Uus genoom võib luua metaboolseid radu, mis toovad kaasa kasulike toodete moodustumise, mida ükski partner eraldi ei sünteesi. Seega on steroidhormoonide süntees neerupealise koore rakkude poolt keeruline reaktsiooniahel, millest mõned esinevad mitokondrites ja mõned endoplasmaatilises retikulumis. Promokondrite geenide hõivamisega suutis tuum sümbionti funktsioone usaldusväärselt kontrollida. Tuumas on kodeeritud kõik mitokondrite välismembraani valgud ja lipiidide süntees, enamik maatriksi valke ja organellide sisemembraan. Kõige tähtsam on see, et tuum kodeerib mtDNA replikatsiooni, transkriptsiooni ja translatsiooni ensüüme, kontrollides seeläbi mitokondrite kasvu ja paljunemist. Sümbiootiliste partnerite kasvutempo peaks olema ligikaudu sama. Kui peremees kasvab kiiremini, väheneb iga põlvkonnaga sümbiontide arv üksikisiku kohta ja lõpuks ilmnevad mitokondriteta järeltulijad. Me teame, et sugulisel teel paljuneva organismi iga rakk sisaldab palju mitokondreid, mis kordavad nende DNA -d peremehe jagunemiste vahel. See tagab, et kõik tütarrakud saavad vähemalt ühe mitokondriaalse genoomi koopia.

Tsütoplasmaatiline pärand

Lisaks hingamisahela põhikomponentide ja oma valku sünteesiva aparatuuri kodeerimisele osaleb mitokondriaalne genoom mõnel juhul ka mõnede morfoloogiliste ja füsioloogiliste omaduste kujunemises. Nende tunnuste hulka kuuluvad NCS (mittekromosomaalne triip, mittekromosomaalselt kodeeritud lehetäpp) sündroom, mis on iseloomulik paljudele kõrgematele taimeliikidele, ja tsütoplasmaatiline isassteriilsus (CMS), mis põhjustab õietolmu normaalse arengu häireid. Mõlema tunnuse avaldumine on tingitud muutustest mtDNA struktuuris. CMS -is täheldatakse mitokondriaalsete genoomide ümberkorraldusi rekombinatsioonisündmuste tagajärjel, mis põhjustavad teatud nukleotiidjärjestuste või tervete geenide deletsioone, dubleerimist, inversioone või insertsioone. Sellised muutused võivad kahjustada mitte ainult olemasolevaid geene, vaid ka uute töötavate geenide tekkimist.

Tsütoplasma pärilikkus, erinevalt tuumast, ei allu Mendeli seadustele. See on tingitud asjaolust, et kõrgematel loomadel ja taimedel sisaldavad eri soost sugurakud võrreldamatult palju mitokondreid. Niisiis, hiire munarakus on 90 tuhat mitokondrit ja sperma - ainult neli. Ilmselgelt on viljastatud munas mitokondrid valdavalt või ainult emaselt, s.t. kõigi mitokondriaalsete geenide pärimine on emapoolne. Tsütoplasmaatilise pärilikkuse geneetiline analüüs on tuuma-tsütoplasmaatilise koostoime tõttu keeruline. Tsütoplasmaatilise isassteriilsuse korral interakteerub mutantne mitokondriaalne genoom teatud tuumageenidega, mille retsessiivsed alleelid on tunnuse kujunemiseks vajalikud. Nende geenide domineerivad alleelid nii homo- kui ka heterosügootses olekus taastavad taimede viljakuse sõltumata mitokondriaalse genoomi olekust.

Mitokondriaalsete genoomide uurimine, nende areng vastavalt populatsioonigeneetika spetsiifilistele seadustele, tuuma- ja mitokondriaalsete geneetiliste süsteemide seos, on vajalik eukarüootsete rakkude ja organismi kui terviku keerulise hierarhilise korralduse mõistmiseks.

Teatud pärilikud haigused ja inimeste vananemine on seotud mitokondriaalse DNA või mitokondreid kontrollivate tuumageenide teatud mutatsioonidega. Andmed kogunevad mtDNA defektide osalemise kohta kantserogeneesis. Seega võivad mitokondrid olla vähi keemiaravi sihtmärk. On fakte tuuma- ja mitokondriaalsete genoomide tiheda interaktsiooni kohta paljude inimeste patoloogiate kujunemisel. Raske lihasnõrkuse, ataksia, kurtuse, vaimse alaarenguga patsientidel, kes pärisid autosomaalselt domineerival viisil, leiti mitu mtDNA deletsiooni. Väljakujunenud seksuaalne dimorfism südame isheemiatõve kliinilistes ilmingutes, mis on tõenäoliselt tingitud ema toimest - tsütoplasmaatilisest pärilikkusest. Geeniteraapia arendamine pakub lootust lähitulevikus mitokondriaalsete genoomide defektide parandamiseks.

Seda tööd toetas Venemaa alusuuringute sihtasutus. Projekt 01-04-48971.
Autor on tänulik kraadiõppurile M.K. Ivanovile, kes lõi artikli jaoks arvud.

Kirjandus

1. Yankovsky N.K., Borinskaya S.A. Meie ajalugu on salvestatud DNA -sse // Loodus. 2001. nr 6. S.10-18.

2. Minchenko A.G., Dudareva N.A. Mitokondriaalne genoom. Novosibirsk, 1990.

3. Gvozdev V.A.// Soros. haritud. zhurn. 1999. nr 10. S.11-17.

4. Margelis L. Sümbioosi roll rakkude arengus. M., 1983.

5. Skulachev V.P.// Soros. haritud. zhurn. 1998. nr 8. S.2-7.

6. Igamberdiev A.U.// Soros. haritud. zhurn. 2000. nr 1. S.32-36.

Maatriksis paiknev mitokondriaalne DNA on inimese rakkudes suletud ümmargune kaheahelaline molekul, mille suurus on 16569 nukleotiidipaari, mis on ligikaudu 105 korda väiksem kui tuumas paiknev DNA. Üldiselt kodeerib mitokondriaalne DNA hingamisahela ensüümide 2 rRNA -d, 22 tRNA -d ja 13 alaühikut, mis ei ole rohkem kui pooled selles leiduvatest valkudest. Eelkõige kodeeritakse mitokondraalse genoomi kontrolli all ATP süntetaasi seitse alaühikut, kolm tsütokroomoksüdaasi alaühikut ja üks ubikinool-tsütokroom alaühik. koos-reduktaasid. Sel juhul transkribeeritakse kõik valgud, välja arvatud üks, kaks ribosomaalset ja kuut tRNA -d raskemast (välisest) DNA ahelast, ning 14 muud tRNA -d ja üks valk transkribeeritakse kergemast (sisemisest) ahelast.

Selle taustal on taimede mitokondrite genoom palju suurem ja võib ulatuda 370 000 nukleotiidipaarini, mis on umbes 20 korda suurem kui eespool kirjeldatud inimese mitokondriaalne genoom. Siin on ka geenide arv umbes 7 korda suurem, millega kaasneb taimede mitokondrites täiendavate elektronide transporditeede ilmumine, mis ei ole seotud ATP sünteesiga.

Mitokondriaalne DNA replitseerub interfaasis, mis on osaliselt sünkroniseeritud DNA replikatsiooniga tuumas. Rakutsükli jooksul jagunevad mitokondrid kitsenduseks kaheks, mille moodustumine algab rõngakujulise soonega sisemisel mitokondriaalsel membraanil. Mitokondriaalse genoomi nukleotiidjärjestuse üksikasjalik uurimine võimaldas kindlaks teha, et loomade ja seente mitokondrites esineb sageli kõrvalekaldeid universaalsest geneetilisest koodist. Seega inimese mitokondrites kodeerib standardkoolis isoleutsiini asemel TAT -koodon aminohapet metioniini, tavaliselt arginiini kodeerivad TCT ja TCC koodonid on stoppkoodonid ja AST -koodon, mis on standardkoodis stoppkoodon , kodeerib aminohapet metioniini. Mis puutub taimede mitokondritesse, siis näib, et nad kasutavad universaalset geneetilist koodi. Mitokondrite teine ​​tunnus on tRNA koodonite äratundmine, mis seisneb selles, et üks selline molekul suudab ära tunda mitte ühe, vaid kolm või neli koodonit korraga. See omadus vähendab kolmanda nukleotiidi olulisust koodonis ja toob kaasa asjaolu, et mitokondrid vajavad väiksemat valikut tRNA tüüpe. Sel juhul piisab vaid 22 erinevast tRNA -st.

Mitokondritel, millel on oma geneetiline aparaat, on ka oma valke sünteesiv süsteem, mille eripära loomade ja seente rakkudes on väga väikesed ribosoomid, mida iseloomustab settimiskoefitsient 55S, mis on isegi madalam kui 70ndate ribosoomidel. prokarüootne tüüp. Sel juhul on ka kaks suurt ribosomaalset RNA -d väiksemad kui prokarüootides ja väike rRNA puudub täielikult. Taimede mitokondrites, vastupidi, on ribosoomid oma suuruse ja struktuuri poolest sarnasemad prokarüootsetega.

DNA omadused ja funktsioonid.

DNA ehk desoksüribonukleiinhape on peamine pärilik materjal, mis esineb kõigis keharakkudes ja hõlmab peamiselt rakkude funktsioonide, kasvu, paljunemise ja surma sinist tihendit. DNA struktuuri, mida nimetatakse kaheahelaliseks spiraalseks struktuuriks, kirjeldasid esmakordselt Watson ja Crick 1953. aastal.

Sellest ajast alates on DNA sünteesis, sekveneerimises ja manipuleerimises tehtud tohutuid edusamme. Tänapäeval saab DNA -d virtualiseerida või analüüsida väikeste asjade leidmiseks ja isegi geene sisestada, et käivitada muutused DNA funktsioonis ja struktuuris.

Päriliku materjali peamine eesmärk on päriliku teabe säilitamine, mille alusel fenotüüp moodustatakse. Enamik organismi omadusi ja omadusi tuleneb erinevaid funktsioone täitvate valkude sünteesist. Seega on teave äärmiselt mitmekesiste valgumolekulide struktuuri kohta, mille spetsiifilisus sõltub ka aminohapete kvalitatiivsest ja kvantitatiivsest koostisest nagu nende peptiidahelas paiknemise järjekorras, tuleb registreerida pärilikus materjalis. Järelikult tuleb valkude aminohapete koostis kodeerida nukleiinhappe molekulidesse.
Veel 50ndate alguses tehti ettepanek geneetilise teabe salvestamise meetodi kohta, mille kohaselt tuleks üksikuid aminohappeid kodeerida valgumolekulis, kasutades DNA -molekulis nelja erineva nukleotiidi teatud kombinatsioone. Enam kui 20 aminohappe krüptimiseks on vajalik arv kombinatsioone ette nähtud ainult kolmekordse koodiga, st koodiga, mis sisaldab kolme kõrvuti asetsevat nukleotiidi. Sel juhul on nelja lämmastikualuse, igaühe kolme kombinatsioonide arv 41 = 64. Eeldus geneetilise koodi kolmekordsuse kohta kinnitati hiljem katseliselt ja ajavahemikul 1961–1964 leiti šifr, mille abil millest aminohapete järjekord on kirjutatud peptiidi nukleiinhappe molekulides.
Laualt. 6, et 64 kolmikust kodeerib 61 kolmikut üht või teist aminohapet ja üksikuid aminohappeid krüpteerib rohkem kui üks triplett ehk koodon (fenüülalaniin, leutsiin, valiin, seriin jne). Mitmed kolmikud ei kodeeri aminohappeid ja nende funktsioonid on seotud valgumolekuli terminaalse piirkonna määramisega.
Nukleiinhappemolekulis salvestatud teabe lugemine toimub järjestikku, kaas-Don koodoni abil, nii et iga nukleotiid on osa ainult ühest kolmikust.
Geneetilise koodi uurimine erineva korraldustasemega elusorganismides on näidanud selle mehhanismi mitmekülgsust teabe salvestamiseks eluslooduses.
Nii selgus 20. sajandi keskpaiga uuringutest mehhanism päriliku teabe registreerimiseks nukleiinhappe molekulides, kasutades selleks bioloogilist koodi, mida iseloomustavad järgmised omadused: a) triplett - aminohapped krüpteeritakse nukleotiidide - koodonite triplettidega; b) spetsiifilisus - iga triplett kodeerib ainult teatud aminohapet; c) universaalsus - kõikides elusorganismides teostavad samade aminohapete kodeerimist samad koodonid; d) degeneratsioon - paljud aminohapped on krüpteeritud rohkem kui ühe tripletiga; e) ei kattu - teave loetakse järjest kolmekesi kolmekesi: AAGTSTCTSAGTSTSAT.

Lisaks bioloogilise teabe salvestamisele ja salvestamisele on pärilikkusmaterjali funktsioon selle paljunemine ja rakkude ja organismide paljunemisprotsessis uuele põlvkonnale edastamine. Seda päriliku materjali funktsiooni täidavad DNA molekulid selle reduplikatsiooni protsessis, st struktuuri absoluutselt täpne reprodutseerimine tänu komplementaarsuse põhimõtte rakendamisele (vt 2.1).
Lõpuks, päriliku materjali, mida esindavad DNA molekulid, kolmas ülesanne on pakkuda spetsiifilisi protsesse selles sisalduva teabe rakendamise ajal. See funktsioon viiakse läbi erinevat tüüpi RNA osavõtul, mis tagavad translatsiooniprotsessi, st tsütoplasmas esineva valgumolekuli kokkupanemise tuumast saadud teabe põhjal (vt 2.4). Tuuma kromosoomides DNA molekulide kujul salvestatud päriliku teabe realiseerimise käigus eristatakse mitmeid etappe.
1. Teabe lugemine DNA molekulist mRNA sünteesi protsessis - transkriptsioon, mis viiakse läbi DNA -kodogeense ahela topeltheeliksi ühel ahelal vastavalt komplementaarsuse põhimõttele (vt 2.4).
2. Transkriptsiooniprodukti ettevalmistamine tsütoplasmasse vabastamiseks - mRNA küpsemine.
3. Kokkupanek aminohapete peptiidahela ribosoomidele, tuginedes mRNA molekulisse salvestatud teabele, transpordi tRNA osalemisega (vt 2.4).
4. Sekundaarsete, tertsiaarsete ja kvaternaarsete valgu struktuuride moodustumine, mis vastab toimiva valgu moodustumisele (lihtne omadus).
5. Kompleksse tunnuse kujunemine mitme geeni saaduste (valk-ensüümid või muud valgud) osalemise tulemusena biokeemilistes protsessides.

DNA kahekordse spiraali struktuuri, mida hoiavad koos ainult vesiniksidemed, saab kergesti hävitada. Vesiniksidemete katkestamist polünukleotiidi DNA ahelate vahel saab läbi viia tugevalt leeliselistes lahustes (pH> 12,5) või kuumutades. Pärast seda eraldatakse DNA ahelad täielikult. Seda protsessi nimetatakse DNA denatureerimiseks või sulatamiseks.

Denaturatsioon muudab mõningaid DNA füüsikalisi omadusi, näiteks selle optilist tihedust. Lämmastikualused neelavad valgust ultraviolettpiirkonnas (maksimaalselt 260 nm lähedal). DNA neelab valgust peaaegu 40% vähem kui sama koostisega vabade nukleotiidide segu. Seda nähtust nimetatakse hüpokroomseks efektiks ja see on tingitud aluste vastasmõjust, kui need asuvad topeltheeliksis.

Kõik kõrvalekalded kaheahelalisest olekust mõjutavad selle efekti suuruse muutust, s.t. toimub optilise tiheduse nihkumine vabadele alustele iseloomuliku väärtuse suunas. Seega saab DNA denatureerimist jälgida selle optilise tiheduse muutmisega.

DNA kuumutamisel nimetatakse DNA ahelate eraldamise vahemiku keskmist temperatuuri sulamistemperatuuriks ja tähistatakse kui T pl... Lahuses T pl Tavaliselt jääb see vahemikku 85-95 ° C. DNA sulamiskõver on alati sama kujuga, kuid selle asukoht temperatuuriskaalal sõltub baaskoostisest ja denatureerumistingimustest (joonis 1). Kolme vesiniksidemega ühendatud G-C paarid on tulekindlamad kui AT-paarid, millel on kaks vesiniksidet, seega koos G-C-nap sisalduse suurenemisega on T väärtus pl suureneb. DNA, 40% koosneb G-C-st (iseloomulik imetaja genoomile), denatureerub T juures pl umbes 87 ° C, samas kui 60% G-C sisaldaval DNA-l on T pl
umbes 95 ° C.

DNA denatureerimise temperatuuri (välja arvatud aluste koostis) mõjutab lahuse ioontugevus. Veelgi enam, mida kõrgem on ühevalentsete katioonide kontsentratsioon, seda suurem on T pl... T väärtus pl muutub oluliselt ka siis, kui DNA lahusele lisatakse selliseid aineid nagu formamiid (sipelghappe amiid HCONH2), mis
destabiliseerib vesiniksidemeid. Selle olemasolu võimaldab teil vähendada T pl, kuni 40 ° C.

Denatureerimise protsess on pöörduv. Topeltheeliksi struktuuri taastamise fenomeni, mis põhineb komplementaarsete ahelate kahel eraldamisel, nimetatakse DNA renaturatsiooniks. Renaturatsiooni teostamiseks piisab reeglina denatureeritud DNA lahuse survestamisest.

Renaturatsioon hõlmab kahte komplementaarset järjestust, mis eraldati denatureerimise ajal. Siiski saab mis tahes komplementaarseid järjestusi, mis on võimelised moodustama kaheahelalise struktuuri, ümber natuleerida. Kui koos. erinevatest punktidest pärinev üheahelaline DNA lõõmutatakse, siis nimetatakse kaheahelalise DNA struktuuri moodustumist hübridisatsiooniks.

Sarnane teave.