Значна частина читачів моїх блогів, безумовно, тією чи іншою мірою має уявлення про сутність та характер наслідування мітохондріальної ДНК. Завдяки доступності комерційного тестування, у багатьох моїх (по)читачів визначені мітохондріальні гаплотипи в окремих регіонах мітохондріону (CR, HVS1, HVS2), а деякі навіть мають повний мітохондріальний сіквенс (усі 16571 позиції). Таким чином, багатьом вдалося пролити світло на свою «глибоку генеалогію», яка сягає загальної точки коалісценції всіх нині існуючих жіночих генетичних ліній. Романтичні попгенетики нарекли цю точку «мітохондріальної Євою», хоча ця точка все лише є математичною абстракцією і через це будь-яке ім'ярікання має суто конвенційний характер.
Невеликий екскурс для новачків.
Мітохондріальна ДНК (далі мтДНК) передається від матері до дитини. Оскільки тільки жінки можуть передавати мтДНК своїм нащадкам, тестування мтДНК дає інформацію про матір, її матір тощо по прямій материнській лінії. мтДНК від матері отримують як чоловіки, так і жінки, тому у проведенні тестування мтДНК можуть брати участь і чоловіки, і жінки. Хоча в мтДНК і відбуваються мутації, їхня частота відносно низька. Упродовж тисячоліть дані мутації накопичувалися, і з цієї причини жіноча лінія в одній родині генетично відрізняється від іншої. Після того, як людство розселилося по планеті, мутації продовжили випадкову появу в розділених відстанню популяціях колись єдиного людського роду. Тому мтДНК можна використовувати для визначення географічного походження даної сімейної групи. Результати тестування мтДНК порівнюються з так званою «Станадртною кембриджською послідовністю» (CRS) — першою встановленою в 1981 році в Кембриджі послідовністю мтДНК (* прим — зараз йде перегляд питання про використання CRS як референсний мітосіквенс). У результаті вчені встановлюють гаплотип людини, що досліджується. Гаплотип – це ваша особиста генетична характеристика. При розгляді мтДНК це ваш набір відхилень від «кембриджської стандартної послідовності». Після порівняння вашої послідовності з послідовностями бази даних, встановлюється ваша гаплогрупа. Гаплогрупа — це генетична характеристика певної спільності людей, які мали одну спільну «пра» бабусю, нещодавнішу, ніж «мітохондріальна Єва». Їхні давні предки часто пересувалися в одній групі в ході міграцій. Гаплогрупа показує, до якої генеалогічної гілки людства ви належите. Їх позначають буквами алфавіту, від А до Z плюс численні підгрупи. Наприклад, європейські гаплогрупи – H, J, K, T, U, V, X. Близькосхідні – N та M. Азіатські – A, B, C, D, F, G, M, Y, Z. Африканські – L1, L2 , L3 та M1. Полінезійська – B. Американські індіанці – А, B, C, D, та рідко Х. Останнім часом до європейських гаплогруп додали N1, U4, U5 та W.
Зупинимося на європейських мітогаплогрупах - H, J, K, T, U, V, X, N1, U4, U5 та W. Більшість їх у свою чергу розпадається на дочірні субклади (дочірні гілки, наприклад дочірній субклад гаплогрупи U5 — субклад U5b1 («Урсула»), чий пік поширення припадає на Прибалтику і Фінляндію. Варто відзначити, що матріархи жіночих ліній часто просто іменуються. Основу цієї традиції заклав автор книги «Сім дочок Єви» Браян Сайкс, який придумав для ймовірних прародительок більшої частини населення Європи імена. Урсула (гаплогрупа U), Ксенія (X), Олена (H), Велда (V), Тара (T), Катрін (K) та Жасмін (J).Можна простежити і нанести на карту магістральні дороги, якими вони та інші наші прапрабабки кочували в часі та просторі, і розрахувати передбачуваний час для кожного роздоріжжя - появи нової мутації, від перших «дочок Єви» до недавніх - гаплогруп I і V, яким "Всього" близько 15 000 років.
Часто запитую, чим відрізняється ядерна ДНК від мтДНК? Згідно з сучасними науковими уявленнями, мільярди років тому мітохондрії були незалежними бактеріями, які оселилися в клітинах примітивних еукаріотичних (що мають клітинне ядро з лінійними хромосомами) організмів і «взяли на себе» функцію виробництва тепла та енергії в клітинах господаря. За час спільного життя частину своїх генів вони втратили через непотрібність за життя на всьому готовому, частину - передали в ядерні хромосоми, і зараз подвійне кільце мтДНК людини складається всього з 16 569 пар нуклеотидних підстав. Більшість мітохондріального геному займають 37 генів. Через високу концентрацію вільних радикалів кисню (побічних продуктів окислення глюкози) та слабкість механізму відновлення помилок при копіюванні ДНК мутації в мтДНК відбуваються на порядок частіше, ніж у ядерних хромосомах. Заміна, випадання чи добавка одного нуклеотиду тут відбуваються приблизно один раз на 100 поколінь - близько 2500 років. Мутації в мітохондріальних генах – порушення у роботі клітинних енергостанцій – дуже часто бувають причиною спадкових хвороб. Єдина функція мітохондрій - окислення глюкози до вуглекислого газу і води і синтез за рахунок енергії клітинного палива, що виділяється при цьому, - АТФ і універсального відновлюючого агента (переносника протонів) НАДН. (НАДН – це нікотинамідаденіндінуклеотид – спробуйте вимовити без запинки.) Навіть для цього простого завдання потрібні десятки ферментів, але більшість генів білків, необхідних для роботи та поточного ремонту мітохондрій, давно перейшли в хромосоми клітин «господарів». У мтДНК залишилися тільки гени транспортних РНК, що поставляють амінокислоти до синтезуючих білки рибосом (позначені однолітерними латинськими символами відповідних амінокислот), два гени рибосомальних РНК - 12s RNA і 16s RNA (гени білків мітохондріальних) білків основних мітохондріальних ферментів - НАДH-дегідрогеназного комплексу (ND1-ND6, ND4L), цитохром-c-оксидази (COI-III), цитохрому b (CYTb) та двох білкових субодиниць ферменту АТФ-синтетази (ATPase8 і 6). Для потреб молекулярної або ДНК-генеалогії використовується некодуюча ділянка - D-петля, що складається з двох гіперваріабельних регіонів, низької та високої роздільної здатності - HVR1 (ГВС1) і HVR2 (ГВС2).
Варто сказати кілька слів про важливість вивчення мтДНК з погляду медичної генетики.
Зрозуміло, вже й раніше проводилися дослідження щодо асоціації певних захворювань з окремими жіночими генетичними лініями. Наприклад, в одному з досліджень було висловлено припущення, що розкладання оксидативної фосфорилації мітохлоріонів, пов'язане з SNP, що визначає гаплогрупу J(asmine) стає причиною підвищеної температури тіла у фенотипі носіїв даної гаплогрупи. Це пов'язують із підвищеною присутністю даної гаплогрупи на півночі Європи, зокрема, у Норвегії. Крім того, в осіб з мітохондріальною гаплогрупою J, згідно з іншим дослідженням, швидше розвивається СНІД і вони швидше вмирають порівняно з іншими ВІЛ-інфікованими. В дослідженнях вказувалося, що філогенетично значущі мутації мітохондріону спричиняли характер експресії генів у фенотипі.
Далі сестринська по відношенню до J мітохондріальна гаплогрупа T пов'язана зі зниженою рухливістю сперматозоїдів у чоловіків. Згідно з публікацією кафедри біохімії та молекулярно-клітинної біології Університету Сарагоси, гаплогрупа T являє собою слабку генетичну схильність до астенозооспермії. Згідно з деякими дослідженнями наявність гаплогрупи T пов'язана з підвищеним ризиком коронарно-артеріального захворювання. Згідно з іншим дослідженням, носії T менш схильні до діабету. Декілька пілотних медичних досліджень показали, що наявність гаплогрупи T пов'язана зі зниженим ризиком хвороб паркінсона та Альцгеймера.
Втім, уже наступний приклад показує, що результати аналізу зв'язку жіночих генетичних ліній та захворювань найчастіше суперечать один одному. Наприклад, носії найдавнішої європейської мітогаплогрупи UK мало сприйнятливі до синдрому імунного придбаного дефіциту. І в той же час одна підгрупа U5a вважається особливо сприйнятливою до синдрому імунного придбаного дефіциту.
Більш ранні дослідження показали наявність позитивної кореляції між приналежністю до гаплогрупи U та ризиком розвитку раку простати та раку прямої кишки. гаплогрупа К (Катрін), що походить від UK через субклад U8, також як і її батьківські лінії характеризується підвищеним ризиком інсульту та хронієською прогресуючою офтальмоплегією.
Чоловіки, що належать до домінуючої в Європі жіночої лінії H(Helen — Хелена), гілка зведеної групи H характеризуються найнижчим ризиком астенозооспермії (це захворювання, при якому зменшується мотильність сперматозоїдів). , для H характерний високий ризик захворювання на хворобу Альцгеймера.Для порівняння - ризик розвитку хвороби Паркінсона у носіїв жіночої генетичної лінії H (Helen) набагато вище аналогічного ризику у представників лінії (JT).
Представники мітохондріальних ліній I, J1c, J2, K1a, U4, U5a1 and T мають знижений (порівняно з середньостатистичним) ризик розвитку хвороби Паркінсона. всього довгожителів, тому попгенетики жартома називають ці мітогаплогрупи гаплогрупами довгожителів. Але не все так добре. Деякі представники субкладу гаплогрупи J і T (особливо J2) страждають від рідкісного генетично обумовленого захворювання (Leber hereditary optic neuropathy), пов'язаного з експресією гена, відповідального за спадкову по материнській лінії сліпоту.
Приналежність до мітогаплогрупи є факором розвитку раку грудей. Втім, теж стосується й інших європейських мітогаплогруп (H, T, U, V, W, X), за винятком K. Нарешті, носії жіночої мітохондріальної лінії X («Ксенія»), мають у мітохондріоні мутацію, що підвищує ризик розвитку діабету другого типу, кардіоміопатії та ендометріального раку. Представники зведеної макромітогаплогрупи IWX мають найвищу опірність розвитку СНІДУ.
Важливу роль відіграють мітохондрії і в спортивній генетиці, що виникла порівняно недавно.
Часто, читаючи опис спортивних препаратів та фуд-сапплементів, я натрапляв на згадку про те, що той чи інший активний елемент препарату прискорює метаболізм чи транспортування певних сполук до мітохондрії. Насамперед це стосується L-карнітину, креатину та BCAA. Оскільки мітохондрія виконує в клітині роль генератора енергії, то ці спостереження видаються мені логічними і правдоподібними.
Тому зупинимося на розгляді цього питання дещо докладніше.
На думку вчених, до раннього старіння організму призводить дефіцит енергії. Чим менше в клітинах енергії, тим менше зусиль буде спрямовано на відновлення та видалення токсинів. Як то кажуть, «не до жиру, бути живим». Але вихід є завжди:здорове харчування плюс маленькі біохімічні тонкощі зможуть запустити знову клітинні електростанції. І перше про що радять згадати – це карнітин.
Починаючи зі зрілого віку мітохондрії, клітинні електростанції починають уповільнювати свій запал, що призводить до зниження енергопродукції. Клітина переходить до жорсткої економії, коли про режим «форсажу» годі й мріяти. Недолік енергії призводить до дисфункції інших клітинних органел і знову відбивається на мітохондріях. Порочне коло. Це старіння, точніше, його внутрішній прояв.
"Ви настільки молоді, наскільки молоді ваші мітохондрії", - любить заявляти дієтолог Роберт Крайхон. Присвятивши багато років вивченню біохімії клітин, він знайшов один із способів впливати на продукцію енергії мітохондріями, тобто на старіння. Цей спосіб - карнітин та його активна форма L-карнітин.
Карнітин – не амінокислота, тому що він не містить аміногрупи (NH2). Він більше нагадує кофермент або, якщо завгодно, водорозчинну вітаміноподібну сполуку. Чому ж карнітин привертає увагу дієтологів?
Як відомо, жирні кислоти є основним паливом для м'язів, особливо міокарда. Близько 70% енергії утворюється у м'язах від спалювання жирів. Карнітин здійснює транспорт довголанцюгових жирних кислот через мембрану мітохондрій. Невелика кількість карнітину (близько 25%) синтезується організмом із амінокислоти лізину. Інші 75% ми повинні приїхати з продовольством.
Але сьогодні ми отримуємо надто мало карнітину. Кажуть, що наші предки щодня споживали щонайменше 500 мг карнітину. Середньостатистична людина в сучасному суспільстві отримує з їжею лише 30-50 мг на добу.
Недолік карнітину призводить до зниження виробництва енергії та дегенерації. Менше енергії — бідніші за фізіологічні резерви. Класична картина — люди похилого віку, організм яких відчуває «енергетичну кризу». Якби енергії було достатньо організму, він міг би успішно здійснювати будівництво та оновлення клітинних мембран, підтримувати цілісність клітинних структур, захист генетичної інформації. Наша імунна система також залежить від адекватного виробництва енергії.
Роберт Крайхон вважає, що нам потрібно більше карнітину в міру того, як організм починає в'янути. Це крок у бік омолодження та наповнення клітин енергією, щоб вони могли краще функціонувати, а також захистити себе від вільних радикалів та патогенних мікроорганізмів. [
До речі, півтора роки тому я проводив пілотне обстеження у фізіолога щодо визначення біологічного віку. За таблицею фізіолога, результати вимірів найбільше точно відповідали біологічному віку 28 років. Якщо пан Роберт Крайхон правий, то мої мітохондрії на 7 років молодший за мій паспортний вік)). А ось багато моїх однолітків вже живуть у борг у природи (знов-таки, за рахунок своїх мітохондрій)].
М'ясо, риба, молоко, яйця, сир та інші продукти тваринного походження загалом містять достатньо карнітину. Баранина та ягнятина – особливо потужні джерела. З рослинних джерел найкращі авокадо і темпі.
Звичайно, раніше тварини паслися на пасовищах та вживали траву. Це було чудово, тому що в такому випадку тваринні продукти містили велику кількість карнітину та корисні омега-3 жирні кислоти, які взаємодоповнювали дію один одного. Це дозволяло організму наших предків ефективно спалювати жир та мати сильне тіло. Тепер же худобу годують зерном, і в ньому переважають омега-6 жирні кислоти, що мають прозапальну дію, а рівень карнітину знизився. Ось чому тепер щоденне вживання червоного м'яса більше не є здоровою альтернативою. Але на цьому зупинимося.
Є ще один момент, про який варто обмовитися. Було б наївно стверджувати, що карнітин може раз і назавжди позбавити людину старіння. Ні, це було б надто легко для людства, хоча багато хто, можливо, хотів би в це повірити.
Карнітин, як і інші корисні речовини, що активують обмін речовин, є одним із численних помічників. Однак він не в змозі докорінно зупинити хід клітинного годинника, хоча, ймовірно, в силах уповільнити його.
Виявлено, що робота ішемізованого міокарда зупиняється при вичерпанні клітинних ресурсів креатинфосфорної кислоти, хоча в клітинах залишається невикористаним ок. 90% аденозинтрифосфату. Це продемонструвало, що аденозинтрифосфат нерівномірно розташовується у клітині. Використовується не весь аденозинтрифосфат, що знаходиться в клітині м'яза, а тільки його певна частина, зосереджена в міофібрилах. Результати подальших дослідів продемонстрували, що зв'язок між клітинними сховищами аденозинтрифосфату здійснюється креатинфосфорною кислотою та ізоензимами креатинкінази. У звичайних умовах молекула аденозинтрифосфату, синтезована в мітохондрії, передає енергію креатину, який під впливом ізоензиму креатинкінази перетворюється на креатинфосфорну кислоту. Креатинфосфорна кислота переміщається до локалізації креатинкіназних реакцій, де інші ізоензими креатинкінази забезпечують регенерацію аденозинтрифосфату з креатинфосфорної кислоти та аденозиндифосфату. Креатин, що вивільняється при цьому, переміщається в мітохондрію, а аденозинтрифосфат використовується для отримання енергії, в т.ч. для напруги м'язів Інтенсивність циркуляції енергії в клітині креатинфосфорним шляхом набагато більша за швидкість проникнення аденозинтрифосфату в цитоплазмі. Це і є причиною падіння концентрації креатинфосфорної кислоти в клітині, і зумовлює депресію м'язової напруги навіть при незайманості основного клітинного запасу аденозинтрифосфату.
На жаль, люди, які займаються спортивною генетикою, дуже мало уваги приділяють мітохондріям. Мені ще не зустрічалися дослідження результатів бодібілдерів, розбитих на контрольні групи за ознакою приналежності до мітохондріальних груп (за умови, що інші показники у них однакові). Наприклад, дизайн експерименту міг би виглядати в такий спосіб — вибираємо культуристів однакового віку, ваги, зростання, м'язової комплекції та стажу. Пропонуємо їм виконати сет однакових силових вправ (наприклад, максимальна кількість підходів жиму лежачи з вагою 95-100 кг.) Порівнюємо результати та аналізуємо їх виходячи з апріорних відомостей про мітогрупи спортсменів. Після чого даємо спортсменам комбо-живлення з креатину, левокарнітину, глютоміну та амінокислот. Через деякий час, повторюємо випробування і порівнюємо результати і робимо висновки про наявність/відсутність кореляції з типом мтДНК.
Думаю, що і мої аматорські дослідження мітохондрій можуть зрештою просвітити людство. Щоправда, мене в мітохондріях цікавлять не тільки й не так генеалогія та медичні питання, як питання психогенетики, зокрема аспекти взаємодії між людьми різних мітогаплогруп. Я взяв на себе сміливість назвати цю сферу досліджень психосоціонікою. Користуючись рідкісною можливістю спостерігати (протягом 4 років) взаємодію людей різних мітогаплогруп як мінімум на 5 англомовних формах та 2 російськомовних форумах, я помітив цікаву тенденцію. На жаль, у мене не було часу на те, щоб чітко артикулювати цю закономірність у дискурсивних термінах наукової мови попгенетики, поки що на рівні попередніх зауважень. Але можливо, якщо вдасться сформулювати моє спостереження, воно увійде в історію популяційної генетки як закон Веренича-Запорожченка.
Мої спостереження ґрунтуються на вивченні інтеракції між трьома основними європейськими зведеними мітогаплогрупами (JT, HV, UK). На жаль, європейські мітогаплогрупи I,W,X (а також екзотичні та мінорні мітогрупи) через нерепрезентативність вибірки не потрапили в поле мого дослідження. Якщо стисло, то ці спостереження зводяться до наступних пунктів:
1) найбільш щільна та продуктивна взаємодія спостерігається між представниками однієї зведеної гаплогрупи (наприклад, між представниками різних субкладів J та T). Можливо цей факт можна пояснити еволюційним механізмом, що визначає на генетичному рівні (нагадаю, мітоДНК успадковується строго по материнській лінії) прихильність дитини до матері в ранньому віці. характер, тоді як батько впливає малюка часто опосередковано – через матір (Clarke-Stewart К.А., 1978). Цей вплив згодом інтерполюється на взаємодію з представниками близьких мітогаплогруп (психогенетичні підстави цього впливу поки що науково не виявлені). Тому і не дивно, що серед своїх одногаплогрупників люди знаходять найбільш надійних однодумців
2) представники JT та HV є антиподами по відношенню один до одного — саме між ними спостерігається найбільш антагонічна взаємодія, яка часто веде до конфліктів. Причини антагонізму належить вивчити
3) представники мітогрупи UK, як правило, характеризуються нейтральним ставленням як до JT, так і HV. Відносини з обома групами мають суто діловий, нейтрально-дружній характер.
Оскільки мене цікавили причини такого явного поділу, то я звернувся за консультацією до Валерія Запорожченка, найбільшого фахівця світового рівня з мтДНК (він є автором однієї з найефективніших філогенетичних програм MURKA, має найбільшу у світі приватну колекцію мітогаплотипів та повних геномних сіквенсів). співавтором кількох великих публікацій з мітоДНК).Валерій дав дещо незвичайну, але якщо вдуматися, логічну відповідь.Суть його відповіді полягала в тому, що антагонізм між JT та HV можна пояснити «генетичною пам'яттю». Справа в тому, що гаплогрупа HV проникла до Європи десь на межі мезоліту та неоліту північним шляхом.Паралельно з цією гаплогрупою до Європи проник жіночий рід JT, проте маршрут міграції пролягав дещо південніше. Швидше за все, між обома групами (JT та HV) існувала певна конкуренція, оскільки і JT, і HV займали одну нішу (неолітичні землероби). ДоДо речі, цією ж історичною інтроспекцією пояснюється і нейтральність мітогрупи UK по відношенню до HV і JT. Як прийнято зараз вважати, UK (будучи найдавнішою мітогрупою Європи) на зорі неолітичної революції і появи вищезгаданих неолітичнихких груп, була представлена головним чином серед європейських мезолітичних мисливців-збирачів. Оскільки вони займали зовсім іншу нішу, то представникам UK просто не було чого ділити з HV та JT.
Найкращим прикладом мітоконфлікту є конфлікт між двома блискучими умами аматорської генетики та антропології — Дієнеком Понтикосом (чиєю мітогрупою є T2) і Давидом «Полако» Веселовським (чия мітогрупа визначена як H7). Чим не підтвердження конфліктного потенціалу взаємодії мітогруп JT та HV. Це як відомий експеримент з 1 г залізного порошку або пудри і 2 г сухого калію нітрату, попередньо розтертого в ступці. Варто їх помістити поруч, як починається бурхлива реакція з виділенням іскор, бурим димом і сильним розігрівом. При цьому зовнішній вигляд суміші нагадує розжарену лаву. При взаємодії нітрату калію із залізом утворюється феррат калію та газоподібний монооксид азоту, який, окислюючись на повітрі, дає бурий газ – діоксид азоту. Якщо твердий залишок після закінчення реакції помістити в склянку з холодною кип'яченою водою, вийде червоно-фіолетовий розчин ферату калію, який розкладається за кілька хвилин.))
Які практичні наслідки цих спостережень? В даний час бурхливо розвивається одна з галузей так званої конфліктології, пов'язаної з оцінкою сумісності окремих індивідів у групі. Звичайно, найбільш практичний вираз ця галузь отримує у вирішенні практичних завдань (наприклад, кастинг або відбір персоналу). Зрозуміло, персонал, що набирається, оцінюється головним чином за своїми професійними знаннями, навичками, вміннями і досвідом роботу. Але важливим фактором є оцінка сумісності рекрутів з колективом і керівництвом, що вже склався. Апріорна оцінка цього фактора скрутна, і зараз ця оцінка проводиться головним чином за допомогою психологічних тестів, на розробку та тестування яких великі корпорації та установи (наприклад, NASA при відборі команди астронавтів) витрачають великі кошти. Однак зараз, на порозі розвитку психогенетики ці тести можна замінити аналізом генетично детермінованої сумісності.
Наприклад, припустимо, що ми маємо якусь групу рекрутованих фахівців, які відповідають формальним вимогам прийому на роботу і мають відповідну компетенцію. Є колектив, у якому присутні всі три макрогрупи JT, HVта UK. Якби я був керівником, то прийняті на роботу новачки прямували б до тих чи інших груп осіб, виходячи з поставлених завдань:
1) Якщо виконання якогось завдання вимагає наявність тісної групи однодумців — то найкращим варіантом є створення групи осіб, що належать до однієї макрогаплогрупи
2) Якщо група працює у напрямку пошуку нових рішень і використовує в роботі методи типу «мозковий штурм» — необхідно помістити цих новобранців у середу антагоністів (JT до HV, і навпаки)
3) Якщо принципи роботи групи ґрунтуються суто на ділових/формальних відносинах — то керівництво слід потурбується тим, щоб у групі була достатня кількість представників UK, які виступатимуть як буфер між конфліктними JT і HV.
За бажання ті самі принципи можна покласти в основу «науково-мотивованого» підбору партнера у шлюбі. Принаймні оцінка сумісності партнера (вірніше, оцінка характеру сумісності) буде набагато правдоподібнішою, ніж оцінка сумісності в сучасних dating-service, яка базується на примітивних психологічних тестах та астрології. До речі, єдиний комерційний DNA dating service жорстко експлатує гаплотипи комплексу гістосумісності. Логіка полягає в тому, що, як було показано в роботах учених, люди зазвичай вибирають партнерів з максимально протилежним HLA-гаплотипом.
Різні генетичні компоненти в норвезькому населенні зазнали аналізу mtDNA & Y chromosome polymorphisms Mitochondrial DNA haplogroups influence AIDS progression.
Natural selection shaped regional mtDNA variation in human Ruiz-Pesini E, Lapeña AC, Diez-Sánchez C, et al. (September 2000). «Human mtDNA haplogroups поєднується з високою або зниженою spermatozoa motility». Am. J. Hum. Genet. 67 (3): 682-96. DOI:10.1086/303040. PMID 10936107.
Mitochondrion: 30 Mitochondrial haplogroup T is asocied with coronary artery disease Mitochondrial DNA haplotype 'T'
«Усі, хто це буде повідомлено, що члени сім'ї в хаплогрупі можуть бути певними захистами Олександра Belovzheimer Disease (Chagnon et al. 1999; Herrnstadt et al. 2002) і також Parkinson's Disease (Pyle et al. 20 та ін. suggest that further studies може бути необхідна перед реакцією firm conclusions.»
Мітоchondrial DNA haplogroups influence AIDS прогрес.
Natural selection shaped regional mtDNA variation in humans
Ruiz-Pesini E, Lapeña AC, Diez-Sánchez C, et al. (September 2000). «Human mtDNA haplogroups поєднується з високою або зниженою spermatozoa motility». Am. J. Hum. Genet. 67 (3): 682-96. DOI:10.1086/303040. PMID 10936107.
Мітохондріон: 30 Мітоchondrial haplogroup T є поєднаний з квітковим artery disease
Mitochondrial DNA haplotype 'T'
«Elsewhere it has been reported that membership in haplogroup T may offer some protection against
Мітохондрії містяться у клітинах рослин, а й у клітинах тварин і грибів. Ці органели більш універсальні, ніж пластиди. Вперше ДНК у мітохондріях було відкрито 1963 року (М. Наас) відразу після відкриття ДНК у пластидах. Незважаючи на подібність функцій і структури мітохондрій всіх трьох царств еукаріотів, їхня генетична організація досить сильно відрізняється, тому зазвичай організацію геномів мітохондрій у цих царств розглядають окремо, виявляючи при цьому загальні риси організації геному.
Фізико-хімічний склад ДНК мітохондрій у різних царств різний. У рослин досить постійний: від 45 до 47 % ДНК складається з ГЦ-пар. У тварин і грибів - значно варіює: від 21 до 50% ГЦ-пар.
У багатоклітинних тварин розміри геному мітохондрій коливаються від 14,5 до 19,5 т.п.н. Фактично, це завжди одна кільцева молекула ДНК. Наприклад, ДНК мітохондрій людини - кільцева молекула розміром 16569 пар нуклеотидів. Цей розмір можна виразити і в інших одиницях - у вигляді молекулярної маси - 106 дальтон або у вигляді довжини контуру молекули - 5 мкм. Первинну структуру цієї молекули повністю визначено. У мітохондріях міститься власний апарат трансляції - тобто. власні рибосоми 70S, схожі на хлоропластні або прокаріотичні та які складаються з двох субодиниць, власні матричні РНК, необхідні ферменти та білкові фактори. У їхньому геномі закодовані 12S- і 16S - рибосомальні РНК, а також 22 транспортні РНК. Крім того, мітохондріальна ДНК кодує 13 поліпептидів, з яких 12 ідентифіковано. Всі послідовності, що кодують, розташовані прямо один за одним. У крайньому випадку вони розділені лише кількома нуклеотидами. Некодуючі послідовності, тобто. інтрони відсутні. Після кодуючої послідовністю майже завжди знаходиться ген транспортної РНК. Наприклад, порядок такий: транспортна РНК фенілаланіну - ген 12S рибосомальної РНК - транспортна РНК валіна - ген 16S рибосомальної РНК - транспортна РНК лейцину і т.д. Такий порядок характерний не тільки для мітохондрій людини, він дуже консервативний і характерний для всіх тварин: дрозофіли, бика, миші, птахів, рептилій та інших тварин.
Більшість генів розташована у важкій ланцюга, у легкої ланцюга лише гени восьми транспортних РНК і структурний ген. Таким чином, на відміну від інших геномів, в геномі мітохондрій обидва ланцюга смислові.
Хоча порядок генів у мітохондрій тварин і однаковий, з'ясовано, що самі гени мають різну консервативність. Найбільш варіабельна послідовність нуклеотидів ділянки початку реплікації та ряд структурних генів. Найбільш консервативні послідовності розташовані в генах рибосомальних РНК і деяких структурних генах, у тому числі кодуючої послідовності АТФ-ази.
Слід зазначити, що універсальність генетичного коду порушена у геномі мітохондрій. Наприклад, мітохондрії людини використовують триплет AUA як кодон для метіоніну, а не для ізолейцину, як у всіх, а триплет UGA, що використовується в стандартному генетичному словнику як термінуючий кодон, у мітохондрій кодує триптофан.
Загалом мітохондріальна ДНК людини виглядає так само, як і інших ссавців: миші та бика. Незважаючи на те, що це далеко не близькі види - розміри їх мітохондріальних ДНК досить близькі між собою: 16569; 16295; і 16338 пар підстав, відповідно. Гени транспортної РНК поділяють деякі смислові гени. Найбільш важливі із структурних генів - гени цитохромоксидази, NADH-дегідрогенази, цитохром-С оксидоредуктази та АТФ-синтетази (рис. 4).
На карті мітохондріального геному людини, крім генів, показано і п'ять добре відомих хвороб людини, що успадковуються по материнській лінії і викликані мутаціями в мітохондріальному геномі.
Так, наприклад, хвороба Лебера – атрофія зорового нерва – викликана мутацією в гені NADH дегідрогенази. Ця ж хвороба може бути викликана мутацією в гені цитохрому bта інших локусів. Усього відомо порушення чотирьох локусів, здатних викликати той самий мутантний фенотип. Крім того, на цій же карті показано ще чотири хвороби, пов'язані з дефектами мозку, м'язів, серця, нирок та печінки. Всі ці хвороби успадковуються по материнській лінії, і якщо мати має не тільки дефектні, а й нормальні мітохондріальні ДНК і мітохондрії, то відбувається сортування мутантних і нормальних органел, і потомство може мати і ті, й інші органели в різних пропорціях, і ми можемо спостерігати також і соматичне розщеплення, коли окремі частини тіла не матимуть цих дефектів.
Мал. 4 Структура мітохондріального геному ссавців, заснована на повному сиквенсі мітохондріальної ДНК людини, миші та бика
Таким чином, невеликий за розмірами мітохондріальний геном тварин може кодувати надзвичайно важливі функції організму та значною мірою визначати його нормальний розвиток.
Так само, як і геном пластид, геном мітохондрій кодує лише частину мітохондріальних поліпептидів (табл. 1) та спостерігається феномен подвійного кодування. Наприклад, частина субодиниць АТФ-азного комплексу кодується ядром, тоді як інша частина - геномом мітохондрій. Більшість генів, що кодують рибосомальні міохондріальні РНК і білки, а також ферменти транскрипції та трансляції, кодується ядром клітини.
© Г.М.Димшиць
Сюрпризи мітохондріального геному
Г.М. Димшиць
Григорій Мойсейович Димшиць,доктор біологічних наук, професор кафедри молекулярної біології Новосибірського державного університету, завідувач лабораторії структури геному Інституту цитології та генетики Сибірського відділення РАН. Співавтор та редактор чотирьох шкільних підручників із загальної біології.З часу виявлення в мітохондріях молекул ДНК пройшло чверть століття, перш ніж ними зацікавилися не лише молекулярні біологи та цитологи, а й генетики, еволюціоністи, а також палеонтологи та криміналісти, історики та лінгвісти. Такий широкий інтерес спровокувала робота Уілсона з Каліфорнійського університету. У 1987 р. він опублікував результати порівняльного аналізу ДНК мітохондрій, взятих у 147 представників різних етносів усіх людських рас, що заселяють п'ять континентів. За типом, місцем розташування та кількістю індивідуальних мутацій встановили, що всі мітохондріальні ДНК виникли з однієї предкової послідовності нуклеотидів шляхом дивергенції. У навколонауковій пресі висновок цей інтерпретували вкрай спрощено - все людство походить від однієї жінки, названої мітохондріальною Євою (і дочки та сини отримують мітохондрії тільки від матері), яка жила у Північно-Східній Африці близько 200 тис. років тому. Ще через 10 років вдалося розшифрувати фрагмент ДНК мітохондрій, виділений з останків неандертальця, та оцінити час існування останнього загального предка людини та неандертальця у 500 тис. років тому.
Сьогодні мітохондріальна генетика людини інтенсивно розвивається як у популяційному, так і в медичному аспекті. Встановлено зв'язок між рядом важких спадкових захворювань та дефектами у мітохондріальній ДНК. Генетичні зміни, асоційовані зі старінням організму, найбільш виражені в мітохондріях. Що ж уявляє собою геном мітохондрій, що відрізняється у людини та інших тварин від такого у рослин, грибів і найпростіших і за розміром, і за формою, і за генетичною ємністю? Як працює і як виник мітохондріальний ген у різних таксонів? Про це й йтиметься у нашій статті.
Мітохондрії називають енергетичними станціями клітини. Крім зовнішньої гладкої мембрани вони мають внутрішню мембрану, що утворює численні складки – кристи. У них вбудовані білкові компоненти дихального ланцюга - ферменти, що беруть участь у перетворенні енергії хімічних зв'язків поживних речовин, що окислюються в енергію молекул аденозинтрифосфорної кислоти (АТФ). Такою "конвертованою валютою" клітина оплачує всі свої енергетичні потреби. У клітинах зелених рослин крім мітохондрій є ще й інші енергетичні станції – хлоропласти. Вони працюють на “сонячних батареях”, але також утворюють АТФ з АДФ та фосфату. Як і мітохондрії, хлоропласти - органели, що автономно розмножуються, - також мають дві мембрани і містять ДНК.
У матриксі мітохондрій, крім ДНК, знаходяться і власні рибосоми, що за багатьма характеристиками відрізняються від евкаріотичних рибосом, розташованих на мембранах ендоплазматичної мережі. Однак на рибосомах мітохондрій утворюється не більше 5% від усіх білків, що входять до їх складу. Велика частина білків, що складають структурні та функціональні компоненти мітохондрій, кодується ядерним геномом, синтезується на рибосомах ендоплазматичної мережі та транспортується її каналами до місця складання. Таким чином, мітохондрії - це результат об'єднаних зусиль двох геномів та двох апаратів транскрипції та трансляції. Деякі субодиничні ферменти дихального ланцюга мітохондрій складаються з різних поліпептидів, частина яких кодується ядерним, а частина – мітохондріальним геномом. Наприклад, ключовий фермент окисного фосфорилювання - цитохром-с-оксидаза у дріжджів складається з трьох субодиниць, що кодуються і синтезуються в мітохондріях, і чотирьох, що кодуються в ядрі клітини і синтезуються в цитоплазмі. Експресією більшості генів мітохондрій управляють певні гени ядер.
Розміри та форми мітохондріальних геномів
Наразі прочитано понад 100 різних геномів мітохондрій. Набір та кількість їх генів у мітохондріальних ДНК, для яких повністю визначена послідовність нуклеотидів, сильно різняться у різних видів тварин, рослин, грибів та найпростіших. Найбільше генів виявлено в мітохондріальному геномі джгутикового найпростішого Rectinomonas americana- 97 генів, включаючи всі гени, що кодують білок, знайдені в мтДНК інших організмів. У більшості вищих тварин геном мітохондрій містить 37 генів: 13 для білків дихального ланцюга, 22 для тРНК і два для рРНК (для великої субодиниці рибосом 16S рРНК та для малої 12S рРНК). У рослин і найпростіших, на відміну від тварин і більшості грибів, в мітохондріальному геномі закодовані деякі білки, що входять до складу рибосом цих органел. Ключові ферменти матричного полінуклеотидного синтезу, такі як ДНК-полімераза (що здійснює реплікацію мітохондріальної ДНК) та РНК-полімераза (транскрибуюча геном мітохондрій), зашифровані в ядрі та синтезуються на рибосомах цитоплазми. Цей факт свідчить про відносність автономії мітохондрій у складній ієрархії евкаріотичної клітини.
Геноми мітохондрій різних видів відрізняються не тільки за набором генів, порядком їх розташування та експресії, але за розміром та формою ДНК. Переважна більшість описаних сьогодні мітохондріальних геномів є кільцевими суперспіралізованими дволанцюжковими молекулами ДНК. У деяких рослин поряд з кільцевими формами є і лінійні, а у деяких найпростіших, наприклад, інфузорій, в мітохондріях виявлені тільки лінійні ДНК.
Як правило, у кожній мітохондрії міститься кілька копій її геному. Так, у клітинах печінки людини близько 2 тис. мітохондрій, і в кожній з них – по 10 однакових геномів. У фібробластах миші 500 мітохондрій, що містять по два геному, а в клітинах дріжджів S.cerevisiae- до 22 мітохондрій, що мають по чотири геному.
Мітохондріальний геном рослин, як правило, складається з кількох молекул різного розміру. Одна з них, "основна хромосома", містить більшу частину генів, а кільцеві форми меншої довжини, що знаходяться в динамічній рівновазі як між собою, так і з основною хромосомою, утворюються в результаті внутрішньо-і міжмолекулярної рекомбінації завдяки наявності повторених послідовностей (рис.1 ).
Рис.Схема утворення кільцевих молекул ДНК різного розміру в мітохондріях рослин.
Рекомбінація відбувається за повтореними ділянками (позначені синім кольором).
Рис.Схема утворення лінійних (А), кільцевих (Б) ланцюгових (В) олігомерів мтДНК.
ori – район початку реплікації ДНК.
Розмір геному мітохондрій різних організмів коливається від менше 6 тис. пар нуклеотидів у малярійного плазмодія (у ньому, крім двох генів рРНК, міститься лише три гени, що кодують білки) до сотень тисяч пар нуклеотидів у наземних рослин (наприклад, у Arabidopsis thalianaіз сімейства хрестоцвітих 366924 пар нуклеотидів). При цьому 7-8-кратні відмінності у розмірі мтДНК вищих рослин виявляються навіть у межах одного сімейства. Довжина мтДНК хребетних тварин відрізняється незначно: у людини – 16569 пар нуклеотидів, у свині – 16350, у дельфіна – 16330, у шпорцевої жаби Xenopus laevis- 17533, у коропа - 16400. Ці геноми подібні також і з локалізації генів, більшість яких розташовуються встик; у ряді випадків вони навіть перекриваються, зазвичай, на один нуклеотид, так що останній нуклеотид одного гена виявляється першим у наступному. На відміну від хребетних, рослин, грибів і найпростіших мтДНК містять до 80% некодуючих послідовностей. У різних видів порядок генів у геномах мітохондрій відрізняється.
Висока концентрація активних форм кисню в мітохондріях та слабка система репарації збільшують частоту мутацій мтДНК порівняно з ядерною на порядок. Радикали кисню спричиняють специфічні заміни Ц® Т (дезамінування цитозину) і Г® Т (окислювальне пошкодження гуаніну), внаслідок чого, можливо, мтДНК багаті на АТ-пари. Крім того, всі мтДНК мають цікаву властивість - вони не метилюються, на відміну від ядерних і прокаріотичних ДНК. Відомо, що метилювання (тимчасова хімічна модифікація нуклеотидної послідовності без порушення кодуючої функції ДНК) - один із механізмів програмованої інактивації генів.
Реплікація та транскрипція ДНК мітохондрій ссавців
У більшості тварин комплементарні ланцюги в мтДНК значно різняться за питомою щільністю, оскільки містять неоднакову кількість “важких” пуринових та “легких” піримідинових нуклеотидів. Так вони і називаються – H (heavy – важка) та L (light – легка) ланцюг. На початку реплікації молекули мтДНК утворюється так звана D-петля (від англ. displacement loop – петля усунення). Ця структура, видима в електронний мікроскоп, складається з дволанцюгової та одноланцюгової (відсунутої частини Н-ланцюга) ділянок. Дволанцюжкова ділянка формується частиною L-ланцюга і комплементарним їй знову синтезованим фрагментом ДНК довжиною 450-650 (залежно від виду організму) нуклеотидів, що мають на 5"-кінці рибонуклеотидну затравку, яка відповідає точці початку синтезу Н-ланцюга (ori H). L-ланцюга починається лише тоді, коли дочірня Н-ланцюг доходить до точки ori L. Це зумовлено тим, що область ініціації реплікації L-ланцюга доступна для ферментів синтезу ДНК лише в одноланцюжковому стані, а отже, тільки в розплетеній подвійній спіралі при синтезі Н -ланцюги Таким чином, дочірні ланцюги мтДНК синтезуються безперервно та асинхронно (рис.3).
Рис.Схема реплікації мтДНК ссавців.
Спочатку формується D-петля, потім синтезується дочірня Н-ланцюг,
потім починається синтез дочірнього L-ланцюга.
У мітохондріях загальна кількість молекул з D-петлею значно перевищує число молекул, що повністю реплікуються. Зумовлено це тим, що D-петля має додаткові функції - прикріплення мтДНК до внутрішньої мембрани та ініціацію транскрипції, оскільки в цьому районі локалізовані промотори транскрипції обох ланцюгів ДНК.
На відміну від більшості евкаріотичних генів, які транскрибуються незалежно один від одного, кожен з ланцюгів мтДНК ссавців переписується з утворенням однієї молекули РНК, що починається в районі ori H. Крім цих двох довгих молекул РНК, комплементарних Н-і L-ланцюгів, формуються і більше короткі ділянки Н-ланцюга, які починаються в тій же точці і закінчуються на 3"-кінці гена 16S рРНК (рис.4). Таких коротких транскриптів у 10 разів більше, ніж довгих. і 16S рРНК, що беруть участь у формуванні мітохондріальних рибосом, а також фенілаланінова і валінова тРНК. 5"-кінці цих мРНК не кепуються, що незвичайно для евкаріотів. Сплайсинг (зрощування) не відбувається, оскільки жоден з мітохондріальних генів ссавців не містить інтронів.
Рис. 4.Транскрипція мтднк людини, що містить 37 генів. Усі транскрипти починають синтезуватися в районі ori H. Рибосомні РНК вирізаються з довгого та короткого транскриптів Н-ланцюга. тРНК та мРНК утворюються в результаті процесингу з транскриптів обох ланцюгів ДНК. Гени тРНК позначені світло-зеленим кольором.Сюрпризи мітохондріального геному
Незважаючи на те, що в геномах мітохондрій ссавців та дріжджів міститься приблизно однакова кількість генів, розміри дріжджового геному в 4-5 разів більші – близько 80 тис. пар нуклеотидів. Хоча дріжджів, що кодують послідовності мтДНК, високо гомологічні відповідним послідовностям у людини, дріжджові мРНК додатково мають 5"-лідерну і 3"-некодуючу області, як і більшість ядерних мРНК. Ряд генів містить ще інтрони. Так, у гені box, що кодує цитохромоксидазу b, є два інтрони. З первинного РНК-транскрипта автокаталітично (без участі будь-яких білків) вирізається копія більшої частини першого інтрону. РНК, що залишилася, служить матрицею для утворення ферменту матурази, що бере участь у сплайсингу. Частина її амінокислотної послідовності закодована в копіях інтронів, що залишилися. Матураза вирізує їх, руйнуючи власну мРНК, копії екзонів зшиваються, і утворюється мРНК для цитохромоксидазы b (рис.5). Відкриття такого феномена змусило переглянути уявлення про інтрони, як про “послідовності, що нічого не кодують”. 
Рис. 5.Процесинг (дозрівання) мРНК цитохромоксидази b у мітохондріях дріжджів.
На першому етапі сплайсингу утворюється мРНК, за якою синтезується матураза,
необхідна другого етапу сплайсинга.
При вивченні експресії мітохондріальних генів Trypanosoma bruceiвиявилося дивовижне відхилення від однієї з основних аксіом молекулярної біології, що свідчить, що послідовність нуклеотидів в мРНК точно відповідає такій в діючих ділянках ДНК. Виявилося, мРНК однією з субодиниць цитохром-с-оксидази редагується, тобто. після транскрипції змінюється її первинна структура - вставляється чотири урацили. В результаті утворюється нова мРНК, що служить матрицею для синтезу додаткової субодиниці ферменту, послідовність амінокислот в якій не має нічого спільного з послідовністю, що кодується нередагованою мРНК (див. таблицю).
Вперше виявлене в мітохондріях трипаносоми редагування РНК широко поширене в хлоропластах та мітохондріях вищих рослин. Знайдено воно і в соматичних клітинах ссавців, наприклад, у кишковому епітелії людини, редагується мРНК гена аполіпопротеїну.
Найбільший сюрприз вченим мітохондрії зробили в 1979 р. До того часу вважалося, що генетичний код універсальний і ті самі триплети кодують однакові амінокислоти у бактерій, вірусів, грибів, рослин і тварин. Англійський дослідник Беррел зіставив структуру одного з мітохондріальних генів теляти з послідовністю амінокислот у кодованій цим геном субодиниці цитохромоксидази. Виявилося, що генетичний код мітохондрій великої рогатої худоби (як і людини) непросто відрізняється від універсального, він “ідеальний”, тобто. підпорядковується наступному правилу: "якщо два кодони мають два однакових нуклеотиди, а треті нуклеотиди належать до одного класу (пуринових - А, Г, або піримідинових - У, Ц), то вони кодують одну і ту ж амінокислоту". В універсальному коді є два винятки з цього правила: триплет АУА кодує ізолейцин, а кодон АУГ - метіонін, у той час як в ідеальному коді мітохондрій обидва ці триплети кодують метіонін; триплет УГГ кодує лише триптофан, а триплет УГА – стоп-кодон. В універсальному коді обидва відхилення стосуються важливих моментів синтезу білка: кодон АУГ - ініціюючий, а стоп-кодон УГА зупиняє синтез поліпептиду. Ідеальний код притаманний не всім описаним мітохондріям, але жодна з них не має універсального коду. Можна сказати, що мітохондрії говорять різними мовами, але ніколи - мовою ядра.
Як мовилося раніше, в мітохондріальному геномі хребетних є 22 гена тРНК. Яким чином такий неповний набір обслуговує всі 60 кодонів для амінокислот (в ідеальному коді з 64 триплетів чотири стоп-кодони, в універсальному - три)? Справа в тому, що при синтезі білка в мітохондріях спрощені кодон-антикодонні взаємодії - для впізнавання використовується два з трьох нуклеотидів антикодону. Таким чином, одна тРНК дізнається всі чотири представники кодонового сімейства, які відрізняються лише третім нуклеотидом. Наприклад, лейцинова тРНК з антикодоном ГАУ встає на рибосомі навпроти кодонів ЦУУ, ЦУЦ, ЦУА та ЦУГ, забезпечуючи безпомилкове включення лейцину в поліпептидний ланцюг. Два інші лейцинові кодони УУА і УУГ впізнаються тРНК з антикодоном ААУ. В цілому, вісім різних молекул тРНК дізнаються вісім сімейств по чотири кодони в кожному, і 14 тРНК дізнаються різні пари кодонів, кожна з яких шифрує одну амінокислоту.
Важливо, що ферменти аміноацил-тРНК-синтетази, відповідальні за приєднання амінокислот до відповідних мітохондрій тРНК, кодуються в ядрі клітини і синтезуються на рибосомах ендоплазматичної мережі. Таким чином, у хребетних тварин всі білкові компоненти синтезу мітохондріального поліпептидів зашифровані в ядрі. При цьому синтез білків у мітохондріях не пригнічується циклогексімідом, що блокує роботу евкаріотичних рибосом, але чутливий до антибіотиків еритроміцину та хлорамфеніколу, що інгібує білковий синтез у бактеріях. Цей факт є одним із аргументів на користь походження мітохондрій з аеробних бактерій при симбіотичному утворенні евкаріотичних клітин.
Симбіотична теорія походження мітохондрій
Гіпотезу про походження мітохондрій і рослинних пластид із внутрішньоклітинних бактерій-ендосимбіонтів висловив Р.Альтман ще в 1890 р. За століття бурхливого розвитку біохімії, цитології, генетики і молекулярної біології гіпотеза, що з'явилася півстоліття тому, переросла в теорію, засновану на великому факті. Суть її така: з появою бактерій, що фотосинтезують, в атмосфері Землі накопичувався кисень - побічний продукт їх метаболізму. Зі зростанням його концентрації ускладнювалося життя анаеробних гетеротрофів, і частина з них для отримання енергії перейшла від безкисневого бродіння до окисного фосфорилування. Такі аеробні гетеротрофи могли з більшим ККД, ніж анаеробні бактерії, розщеплювати органічні речовини, що утворюються в результаті фотосинтезу. Частина аеробів, що вільно живуть, була захоплена анаеробами, але не “перетравлена”, а збережена як енергетичні станції, мітохондрії. Не варто розглядати мітохондрії як рабів, взятих у полон, щоб постачати молекулами АТФ не здатні до дихання клітини. Вони скоріше "істини", ще в протерозої знайшли для себе і свого потомства найкраще з сховищ, де можна витрачати найменші зусилля, не ризикуючи бути з'їденими.
На користь симбіотичної теорії свідчать численні факти:
- збігаються розміри і форми мітохондрій і аеробних бактерій, що вільно живуть; ті та інші містять кільцеві молекули ДНК, не пов'язані з гістонами (на відміну від лінійних ядерних ДНК);Існує уявлення, що різні царства евкаріотів мали різних предків і ендосимбіоз бактерій виникав на різних етапах еволюції живих організмів. Про це говорять відмінності у будові мітохондріальних геномів найпростіших, грибів, рослин та вищих тварин. Але у всіх випадках основна частина генів з промітохондрії потрапила в ядро, можливо, за допомогою мобільних генетичних елементів. При включенні частини геному одного з симбіонтів до генома іншого інтеграція симбіонтів стає незворотною.За нуклеотидними послідовностями рибосомні та транспортні РНК мітохондрій відрізняються від ядерних, демонструючи при цьому дивовижну схожість з аналогічними молекулами деяких аеробних грамнегативних еубактерій;
Мітохондріальні РНК-полімерази, хоч і кодуються в ядрі клітини, інгібуються рифампіцином, як і бактеріальні, а евкаріотичні РНК-полімерази нечутливі до цього антибіотика;
Білковий синтез у мітохондріях і бактеріях пригнічується одними і тими ж антибіотиками, що не впливають на рибосоми евкаріотів;
Ліпідний склад внутрішньої мембрани мітохондрій і бактеріальної плазмалеми подібний, але дуже відрізняється від такого зовнішньої мембрани мітохондрій, гомологічної інших мембран евкаріотичних клітин;
Кристи, що утворюються внутрішньою мітохондріальною мембраною, є еволюційними аналогами мезосомних мембран багатьох прокаріотів;
До цих пір збереглися організми, що імітують проміжні форми на шляху до утворення мітохондрій з бактерій (примітивна амеба Pelomyxaне має мітохондрій, але завжди містить ендосімбіотичні бактерії).
Новий геном може створювати метаболічні шляхи, що призводять до утворення корисних продуктів, які не можуть бути синтезовані жодним партнером окремо. Так, синтез стероїдних гормонів клітинами кори надниркових залоз є складним ланцюгом реакцій, частина яких відбувається в мітохондріях, а частина - в ендоплазматичній мережі. Захопивши гени промітохондрії, ядро отримало можливість надійно контролювати функції симбіонту. В ядрі кодуються всі білки та синтез ліпідів зовнішньої мембрани мітохондрій, більшість білків матриксу та внутрішньої мембрани органел. Найголовніше, що ядро кодує ферменти реплікації, транскрипції та трансляції мтДНК, контролюючи тим самим зростання та розмноження мітохондрій. Швидкість зростання партнерів за симбіозом має бути приблизно однаковою. Якщо господар зростатиме швидше, то з кожним його поколінням кількість симбіонтів, що припадають на одну особину, зменшуватиметься, і, зрештою, з'являться нащадки, які не мають мітохондрій. Ми знаємо, що у кожній клітині організму, що розмножується статевим шляхом, міститься багато мітохондрій, що реплікують свої ДНК у проміжку між поділами господаря. Це є гарантією того, що кожна з дочірніх клітин отримає принаймні одну копію геному мітохондрії.
Цитоплазматична спадковість
Крім кодування ключових компонентів дихального ланцюга та власного білоксинтезуючого апарату, мітохондріальний геном в окремих випадках бере участь у формуванні деяких морфологічних та фізіологічних ознак. До таких ознак належать характерні для ряду видів вищих рослин синдром NCS (non-chromosomal stripe, плямистість листя, що нехромосомно кодується) і цитоплазматична чоловіча стерильність (ЦМС), що призводить до порушення нормального розвитку пилку. Прояв обох ознак обумовлено змінами у структурі мтДНК. При ЦМС спостерігаються перебудови геномів мітохондрій внаслідок рекомбінаційних подій, що ведуть до делецій, дуплікацій, інверсій або інсерцій певних нуклеотидних послідовностей або цілих генів. Такі зміни можуть викликати не тільки пошкодження наявних генів, а й поява нових генів, що працюють.
Цитоплазматична спадковість, на відміну ядерної, не підпорядковується законам Менделя. Це з тим, що з вищих тварин і рослин гамети від різних статей містять незрівнянні кількості мітохондрій. Так, у яйцеклітині миші є 90 тис. мітохондрій, а в сперматозоїді – лише чотири. Вочевидь, що у заплідненої яйцеклітині мітохондрії переважно або тільки жіночої особини, тобто. успадкування всіх мітохондріальних генів материнське. Генетичний аналіз цитоплазматичної спадковості утруднений через ядерно-цитоплазматичні взаємодії. У разі цитоплазматичної чоловічої стерильності мутантний мітохондріальний геном взаємодіє з певними генами ядра, рецесивні алелі яких потрібні для розвитку ознаки. Домінантні алелі цих генів як у гомо-, так і в гетерозиготному стані відновлюють фертильність рослин незалежно від стану мітохондріального геному.
Вивчення геномів мітохондрій, їх еволюції, що йде за специфічними законами популяційної генетики, взаємовідносин між ядерними та мітохондріальними генетичними системами, необхідне розуміння складної ієрархічної організації евкаріотичної клітини та організму загалом.
З певними мутаціями в мітохондріальній ДНК або в ядерних генах, що контролюють роботу мітохондрій, пов'язують деякі спадкові хвороби та старіння людини. Накопичуються дані щодо участі дефектів мтДНК у канцерогенезі. Отже, мітохондрії можуть бути мішенню хіміотерапії раку. Є факти про тісну взаємодію ядерного та мітохондріального геномів у розвитку низки патологій людини. Множинні делеції мтДНК виявлені у хворих з тяжкою м'язовою слабкістю, атаксією, глухотою, розумовою відсталістю, що успадковуються за аутосомно-домінантним типом. Встановлено статевий диморфізм у клінічних проявах ішемічної хвороби серця, що швидше за все обумовлено материнським ефектом – цитоплазматичною спадковістю. Розвиток генної терапії вселяє надію на виправлення дефектів у геномах мітохондрій в найближчому майбутньому.
Роботу виконано за підтримки Російського фонду фундаментальних досліджень. Проект 01-04-48971.
Автор вдячний аспіранту М.К.Іванову, який створив малюнки до статті.
Література
1. Янковський Н.К., Боринська С.А.Наша історія, записана в ДНК// Природа. 2001. №6. С.10-18. 2. Мінченко О.Г., Дударєва Н.А.Мітохондріальний геном. Новосибірськ, 1990. 3. Гвоздєв В.А.// Сорос. утвор. журн. 1999. №10. С.11-17. 4. Маргеліс Л.Роль симбіозу у еволюції клітини. М., 1983. 5. Скулачов В.П.// Сорос. утвор. журн. 1998. №8. С.2-7. 6. Ігамбердієв А.У.// Сорос. утвор. журн. 2000. №1. С.32-36.
ДНК у мітохондріях представлена циклічними молекулами, які не утворюють зв'язок з гістонами, у цьому відношенні вони нагадують бактеріальні хромосоми.
У людини мітохондріальна ДНК містить 16500 н.п., вона повністю розшифрована. Знайдено, що мітохондральна ДНК різних об'єктів дуже однорідна, відмінність їх полягає лише у величині інтронів і ділянок, що не транскрибуються. Усі мітохондріальні ДНК представлені множинними копіями, зібраними у групи, кластери. Так, в одній мітохондрії печінки щури може міститися від 1 до 50 циклічних молекул ДНК. Загальна кількість мітохондріальної ДНК на клітину становить близько одного відсотка. Синтез мітохондріальних ДНК не пов'язаний із синтезом ДНК в ядрі. Так само як і у бактерій мітохондральна ДНК зібрана в окрему зону – нуклеоїд, його розмір складає близько 0,4 мкм у діаметрі. У довгих мітохондріях може бути від 1 до 10 нуклеоїдів. При розподілі довгої мітохондрії від неї відділяється ділянка, що містить нуклеоїд (подібність до бінарного поділу бактерій). Кількість ДНК в окремих нуклеоїдах мітохондрій може коливатися у 10 разів залежно від типу клітин. При злитті мітохондрій може відбуватися обмін внутрішніми компонентами.
рРНК та рибосоми мітохондрій різко відмінні від таких у цитоплазмі. Якщо в цитоплазмі виявляються 80s рибосоми, то рибосоми мітохондрій рослинних клітин належать до 70s рибосом (складаються з 30s і 50s субодиниць, містять 16s і 23s РНК, характерні для прокаріотичних клітин риб). У мітоплазмі на рибосомах відбувається синтез білків. Він припиняється, на відміну синтезу на цитоплазматичних рибосомах, при дії антибіотика хлорамфеніколу, що пригнічує синтез білка у бактерій.
На мітохондріальному геном синтезуються і транспортні РНК, всього синтезується 22 тРНК. Триплетний код мітохондріальної синтетичної системи відмінний від такого, що використовується в гіалоплазмі. Незважаючи на наявність здавалося б всіх компонентів, необхідних для синтезу білків, невеликі молекули мітохондріальної ДНК не можуть кодувати всі мітохондріальні білки, тільки їх невелику частину. Так, ДНК розміром 15 тис.н.п. може кодувати білки із сумарною молекулярною вагою близько 6х105. У цей час сумарний молекулярний вага білків частки повного дихального ансамблю мітохондрії сягає величини близько 2х106.
Мал. Відносні розміри мітохондрій у різних організмів.
Цікавими є спостереження за долею мітохондрій у дріжджових клітинах. В аеробних умовах дріжджові клітини мають типові мітохондрії з чітко вираженими христами. При перенесенні клітин в анаеробні умови (наприклад, при їх пересіванні або при переміщенні в атмосферу азоту) типові мітохондрії в їх цитоплазмі не виявляються і замість них видно дрібні мембранні бульбашки. Виявилося, що в анаеробних умовах дріжджові клітини не містять повного дихального ланцюга (відсутні цитохроми b і a). При аерації культури спостерігається швидка індукція біосинтезу дихальних ферментів, різке підвищення споживання кисню, а цитоплазмі з'являються нормальні мітохондрії.
Розселення людей Землі 
Навіщо мітохондріям своя ДНК? Хоча чому б симбіонти не мати свою ДНК у собі, виробляючи все необхідне на місці? Навіщо переносити частину мітохондріальної ДНК в ядро клітини, створюючи необхідність транспортування продуктів генів в мітохондрії? Чому мітохондрії передаються лише від одного з батьків? Як мітохондрії, отримані від матері, уживаються з геномом клітини, складеним з ДНК матері та батька? Чим більше люди дізнаються про мітохондрії, тим більше питань виникає.
Втім, це стосується не тільки мітохондрій: у будь-якій галузі будь-якої науки розширення сфери знань призводить лише до збільшення її поверхні, що стикається з невідомим, що викликає все нові питання, відповіді на які розширять ту саму сферу з тим самим передбачуваним результатом.
Отже, ДНК сучасних мітохондрій розподілена дуже дивно: невелика частина генів міститься безпосередньо в мітохондріях в кільцевій хромосомі (точніше, в кількох копіях однієї і тієї ж хромосоми в кожній мітохондрії), а велика частина креслень для виробництва складових частин мітохондрії зберігається. Тому копіювання цих генів відбувається одночасно з копіюванням геному всього організму, а вироблені за ними продукти проходять довгий шлях із цитоплазми клітини всередину мітохондрій. Проте це багато в чому зручно: мітохондрія позбавлена необхідності копіювати всі ці гени при розмноженні, зчитувати їх і будувати протеїни та інші складові, зосередившись на своїй головній функції з виробництва енергії. Навіщо ж тоді в мітохондріях все-таки знаходиться невелика ДНК, для обслуговування якої потрібні всі ці механізми, позбавившись яких мітохондрії могли б ще більше ресурсів кинути на основну мету їх існування?
Спочатку припустили, що ДНК, що залишилася в мітохондріях, є атавізмом, спадщиною поглиненої метаногеном про-мітохондрії, що має повний бактеріальний геном. На початку їхнього симбіозу, незважаючи на існування в ядрі тих мітохондріальних генів ( м-генів), які були необхідні для підтримки всередині метаногену комфортної для про-мітохондрій середовища (про це докладно написано про мітохондрії), ті ж гени зберігалися і в кожній з мітохондрій. Про-мітохондрія на початку свого життя як симбіонт виглядала приблизно так само, як сучасна бактерія на схемі ліворуч від цього абзацу.
І дуже повільно через незатребуваність ці гени зникали з мітохондріальної хромосоми в результаті різних мутацій. А ось клітинне ядро накопичувало все більше м-генів, які потрапляли в цитоплазму з зруйнованих симбіонтів-мітохондрій і вбудовувалися в геном химери-еукаріотів. Як тільки м-ген, що свіжовбудувався, починав зчитуватися, клітинні механізми виробляли необхідні мітохондріям продукти, звільняючи симбіонтів від самостійного їх створення. А значить, мітохондріальний аналог гена, що перейшов у ядро, більше не підтримувався в робочому стані природним відбором і стирався мутаціями так само, як усі попередні. Тому логічно було б припустити, що незабаром і ті гени, які все ще залишилися в мітохондріях, перейдуть у ядро, що приведе до великої енергетичної вигоди для еукаріотів: адже з кожної мітохондрії можна буде прибрати громіздкі механізми копіювання, зчитування та виправлення ДНК, а так все необхідне створення протеїнів.
Дійшовши такого висновку, вчені підрахували, за який термін шляхом природного дрейфу з мітохондрії в ядро мали перекочувати всі гени. І виявилось, що цей термін уже давно минув. У момент появи еукаріотичної клітини мітохондрії мали звичайний бактеріальний геном з кількох тисяч генів (вчені встановлюють, яким був цей геном, вивчаючи перенесені в ядро м-гени у різних організмів), а зараз мітохондрії всіх видів еукаріотів втратили від 95 до 99,9% своїх генів. Більше сотні генів у мітохондріях не залишилося ні в кого, але й безгенової мітохондрії теж ні в кого не з'явилося. Якби ключову роль цьому процесі грав випадок, то хоча кілька видів вже пройшли б шлях перенесення генів у ядро остаточно. Але цього не сталося, і вивчені на даний момент мітохондрії різних видів, що втрачають свої гени незалежно один від одного, зберегли один і той же їхній набір, що прямо вказує на необхідність присутності саме цих генів саме в мітохондріях.
Більше того, в інших енерговиробних органелах клітин, хлоропластах, теж є своя ДНК, і так само хлоропласти різних видів еволюціонували паралельно і незалежно, залишившись кожен з тим самим набором генів.
Отже, всі ті значні незручності щодо підтримки власного геному в кожній клітинній мітохондрії (а в середньому в одній клітині міститься кілька сотень!) і громіздкого апарату з його копіювання-виправлення-транслювання (основні, але не всі! його частини ти бачиш на картинці зліва ) чимось переважуються.
І на даний момент існує несуперечлива теорія цього «чогось»: можливість виробляти певні деталі мітохондрії безпосередньо в ній необхідна для регулювання швидкості дихання і підстроювання процесів, що відбуваються в мітохондрії, під щохвилини змінюються потреби всього організму.
Уяви, що в одній із сотень мітохондрій клітини раптом не вистачає елементів дихального ланцюга (докладно про нього дивись у ), або в ній недостатньо АТФ-синтаз. Вона виявляється або перевантаженою їжею та киснем і не може їх досить швидко переробляти, або її міжмембранний простір розпирає від протонів, які нема куди подіти — повна катастрофа загалом. Звичайно ж всі ці відхилення від ідеальної життєвої ситуації запускають множинні сигнали, спрямовані на вирівнювання нахилу корабля, що тоне.
Ці сигнали запускають виробництво саме тих деталей, яких не вистачає мітохондрії в даний момент, активуючи зчитування генів, якими будуються протеїни. Як тільки мітохондрія буде мати достатньо компонентів дихального ланцюга або АТФаз, «крен вирівняється», сигнали про необхідність побудови нових деталей перестануть надходити, і гени знову будуть вимкнені. Це один із напрочуд елегантних у своїй простоті необхідних механізмів саморегуляції клітини, найменше його порушення веде до серйозної хвороби або навіть нежиттєздатності організму.
Спробуємо логічно визначити, де повинні бути необхідні для реакції на цей сигнал лиха гени. Уяви ситуацію, що ці гени знаходяться в ядрі клітини, що містить пару сотень мітохондрій. В одній з мітохондрій виник, наприклад, недолік NADH-дегідрогенази: першого ферменту з дихального ланцюга, чия роль полягає у відриві двох електронів від молекули NADH, передачі їх наступному ферменту та прокачування 2-4 протонів через мембрану.
Насправді такі недоліки будь-якого ферменту трапляються досить часто, адже вони періодично виходять з ладу, кількість їжі постійно змінюється, потреби клітини в АТФ теж стрибають слідом за стрибками або валяннями організму, цю клітину містить. Тому ситуація дуже типова. І ось мітохондрія випускає сигнал: «треба будувати більше NADH-дегідрогенази!», Який виходить за її межі, проходить по цитоплазмі до ядра, проникає в ядро і запускає зчитування необхідних генів. За клітинними мірками час проходження цього сигналу дуже істотно, адже потрібно ще й витягнути з ядра в цитоплазму побудовану матричну РНК, створити по ній протеїни, переслати їх у мітохондрію.
І ось тут виникає проблема набагато суттєвіша, ніж витрата зайвого часу: при створенні спеціалізованих мітохондріальних протеїнів вони маркуються сигналом «доставити в мітохондрію», але в яку? Невідомо. Тому в кожну з кількох сотень мітохондрій починають надходити протеїни, які їм не потрібні. Клітина витрачає ресурси на їх виробництво та доставку, мітохондрії заповнені зайвими дихальними ланцюгами (що призводить до неефективності дихальних процесів), а та єдина мітохондрія, якій ці протеїни потрібні, не отримує їх у достатній кількості, адже їй дістається в кращому разі сота частина виробленого. Тому вона продовжує надсилати сигнали лиха, і хаос продовжується. Навіть за цим лірико-поверхневим описом того, що відбувається, зрозуміло, що така клітина нежиттєздатна. І що є гени, які повинні зчитуватися і транслюватися безпосередньо в мітохондрії, щоб регулювати процеси, що відбуваються саме в ній, а не покладатися на запущений партією ядром план виробництва цвяхів. тобто протеїнів дихального ланцюга для всіх мітохондрій відразу.
Перевіривши, що саме виробляється по різних організмах, що залишилися в мітохондріях різних (а значить, і переміщали м-гени в ядро незалежно один від одного), виявили, що це саме елементи для побудови дихальних ланцюгів і АТФази, а так само рибосом (тобто головної частини апарату трансляції).
Докладніше про це (і не тільки) можна прочитати у Лейна в «Енергія, секс, самогубство: мітохондрія та сенс життя». Ну і можна просто порівняти схему мітохондріальної ДНК, де розшифровані продукти, що кодуються (праворуч від цього абзацу), зі схемою дихального ланцюга (вгорі), щоб стало зрозуміло, що саме виробляється в мітохондрії. Звичайно ж, не кожен протеїн, що вбудовується в цей ланцюг, виробляється на місці, частина їх будується в цитоплазмі клітини. Але основні «якорі», на які чіпляються інші деталі, створюються всередині мітохондрії. Що дозволяє виробляти рівно стільки ферментів, скільки потрібно і саме там, де вони необхідні.
Як мітохондрії пов'язані з сексом і як уживаються різні геноми в одній клітині, напишу в одному з наступних розділів цієї лінії.