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.
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 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
Митохондрии содержатся не только в клетках растений, но также и в клетках животных и грибов. Эти органеллы более универсальны, чем пластиды. Впервые ДНК в митохондриях были открыты в 1963 году (М. Наас) сразу же после открытия ДНК в пластидах. Несмотря на сходство функций и структуры митохондрий всех трех царств эукариот, их генетическая организация достаточно сильно различается, поэтому обычно организацию геномов митохондрий у этих царств рассматривают отдельно, выявляя при этом общие черты организации генома.
Физико-химический состав ДНК митохондрий у различных царств различен. У растений он довольно постоянен: от 45 до 47 % ДНК состоит из ГЦ-пар. У животных и грибов -- варьирует более значительно: от 21 до 50 % ГЦ-пар.
У многоклеточных животных размеры генома митохондрий колеблются от 14.5 до 19.5 т.п.н. Практически, это всегда одна кольцевая молекула ДНК. Например, ДНК митохондрий человека -- кольцевая молекула размером 16 569 пар нуклеотидов. Этот размер можно выразить и в других единицах -- в виде молекулярной массы -- 10 6 дальтон или в виде длины контура молекулы -- 5 мкм. Первичная структура этой молекулы полностью определена. В митохондриях содержится собственный аппарат трансляции -- т.е. собственные рибосомы 70S, похожие на хлоропластные или прокариотические и состоящие из двух субъединиц, собственные матричные РНК, необходимые ферменты и белковые факторы. В их геноме закодированы 12S- и 16S - рибосомальные РНК, а так же 22 транспортные РНК. Кроме того, митохондриальная ДНК кодирует 13 полипептидов, из которых 12 идентифицированы. Все кодирующие последовательности расположены прямо друг за другом. В крайнем случае, они разделены лишь несколькими нуклеотидами. Некодирующие последовательности, т.е. интроны отсутствуют. Вслед за кодирующей последовательностью почти всегда находится ген транспортной РНК. Например, порядок таков: транспортная РНК фенилаланина -- ген 12S рибосомальной РНК -- транспортная РНК валина -- ген 16S рибосомальной РНК -- транспортная РНК лейцина и т.д. Такой порядок характерен не только для митохондрий человека, он очень консервативен и характерен для всех животных: дрозофилы, быка, мыши, птиц, рептилий и др. животных.
Большая часть генов расположена в тяжелой цепи, в легкой цепи только гены восьми транспортных РНК и один структурный ген. Таким образом, в отличие от всех других геномов, в геноме митохондрий обе цепи смысловые.
Хотя порядок генов у митохондрий животных и одинаков, выяснено, что сами гены обладают различной консервативностью. Наиболее вариабельна последовательность нуклеотидов участка начала репликации и ряд структурных генов. Наиболее консервативные последовательности расположены в генах рибосомальных РНК и некоторых структурных генах, в том числе в кодирующей последовательности АТФ-азы.
Следует отметить, что универсальность генетического кода нарушена в геноме митохондрий. Например, митохондрии человека используют триплет AUA в качестве кодона для метионина, а не для изолейцина, как у всех, а триплет UGA, используемый в стандартном генетическом словаре как терминирующий кодон, у митохондрий кодирует триптофан.
В целом митохондриальная ДНК человека выглядит так же, как и других млекопитающих: мыши и быка. Несмотря на то, что это далеко не близкие виды -- размеры их митохондриальных ДНК довольно близки между собой: 16 569; 16 295; и 16 338 пар оснований, соответственно. Гены транспортной РНК разделяют некоторые смысловые гены. Наиболее важные из структурных генов -- гены цитохромоксидазы, NADH-дегидрогеназы, цитохром-С оксидоредуктазы и АТФ-синтетазы (рис. 4).
На карте митохондриального генома человека, кроме генов показано и пять хорошо известных болезней человека, наследующихся по материнской линии и вызванных мутациями в митохондриальном геноме.
Так, например, болезнь Лебера -- атрофия зрительного нерва -- вызвана мутацией в гене NADH дегидрогеназы. Эта же болезнь может быть вызвана и мутацией в гене цитохрома b и других локусов. Всего известно нарушение четырех локусов, способных вызвать тот же мутантный фенотип. Кроме того, на этой же карте показано еще четыре болезни, связанные с дефектами мозга, мышц, сердца, почек и печени. Все эти болезни наследуются по материнской линии, и если мать имеет не только дефектные, но и нормальные митохондриальные ДНК и митохондрии, то, происходит сортировка мутантных и нормальных органелл, и потомство может иметь и те, и другие органеллы в различных пропорциях, и мы можем наблюдать также и соматическое расщепление, когда отдельные части тела не будут иметь этих дефектов.
Рис. 4 Структура митохондриального генома млекопитающих, основанная на полном сиквенсе митохондриальной ДНК человека, мыши и быка
Таким образом, небольшой по размерам митохондриальный геном животных может кодировать чрезвычайно важные функции организма и в значительной степени определять его нормальное развитие.
Так же, как и геном пластид, геном митохондрий кодирует только часть митохондриальных полипептидов (табл. 1) и наблюдается феномен двойного кодирования. Например, часть субъединиц АТФ-азного комплекса кодируется ядром, в то время как другая часть -- геномом митохондрий. Большая часть генов, кодирующих рибосомальные миохондриальные РНК и белки, а также ферменты транскрипции и трансляции, кодируется ядром клетки.
© 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);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.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).
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.
ДНК в митохондриях представлена циклическими молекулами, не образующими связь с гистонами, в этом отношении они напоминают бактериальные хромосомы.
У человека митохондриальная ДНК содержит 16,5 тыс. н.п., она полностью расшифрована. Найдено, что митохондральная ДНК различных объектов очень однородна, отличие их заключается лишь в величине интронов и нетранскрибируемых участков. Все митохондриальные ДНК представлены множественными копиями, собранными в группы, кластеры. Так в одной митохондрии печени крысы может содержаться от 1 до 50 циклических молекул ДНК. Общее же количество митохондриальной ДНК на клетку составляет около одного процента. Синтез митохондриальных ДНК не связан с синтезом ДНК в ядре. Так же как и у бактерий митохондральная ДНК собрана в отдельную зону – нуклеоид, его размер составляет около 0, 4 мкм в диаметре. В длинных митохондриях может быть от 1 до 10 нуклеоидов. При делении длинной митохондрии от нее отделяется участок, содержащий нуклеоид (сходство с бинарным делением бактерий). Количество ДНК в отдельных нуклеоидах митохондрий может колебаться в 10 раз в зависимости от типа клеток. При слиянии митохондрий может происходить обмен их внутренними компонентами.
рРНК и рибосомы митохондрий резко отличны от таковых в цитоплазме. Если в цитоплазме обнаруживаются 80s рибосомы, то рибосомы митохондрий растительных клеток принадлежат к 70s рибосомам (состоят из 30s и 50s субъединиц, содержат 16s и 23s РНК, характерные для прокариотических клеток), а в митохондриях клеток животных обнаружены более мелкие рибосомы (около 50s). В митоплазме на рибосомах идет синтез белков. Он прекращается, в отличие от синтеза на цитоплазматических рибосомах, при действии антибиотика хлорамфеникола, подавляющего синтез белка у бактерий.
На митохондриальном геноме синтезируются и транспортные РНК, всего синтезируется 22 тРНК. Триплетный код митохондриальной синтетической системы отличен от такового, используемого в гиалоплазме. Несмотря на наличие казалось бы всех компонентов, необходимых для синтеза белков, небольшие молекулы митохондриальной ДНК не могут кодировать все митохондриальные белки, только лишь их небольшую часть. Так ДНК размером 15 тыс.н.п. может кодировать белки с суммарным молекулярным весом около 6х105. В это же время суммарный молекулярный вес белков частицы полного дыхательного ансамбля митохондрии достигает величины около 2х106.
Рис. Относительные размеры митохондрий у различных организмов.
Интересны наблюдения за судьбой митохондрий в дрожжевых клетках. В аэробных условиях дрожжевые клетки имеют типичные митохондрии с четко выраженными кристами. При переносе клеток в анаэробные условия (например, при их пересеве или при перемещении в атмосферу азота) типичные митохондрии в их цитоплазме не обнаруживаются, и вместо них видны мелкие мембранные пузырьки. Оказалось, что в анаэробных условиях дрожжевые клетки не содержат полную дыхательную цепь (отсутствуют цитохромы b и a). При аэрации культуры наблюдается быстрая индукция биосинтеза дыхательных ферментов, резкое повышение потребления кислорода, а в цитоплазме появляются нормальные митохондрии.
Расселение людей на Земле
Зачем митохондриям своя ДНК? Хотя почему бы симбионтам не иметь свою ДНК в себе, производя все необходимое на месте? Зачем тогда переносить часть митохондриальной ДНК в ядро клетки, создавая необходимость транспортировки продуктов генов в митохондрии? Почему митохондрии передаются только от одного из родителей? Каким образом митохондрии, полученные от матери, уживаются с геномом клетки, составленным из ДНК матери и отца? Чем больше люди узнают о митохондриях, тем больше вопросов возникает.
Впрочем, это касается не только митохондрий: в любой области любой науки расширение сферы знаний приводит только к увеличению ее поверхности, соприкасающейся с неизвестным, вызывающим все новые вопросы, ответы на которые расширят ту самую сферу с тем же предсказуемым результатом.
Итак, ДНК современных митохондрий распределена весьма странно: небольшая часть генов содержится непосредственно в митохондриях в кольцевой хромосоме (точнее, в нескольких копиях одной и той же хромосомы в каждой митохондрии), а большая часть чертежей для производства составных частей митохондрии хранится в ядре клетки. Поэтому копирование этих генов происходит одновременно с копированием генома всего организма, а производимые по ним продукты проходят долгий путь из цитоплазмы клетки внутрь митохондрий. Тем не менее это во многом удобно: митохондрия избавлена от необходимости копировать все эти гены при размножении, считывать их и строить протеины и другие составляющие, сосредоточившись на своей главной функции по производству энергии. Зачем же тогда в митохондриях все-таки находится небольшая ДНК, для обслуживания которой требуются все эти механизмы, избавившись от которых митохондрии могли бы еще больше ресурсов бросить на основную цель их существования?
Сначала предположили, что оставшаяся в митохондриях ДНК является атавизмом, наследием поглощенной метаногеном про-митохондрии, имеющей полный бактериальный геном. В начале их симбиоза, несмотря на существование в ядре тех митохондриальных генов (м-генов ), которые были необходимы для поддержания внутри метаногена комфортной для про-митохондрий среды (про это подробно написано в о митохондрии), те же самые гены хранились и в каждой из митохондрий. Про-митохондрия в начале своей жизни в качестве симбионта выглядела примерно так же, как современная бактерия на схеме слева от этого абзаца.
И очень медленно из-за невостребованности эти гены исчезали из митохондриальной хромосомы в результате самых разных мутаций. А вот клеточное ядро накапливало все больше м-генов, попадавших в цитоплазму из разрушенных симбионтов-митохондрий и встраивавшихся в геном химеры-эукариота. Как только свежевстроившийся м-ген начинал считываться, клеточные механизмы производили необходимые митохондриям продукты, освобождая симбионтов от самостоятельного их создания. А значит, митохондриальный аналог перешедшего в ядро гена больше не поддерживался в рабочем состоянии естественным отбором и стирался мутациями так же, как все предыдущие. Поэтому логично было бы предположить, что скоро и те гены, которые все еще остались в митохондриях, перейдут в ядро, что приведет к большой энергетической выгоде для эукариот: ведь из каждой митохондрии можно будет убрать громоздкие механизмы копирования, считывания и исправления ДНК, а так же все необходимое для создания протеинов.
Придя к такому выводу, ученые подсчитали, за какой срок путем естественного дрейфа из митохондрии в ядро должны были перекочевать все гены. И оказалось, что этот срок уже давно прошел. В момент появления эукариотической клетки митохондрии имели обычный бактериальный геном из нескольких тысяч генов (ученые устанавливают, каким был этот геном, изучая перенесенные в ядро м-гены у разных организмов), а сейчас митохондрии всех видов эукариот потеряли от 95 до 99,9% своих генов. Больше сотни генов в митохондриях не осталось ни у кого, но и безгеновой митохондрии тоже ни у кого не появилось. Если бы ключевую роль в этом процессе играл случай, то хотя бы несколько видов уже прошли бы путь переноса генов в ядро до конца. Но этого не произошло, и изученные на данный момент митохондрии разных видов, теряющие свои гены независимо друг от друга, сохранили один и тот же их набор, что прямо указывает на необходимость присутствия именно этих генов именно в митохондриях.
Более того, в других энергопроизводящих органеллах клеток, хлоропластах, тоже есть своя ДНК, и точно так же хлоропласты разных видов эволюционировали параллельно и независимо, оставшись каждый с одним и тем же набором генов.
Значит, все те значительные неудобства по поддержанию собственного генома в каждой клеточной митохондрии (а в среднем в одной клетке содержится несколько сотен!) и громоздкого аппарата по его копированию-исправлению-транслированию (основные, но не все! его части ты видишь на картинке слева) чем-то перевешиваются.
И на данный момент существует непротиворечивая теория этого «чего-то»: возможность производить определенные детали митохондрии непосредственно внутри нее необходима для регулирования скорости дыхания и подстройки происходящих в митохондрии процессов под ежеминутно меняющиеся потребности всего организма.
Представь, что в одной из сотен митохондрий клетки вдруг не хватает элементов дыхательной цепи (подробно про нее смотри в ), или в ней недостаточно АТФ-синтаз. Она оказывается либо перегруженной пищей и кислородом и не может их достаточно быстро перерабатывать, или ее межмембранное пространство распирает от протонов, которые некуда девать — полная катастрофа в общем. Конечно же все эти отклонения от идеальной жизненной ситуации запускают множественные сигналы, направленные на выравнивание крена тонущего корабля.
Эти сигналы запускают производство именно тех деталей, которых не хватает митохондрии в данный момент, активируя считывание генов, по которым строятся протеины. Как только митохондрия будет иметь достаточно компонентов дыхательной цепи или АТФаз, «крен выровняется», сигналы о необходимости постройки новых деталей перестанут поступать, и гены опять будут выключены. Это один из удивительно элегантных в своей простоте необходимых механизмов саморегуляции клетки, малейшее его нарушение ведет к серьезной болезни или даже нежизнеспособности организма.
Попробуем логически определить, где должны находиться необходимые для реакции на этот сигнал бедствия гены. Представь ситуацию, что эти гены находятся в ядре клетки, содержащей пару сотен митохондрий. В одной из митохондрий возник например недостаток NADH-дегидрогеназы : первого фермента из дыхательной цепи, чья роль состоит в отрыве двух электронов от молекулы NADH, передаче их следующему ферменту и прокачке 2-4 протонов через мембрану.
На самом деле такие недостатки какого-либо фермента случаются довольно часто, ведь они периодически выходят из строя, количество потребляемой пищи постоянно меняется, потребности клетки в АТФ тоже прыгают вслед за прыжками или валяниями организма, эту клетку содержащего. Поэтому ситуация очень типичная. И вот митохондрия испускает сигнал: «нужно строить больше NADH-дегидрогеназы!», который выходит за ее пределы, проходит по цитоплазме до ядра, проникает в ядро и запускает считывание нужных генов. По клеточным меркам время прохождения этого сигнала весьма существенно, а ведь требуется еще и вытащить из ядра в цитоплазму построенную матричную РНК, создать по ней протеины, переслать их в митохондрию…
И вот тут возникает проблема гораздо более существенная, чем трата лишнего времени: при создании специализированных митохондриальных протеинов они маркируются сигналом «доставить в митохондрию», но вот в какую? Неизвестно. Поэтому в каждую из пары сотен митохондрий начинают поступать протеины, которые им не нужны. Клетка тратит ресурсы на их производство и доставку, митохондрии заполнены лишними дыхательными цепями (что приводит к неэффективности дыхательных процессов), а та единственная митохондрия, которой эти протеины нужны, не получает их в достаточном количестве, ведь ей достается в лучшем случае сотая часть произведенного. Поэтому она продолжает посылать сигналы бедствия, и хаос продолжается. Даже по этому лирико-поверхностному описанию происходящего понятно, что такая клетка нежизнеспособна. И что есть гены, которые должны считываться и транслироваться непосредственно в митохондрии, чтобы регулировать происходящие именно в ней процессы, а не полагаться на запущенный партией ядром план производства гвоздей.. то есть протеинов дыхательной цепи для всех митохондрий сразу.
Проверив, что именно производится по оставшимся в митохондриях разных (а значит, и перемещавших м-гены в ядро независимо друг от друга) организмов, обнаружили, что это именно элементы для построения дыхательных цепей и АТФазы, а так же рибосом (то есть главной части аппарата трансляции).
Подробнее об этом (и не только) можно прочитать у Лейна в «Энергия, секс, самоубийство: митохондрия и смысл жизни» . Ну и можно просто сравнить схему митохондриальной ДНК, где расшифрованы кодируемые продукты (справа от этого абзаца), со схемой дыхательной цепи (вверху), чтобы стало понятно, что именно производится в митохондрии. Конечно же, не каждый протеин, встраиваемый в эту цепь, производится на месте, часть из них строится в цитоплазме клетки. Но основные «якоря», на которые цепляются остальные детали, создаются внутри митохондрии. Что позволяет производить ровно столько ферментов, сколько нужно, и именно там, где они необходимы.
Как митохондрии связаны с сексом и как уживаются разные геномы в одной клетке, напишу в одной из следующих глав этой линии.