Коммуникации

Митохондриальный геном и митохондриальные заболевания человека. Митохондриальная генетика человека Митохондриальный геном и его значение

Происхождение, то есть были приобретены предками эукариот лишь однажды.

На основании сходства в последовательностях нуклеотидов ДНК ближайшими родственниками митохондрий среди ныне живущих прокариот считают альфа-протеобактерий (в частности, выдвигалась гипотеза, что к митохондриям близки риккетсии). Сравнительный анализ геномов митохондрий показывает, что в ходе эволюции происходило постепенное перемещение генов предков современных митохондрий в ядро клетки. Необъяснимыми с эволюционной точки зрения остаются некоторые особенности митохондриальной ДНК (например, довольно большое число интронов , нетрадиционное использование триплетов и другие). Ввиду ограниченного размера митохондриального генома бо́льшая часть митохондриальных белков кодируется в ядре. При этом бо́льшая часть митохондриальных тРНК кодируются митохондриальным геномом.

Формы и число молекул митохондриальной ДНК

У большинства изученных организмов митохондрии содержат только кольцевые молекулы ДНК, у некоторых растений одновременно присутствуют и кольцевые, и линейные молекулы, а у ряда протистов (например, инфузорий) имеются только линейные молекулы.

У растений каждая митохондрия содержит несколько молекул ДНК разного размера, которые способны к рекомбинации.

При половом размножении митохондрии, как правило, наследуются исключительно по материнской линии, митохондрии сперматозоида обычно разрушаются после оплодотворения. Кроме того, большая часть митохондрий сперматозоида находятся в основании жгутика , которое при оплодотворении иногда теряется. В 1999 году было обнаружено, что митохондрии сперматозоидов помечены убиквитином (белком-меткой, которая приводит к разрушению отцовских митохондрий в зиготе) .

Так как митохондриальная ДНК не является высококонсервативной и имеет высокую скорость мутирования, она является хорошим объектом для изучения филогении (эволюционного родства) живых организмов. Для этого определяют последовательности митохондриальной ДНК у разных видов и сравнивают их при помощи специальных компьютерных программ и получают эволюционное древо для изученных видов. Исследование митохондриальных ДНК собак позволило проследить происхождение собак от диких волков . Исследование митохондриальной ДНК в популяциях человека позволило вычислить «митохондриальную Еву », гипотетическую прародительницу всех живущих в настоящее время людей.

Наследование по отцовской линии

Для некоторых видов показана передача митохондриальной ДНК по мужской линии, например, у мидий . Наследование митохондрий по отцовской линии также описано для некоторых насекомых, например, для дрозофилы , медоносных пчел и цикад .

Существуют также данные о митохондриальном наследовании по мужской линии у млекопитающих. Описаны случаи такого наследования для мышей, при этом митохондрии, полученные от самца, впоследствии отторгаются. Такое явление показано для овец и клонированного крупного рогатого скота.

Наследование по отцовской линии у людей

До недавнего времени считалось, что митохондрии человека наследуются только по материнской линии. Был известен лишь один-единственный случай пациента, у которого в 2002 году достоверно обнаружили отцовскую митохондриальную ДНК .

Лишь недавнее исследование 2018 года показало, что митохондриальная ДНК человека иногда всё же может передаваться и по отцовской линии. Небольшое количество митохондрий отца может попасть в яйцеклетку матери вместе с цитоплазмой сперматозоида, но, как правило, отцовские митохондрии после этого из зиготы исчезают. Однако, было обнаружено, что у некоторых людей существует «мутация, которая помогает выживать митохондриям отца» .

Геном митохондрий

У млекопитающих каждая молекула мтДНК содержит 15000-17000 пар оснований (у человека 16565 пар нуклеотидов - исследование закончено в 1981 году, по другому источнику 16569 пар ) и содержит 37 генов - 13 кодируют белки, 22 - гены тРНК , 2 - рРНК (по одному гену для 12S и 16S рРНК). Другие многоклеточные животные имеют схожий набор митохондриальных генов, хотя некоторые гены могут иногда отсутствовать. Генный состав мтДНК разных видов растений, грибов и особенно протистов различается более значительно. Так, у жгутиконосца-якобиды Reclinomonas americana найден наиболее полный из известных митохондриальных геномов: он содержит 97 генов , в том числе 62 гена, кодирующих белки (27 рибосомальных белков, 23 белка, участвующих в работе электрон-транспортной цепи и в окислительном фосфорилировании , а также субъединицы РНК-полимеразы).

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

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

Митохондриальные геномы различных видов грибов содержат от 19 431 (делящиеся дрожжи Schizosaccharomyces pombe ) до 100 314 (сордариомицет Podospora anserina ) пар нуклеотидов .

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

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

Геном митохондрий человека кодирует следующие белки и РНК:

Белки или РНК	Гены
NADH-дегидрогеназа (комплекс I)	MT-ND1, MT-ND2, MT-ND3, MT-ND4, MT-ND4L, MT-ND5, MT-ND6
Кофермент Q - цитохром c редуктаза/Цитохром b (комплекс III)	MT-CYB
цитохром c оксидаза (комплекс IV)	MT-CO1, MT-CO2, MT-CO3
АТФ-синтаза	MT-ATP6, MT-ATP8
рРНК	MT-RNR1 (12S), MT-RNR2 (16S)
тРНК	MT-TA, MT-TC, MT-TD, MT-TE, MT-TF, MT-TG, MT-TH, MT-TI, MT-TK, MT-TL1 , MT-TL2, MT-TM, MT-TN, MT-TP, MT-TQ, MT-TR, MT-TS1, MT-TS2, MT-TT, MT-TV, MT-TW, MT-TY, MT1X

Особенности митохондриальной ДНК

Кодирующие последовательности (кодоны) митохондриального генома имеют некоторые отличия от кодирующих последовательностей универсальной ядерной ДНК.

Так, кодон AUA кодирует в митохондриальном геноме метионин (вместо изолейцина в ядерной ДНК), кодоны AGA и AGG - терминаторные кодоны (в ядерной ДНК кодируют аргинин), кодон UGA в митохондриальном геноме кодирует триптофан .

Если говорить точнее, то речь идёт не о митохондриальной ДНК, а о мРНК , которая списывается (транскрибируется) с этой ДНК перед началом синтеза белка. Буква U в обозначении кодона обозначает уридин , который при транскрипции гена в РНК заменяет тимин .

Количество генов тРНК (22 гена) меньше, чем в ядерном геноме с его 32 генами тРНК .

В человеческом митохондриальном геноме информация настолько сконцентрирована, что в последовательностях, кодирующих мРНК, как правило, частично удалены нуклеотиды, соответствующие 3"-концевым терминаторным кодонам .

Применение

Кроме использования при построении различных филогенетических теорий, изучение митохондриального генома - основной инструмент при проведении идентификации . Возможность идентификации связана с существующими в митохондриальном геноме человека групповыми и даже индивидуальными различиями.

Последовательность участка гена субъединицы I цитохром с-оксидазы, кодируемого в митохондриальной ДНК, широко используется в проектах, связанных с ДНК-баркодированием животных - определением принадлежности организма к тому или иному таксону на основе коротких маркеров в его ДНК . Для баркодирования растений используется преимущественно комбинация двух маркёров в пластидной ДНК .

Группа Шухрата Миталипова из центра эмбриональных клеток и генной терапии Орегонского университета разработала метод замены митохондриальной ДНК для лечения наследственных митохондриальных заболеваний. Сейчас в Великобритании начаты клинические испытания этого метода, получившего неофициальное название «3-parent baby technique» - «ребенок от трех родителей». Известно также о рождении в результате этой процедуры ребенка в Мексике .

Примечания

Джинкс Д., Нехромосомная наследственность, пер. с англ., М., 1966; Сэджер Р., Гены вне хромосом, в кн.: Молекулы и клетки, пер. с англ., М., 1966.
Nass, M.M. & Nass, S. (1963 at the Wenner-Gren Institute for Experimental Biology, Stockholm University, Stockholm , Sweden): Intramitochondrial Fibers with DNA characteristics (PDF). In: J. Cell. Biol. Bd. 19, S. 593-629. PMID 14086138
Ellen Haslbrunner, Hans Tuppy and Gottfried Schatz (1964 at the Institut for Biochemistry at the Medical Faculty of the University of Vienna in Vienna , Австрия): «Deoxyribonucleic Acid Associated with Yeast Mitochondria» (PDF) Biochem. Biophys. Res. Commun. 15, 127-132.
Iborra F. J., Kimura H., Cook P. R. The functional organization of mitochondrial genomes in human cells (англ.) // BMC Biol. (англ.) русск. : journal. - 2004. - Vol. 2 . - P. 9 . - DOI :10.1186/1741-7007-2-9 . - PMID 15157274 .
Дымшиц Г. М. Сюрпризы митохондриального генома. Природа, 2002, N 6
Wiesner R. J., Ruegg J. C., Morano I. Counting target molecules by exponential polymerase chain reaction, copy number of mitochondrial DNA in rat tissues (англ.) // Biochim Biophys Acta. (англ.) русск. : journal. - 1992. - Vol. 183 . - P. 553-559 . - PMID 1550563 .
doi:10.1016/j.exppara.2006.04.005 (недоступная ссылка)
Alexeyev, Mikhail F.; LeDoux, Susan P.; Wilson, Glenn L. Mitochondrial DNA and aging (неопр.) // Clinical Science. - 2004. - July (т. 107 , № 4 ). - С. 355-364 . - DOI :10.1042/CS20040148 . - PMID 15279618 .
Ченцов Ю. С. Общая цитология. - 3-е изд. - МГУ, 1995. - 384 с. - ISBN 5-211-03055-9 .
Sutovsky, P., et. al. Ubiquitin tag for sperm mitochondria (англ.) // Nature . - Nov. 25, 1999. - Vol. 402 . - P. 371-372 . - DOI :10.1038/46466 . - PMID 10586873 . Discussed in
Vilà C., Savolainen P., Maldonado J. E., and Amorin I. R. Multiple and Ancient Origins of the Domestic Dog (англ.) // Science : journal. - 1997. - 13 June (vol. 276 ). - P. 1687-1689 . - ISSN 0036-8075 . - DOI :10.1126/science.276.5319.1687 . - PMID 9180076 .
Hoeh W. R., Blakley K. H., Brown W. M. Heteroplasmy suggests limited biparental inheritance of Mytilus mitochondrial DNA (англ.) // Science: journal. - 1991. - Vol. 251 . - P. 1488-1490 . - DOI :10.1126/science.1672472 . - PMID 1672472 .
Penman, Danny . Mitochondria can be inherited from both parents , NewScientist.com (23 августа 2002). Дата обращения 5 февраля 2008.
Kondo R., Matsuura E. T., Chigusa S. I. Further observation of paternal transmission of Drosophila mitochondrial DNA by PCR selective amplification method (англ.) // Genet. Res. (англ.) русск. : journal. - 1992. - Vol. 59 , no. 2 . - P. 81-4 . - PMID 1628820 .
Meusel M. S., Moritz R. F. Transfer of paternal mitochondrial DNA during fertilization of honeybee (Apis mellifera L.) eggs (англ.) // Curr. Genet. : journal. - 1993. - Vol. 24 , no. 6 . - P. 539-543 . - DOI :10.1007/BF00351719 . - PMID 8299176 .
Fontaine, K. M., Cooley, J. R., Simon, C. Evidence for paternal leakage in hybrid periodical cicadas (Hemiptera: Magicicada spp.) (исп.) // PLoS One. : diario. - 2007. - V. 9 . - P. e892 . - DOI :10.1371/journal.pone.0000892 .
Gyllensten U., Wharton D., Josefsson A., Wilson A. C. Paternal inheritance of mitochondrial DNA in mice (англ.) // Nature. - 1991. - Vol. 352 , no. 6332 . - P. 255-257 . - DOI :10.1038/352255a0 . - PMID 1857422 .
Shitara H., Hayashi J. I., Takahama S., Kaneda H., Yonekawa H. Maternal inheritance of mouse mtDNA in interspecific hybrids: segregation of the leaked paternal mtDNA followed by the prevention of subsequent paternal leakage (англ.) // Genetics: journal. - 1998. - Vol. 148 , no. 2 . - P. 851-857 . - PMID 9504930 .

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

Теории возникновения митохондриальной ДНК

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

Геном митохондрий

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

Митохондрии дрожжей содержат 78000 пар нуклеотидов.

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

Геном митохондрий человека кодирует следующие белки и РНК:

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

Что такое митохондриальная ДНК?

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

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

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

Гипотезы происхождения митохондрий

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

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

Генетическая экспертиза мтДНК

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

Наследование по материнской линии

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

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

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

Мутации митохондриальной ДНК

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

Наследование по отцовской линии

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

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

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

Митохондриальное донорство

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

Структура митохондриальной ДНК

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

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

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

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

Расшифровка генома животных

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

Расшифровка генома растений

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

Расшифровка генома протистов

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

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

Репликация митохондриальной ДНК

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

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

Транскрипция митохондриальной ДНК

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

Митохондриальные заболевания

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

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

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

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

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

Механизм старения

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

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

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

Чем митохондриальная ДНК отличается от ядерной?

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

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

История открытия мтДНК

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

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

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

Базы данных по мтДНК

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

MitoSatPlant: база данных микросателлитов митохондриальных виридиплантов.

MitoBreak: база данных контрольных точек митохондриальной ДНК.

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

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

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

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

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

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

MITOMAP: компендиум полиморфизмов и мутаций в митохондриальной ДНК человека.

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

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.

Вы знаете, что антропологи подразделяют людей на три большие расы: негроиды, европеоиды и монголоиды. Представители этих рас отличаются цветом кожи, формой тела, разрезом глаз и т.д. Но на самом деле четкие различия между разными людьми, относящимся к разным расам, имеются только если мы возьмем географически отдаленные группы. Если посмотреть на все разнообразие антропометрических признаков в целом, то окажется, что четких различий нет, существует множество переходных форм. Почему и как у людей сформировались внешние различия, где и когда зародилось человечество?

Рисунки к статье созданы на основе данных лаборатории анализа генома ИОГен РАН и следующих публикаций:

Степанов В.А. Этногеномика народов Северной Евразии. Томск, 2002.
Stephen Oppenheimer. The Real Eve: modern man"s journey out of Africa www.bradshawfoundation.com/journey/
Ovchinnikov IV, G?therstr?m A, Romanova GP, Kharitonov VM, Lid?n K, Goodwin W.Molecular analysis of Neanderthal DNA from the northern Caucasus.// Nature. 2000 30;404(6777):490-3.
Tishkoff SA, Williams SM. Genetic analysis of African populations: human evolution and complex disease. //Nat Rev Genet. 2002;3(8):611-21.