Митохондриальный геном и его значение. Организация генома митохондрий. Митохондриальные болезни. Наследование по материнской линии

И, независимо, учеными Эллен Харлсбруннер, Хансом Туппи и Готтфридом Шацем при биохимическом анализе фракций митохондрий дрожжей в Венском университете в 1964 году .

Теории возникновения митохондриальной ДНК

Существуют также данные о митохондриальной наследственности по мужской линии у млекопитающих. Описаны случаи такого наследования для мышей, при этом митохондрии, полученные от самца, впоследствии отторгаются. Такое явление показано для овец и клонированного крупного рогатого скота. Также описан единственный случай связанный с бесплодием у мужчины..

Геном митохондрий

Один из наиболее маленьких митохондриальных геномов имеет малярийный плазмодий (около 6.000 п.о., содержит два гена рРНК и три гена, кодирующих белки).

Недавно открытые рудиментарные митохондрии (митосомы ) некоторых протистов (дизентерийной амёбы , микроспоридий и лямблий ) не содержат ДНК.

Митохондрии дрожжей содержат 78000 пар нуклеотидов.

Некоторые растения имеют огромные молекулы митохондриальной ДНК (до 25 миллионов пар оснований), при этом содержащие примерно те же гены и в том же количестве, что и меньшие мтДНК. Длина митохондриальной ДНК может широко варьировать даже у растений одного семейства. В митохондриальной ДНК растений имеются некодирующие повторяющиеся последовательности.

Геном человека содержит только по одному промотору на каждую комплементарную цепь ДНК.

Геном митохондрий человека кодирует следующие белки и РНК:

Белки или РНК	Гены
NADH-дегидрогеназа (комплекс I)	MT-ND1 , MT-ND2 , MT-ND3 , MT-ND4 , MT-ND4L , MT-ND5 , MT-ND6
Кофермент Q - цитохром c редуктаза /Цитохром b (комплекс III)	MT-CYB
цитохром c оксидаза (комплекс IV)	MT-CO1 , MT-CO2 , MT-CO3
АТФ-синтаза	MT-ATP6 , MT-ATP8
рРНК

Структура и функция митохондрий. Митохондрии - это цитоплазматические органеллы. Их количество и форма варьируют в зависимости от функции клетки. Например, у млекопитающих в клетках печени имеется по 1000-1500 митохондрий. Все они имеют общие структурные особенности: матрикс, внутреннюю и внешнюю мембрану (рис. 2.98). Внутренняя мембрана образует характерные складки: иногда в виде «крист», иногда в виде «трубочек». Митохондрии осуществляют важные биохимические функции, в частности, именно в них происходит аэробное окисление. Вот почему эти органеллы часто называют энергетической фабрикой организма. Энергия хранится в АТР (аденозинтрифосфат). Из трех энергетических источников нашей пищи аминокислоты и жиры подвергаются распаду только в результате аэробного окисления, которое происходит в митохондриях. Кроме того, в них осуществляется цикл лимонной кислоты. Мембрана митохондрий содержит упорядоченную мультиферментную систему, а распределение ферментов в функционально значимом порядке гарантирует упорядоченную последовательность биохимических реакций.

Подобно всему живому митохондрии размножаются путем деления. Их синтез de novo невозможен. Они содержат рибосомы, которые по размеру меньше (70S), чем рибосомы цитоплазмы (80S). Эти и другие факты привели к гипотезе, что митохондрии происходят от микроорганизмов, которые на ранних этапах эволюции вступили в симбиотические взаимоотношения с эукариотической клеткой, а затем были интегрированы, но еще сохраняют свои специфические особенности.

Геном митохондрий. Давно известно, что митохондрии имеют собственную ДНК и собственные гены, например, для транспортной РНК. С другой стороны, многие, но не все митохондриальные ферменты кодируются ядерными генами.

Совсем недавно в лаборатории молекулярной биологии Медицинского исследовательского центра в Кэмбридже была полностью расшифрована последовательность ДНК и выяснена организация генов в митохондриальном геноме человека (, рис. 2.99). Оказалось, что геном митохондрий представлен кольцевой молекулой ДНК, содержащей 16 569 нуклеотидных пар. В состав генома входят гены 12S- и 16S-pPHK, 22 различных тРНК, субъединиц I, II и IIIоксидазы цитохрома с, субъединицы 6 АТРазы, цитохрома b и девяти других пока неизвестных белков. В про-

2. Хромосомы человека 147

тивоположность ядерному геному (разд. 2.3.1.1) нуклеотидная последовательность митохондрий характеризуется весьма экономной организацией: в ней нет или имеется очень мало некодирующих участков. Кроме того, в митохондриальной ДНК транскрибируются и транслируются обе цепи. Во многих случаях триплет, определяющий терминацию транскрипции, не закодирован в ДНК, а создается посттранскрипционно. И наконец, по ряду характеристик генетический код митохондриальной ДНК человека отличается от универсального: UGA кодирует триптофан, а не терминацию транскрипции, AUA кодирует метионин, а не изолейцин, AGA и AGG являются стоп-кодонами, а аргинин не кодируют. Существенно также, что в третьей позиции кодонов, которая является основным источником вырожденности кода, А или С (по сравнению с G или Т) встречаются чаще, чем в ядерном геноме.

Полиморфизм ДНК и наследственные болезни, связанные с митохондриальными мутациями. Расшифровка нуклеотидной последовательности митохондриального генома человека ускорила выявление в нем полиморфных сайтов рестрикции (разд. 2.3.2.7, см. разд. 6.1). Бланк и соавт. для анализа ДНК использовали 12 рестриктаз. В группу испытуемых входило 112 человек, принадлежащих разным расовым группам. Скринировали суммарно 441 сайт рестрикции. Из всех исследованных сайтов 163 оказались полиморфными, т.е. присутствовали у одних и отсутствовали у других индивидов. Остальные 278 сайтов оказались константными. Полиморфизм наблюдали во всех частях генома. Кроме того, обнаружены расовые различия в отношении частоты ряда полиморфных вариантов .

До настоящего времени генетическая рекомбинация митохондриальной ДНК человека не обнаружена; если она и происходит, то, вероятно, очень редко. Следовательно, рестрикционный полиморфизм митохондриальной ДНК в популяции отражает картину ее мутационной истории. Это означает, что, сравнивая популяции по полиморфизму этого типа, можно определить их происхождение и историю много точнее, чем на основе анализа полиморфизма классического типа (разд. 6.2.3).

Рис. 2.99.Митохондриальный геном человека представляет собой двухцепочечное кольцо. Цепи отличаются по их плотности в градиенте CsCl: тяжелая (Н) и легкая (L). Стрелки показывают направление транскрипции. Начало стрелок совпадает с сайтом промотора. Участки, обозначенные жирной линией, содержат идентифицированные гены двух молекул рРНК; гены CoI, CoII и СоIII для субъединиц оксидазы цитохрома с; для субъединицы 6 АТР-синтазы и для цитохрома b, Гены тРНК для различных аминокислот обозначены точками. L-цепь содержит 8 генов тРНК. Пустые участки, вероятно, кодируют еще неидентифицированные гены. (По Kuppers, Molekulare Genetik, 4th ed., 1985.)

Большое количество митохондрий содержится в ооцитах, тогда как в спермин их только четыре. При оплодотворении эти митохондрии не попадают в ооцит. Следовательно, все митохондрии во всех клетках любого индивида имеют материнское происхождение . В связи с этим возникает вопрос, может ли мутация в митохондриальной ДНК быть причиной наследственного заболевания. Такая патология должна передаваться только от матери всем ее детям (разд. 3.15).

Представляется, что такой тип наследо-

148 2. Хромосомы человека

вания маловероятен, ведь каждый ооцит содержит множество митохондрий, и если в одной из них произошла мутация, все остальные остаются немутантными и, следовательно, не должно быть никакого фенотипического эффекта. С другой стороны, такой же аргумент справедлив и в отношении рестрикционного полиморфизма митохондриальной ДНК. Однако полиморфизм этого типа наследуется всеми детьми от матери, причем все митохондрии одного индивида генетически однородны. Какова причина этого пока непонятного явления? Может быть, все митохондрии ооцита являются потомками одной стволовой митохондрии?

Что такое митохондриальная ДНК?

Митохондриальная ДНК (мтДНК) - представляет собой ДНК, расположенную в митохондриях, клеточных органеллах внутри эукариотических клеток, которые преобразуют химическую энергию из пищи в той форме, в которой клетки могут ее использовать - аденозинтрифосфата (АТФ). Митохондриальная ДНК являет собой лишь небольшую часть ДНК в эукариотической клетке; большую часть ДНК можно обнаружить в ядре клетки, у растений и водорослей, а также в пластидах, таких как хлоропласты.

У людей 16569 пар оснований митохондриальной ДНК кодируют всего 37 генов. Человеческая митохондриальная ДНК была первой значительной частью генома человека, подлежащей секвенированию. У большинства видов, включая людей, мтДНК наследуется только от матери.

Посколько мтДНК животных развивается быстрее, чем ядерные генетические маркеры, она представляет собой основу филогенетики и эволюционной биологии. Это стало важным пунктом в антропологии и биогеографии, так как позволяет изучать взаимосвязь популяций.

Гипотезы происхождения митохондрий

Ядерная и митохондриальная ДНК, как полагают, имеет разное эволюционное происхождение, причем мтДНК выведена из кольцевых геномов бактерий, которые были поглощены ранними предками современных эукариотических клеток. Эта теория называется эндосимбиотической теорией. По оценкам, каждая митохондрия содержит копии 2-10 мтДНК. В клетках существующих организмов подавляющее большинство белков, присутствующих в митохондриях (численность около 1500 различных типов у млекопитающих) кодируются ядерной ДНК, но гены для некоторых из них, если не большинство, считаются первоначально бактериальными, с тех пор они были перенесены в эукариотическое ядро ​​во время эволюции.

Обсуждаются причины, по которым митохондрии сохраняют некоторые гены. Существование у некоторых видов митохондриального происхождения органелл, не имеющих генома, позволяет предполагать, что возможна полная потеря гена, а перенос митохондриальных генов в ядро ​​имеет ряд преимуществ. Трудность ориентации дистанционно производимых гидрофобных белковых продуктов в митохондриях является одной из гипотез почему некоторые гены сохраняются в мтДНК. Совместная локализация для окислительно-восстановительного регулирования является другой теорией, ссылаясь на желательность локализованного контроля над митохондриальными механизмами. Недавний анализ широкого спектра митохондриальных геномов предполагает, что обе эти функции могут диктовать удержание митохондриального гена.

Генетическая экспертиза мтДНК

В большинстве многоклеточных организмов, мтДНК наследуется от матери (по материнской линии). Для этого механизмы включают простое разведение (яйцо содержит в среднем 200000 молекул мтДНК, тогда как здоровая сперма человека содержит в среднем 5 молекул), деградацию спермы мтДНК в мужских половых путях, в оплодотворенной яйцеклетке, и, по крайней мере, в нескольких организмах, неспособность мтДНК спермы проникать в яйцо. Каким бы ни был механизм, это однополярное наследование - наследования мтДНК, которое встречается у большинства животных, растений и грибов.

Наследование по материнской линии

При половом размножении митохондрии обычно унаследованы исключительно от матери; митохондрии в сперме млекопитающих обычно уничтожаются яйцеклеткой после оплодотворения. Кроме того, большинство митохондрий присутствует у основания хвоста сперматозоида, который используется для движения клеток спермы; иногда во время оплодотворения хвост теряется. В 1999 году сообщалось, что отцовские митохондрии сперматозоида (содержащие мтДНК) отмечены убиквитином для последующего разрушения внутри эмбриона. Некоторые методы оплодотворения in vitro, в частности, инъекция спермы в ооцит могут мешать этому.

Тот факт, что митохондриальная ДНК наследуется по материнской линии позволяет генеалогическим исследователям проследить материнскую линию далеко назад во времени. (Y-хромосомная ДНК наследуется по отцовской линии, используется аналогичным образом для определения патрилинейной истории.) Обычно это осуществляется на митохондриальной ДНК человека путем секвенирования гипервариабельной области управления (HVR1 или HVR2), а иногда и полной молекулы митохондриальной ДНК как генеалогический тест ДНК. Например, HVR1 состоит примерно из 440 пар оснований. Затем эти 440 пар сравниваются с контрольными областями других лиц (либо конкретных людей или субъектов в базе данных) для определения материнской линии. Чаще всего сравнение проводится с пересмотренной Кембриджской справочной последовательностью. Vilà et al. опубликовали исследования, посвященные матрилинейному сходству домашних собак и волков. Концепция Митохондриальной Евы основана на одном и том же типе анализа, пытается обнаружить происхождение человечества, отслеживает происхождение назад во времени.

мтДНК является высококонсервативной, а ее относительно медленные скорости мутаций (по сравнению с другими областями ДНК, такими как микросателлиты) делают ее полезной для изучения эволюционных отношений - филогении организмов. Биологи могут определить, а затем сравнить мтДНК последовательности у разных видов и использовать сравнения для построения эволюционного дерева для изученных видов. Однако, из-за медленных скоростей мутаций, которые он испытывает, часто трудно различать близкородственные виды в любой степени, поэтому необходимо использовать другие методы анализа.

Мутации митохондриальной ДНК

Можно ожидать, что лица, подвергающиеся однонаправленному наследованию и почти без рекомбинации, подвергаются трещотке Мюллера, накоплению вредных мутаций до тех пор, пока не будет потеряна функциональность. Популяции животных митохондрий избегают этого накопления из-за процесса развития, известного как узкое место мтДНК. Узкое место использует стохастические процессы в клетке для увеличения изменчивости клетки-к-клетке в мутантной нагрузке, когда организм развивается, таким образом, что одна яйцеклетка с некоторой долей мутантной мтДНК создает эмбрион, в котором разные клетки имеют различные мутантные нагрузки. Затем может быть выбран клеточный уровень, чтобы удалить эти клетки с большей мутантной мтДНК, что приведет к стабилизации или уменьшению мутантной нагрузки между поколениями. Механизм, лежащий в основе узкого места, обсуждается с недавней математической и экспериментальной метастадией и служит доказательством комбинации случайного разбиения мтДНК на клеточные деления и случайного оборота молекул мтДНК внутри клетки.

Наследование по отцовской линии

Двукратное однонаправленное наследование мтДНК наблюдается у двустворчатых моллюсков. У этих видов самки имеют только один тип мтДНК (F), тогда как самцы имеют мтДНК типа F в своих соматических клетках, но M тип мтДНК (которая может достигать 30% расходящихся) в клетках зародышевой линии. У материнских унаследованных митохондрий дополнительно сообщалось о некоторых насекомых, таких как плодовые мухи, пчелы и периодические цикады.

Мужское митохондриальное наследования было недавно обнаружено у циплят Плимут-Рок. Доказательства подтверждают редкие случаи мужского митохондриального наследования у некоторых млекопитающих. В частности, документально подтвержденные случаи существуют для мышей, где впоследствии были отвергнуты мужские наследственные митохондрии. Кроме того, он был обнаружен у овец, а также у клонированного крупного рогатого скота. Однажды был обнаружен в организме мужчины.

Несмотря на то, что многие из этих случаев связаны с клонированнием эмбрионов или последующим отторжением отцовской митохондрии, другие документируют наследование и стойкость in vivo в лабораторных условиях.

Митохондриальное донорство

Метод IVF, известный как митохондриальное донорство или митохондриальная заместительная терапия (МЗТ), приводит к потомству, содержащащему мтДНК от доноров женского пола и ядерной ДНК от матери и отца. В процедуре переноса шпинделя, ядро ​​яйца вводится в цитоплазму яйцеклетки от донора-самки, у которой было ​​удалено ядро, но которое по-прежнему содержит мтДНК женского донора. Композиционное яйцо затем оплодотворяется спермой мужчины. Эта процедура используется тогда, когда женщина с генетически неполноценными митохондриями, хочет производить потомство со здоровыми митохондриями. Первым известным ребенком, который родился в результате митохондриального пожертвования, был мальчик, родившийся у иорданской пары, в Мексике 6 апреля 2016 года.

Структура митохондриальной ДНК

В большинстве многоклеточных организмов, мтДНК - или митогеном - организована в виде круглой, циркулярно замкнутой, двухцепочной ДНК. Но во многих одноклеточных (например, тетрахимены или зеленой водоросли Chlamydomonas reinhardtii) и в редких случаях у многоклеточных организмов (например, у некоторых видов книдарий), мтДНК находится как линейно организованная ДНК. Большинство этих линейных мтДНК обладают теломеразо-независимыми теломерами (то есть концами линейной ДНК) с различными режимами репликации, которые сделали их интересными объектами исследования, так как многие из этих одноклеточных организмов с линейной мтДНК являются известными патогенами.

Для митохондриальной ДНК человека (и, вероятно, для метазоанов), 100-10000 отдельных копий мтДНК обычно присутствуют в соматической клетке (яйцеклетки и сперматозоиды являются исключениями). У млекопитающих каждая из двухцепочной молекулы круговой мтДНК состоит из 15000-17000 пар оснований. Две цепи мтДНК различаются по их нуклеотидному содержанию, богатая гуанидом прядь называется тяжелой цепью (или Н-цепью), а богатую цинозином нить называют легкой цепью (или L-нитью). Тяжелая цепь кодирует 28 генов, а легкая - 9 генов, в общей сложности 37 генов. Из 37 генов 13 предназначены для белков (полипептидов), 22 - для передачи РНК (тРНК) и два - для малых и больших субъединиц рибосомальной РНК (рРНК). Митогеном человека содержит перекрывающиеся гены (ATP8 и ATP6, а также ND4L и ND4: см. Карту генома человека митохондрий), которая редко встречается в геномах животных. 37-генная картина также встречается среди большинства метазоанов, хотя, в некоторых случаях, один или несколько из этих генов отсутствуют, а диапазон размеров мтДНК больше. Еще большее изменение содержания и размера генов мтДНК существует среди грибов и растений, хотя, как представляется, существует основное подмножество генов, которое присутствует во всех эукариотах (за исключением немногих, у которых вообще нет митохондрий). Некоторые виды растений имеют огромные мтДНК (столько, сколько 2500000 пар оснований на молекулу мтДНК), но, как ни удивительно, даже эти огромные мтДНК содержат одинаковое число и виды генов, как родственные растения с гораздо меньшими мтДНК.

Геном митохондрии огурца (Cucumis Sativus) состоит из трех кольцевых хромосом (длина 1556, 84 и 45 т.п.н.), которые полностью или в значительной степени автономны в отношении их репликации.

В митохондриальных геномах обнаружено шесть основных типов генома. Эти типы геномов были классифицированы «Колесниковым и Герасимовым (2012)» и различаются различными способами, такими как круговой, по сравнению с линейным геномом, размером генома, наличием интронов или подобных плазмидных структур, а также является ли генетический материал особой молекулой, коллекцией гомогенных или гетерогенных молекул.

Расшифровка генома животных

В клетках животных существует только один тип митохондриального генома. Этот геном содержит одну круговую молекулу между 11-28кбп генетического материала (тип 1).

Расшифровка генома растений

Существует три различных типа генома, содержащихся в растениях и грибах. Первый тип - это круговой геном, который имеет интроны (тип 2) длиной от 19 до 1000 кбп. Второй тип генома представляет собой круговой геном (около 20-1000 кбп), который также имеет плазмидную структуру (1kb) (тип 3). Конечный тип генома, который можно найти в растении и грибах представляет собой линейный геном, состоящий из гомогенных молекул ДНК (тип 5).

Расшифровка генома протистов

Протисты содержат самые разнообразные митохондриальные геномы, которые включают пять разных типов. Тип 2, тип 3 и тип 5, упомянутые в геноме растений и грибов, также существуют в некоторых простейших, а также в двух уникальных типах генома. Первым из них является гетерогенная коллекция круговых молекул ДНК (тип 4), а конечный тип генома, обнаруженный у протистов, представляет собой гетерогенную коллекцию линейных молекул (тип 6). Типы геномов 4 и 6 варьируются от 1 до 200 кб.,

Передача эндосимбиотических генов, процесс генов, кодируемых в митохондриальном геноме, переносится в основном геном клетки, вероятно, это объясняет почему более сложные организмы, например, люди, имеют меньшие митохондриальные геномы, чем более простые организмы, такие как простейшие.

Репликация митохондриальной ДНК

Митохондриальная ДНК реплицируется гамма-комплексом ДНК-полимеразы, который состоит из каталитической ДНК-полимеразы размером 140 кДа, кодируемой геном POLG и двумя вспомогательными субъединицами 55 кДа, закодированными геном POLG2. Репликационное устройство образовано ДНК-полимеразой, TWINKLE и митохондриальными SSB-белками. TWINKLE - это геликаза, которая разматывает короткие отрезки dsDNA в направлении от 5 "до 3".

Во время эмбриогенеза репликация мтДНК строго отрегулирована от оплодотворенного ооцита через предимплантационный эмбрион. Результативное сокращение количества клеток в каждой клетке мтДНК играет роль в узком месте митохондрий, использующем изменчивость клеток к клетке для улучшения наследования повреждающих мутаций. На стадии бластоцитов начало репликации мтДНК специфично для клеток трофтокодера. Напротив, клетки внутренней клеточной массы ограничивают репликацию мтДНК до тех пор, пока они не получат сигналы для дифференциации к конкретным типам клеток.

Транскрипция митохондриальной ДНК

В митохондриях животных каждая нить ДНК непрерывно транскрибируется и производит полицистронную молекулу РНК. Между большинством (но не во всех) белок-кодирующих областях присутствуют тРНК (см. Карту генома митохондрий человека). Во время транскрипции тРНК приобретает характерную L-форму, которая распознается и расщепляется конкретными ферментами. При обработке митохондриальной РНК отдельные фрагменты мРНК, рРНК и тРНК высвобождаются из первичного транскрипта. Таким образом, сложенные тРНК действуют как второстепенные пунктуации.

Митохондриальные заболевания

Понятие о том, что мтДНК особенно восприимчива к реактивным кислородным видам, генерируемым дыхательной цепью из-за его близости, остается спорным. мтДНК не накапливает больше окислительной базы, чем ядерная ДНК. Сообщалось, что, по крайней мере, некоторые виды повреждений окислительной ДНК восстанавливаются более эффективно в митохондриях, чем в ядре. мтДНК упаковывается с белками, которые, по-видимому, являются такими же защитными, как белки ядерного хроматина. Более того, митохондрии развили уникальный механизм, который поддерживает целостность мтДНК путем деградации чрезмерно поврежденных геномов с последующей репликацией интактной/восстановленной мтДНК. Этот механизм отсутствует в ядре и активируется несколькими копиями мтДНК, присутствующими в митохондриях. Результатом мутации в мтДНК может быть изменение инструкций кодирования для некоторых белков, что может влиять на метаболизм и/или пригодность организма.

Мутации митохондриальной ДНК могут привести к ряду заболеваний, включая непереносимость физической нагрузки и синдром Кирнс-Сайре (KSS), который заставляет человека терять полную функцию движений сердца, глаз и мышц. Некоторые данные свидетельствуют о том, что они могут вносить значительный вклад в процесс старения и связаны с возрастом патологии. В частности, в контексте заболевания, доля мутантных молекул мтДНК в клетке называется гетероплазмой. Распределения гетероплазмы внутри клетки и между клетками диктуют начало и тяжесть заболевания и находятся под влиянием сложных стохастических процессов внутри клетки и во время развития.

Мутации в митохондриальных тРНК могут быть ответственны за тяжелые заболевания, например, такие, как синдромы MELAS и MERRF.

Мутации в ядерных генах, кодирующие белки, которые используют митохондрии также могут способствовать митохондриальным заболеваниям. Эти болезни не соответствуют моделям наследования митохондрий, а вместо этого следуют менделевским схемам наследования.

В последнее время мутации в мтДНК были использованы для помощи диагностирования рака простаты у пациентов с отрицательной биопсией.

Механизм старения

Хотя идея является спорной, некоторые данные свидетельствуют о связи между старением и митохондриальной дисфункцией генома. В сущности, мутации в мтДНК нарушают тщательный баланс производства реактивного кислорода (ROS) и ферментативного ROS-продуцирования (ферментами, такими как супероксиддисмутаза, каталаза, глутатионпероксидаза и другие). Тем не менее, некоторые мутации, которые увеличивают производство ROS (например, за счет снижения антиоксидантной защиты) у червей увеличивают, а не уменьшают их долговечность. Кроме того, обнаженные мольные крысы, грызуны, размером с мышей, живут примерно в восемь раз дольше, чем мыши, несмотря на снижение, по сравнению с мышами, антиоксидантной защиты и повышенного окислительного повреждения биомолекул.

Однажды, как полагали, был положительный цикл обратной связи в работе («Vicious Cycle»); поскольку митохондриальная ДНК накапливает генетический ущерб, вызванный свободными радикалами, митохондрии теряют функцию и освобождают свободные радикалы в цитозоле. Снижение функции митохондрий снижает общую метаболическую эффективность. Однако, эта концепция была окончательно опровергнута, когда было продемонстрировано, что мыши, генетически измененные для накопления мутаций мтДНК с увеличенной скоростью, преждевременно стареют, но их ткани не вырабатывают больше ROS, как прогнозировалось гипотезой «Порочный цикл». Поддерживая связь между долговечностью и митохондриальной ДНК в некоторых исследованиях обнаружены корреляции между биохимическими свойствами митохондриальной ДНК и долговечностью видов. Проводятся обширные исследования для дальнейшего изучения этой связи и методов борьбы со старением. В настоящее время генная терапия и нутрицевтические добавки являются популярными областями текущих исследований. Bjelakovic et al. проанализировал результаты 78 исследований в период между 1977 и 2012 годами, в которых участвовало, в общей сложности, 296707 участников, пришел к выводу, что антиоксидантные добавки не уменьшают смертность от каких-либо причин и не продлевают продолжительность жизни, в то время как некоторые из них, такие как бета-каротин, витамин Е и более высокие дозы витамина А, могут фактически увеличить смертность.

Контрольные точки удаления часто встречаются внутри или рядом с регионами, показывающими неканонические (не-B) конформации, а именно шпильки, крестообразные и подобные клеверу элементы. Кроме того, есть данные, подтверждающие вовлечение спирально искажающих криволинейных областей и длинных G-тетрад в выявлении событий нестабильности. Кроме того, более высокие точки плотности последовательно наблюдались в областях с перекосом GC и в непосредственной близости от вырожденного фрагмента последовательности YMMYMNNMMHM.

Чем митохондриальная ДНК отличается от ядерной?

В отличие от ядерной ДНК, которая унаследована от обоих родителей и в которой гены перегруппированы в процессе рекомбинации, обычно нет изменений в мтДНК от родителя к потомству. Хотя мтДНК также рекомбинирует, она делает это с копиями себя в пределах той же митохондрии. Из-за этого частота мутаций животных мтДНК выше, чем у ядерной ДНК. мтДНК является мощным инструментом для отслеживания родословной через женщин (matrilineage) и использовалась в этой роли для отслеживания родословной многих видов сотни поколений назад.

Стремительная частота мутаций (у животных) делает мтДНК полезной для оценки генетических взаимоотношений отдельных индивидуумов или групп в пределах вида, а также для идентификации и количественного определения филогении (эволюционных отношений) среди разных видов. Для этого биологи определяют, а затем сравнивают последовательность мтДНК с разными индивидуумами или видами. Данные сравнений используются для построения сети взаимоотношений между последовательностями, которые обеспечивают оценку отношений между отдельными лицами или видами, из которых были взяты мтДНК. мтДНК может быть использована для оценки взаимосвязи между близкими и удаленными видами. Из-за высокой частоты мутаций мтДНК у животных, 3-й позиции кодонов меняться относительно быстро, и, таким образом, предоставляет информацию о генетических расстояний между близкородственными особями или видами. С другой стороны, скорость замещения mt-белков очень низкая, поэтому изменения аминокислот накапливаются медленно (с соответствующими медленными изменениями в положениях 1-го и 2-го кодонов) и, таким образом, они предоставляют информацию о генетических расстояниях отдаленных родственников. Статистические модели, которые учитывают частоту замещения среди позиций кодонов отдельно, могут поэтому использоваться для одновременной оценки филогении, которая содержит как близкие, так и отдаленные виды.

История открытия мтДНК

Митохондриальная ДНК была обнаружена в 1960-х годах Маргитом М. К. Насом и Сильваном Насом с помощью электронной микроскопии в качестве чувствительных к ДНКазе нитей внутри митохондрий, а также Эллен Хасбруннер, Ханс Таппи и Готфрид Шац из биохимических анализов на высокоочищенных митохондриальных фракциях.

Митохондриальная ДНК впервые была признана в 1996 году во время штата Теннесси против Пола Уэра. В 1998 году в судебном деле Содружества Пенсильвании против Патриции Линн Роррер, митохондриальная ДНК впервые была принята в качестве доказательства в штате Пенсильвания. Случай был показан в эпизоде ​​55 5-го сезона настоящей серии драматических криминалистических судебных дел (сезон 5).

Митохондриальная ДНК впервые была признана в Калифорнии в ходе успешного преследования Дэвида Вестерфилда за похищение и убийство в 2002 году 7-летней Даниэль ван Дам в Сан-Диего: она использовалась как для идентификации людей, так и собак. Это было первое испытание в США, которое разрешило собачью ДНК.

Базы данных по мтДНК

Было создано несколько специализированных баз данных для сбора митохондриальных последовательностей генома и другой информации. Хотя большинство из них сосредоточены на данных о последовательности, некоторые из них включают в себя филогенетическую или функциональную информацию.

• MitoSatPlant: база данных микросателлитов митохондриальных виридиплантов.

• MitoBreak: база данных контрольных точек митохондриальной ДНК.

• MitoFish и MitoAnnotator: база данных о митохондриальном геноме рыб. Смотрите также Cawthorn и др.

• MitoZoa 2.0: база данных для сравнительного и эволюционного анализа митохондриальных геномов (больше недоступна)

• InterMitoBase: аннотированная база данных и платформа анализа белково-белковых взаимодействий для митохондрий человека (последний обновлен в 2010 году, но все еще является не доступным)

• Mitome:база данных для сравнительной митохондриальной геномики у многоклеточных животных (больше недоступна)

• MitoRes: ресурс ядерно-кодированных митохондриальных генов и их продуктов в метазоах (больше не обновлялся)

Существует несколько специализированных баз данных, которые сообщают о полиморфизмах и мутациях в митохондриальной ДНК человека вместе с оценкой их патогенности.

• MITOMAP: компендиум полиморфизмов и мутаций в митохондриальной ДНК человека.

• MitImpact: Сбор предсказанных прогнозов патогенности для всех изменений нуклеотидов, которые вызывают несинонимические замены в генах, кодирующих митохондриальные белки человека.

© Г.М.Дымшиц

Сюрпризы митохондриального генома

Г.М. Дымшиц

Григорий Моисеевич Дымшиц, доктор биологических наук, профессор кафедры молекулярной биологии Новосибирского государственного университета, заведующий лабораторией структуры генома Института цитологии и генетики Сибирского отделения РАН. Соавтор и редактор четырех школьных учебников по общей биологии.

Со времени обнаружения в митохондриях молекул ДНК прошло четверть века, прежде чем ими заинтересовались не только молекулярные биологи и цитологи, но и генетики, эволюционисты, а также палеонтологи и криминалисты, историки и лингвисты. Такой широкий интерес спровоцировала работа А.Уилсона из Калифорнийского университета. В 1987 г. он опубликовал результаты сравнительного анализа ДНК митохондрий, взятых у 147 представителей разных этносов всех человеческих рас, заселяющих пять континентов. По типу, местоположению и количеству индивидуальных мутаций установили, что все митохондриальные ДНК возникли из одной предковой последовательности нуклеотидов путем дивергенции. В околонаучной прессе вывод этот интерпретировали крайне упрощенно - все человечество произошло от одной женщины, названной митохондриальной Евой (и дочери и сыновья получают митохондрии только от матери), которая жила в Северо-Восточной Африке около 200 тыс. лет назад. Еще через 10 лет удалось расшифровать фрагмент ДНК митохондрий, выделенный из останков неандертальца, и оценить время существования последнего общего предка человека и неандертальца в 500 тыс. лет назад .

Сегодня митохондриальная генетика человека интенсивно развивается как в популяционном, так и в медицинском аспекте. Установлена связь между рядом тяжелых наследственных заболеваний и дефектами в митохондриальных ДНК. Генетические изменения, ассоциированные со старением организма, наиболее выражены в митохондриях. Что же представляет из себя геном митохондрий, отличающийся у человека и других животных от такового у растений, грибов и простейших и по размеру, и по форме, и по генетической емкости? Как работает и как возник митохондриальный геном у разных таксонов? Об этом и пойдет речь в нашей статье.

Митохондрии называют энергетическими станциями клетки. Помимо наружной гладкой мембраны они имеют внутреннюю мембрану, образующую многочисленные складки - кристы. В них встроены белковые компоненты дыхательной цепи - ферменты, участвующие в преобразовании энергии химических связей окисляемых питательных веществ в энергию молекул аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Такой “конвертируемой валютой” клетка оплачивает все свои энергетические потребности. В клетках зеленых растений помимо митохондрий есть еще и другие энергетические станции - хлоропласты. Они работают на “солнечных батареях”, но тоже образуют АТФ из АДФ и фосфата. Как и митохондрии, хлоропласты - автономно размножающиеся органеллы - также имеют две мембраны и содержат ДНК.

В матриксе митохондрий, кроме ДНК, находятся и собственные рибосомы, по многим характеристикам отличающиеся от эвкариотических рибосом, расположенных на мембранах эндоплазматической сети. Однако на рибосомах митохондрий образуется не более 5% от всех белков, входящих в их состав. БOльшая часть белков, составляющих структурные и функциональные компоненты митохондрий, кодируется ядерным геномом, синтезируется на рибосомах эндоплазматической сети и транспортируется по ее каналам к месту сборки. Таким образом, митохондрии - это результат объединенных усилий двух геномов и двух аппаратов транскрипции и трансляции. Некоторые субъединичные ферменты дыхательной цепи митохондрий состоят из разных полипептидов, часть которых кодируется ядерным, а часть - митохондриальным геномом. Например, ключевой фермент окислительного фосфорилирования - цитохром-с-оксидаза у дрожжей состоит из трех субъединиц, кодируемых и синтезируемых в митохондриях, и четырех, кодируемых в ядре клетки и синтезируемых в цитоплазме. Экспрессией большинства генов митохондрий управляют определенные гены ядер.

Размеры и формы митохондриальных геномов

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

Геномы митохондрий разных видов отличаются не только по набору генов, порядку их расположения и экспрессии, но по размеру и форме ДНК. Подавляющее большинство описанных сегодня митохондриальных геномов представляет собой кольцевые суперспирализованные двуцепочечные молекулы ДНК. У некоторых растений наряду с кольцевыми формами имеются и линейные, а у некоторых простейших, например инфузорий, в митохондриях обнаружены только линейные ДНК .

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

Митохондриальный геном растений, как правило, состоит из нескольких молекул разного размера. Одна из них, “основная хромосома”, содержит большую часть генов, а кольцевые формы меньшей длины, находящиеся в динамическом равновесии как между собой, так и с основной хромосомой, образуются в результате внутри- и межмолекулярной рекомбинации благодаря наличию повторенных последовательностей (рис.1).

Рис 1. Схема образования кольцевых молекул ДНК разного размера в митохондриях растений.
Рекомбинация происходит по повторенным участкам (обозначены синим цветом).

Рис 2. Схема образования линейных (А), кольцевых (Б), цепных (В) олигомеров мтДНК.
ori - район начала репликации ДНК.

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

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

Репликация и транскрипция ДНК митохондрий млекопитающих

У большинства животных комплементарные цепи в мтДНК значительно различаются по удельной плотности, поскольку содержат неодинаковое количество “тяжелых” пуриновых и “легких” пиримидиновых нуклеотидов. Так они и называются - H (heavy - тяжелая) и L (light - легкая) цепь. В начале репликации молекулы мтДНК образуется так называемая D-петля (от англ. displacement loop - петля смещения). Эта структура, видимая в электронный микроскоп, состоит из двуцепочечного и одноцепочечного (отодвинутой части Н-цепи) участков. Двуцепочечный участок формируется частью L-цепи и комплементарным ей вновь синтезированным фрагментом ДНК длиной 450-650 (в зависимости от вида организма) нуклеотидов, имеющим на 5"-конце рибонуклеотидную затравку, которая соответствует точке начала синтеза Н-цепи (ori H). Синтез L-цепи начинается лишь тогда, когда дочерняя Н-цепь доходит до точки ori L. Это обусловлено тем, что область инициации репликации L-цепи доступна для ферментов синтеза ДНК лишь в одноцепочечном состоянии, а следовательно, только в расплетенной двойной спирали при синтезе Н-цепи. Таким образом, дочерние цепи мтДНК синтезируются непрерывно и асинхронно (рис.3).

Рис 3. Схема репликации мтДНК млекопитающих.
Сначала формируется D-петля, затем синтезируется дочерняя Н-цепь,
потом начинается синтез дочерней L-цепи.

В митохондриях общее число молекул с D-петлей значительно превышает число полностью реплицирующихся молекул. Обусловлено это тем, что у D-петли есть дополнительные функции - прикрепление мтДНК к внутренней мембране и инициация транскрипции, поскольку в этом районе локализованы промоторы транскрипции обеих цепей ДНК.

В отличие от большинства эвкариотических генов, которые транскрибируются независимо друг от друга, каждая из цепей мтДНК млекопитающих переписывается с образованием одной молекулы РНК, начинающейся в районе ori H. Помимо этих двух длинных молекул РНК, комплементарных Н- и L-цепям, формируются и более короткие участки Н-цепи, которые начинаются в той же точке и заканчиваются на 3"-конце гена 16S рРНК (рис.4). Таких коротких транскриптов в 10 раз больше, чем длинных. В результате созревания (процессинга) из них образуются 12S рРНК и 16S рРНК, участвующие в формировании митохондриальных рибосом, а также фенилаланиновая и валиновая тРНК. Из длинных транскриптов вырезаются остальные тРНК и образуются транслируемые мРНК, к 3"-концам которых присоединяются полиадениловые последовательности. 5"-концы этих мРНК не кэпируются, что необычно для эвкариот. Сплайсинга (сращивания) не происходит, поскольку ни один из митохондриальных генов млекопитающих не содержит интронов.

Рис 4. Транскрипция мтДНК человека, содержащей 37 генов. Все транскрипты начинают синтезироваться в районе ori H. Рибосомные РНК вырезаются из длинного и короткого транскриптов Н-цепи. тРНК и мРНК образуются в результате процессинга из транскриптов обеих цепей ДНК. Гены тРНК обозначены светло-зеленым цветом.

Сюрпризы митохондриального генома

Несмотря на то, что в геномах митохондрий млекопитающих и дрожжей содержится приблизительно одинаковое количество генов, размеры дрожжевого генома в 4-5 раз больше - около 80 тыс. пар нуклеотидов. Хотя кодирующие последовательности мтДНК дрожжей высоко гомологичны соответствующим последовательностям у человека, дрожжевые мРНК дополнительно имеют 5"-лидерную и 3"-некодирующую области, как и большинство ядерных мРНК. Ряд генов содержит еще и интроны. Так, в гене box, кодирующем цитохромоксидазу b, имеется два интрона. Из первичного РНК-транскрипта автокаталитически (без участия каких-либо белков) вырезается копия большей части первого интрона. Оставшаяся РНК служит матрицей для образования фермента матуразы, участвующей в сплайсинге. Часть ее аминокислотной последовательности закодирована в оставшихся копиях интронов. Матураза вырезает их, разрушая свою собственную мРНК, копии экзонов сшиваются, и образуется мРНК для цитохромоксидазы b (рис.5). Открытие такого феномена заставило пересмотреть представление об интронах, как о “ничего не кодирующих последовательностях”.

Рис 5. Процессинг (созревание) мРНК цитохромоксидазы b в митохондриях дрожжей.
На первом этапе сплайсинга образуется мРНК, по которой синтезируется матураза,
необходимая для второго этапа сплайсинга.

При изучении экспрессии митохондриальных генов Trypanosoma brucei обнаружилось удивительное отклонение от одной из основных аксиом молекулярной биологии, гласящей, что последовательность нуклеотидов в мРНК в точности соответствует таковой в кодирующих участках ДНК. Оказалось, мРНК одной из субъединиц цитохром-с-оксидазы редактируется, т.е. после транскрипции изменяется ее первичная структура - вставляется четыре урацила. В результате образуется новая мРНК, служащая матрицей для синтеза дополнительной субъединицы фермента, последовательность аминокислот в которой не имеет ничего общего с последовательностью, кодируемой нередактированной мРНК (см. таблицу).

Впервые обнаруженное в митохондриях трипаносомы редактирование РНК широко распространено в хлоропластах и митохондриях высших растений. Найдено оно и в соматических клетках млекопитающих, например, в кишечном эпителии человека редактируется мРНК гена аполипопротеина.

Наибольший сюрприз ученым митохондрии преподнесли в 1979 г. До того времени считалось, что генетический код универсален и одни и те же триплеты кодируют одинаковые аминокислоты у бактерий, вирусов, грибов, растений и животных. Английский исследователь Беррел сопоставил структуру одного из митохондриальных генов теленка с последовательностью аминокислот в кодируемой этим геном субъединице цитохромоксидазы. Оказалось, что генетический код митохондрий крупного рогатого скота (как и человека) не просто отличается от универсального, он “идеален”, т.е. подчиняется следующему правилу: “если два кодона имеют два одинаковых нуклеотида, а третьи нуклеотиды принадлежат к одному классу (пуриновых - А, Г, или пиримидиновых - У, Ц), то они кодируют одну и ту же аминокислоту”. В универсальном коде есть два исключения из этого правила: триплет АУА кодирует изолейцин, а кодон АУГ - метионин, в то время как в идеальном коде митохондрий оба эти триплета кодируют метионин; триплет УГГ кодирует лишь триптофан, а триплет УГА - стоп-кодон. В универсальном коде оба отклонения касаются принципиальных моментов синтеза белка: кодон АУГ - инициирующий, а стоп-кодон УГА останавливает синтез полипептида. Идеальный код присущ не всем описанным митохондриям, но ни у одной из них нет универсального кода. Можно сказать, что митохондрии говорят на разных языках, но никогда - на языке ядра.

Как уже говорилось, в митохондриальном геноме позвоночных есть 22 гена тРНК. Каким же образом такой неполный набор обслуживает все 60 кодонов для аминокислот (в идеальном коде из 64 триплетов четыре стоп-кодона, в универсальном - три)? Дело в том, что при синтезе белка в митохондриях упрощены кодон-антикодонные взаимодействия - для узнавания используется два из трех нуклеотидов антикодона. Таким образом, одна тРНК узнает все четыре представителя кодонового семейства, отличающиеся только третьим нуклеотидом. Например, лейциновая тРНК с антикодоном ГАУ встает на рибосоме напротив кодонов ЦУУ, ЦУЦ, ЦУА и ЦУГ, обеспечивая безошибочное включение лейцина в полипептидную цепь. Два других лейциновых кодона УУА и УУГ узнаются тРНК с антикодоном ААУ. В целом, восемь разных молекул тРНК узнают восемь семейств по четыре кодона в каждом, и 14 тРНК узнают разные пары кодонов, каждая из которых шифрует одну аминокислоту.

Важно, что ферменты аминоацил-тРНК-синтетазы, ответственные за присоединение аминокислот к соответствующим тРНК митохондрий, кодируются в ядре клетки и синтезируются на рибосомах эндоплазматической сети. Таким образом, у позвоночных животных все белковые компоненты митохондриального синтеза полипептидов зашифрованы в ядре. При этом синтез белков в митохондриях не подавляется циклогексимидом, блокирующим работу эвкариотических рибосом, но чувствителен к антибиотикам эритромицину и хлорамфениколу, ингибирующим белковый синтез в бактериях. Этот факт служит одним из аргументов в пользу происхождения митохондрий из аэробных бактерий при симбиотическом образовании эвкариотических клеток .

Симбиотическая теория происхождения митохондрий

Гипотезу о происхождении митохондрий и растительных пластид из внутриклеточных бактерий-эндосимбионтов высказал Р.Альтман еще в 1890 г. За век бурного развития биохимии, цитологии, генетики и появившейся полвека назад молекулярной биологии гипотеза переросла в теорию, основанную на большом фактическом материале. Суть ее такова: с появлением фотосинтезирующих бактерий в атмосфере Земли накапливался кислород - побочный продукт их метаболизма. С ростом его концентрации усложнялась жизнь анаэробных гетеротрофов, и часть из них для получения энергии перешла от бескислородного брожения к окислительному фосфорилированию. Такие аэробные гетеротрофы могли с бOльшим КПД, чем анаэробные бактерии, расщеплять органические вещества, образующиеся в результате фотосинтеза. Часть свободно живущих аэробов была захвачена анаэробами, но не “переварена”, а сохранена в качестве энергетических станций, митохондрий. Не стоит рассматривать митохондрии как рабов, взятых в плен, чтобы снабжать молекулами АТФ не способные к дыханию клетки. Они скорее “существа”, еще в протерозое нашедшие для себя и своего потомства лучшее из убежищ, где можно затрачивать наименьшие усилия, не подвергаясь риску быть съеденными.

В пользу симбиотической теории говорят многочисленные факты:

- совпадают размеры и формы митохондрий и свободно живущих аэробных бактерий; те и другие содержат кольцевые молекулы ДНК, не связанные с гистонами (в отличие от линейных ядерных ДНК);

По нуклеотидным последовательностям рибосомные и транспортные РНК митохондрий отличаются от ядерных, демонстрируя при этом удивительное сходство с аналогичными молекулами некоторых аэробных грамотрицательных эубактерий;

Митохондриальные РНК-полимеразы, хотя и кодируются в ядре клетки, ингибируются рифампицином, как и бактериальные, а эвкариотические РНК-полимеразы нечувствительны к этому антибиотику;

Белковый синтез в митохондриях и бактериях подавляется одними и теми же антибиотиками, не влияющими на рибосомы эвкариот;

Липидный состав внутренней мембраны митохондрий и бактериальной плазмалеммы сходен, но сильно отличается от такового наружной мембраны митохондрий, гомологичной другим мембранам эвкариотических клеток;

Кристы, образуемые внутренней митохондриальной мембраной, являются эволюционными аналогами мезосомных мембран многих прокариот;

До сих пор сохранились организмы, имитирующие промежуточные формы на пути к образованию митохондрий из бактерий (примитивная амеба Pelomyxa не имеет митохондрий, но всегда содержит эндосимбиотические бактерии).

Существует представление, что разные царства эвкариот имели разных предков и эндосимбиоз бактерий возникал на разных этапах эволюции живых организмов. Об этом же говорят отличия в строении митохондриальных геномов простейших, грибов, растений и высших животных. Но во всех случаях основная часть генов из промитохондрий попала в ядро, возможно, с помощью мобильных генетических элементов. При включении части генома одного из симбионтов в геном другого интеграция симбионтов становится необратимой.

Новый геном может создавать метаболические пути, приводящие к образованию полезных продуктов, которые не могут быть синтезированы ни одним из партнеров по отдельности. Так, синтез стероидных гормонов клетками коры надпочечников представляет собой сложную цепь реакций, часть которых происходит в митохондриях, а часть - в эндоплазматической сети . Захватив гены промитохондрий, ядро получило возможность надежно контролировать функции симбионта. В ядре кодируются все белки и синтез липидов наружной мембраны митохондрий, большинство белков матрикса и внутренней мембраны органелл. Самое главное, что ядро кодирует ферменты репликации, транскрипции и трансляции мтДНК, контролируя тем самым рост и размножение митохондрий. Скорость роста партнеров по симбиозу должна быть приблизительно одинаковой. Если хозяин будет расти быстрее, то с каждым его поколением число симбионтов, приходящихся на одну особь, будет уменьшаться, и, в конце концов, появятся потомки, не имеющие митохондрий. Мы знаем, что в каждой клетке организма, размножающегося половым путем, содержится много митохондрий, реплицирующих свои ДНК в промежутке между делениями хозяина. Это служит гарантией того, что каждая из дочерних клеток получит по крайней мере одну копию генома митохондрии.

Цитоплазматическая наследственность

Помимо кодирования ключевых компонентов дыхательной цепи и собственного белоксинтезирующего аппарата, митохондриальный геном в отдельных случаях участвует в формировании некоторых морфологических и физиологических признаков. К таким признакам относятся характерные для ряда видов высших растений синдром NCS (non-chromosomal stripe, нехромосомно кодируемая пятнистость листьев) и цитоплазматическая мужская стерильность (ЦМС), приводящая к нарушению нормального развития пыльцы. Проявление обоих признаков обусловлено изменениями в структуре мтДНК. При ЦМС наблюдаются перестройки геномов митохондрий в результате рекомбинационных событий, ведущих к делециям, дупликациям, инверсиям или инсерциям определенных нуклеотидных последовательностей или целых генов. Такие изменения могут вызывать не только повреждения имеющихся генов, но и появление новых работающих генов.

Цитоплазматическая наследственность, в отличие от ядерной, не подчиняется законам Менделя. Это связано с тем, что у высших животных и растений гаметы от разных полов содержат несопоставимые количества митохондрий. Так, в яйцеклетке мыши имеется 90 тыс. митохондрий, а в сперматозоиде - лишь четыре. Очевидно, что в оплодотворенной яйцеклетке митохондрии преимущественно или только от женской особи, т.е. наследование всех митохондриальных генов материнское. Генетический анализ цитоплазматической наследственности затруднен из-за ядерно-цитоплазматических взаимодействий. В случае цитоплазматической мужской стерильности мутантный митохондриальный геном взаимодействует с определенными генами ядра, рецессивные аллели которых необходимы для развития признака. Доминантные аллели этих генов как в гомо-, так и в гетерозиготном состоянии восстанавливают фертильность растений вне зависимости от состояния митохондриального генома.

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

С определенными мутациями в митохондриальной ДНК или в ядерных генах, контролирующих работу митохондрий, связывают некоторые наследственные болезни и старение человека . Накапливаются данные об участии дефектов мтДНК в канцерогенезе. Следовательно, митохондрии могут быть мишенью химиотерапии рака. Имеются факты о тесном взаимодействии ядерного и митохондриального геномов в развитии ряда патологий человека. Множественные делеции мтДНК обнаружены у больных с тяжелой мышечной слабостью, атаксией, глухотой, умственной отсталостью, наследующихся по аутосомно-доминантному типу. Установлен половой диморфизм в клинических проявлениях ишемической болезни сердца, что скорее всего обусловлено материнским эффектом - цитоплазматической наследственностью. Развитие генной терапии внушает надежду на исправление дефектов в геномах митохондрий в обозримом будущем.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований. Проект 01-04-48971.
Автор признателен аспиранту М.К.Иванову, создавшему рисунки к статье.

Литература

1. Янковский Н.К., Боринская С.А. Наша история, записанная в ДНК // Природа. 2001. №6. С.10-18.

2. Минченко А.Г., Дударева Н.А. Митохондриальный геном. Новосибирск, 1990.

3. Гвоздев В.А. // Сорос. образоват. журн. 1999. №10. С.11-17.

4. Маргелис Л. Роль симбиоза в эволюции клетки. М., 1983.

5. Скулачев В.П. // Сорос. образоват. журн. 1998. №8. С.2-7.

6. Игамбердиев А.У. // Сорос. образоват. журн. 2000. №1. С.32-36.

Размер: px

Начинать показ со страницы:

Транскрипт

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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