Митохондриальная генетика человека. Митохондриальная наследственность Содержит кольцевые молекулы днк митохондрия

Основная статья: Митохондриальная ДНК

Находящаяся в матриксе митохондриальная ДНК представляет собой замкнутую кольцевую двуспиральную молекулу, в клетках человека имеющую размер 16569 нуклеотидных пар, что приблизительно в 10 5 раз меньше ДНК, локализованной в ядре. В целом митохондриальная ДНК кодирует 2 рРНК, 22 тРНК и 13 субъединиц ферментов дыхательной цепи, что составляет не более половины обнаруживаемых в ней белков. В частности, под контролем митохондриального генома кодируются семь субъединиц АТФ-синтетазы, три субъединицы цитохромоксидазы и одна субъединица убихинол-цитохром-с -редуктазы. При этом все белки, кроме одного, две рибосомные и шесть транспортных РНК транскрибируются с более тяжёлой (наружной) цепи ДНК, а 14 других тРНК и один белок транскрибируются с более лёгкой (внутренней) цепи.

На этом фоне геном митохондрий растений значительно больше и может достигать 370000 нуклеотидных пар, что примерно в 20 раз больше описанного выше генома митохондрий человека. Количество генов здесь также примерно в 7 раз больше, что сопровождается появлением в митохондриях растений дополнительных путей электронного транспорта, не сопряжённых с синтезом АТФ.

Митохондриальная ДНК реплицируется в интерфазе, что частично синхронизировано с репликацией ДНК в ядре. Во время же клеточного цикла митохондрии делятся надвое путём перетяжки, образование которой начинается с кольцевой бороздки на внутренней митохондриальной мембране. Детальное изучение нуклеотидной последовательности митохондриального генома позволило установить то, что в митохондриях животных и грибов нередки отклонения от универсального генетического кода. Так, в митохондриях человека кодон ТАТ вместо изолейцина в стандартном коде кодирует аминокислоту метионин, кодоны ТСТ и ТСС, обычно кодирующие аргинин, являются стоп-кодонами, а кодон АСТ, в стандартном коде являющийся стоп-кодоном, кодирует аминокислоту метионин. Что касается митохондрий растений, то, по-видимому, они используют универсальный генетический код. Другой чертой митохондрий является особенность узнавания кодонов тРНК, заключающаяся в том, что одна подобная молекула способна узнавать не один, но сразу три или четырекодона. Указанная особенность снижает значимость третьего нуклеотида в кодоне и приводит к тому, что митохондрии требуется меньшее разнообразие типов тРНК. При этом достаточным количеством оказываются всего 22 различных тРНК.

Имея собственный генетический аппарат, митохондрия обладает и собственной белоксинтезирующей системой, особенностью которой в клетках животных и грибов являются очень маленькие рибосомы, характеризуемые коэффициентом седиментации 55S, что даже ниже аналогичного показателя у 70S-рибосом прокариотического типа. При этом две большие рибосомные РНК также имеют меньшие размеры, чем у прокариот, а малая рРНК вообще отсутствует. В митохондриях растений, напротив, рибосомы более сходны с прокариотическими по размерам и строению.

Митохондриальные белки[править | править исходный текст]

Количество транслируемых с митохондриальной мРНК белков, формирующих субъединицы крупных ферментных комплексов, ограничено. Значительная часть белков кодируется в ядре и синтезируется на цитоплазматических 80S-рибосомах. В частности, так образуются некоторые белки - переносчики электронов, митохондриальные транслоказы, компоненты транспорта белков в митохондрии, а также факторы, необходимые для транскрипции, трансляции и репликации митохондриальной ДНК. При этом подобные белки на своём N-конце имеют особые сигнальные пептиды, размер которых варьирует от 12 до 80 аминокислотных остатков. Данные участки формируют амфифильные завитки, обеспечивают специфический контакт белков со связывающими доменами митохондриальных распознающих рецепторов, локализованных на наружной мембране. До наружной мембраны митохондрии данные белки транспортируются в частично развёрнутом состоянии в ассоциации с белками-шаперонами (в частности - с hsp70). После переноса через наружную и внутреннюю мембраны в местах их контактов поступающие в митохондрию белки вновь связываются с шаперонами, но уже собственного митохондриального происхождения, которые подхватывают пересекающий мембраны белок, способствуют его втягиванию в митохондрию, а также контролируют процесс правильного сворачивания полипептидной цепи. Большинство шаперонов обладает АТФазной активностью, в результате чего как транспорт белков в митохондрию, так и образование их функционально активных форм являются энергозависимыми процессами.

Значітельная часть читателей моих блогов, безусловно, в той или иной мере имеет представление о сущности и характере наследвания митохондриальной ДНК. Благодаря доступности коммерческого тестрования, у многих из моих (по)читателей определены митохондриальные гаплотипы в отдельных регионах митохондриона (CR,HVS1, HVS2), а некоторые даже имеют полный митохондриальный сиквенс (все 16571 позиции). Таким образом, многим удалось пролить свет на свою «глубокую генеалогию», восходящую к общей точке коалисценции всех ныне существующих женских генетических линий. Романтические попгенетики нарекли эту точку «митохондриальной Евой», хотя эта точка все лишь является математической абстракцией и в силу этого любое именарекание носит сугубо конвенциональный характер.

Небольшой экскурс для новичков.
Митохондриальное ДНК (далее мтДНК) передается от матери к ребенку. Поскольку только женщины могут передавать мтДНК своим потомкам, тестирование мтДНК дает информацию о матери, ее матери и так далее по прямой материнской линии. мтДНК от матери получают как мужчины, так и женщины, по этой причине в проведении тестирования мтДНК могут принимать участие и мужчины, и женщины. Хотя в мтДНК и происходят мутации, их частота относительно низка. В течении тысячелетий данные мутации накапливались, и по этой причине женская линия в одной семье генетически отличается от другой. После того, как человечество расселилось по планете, мутации продолжили случайное появление в разделенных растоянием популяциях некогда единого человеческого рода. По этой причине мтДНК можно использовать для определения географического происхождения данной семейной группы. Результаты тестирования мтДНК сравниваются с так называемой «Станадртной кембриджской последовательностью» (CRS) — первой установленной в 1981 году в Кембридже последовательностью мтДНК (* прим — сейчас идет пересмотр вопроса о использовании CRS в качестве референсного митосиквенса). В итоге ученые устанавливают гаплотип исследуемого человека. Гаплотип – это ваша индивидуальная генетическая характеристика. При рассмотрении мтДНК – это ваш набор отклонений от «кембриджской стандартной последовательности». После сравнения вашей последовательности с последовательностями из базы данных, устанавливается ваша гаплогруппа. Гаплогруппа — это генетическая характеристика определенной общности людей, которые имели одну общую «пра»бабушку, более недавнюю, чем «митохондриальная Ева». Их древние предки часто передвигались в одной группе в ходе миграций. Гаплогруппа показывает, к какой генеалогической ветви человечества вы относитесь. Их обозначают буквами алфавита, от А до Z, плюс многочисленные подгруппы. Например, европейские гаплогруппы – H, J, K, T, U, V, X. Ближневосточные – N и M. Азиатские – A, B, C, D, F, G, M, Y, Z. Африканские – L1, L2, L3 и M1. Полинезийская – B. Американские индейцы – А, B, C, D, и редко Х. В последнее время к европейским гаплогруппам добавили N1, U4, U5 и W.

Остановимся на европейских митогаплогруппах – H, J, K, T, U, V, X, N1, U4, U5 и W . Большинство из них в свою учередь распадается на дочерние субклады (дочерние ветви, например дочерний субклад гаплогруппы U5 — субклад U5b1 («Урсула»), чей пик распространения приходится на Прибалтику и Финляндию. Стоит отметить, что матриархи женских линий часто просто именуются женскими именами. Основу этой традиции заложил автор книги «Семь дочерей Евы» Брайан Сайкс, который придумал для предполагаемых прародительниц большей части населения Европы имена - Урсула (гаплогруппа U), Ксения (X), Елена (H), Велда (V), Тара (T), Катрин (K) и Жасмин (J). Можно проследить и нанести на карту магистральные дороги, по которым они и остальные наши прапрабабки кочевали во времени и пространстве, и рассчитать предполагаемое время для каждой развилки - появления новой мутации, от первых «дочерей Евы» до самых недавних - гаплогрупп I и V, которым «всего» около 15 000 лет.

Часто задаю вопрос, чем отличается ядерное ДНК от мтДНК? Согласно современным научным представлениям, миллиарды лет назад митохондрии были независимыми бактериями, которые поселились в клетках примитивных эукариотических (имеющих клеточное ядро с линейными хромосомами) организмов и «взяли на себя » функцию производства тепла и энергии в клетек хозяина. За время совместной жизни часть своих генов они растеряли за ненадобностью при жизни на всем готовом, часть - передали в ядерные хромосомы, и сейчас двойное кольцо мтДНК человека состоит всего из 16 569 пар нуклеотидных оснований. Большую часть митохондриального генома занимают 37 генов. Из-за высокой концентрации свободных радикалов кислорода (побочных продуктов окисления глюкозы) и слабости механизма восстановления ошибок при копировании ДНК мутации в мтДНК происходят на порядок чаще, чем в ядерных хромосомах. Замена, выпадение или добавка одного нуклеотида здесь происходят примерно один раз в 100 поколений - около 2500 лет. Мутации в митохондриальных генах - нарушения в работе клеточных энергостанций - очень часто бывают причиной наследственных болезней. Единственная функция митохондрий - окисление глюкозы до углекислого газа и воды и синтез за счет выделяющейся при этом энергии клеточного топлива - АТФ и универсального восстанавливающего агента (переносчика протонов) НАДН. (НАДН - это никотинамидадениндинуклеотид - попробуйте произнести без запинки.) Даже для этой простой задачи нужны десятки ферментов, но большинство генов белков, необходимых для работы и текущего ремонта митохондрий, давно перешли в хромосомы клеток «хозяев». В мтДНК остались только гены транспортных РНК, поставляющих аминокислоты к синтезирующим белки рибосомам (обозначены однобуквенными латинскими символами соответствующих аминокислот), два гена рибосомальных РНК - 12s RNA и 16s RNA (гены белков митохондриальных рибосом находятся в ядре клетки) и некоторые (не все) гены белков основных митохондриальных ферментов - НАДH-дегидрогеназного комплекса (ND1-ND6, ND4L), цитохром-c-оксидазы (COI-III), цитохрома b (CYTb) и двух белковых субъединиц фермента АТФ-синтетазы (ATPase8 и 6) . Для нужд молекулярной или ДНК-генеалогии используется некодирующий участок - D-петля, состоящая из двух гипервариабельных регионов, низкого и высокого разрешения - HVR1 (ГВС1) и HVR2 (ГВС2).

Cтоит сказать пару слов о важности изучения мтДНК с точки зрения медицинской генетики.
Разумеется, уже и раньше производились исследования на предмет ассоции определенных заболеваний с отдельными женскими генетичиескими линиями. Например, в одном из исследований было высказано предположение, что разложение оксидативной фосфорилации митохлорионов, связанное с SNP, определяющим гаплогруппу J(asmine) , становится причиной повышенной температуры тела в фенотипе носителей данной гаплогруппы. Это связывают с повышенным присутствием данной гаплогруппы на севере Европы, в частности, в Норвегии. Кроме того, у лиц с митохондриальной гаплогруппой J, согласно другому исследованию, быстрее развивается СПИД и они быстрее умирают по сравнению с другими ВИЧ-инфицированными. В ісследованіях указывалось, что филогенетически значимые мутации митохондриона влекли за собой характер экспресии генов в фенотипе.

Далее, сестринская по отношению к J митохондриальная гаплогруппа T связана со сниженной подвижностью сперматозоидов у мужчин. Согласно публикации кафедры биохимии и молекулярно-клеточной биологии Университета Сарагосы, гаплогруппа T представляет собой слабую генетическую предрасположенность к астенозооспермии. Согласно некоторым исследованиям, наличие гаплогруппы T связано с повышенным риском коронарно-артериального заболевания. Согласно другому исследованию, носители T менее склонны к диабету. Несколько пилотных медицинских исследований показали, что наличие гаплогруппы T связано с пониженным риском болезней паркинсона и Альцгеймера.

Впрочем, уже следущий пример показывает, что результаты анализа связи женских генетических линий и заболеваний зачастую противоречат друг другу. Например, носители древнейшей европейской митогаплогруппы UK мало восприимчивы к синдрому приобретённого иммунного дефицита. И в тоже самое время одна подгруппа U5a считается особо восприимчивой к синдрому приобретённого иммунного дефицита.

Более ранние исследования показали наличие положительной корреляции между принадлежностью к гаплогруппе U и риском развития рака простаты и рака прямой кишки. Происходящая от UK через cубклад U8 гаплогруппа К (Катрин), также как и ее родительские линии характеризуется повышенным риском инсульта и хроніиеской прогрессирующей офтальмоплегией.

Мужчины, принадлежащие к доминрующей в Европе женской линии H(Helen — Хелена, ветвь сводной группы H характеризуются самым низким риском астенозооспермии (это заболевание, при котором уменьшается мотильность сперматозоидов). Также эта гаплогруппа характеризуется высокой сопротивляемостью организма и сопративляемостью прогрессии СПИДА. Вместе с тем, для H характерен высокий риск заболевания болезнью Альцгеймера.Для сравнения — риск развития болезни Паркинсона у носителей женской генетической линии H (Helen) намного выше аналогичного риска у представителей линии (JT). Кромэ того, представители линн H имеют самую высокую сопративляемость к сепсису.

Представители митохондриальных линий I, J1c, J2, K1a, U4, U5a1 and T имеют пониженный (в сравнении с среднестатистическим) риск развития болезни Паркинсона.Женщины генетических линий I (Ирен), J (Жасмін) і T (Тара) произвели на свет больше всего долгожителей, поэтому попгенетики в шутку называют эти митогаплогруппы гаплогруппами долгожителей. Но не все так хорошо. Некоторые представители субклад гаплогруппы J и T (особенно J2) страдают от редкого генетически обусловленного заболевания (Leber hereditary optic neuropathy), связанного с экспрессией гена, ответственного за наследуемую по материнской линии слепоту.

Принадлежность к митогаплогруппе N является факором развития рака груди. Впрочем, тоже самое касается и других европейских митогаплогрупп (H, T, U, V, W, X), за исключением K. Наконец, носители женской митохондриальной линии X («Ксения»), имеют в митохондрионе мутацию, повышающую риск развития диабета второго типа, кардиомиопатии и эндометриального рака. Представители сводной макромитогаплогруппы IWX имеют самую высокую сопротивляемость развитию СПИДА.

Важную роль играют митохондрии и в возникщей сравнительно недавно спортивной генетике.

Часто, читая описание спортивных препаратов и фуд-сапплементов, я наталкивался на упоминание о том, что тот или иной активный элемент препарата ускоряет метаболизм или транспортировку определенных соединений в митохондрию. В первую очередь это касается L-карнитина, креатина и BCAA. Поскольку митохондрия выполняет в клетке роль генератора энергии, то поэтому эти наблюдения представляются мне логичными и правдоподобными.

Поэтому остановимся на рассмотрении этого вопроса несколько подробнее.

По мнению некоторых ученых, к раннему старению организма приводит дефицит энергии. Чем меньше в клетках энергии, тем меньше усилий будет направлено на восстановление и удаление токсинов. Как говорится, «не до жиру, быть бы живу». Но выход есть всегда: здоровое питание плюс маленькие биохимические тонкости смогут запустить вновь клеточные электростанции. И первое о чем советуют вспомнить – это карнитин.

Начиная со зрелого возраста митохондрии, клеточные электростанции, начинают замедлять свой пыл, что приводит к снижению энергопродукции. Клетка переходит к жесткой экономии, при которой о режиме «форсажа» не стоит и мечтать. Недостаток энергии приводит к дисфункции других клеточных органелл и вновь отражается на митохондриях. Порочный круг. Это и есть старение, точнее, его внутреннее проявление.

«Вы настолько молоды, насколько молоды ваши митохондрии», — любит заявлять диетолог Роберт Крайхон. Посвятив много лет изучению биохимии клеток, он нашел один из способов влиять на продукцию энергии митохондриями, то есть на старение. Этот способ — карнитин и его активная форма L-карнитин.

Карнитин — не аминокислота, так как он не содержит аминогруппу (NH2). Он больше напоминает кофермент или, если угодно, водорастворимое витаминоподобное соединение. Почему же карнитин привлекает внимание диетологов?

Как известно, жирные кислоты являются основным топливом для мышц, особенно миокарда. Около 70% энергии образуется в мышцах от сжигания жиров. Карнитин осуществляет транспорт длинноцепочечных жирных кислот через мембрану митохондрий. Небольшое количество карнитина (около 25%) синтезируется организмом из аминокислоты лизина. Остальные 75% мы должны получить с пищей.

Но сегодня мы получаем слишком мало карнитина. Говорят, что наши предки ежедневно потребляли минимум 500 мг карнитина. Среднестатистический человек в современном обществе получает с пищей только 30-50 мг в сутки…

Недостаток карнитина приводит к снижению производства энергии и к дегенерации. Меньше энергии — беднее физиологические резервы. Классическая картина — пожилые люди, организм которых испытывает «энергетический кризис». Если бы энергии было достаточно организму, он мог бы успешно осуществлять строительство и обновление клеточных мембран, поддерживать целостность клеточных структур, защиту генетической информации. Наша иммунная система также зависит от адекватного производства энергии.

Роберт Крайхон считает, что нам нужно больше карнитина по мере того, как организм начинает увядать. Это шаг в сторону омоложения и наполнения клеток энергией, чтобы они могли лучше функционировать, а также защитить себя от свободных радикалов и патогенных микроорганизмов. [ Кстати, полтора года тому назад я проводил пилотное обследование у физиолога на предмет определения биологического возраста. По таблице физиолога, результаты замеров наиболее точно соотвествовали биологическому возрасту 28 лет. Если г-н Роберт Крайхон прав, то мои митохондрии на 7 лет моложе моего паспортного возраста)). А вот многие мои сверстники уже живут в долг у природы (опять-таки, за счет своих митохондрий)].

Мясо, рыба, молоко, яйца, сыр и другие продукты животного происхождения в целом содержат достаточно карнитина. Баранина и ягнятина — особенно мощные источники. Из растительных источников наиболее предпочтительны авокадо и темпе.

Конечно, раньше животные паслись на пастбищах и употребляли траву. Это было здорово, так как в таком случае животные продукты содержали большое количество карнитина и полезные омега-3 жирные кислоты, которые взаимодополняли действие друг друга. Это позволяло организму наших предков эффективно сжигать жир и иметь сильное тело. Теперь же скот кормят зерном, и в нем преобладают омега-6 жирные кислоты, обладающие провоспалительным действием, а уровень карнитина снизился. Вот почему теперь, ежедневное употребление красного мяса больше не является здоровой альтернативой. Но на этом остановимся.

Есть еще один момент, о котором стоит оговориться. Было бы наивно утверждать, что карнитин может раз и навсегда избавить человека от старения. Нет, это было бы слишком легко для человечества, хотя многие, возможно, хотели бы в это поверить.

Карнитин, как и другие полезные вещества, активирующие обмен веществ, является лишь одним из многочисленных помощников. Однако он не в состоянии коренным образом остановить ход клеточных часов, хотя, вероятно, в силах замедлить его.

Было обнаружено, что работа ишемизированного миокарда останавливается при исчерпании клеточных ресурсов креатинфосфорной кислоты, хотя в клетках остается неиспользованным ок. 90% аденозинтрифосфата. Это продемонстрировало, что аденозинтрифосфат неравномерно располагается в клетке. Используемым является не весь аденозинтрифосфат, находящийся в клетке мышцы, а только его определенная часть, сосредоточенная в миофибриллах. Результаты дальнейших опытов продемонстрировали, что связь между клеточными хранилищами аденозинтрифосфата осуществляется креатинфосфорной кислотой и изоэнзимами креатинкиназы. В обычных условиях молекула аденозинтрифосфата, синтезированная в митохондрии, передает энергию креатину, который под влиянием изоэнзима креатинкиназы превращается в креатинфосфорную кислоту. Креатинфосфорная кислота перемещается к локализациям креатинкиназных реакций, где другие изоэнзимы креатинкиназы обеспечивают регенерацию аденозинтрифосфата из креатинфосфорной кислоты и аденозиндифосфата. Высвобождающийся при этом креатин перемещается в митохондрию, а аденозинтрифосфат используется для получения энергии, в т.ч. для напряжения мышц. Интенсивность циркуляции энергии в клетке по креатинфосфорному пути намного больше скорости проникновения аденозинтрифосфата в цитоплазме. Это и является причиной падения концентрации креатинфосфорной кислоты в клетке, и обуславливает депрессию мышечного напряжения даже при незатронутости основного клеточного запаса аденозинтрифосфата.

К сожалению, люди, занимающиеся спортивной генетикой, очень мало внимания уделяют митохондриям. Мне еще не встречались исследования результатов бодибилдеров, разбитых на контрольные группы по признаку принадлежности к митохондриальным группам (при условии, что остальные «показатели» у них одинаковы). Например, дизайн эксперимента мог бы выглядеть следущим образом — выбираем культуристов одинакового возраста, веса, роста, мышечной комплекции и стажа. Предлагаем им выполнить сет одинаковых силовых упражнений (например, максимальное количество подходов жима лежа с весом 95-100 кг.) Сравниваем результаты и анализируем их исходя из априорных сведений о митогруппах спортсменов. После чего даем спортсменам комбо-питание из креатина, левокарнитина, глютомина и аминокислот. По прошествию некоторого времени, повторяем испытание и сравниваем результаты и делаем выводы о наличии/отсутствии корреляции с типом мтДНК.

Думаю, что и мои любительские исследования митохондрий могут в конечном итоге могут просветить человечество. Правда, меня в митохондриях интересуют не только и не столько генеалогия и медицинские вопросы, сколько вопросы психогенетики, в частности аспекты взаимодействия между людьми разных митогаплогруп. Я взял на себя смелость назвать эту область исследований психосоционикой. Пользуясь редкой возможностью наблюдать (в течении 4 лет) взаимодействие людей разных митогаплогрупп как минимум на 5 англоязычных формумах и 2 русскоязычных форумах, я заметил интересную тенденцию. К сожалению, у меня не было времени на то, чтобы четко артикулировать эту закономерность в дискурсивных терминах научного языка попгенетики, все пока на уровне предварительных замечаний. Но возможно, если удастся сформулировать мое наблюдение, то оно войдет в историю популяционной генетки как закон Веренича-Запорожченко.

Мои наблюдения основаны на изучении интеракции между тремя основными европейскими сводными митогаплогруппами (JT, HV, UK). К сожалению европейские митогаплогруппы I,W,X (а также экзотические и минорные митогруппы) в силу нерепрезентативности выборки не попали в поле моего исследования. Если вкратце, то эти наблюдения сводятся к следущим пунктам:

1) наиболее плотное и продуктивное взаимодействие наблюдается между представителями одной сводной гаплогруппы (например, между представителями разных субклад J и T). Возможно этот факт можно объяснить эволюционным механизмом, определающий на генетическом уровне (напомню, митоДНК наследуется строго по материнской линии) привязанность ребенка к матери в раннем возрасте.Кларк-Стюарт к своем исследовании трехсторонних отношений во многих семьях обнаружила, что влияние матери на ребенка носит непосредственный характер, тогда как отец влияет на малыша часто опосредованно – через мать (Clarke-Stewart К.А., 1978). Это влияние впоследстие интерполируется на взаимодействие с представителями близких митогаплогрупп (психогенетические основания этого влияния пока еще научно не выявлены).Поэтому и не удивительно, что в среде своих одногаплогруппников люди находят наиболее надежных единомышленников

2) представители JT и HV являются антиподами по отношению друг к другу — именно между ними наблюдается наиболее антагоничное взаимодействие, часто ведущие к конфликтам. Причины антагонизма предстоит изучить

3) представители митогруппы UK, как правило, характеризуются нейтральным отношением как к JT, так и к HV. Отношения с обоими группами носят сугубо деловой, нейтрально-дружественный характер

Поскольку меня интересовали причины столь явного разделения, то я обратился за консультацией к Валерию Запорожченко, крупнейшему специалисту мирового уровня по мтДНК (он является автором одной из наиболее эфективных филогенетических программ MURKA, имеет самую большую в мире частную коллекцию митогаплотипов и полных геномных сиквенсов, и является соавтором нескольких крупных публикаций по митоДНК). Валерий дал несколько необычный, но если вдуматься, логичный ответ. Суть его ответа состояла в том, что антагонизм между JT и HV можно объяснить «генетической памятью». Дело в том, что гаплогруппа HV проникла в Европу где-то на рубеже мезолита и неолита северным путем. Параллельно с этой гаплогруппой в Европу проник женский род JT, однак маршрут миграции пролегал несколько южнее. Скорее всего, между обеими группами (JT и HV) существовала определенная конкуренция, поскольку и JT, и HV занимали одну нишу (неолитические земледельцы). К стати, этой же исторической интроспекцией объясняется и нейтральность митогруппы UK по отношению к HV и JT. Как общепринято сейчас считать, UK (будучи древнейшей митогруппой Европы) на заре неолитической революции и появления вышеупомянутых неолитичес ких групп, была представлена главным образом среди европейских мезолитических охотников-собирателей. Поскольку они занимали совсем другую нишу, то представителям UK просто нечего было делить с HV и JT.

Самым хорошим примером митоконфликта является длящийся уже 5 лет конфликт между двумя блестящими умами любительской генетики и антропологии — Диенеком Понтикосом (чьей митогруппой является T2) и Давидом «Полако» Веселовским (чья митогруппа определена как H7). Чем не подтверждение конфликтного потенциала взаимодействия митогрупп JT и HV. Это как известный эксперимент с 1 г железного порошка или пудры и 2 г сухого нитрата калия, предварительно растертого в ступке. Стоит их поместить рядом, как начинается бурная реакция с выделением искр, буроватым дымом и сильным разогревом. При этом внешний вид смеси напоминает раскаленную лаву. При взаимодействии нитрата калия с железом образуется феррат калия и газообразный монооксид азота, который, окисляясь на воздухе, дает бурый газ — диоксид азота. Если твердый остаток после окончания реакции поместить в стакан с холодной кипяченой водой, получится красно-фиолетовый раствор феррата калия, который разлагается за несколько минут.))

Каковы практические следствия сих наблюдений? В настоящее время бурно развивается одна из отраслей так называемой конфликтологии, связанной с оценкой совместимости отдельных индивидов в группе. Естественно, наиболее практическое выражение эта отрасль получает в решении практических задач (например, кастинг или отбор персонала). Разумеется, набираемый персонал оценивается главным образом по своим профессиональным знаниям, навыкам,умениям и опыту работу. Но немаловажным фактором является оценка совместимости рекрутов с уже сложившимся коллективом и руководством. Априорная оценка этого фактора затруднительна, и сейчас эта оценка производится главным образом с помощью психологических тестов, на разработку и тестирование которых крупные корпорации и учереждения (например, NASA при отборе команды астронавтов) тратят большие средства. Однако сейчас, на пороге развития психогенетики, эти тесты можно заменить анализом генетически детерминированной совместимости.

Например, предположим, что у нас имеется некая группа рекрутированных специалистов, которые отвечают формальным требованиям приема на работу и имеют соответсвующую компетенцию. Имеется коллектив, в котором скажем присутствуют все три макрогруппы JT, HV и UK. Если бы я был руководителем, то принятые на работу новички направлялись бы к тем или иным группам лиц, исходя из поставленных задач:

1) Если выполнение некоей задачи требует наличие тесной группы единомышленников — то наилучшим вариантом является создание группы лиц, принадлежащих к одной макрогаплогруппе
2) Если группа работает в направлении поиска новых решений и использует в работе методы типа «мозговой штурм» — необходимо поместить оных новобранцев в среду антагонистов (JT к HV, и наоборот)

3) Если принципы работы группы зиждятся сугубо на деловых/формальных отношениях — то руководству следует озаботится тем, чтобы в группе наличиствовало достаточное количество представителей UK, которые будут выступать в качестве буфера между конфликтными JT и HV.

При желании те же самые принципы можно положить в основу «научно-мотивированного» подбора партнера в браке. По-крайней мере, оценка совместимости партнера (вернее, оценка характера совместимости) будет намного более правдоподобней, чем оценка совместимости в современных dating-service, которая основана на примитивных психологических тестах и астрологии.Кстати, единственный коммерческий DNA dating service жестко эксплатирует гаплотипы комплекса гистосовместимоcти. Логика состоит в том, что как было показано в работах ученных, люди обычно выбирают партнеров с максимально противоположенным HLA-гаплотипом.

Different genetic components in the Norwegian population revealed by the analysis of mtDNA & Y chromosome polymorphisms Mitochondrial DNA haplogroups influence AIDS progression.

Mitochondrion: 30 Mitochondrial haplogroup T is associated with coronary artery disease Mitochondrial DNA haplotype ‘T’ carriers are less prone to diabetes « Mathilda’s Anthropology Blog

«Elsewhere it has been reported that membership in haplogroup T may offer some protection against Alexander Belovzheimer Disease (Chagnon et al. 1999; Herrnstadt et al. 2002) and also Parkinson’s Disease (Pyle et al. 2005), but the cautionary words of Pereira et al. suggest that further studies may be necessary before reaching firm conclusions.»

Mitochondrial DNA haplogroups influence AIDS progression.

Natural selection shaped regional mtDNA variation in humans
Ruiz-Pesini E, Lapeña AC, Díez-Sánchez C, et al. (September 2000). «Human mtDNA haplogroups associated with high or reduced spermatozoa motility». Am. J. Hum. Genet. 67 (3): 682–96. DOI:10.1086/303040. PMID 10936107.
Mitochondrion: 30 Mitochondrial haplogroup T is associated with coronary artery disease
Mitochondrial DNA haplotype ‘T’ carriers are less prone to diabetes « Mathilda’s Anthropology Blog
«Elsewhere it has been reported that membership in haplogroup T may offer some protection against

Примерами митохондриальной наследственности является устойчивость к антибиотикам у дрожжевых клеток и мужская половая стерильность (отсутствие мужских гамет) у ряда растений, например, у кукурузы.

У человека (предположительно) – такие пороки развития, как сращение нижних конечностей и расщепление позвоночника.

Центриолярная наследственность

Примеры признаков, передающихся через центриоли, пока не установлены.

В цитоплазме бактерий автономно расположены небольшие кольцевые молекулы ДНК – плазмиды. Выделено три вида плазмид.

Плазмиды, содержащие F-фактор (фактор фертильности): F+ (мужской пол), F- (женский пол). При конъюгации фактор может переходить от одной бактерии к другой, т.е. меняется пол.

Плазмиды, содержащие R-фактор (фактор резистентности), определяют устойчивость к антибиотикам. Также могут переходить от одной бактерии к другой.

Плазмиды-колициногены – кодируют белки, губительно действующие на особей того же вида, не содержащих колициногенов (бактерии-«киллеры»).

Гены ядра и цитоплазмы взаимодействуют между собой. В их основе лежат известные формы взаимодействия неаллельных генов типа эпистаза (например, гены ядра подавляют гены цитоплазмы).

Существует также псевдоцитоплазматическая наследственность, обусловленная наличием в клетках симбионтов – бактерий или вирусов. Так, у дрозофилы есть раса с повышенной чувствительностью к СО 2 . В клетках этой расы имеются вирусы, которые и определяют данное свойство.

Некоторые инфузории-туфельки («киллеры») выделяют вещества, губительно действующие на других особей того же вида. В их клетках обнаружены бактерии.

У мышей существует раса с наследственной предрасположенностью к раку молочной железы. Передача происходит через материнское молоко, содержащее вирусы. Если исключить питание потомства этим молоком, то предрасположенности к раку не будет, и наоборот, если потомство здоровой расы вскармливать этим молоком, то у него возникнет предрасположенность к раку.

Изменчивость

Изменчивость – свойство живых организмов изменять как саму наследственную информацию, полученную от родителей, так и процесс ее реализации в ходе онтогенеза.

Выделяют три вида изменчивости:

фенотипическая,

онтогенетическая,

генотипическая.

Фенотипическая, или модификационная изменчивость – изменение фенотипа в ответ на действие факторов внешней среды. Этот вид изменчивости был выделен еще Ч. Дарвином и назван им «определенная ». Приобретенные в ходе онтогенеза признаки по наследству не передаются. Пределы изменчивости признака называются нормой реакции. Норма реакции передается по наследству. Она может быть широкая и узкая. (Приведите примеры.)

Для эволюционного процесса фенотипическая изменчивость имеет большое значение, т.к. естественный отбор особей в природе идет по фенотипу.

Онтогенетическая изменчивость – закономерное изменение генотипа и фенотипа в ходе онтогенеза.

Изменение фенотипа организма человека в процессе роста, появление вторичных половых признаков – это примеры онтогенетической изменчивости.

Закономерное изменение генотипа в ходе онтогенеза обнаружено недавно. Правда, известно таких примеров немного. Так, белки иммуноглобулины у мышей состоят из двух фракций: V (вариабельная) и С (константная). У эмбрионов мышей кодирующие их гены расположены на довольно большом расстоянии друг от друга:

У взрослых мышей эти гены соединены и работают как один:

Генотипическая изменчивость обусловлена изменением генотипа. Ч. Дарвин этот вид изменчивости называл “неопределенной ”. Это наследуемая изменчивость (передается по наследству).

Генотипическая изменчивость подразделяется на два вида: комбинативную и мутационную .

Комбинативная изменчивость обусловлена перекомбинацией имеющегося генетического материала.

В природе имеется три источника комбинативной изменчивости:

1) независимое расхождение хромосом в мейозе (число комбинаций составляет

2 n , где n – число хромосом в гаплоидном наборе);

2) кроссинговер (обмен гомологичными участками между гомологичными

хромосомами);

3) случайное комбинирование хромосом во время оплодотворения.

Все это приводит к огромному разнообразию генотипов и фенотипов, что, в свою очередь, обеспечивает высокую приспособляемость видов.

В основе мутационной изменчивости лежит перестройка генетического аппарата.

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.

05.05.2015 13.10.2015

Все сведения о строении организма человека и его предрасположенности к болезням зашифрованы в виде молекул ДНК. Основная информация находится в ядрах клеток. Однако 5% ДНК локализовано в митохондриях.

Что называют митохондриями?

Митохондрии являются клеточными органеллами эукариот, которые нужны для того, чтобы осуществить превращение энергии, заключенной в питательных веществах в соединения, которые могут усваивать клетки. Поэтому они нередко называются «энергетическими станциями», ведь без них существование организма невозможно.
Своя генная информация у данных органелл появилась вследствие того, что ранее они представляли собой бактерии. После их попадания в клетки организма-хозяина, они не смогли сохранить свой геном, при этом часть собственного генома они передали клеточному ядру организма-хозяина. Поэтому сейчас их ДНК (мтДНК) содержит только часть, а именно 37 генов от исходного количества. Главным образом, в них зашифрован механизм трансформации глюкозы до соединений — углекислый газ и вода с получением энергии (АТФ и НАДФ), без которой и невозможно существование организма хозяина.

В чем уникальность мтДНК?

Главное свойство, присущее митохондриальной ДНК, заключается в возможности наследовании ее только по линии матери. При этом все дети (мужчины или женщины) могут получить митохондрии от яйцеклетки. Происходит это благодаря тому, что женские яйцеклетки содержат более высокое количество данных органелл (до 1000 раз), чем мужские сперматозоиды. Вследствие этого дочерний организм получает их только от своей матери. Поэтому и унаследование их от отцовской клетки совершенно невозможно.
Известно, что гены митохондрий передались нам из далекого прошлого — от нашей проматери — «митохондриальной Евы», являющейся общим предком всех людей планеты по материнской линии. Поэтому данные молекулы считаются самым идеальным объектом при генетических экспертизах для установления родства по линии матери.

Как происходит определение родства?

Митохондриальные гены имеют множество точечных мутаций, благодаря чему они очень вариабельны. Это и позволяет установить родство. На генетической экспертизе с использованием специальных генетических анализаторов – секвенаторов, определяются индивидуальные точечные нуклеотидные изменения генотипа, их сходство или различие. У людей, не имеющих родственных связей по линии матери геномы митохондрий различаются существенно.
Определение родства возможно благодаря удивительным характеристикам митохондриального генотипа:
они не подвержены рекомбинациям, поэтому молекулы изменяются лишь в процессе мутирования, который может происходить в течение тысячелетия;
возможность выделения из любых биологических материалов;
при недостатке биоматериала или деградации ядерного генома, мтДНК может стать единственным источником для проведения анализов, благодаря огромному количеству ее копий;
вследствие большого количества мутаций по сравнению с ядерными генами клеток, достигается высокая точность при проведении анализа генного материала.

Что возможно установить при генной экспертизе?

Генная экспертиза мтДНК поможет при диагностике следующих случаев.
1. Для установления родства между людьми по линии матери: между дедом (или бабушкой) с внуком, братом с сестрой, дядей (или тетей) с племянником.
2. При анализе небольшого количества биоматериала. Ведь мтДНК содержится у каждой клетки в значительном количестве (100 — 10 000), тогда как ядерная — только по 2 копии у каждой 23 имеющихся хромосом.
3. При идентификации древнего биоматериала – сроком хранения более, чем тысячелетнего периода. Именно благодаря данному свойству ученые смогли идентифицировать генный материал из останков членов семьи Романовых.
4. При отсутствии иного материала, ведь даже один волос содержит значительное количество мтДНК.
5. При определении принадлежности генов к генеалогическим ветвям человечества (африканской, американской, ближневосточной, европейской гаплогруппе и другим), благодаря чему возможно определение происхождения человека.

Митохондриальные заболевания и их диагностика

Митохондриальные заболевания проявляются в основном за счет дефектов мтДНК клеток, связанных со значительной подверженности данных органелл к мутациям. Сегодня насчитывается уже порядка 400 болезней, связанных с их дефектами.
В норме каждая клетка могут включать как нормальные митохондрии, так и с определенными нарушениями. Часто признаки заболевания при этом никак не проявляют себя. Однако при ослаблении процесса синтеза энергии в них наблюдается проявление таких болезней. Данные заболевания, прежде всего, связаны с нарушением мышечной или нервной систем. Как правило, при таких болезнях наблюдается позднее начало клинических проявлений. Частота возникновения данных болезней составляет 1:200 человек. Известно, что наличие мутаций митохондрий способно вызвать нефротический синдром при беременности женщины и даже внезапную смерть младенца. Поэтому, исследователями предпринимаются активные попытки решения данных проблем, связанных с лечением и передачей генетических заболеваний этого типа от матерей к детям.

Как связано старение с митохондриями?

Реорганизацию генома данных органелл обнаружили и при анализе механизма старения организма. Сотрудниками Университета Хопкинса опубликованы результаты, проведенные при наблюдениях за показателями крови 16000 пожилых людей из Америки, демонстрирующие, что снижение количества мтДНК было напрямую взаимосвязано с возрастом пациентов.

Большинство из рассмотренных вопросов сегодня стало основой новой науки – «митохондриальной медицины», сформировавшейся в виде отдельного направления в 20 столетии. Прогнозирование и лечение заболеваний, связанных с нарушением генома митохондрий, генетическая диагностика – вот первостепенные её задачи.