гормоны
план-конспект урока по биологии (10 класс) по теме

ГЕНОМЫ ОРГАНЕЛЛ ЭУКАРИОТ:

ДНК МИТОХОНДРИЙ И ХЛОРОПЛАСТОВ

Существуют два типа цитоплазматических ДНК: одни находятся в митохондриях эукариот, другие — в хлоропластах зеленых растений и водорослей. Как и все цитоплазматические элементы, они наследуются по материнской линии, а не по законам Менделя. Большая часть белков этих органелл, закодированная в ядерной ДНК, синтезируется в цитоплазме и затем переходит в органеллу. Однако некоторые белки митохондрий и хлоропластов и все их РНК кодируются в ДНК самих органелл и в них же синтезируются. Таким образом, органеллы — это результат объединенных усилий двух геномов и двух трансляционных аппаратов. РНК-компоненты рибосом органелл, а также тРНК, использующиеся при трансляции, кодируются геномами митохондрий и хлоропластов.

Размеры генома хлоропластов у всех исследованных организмов сходны, тогда как митохондриальные геномы у растений намного больше, чем у животных (табл. 16).

Все митохондрии и хлоропласты содержат по несколько копий собственной геномной ДНК. Эти молекулы ДНК обычно распределены в виде отдельных групп в матриксе митохондрий и в стро-ме хлоропластов, где они прикреплены к внутренней мембране. Спвсоб упаковки ДНК неизвестен. По структуре геном более сходен с бактериальным геномом: например, как и у бактерий, у них нет гистонов.

Геномы митохондрий

В клетках млекопитающих митохондриальная ДНК составляет меньше 1 % всей клеточной ДНК. В клетках других организмов — в листьях высших растений или в очень крупных яйцах амфибий и др. — доля ДНК энергетических органелл, особенно в последнем случае, может достигать 99 % всей ДНК клетки.

Многие митохондриальные геномы представляют собой замкнутые кольцевые сверхспиральные дуплексные ДНК. Большинство из них кодируют сходные функции. Сделать еще какие-то обобщения относительно митохондриальных ДНК пока довольно трудно. Иногда даже близкородственные виды имеют совершенно разные рестриктные карты и лишь частично совпадающие нукле-отидные последовательности. Расположение гомологичных генов в кольцевой ДНК также различается. Иногда у отдельного растения присутствуют митохондриальные геномы разных размеров, и представлены они как линейными, так и кольцевыми молекулами. Митохондрии некоторых грибов и простейших имеют линейные геномы.

Все митохондриальные ДНК не метилированы. В очень крупных митохондриальных геномах подавляющую долю избыточной ДНК составляют некодирующие последовательности с неизвестной функцией. Напротив, митохондриальные ДНК млекопитающих организованы рационально, и между генами почти нет промежутков.

К настоящему времени ДНК митохондрий секвенирована более чем у 20 видов простейших, дрожжей, растений маршанции и арабидопсиса, у человека. Обнаружилось, что сходные по последовательности нуклеотидов участки иногда выполняют различные функции. Первым полностью расшифрованным геномом органелл оказался митохондриальный геном человека. В 1981 г. была опубликована полная последовательность этого генома, состоящая из 16 569 пар нуклеотидов. Геном митохондрий человека представлен одной кольцевой молекулой ДНК, ее можно разделить на две одинаковые цепи — тяжелую, которая называется Н-цепью, и легкую L-цепь, различающиеся по своей плавучей плотности (рис. 103).

Геном митохондрий человека кодирует 13 белков, 22 (все) транспортные РНК, две рибосомные РНК. Большинство (60 %) генов, кодирующих белки, приходятся на 7 субъединиц комплекса, окисляющего НАДН, остальные гены кодируют 2 субъединицы АТФ-синтазы, 3 субъединицы цитохромоксидазы, одну субъединицу убихинон-цитохром с-редуктазы (цитохром Ь). Гены всех белков, кроме одного, гены 2 рибосомных и 6 тРНК находятся на более тяжелой цепи ДНК (изображена на рис. 103 снаружи), гены 14 других тРНК и одного белка — на легкой цепи (на рис. 103 изображена внутри). Определены также полные последовательности молекул ДНК митохондриальных геномов коровы и мыши, которые содержат те же гены и организованы сходным образом. В геноме митохондрий человека практически каждый нуклеотид входит в состав кодирующей последовательности либр для белка, либо рРНК или тРНК. Поскольку эти кодирующие последовательности переходят непосредственно одна в другую, для регуля-торных последовательностей ДНК остается очень мало места. Промежутки между генами, как правило, не превышают 25 н. п. ив большинстве случаев составляют менее 3 н.п. и иногда перекрываются (например, ген тРНК™6, тРНКглу и гены АТФ-синтазных субъединиц 6 и 8).

Митохондриальная ДНК дрожжей и человека содержит примерно равнее число генов, но у дрожжей она больше почти в 5 раз — около 80 тыс. н. п. Основная ее часть приходится на долю АТ-бога-тых участков с неизвестной функцией, а также интронов, которые прерывают кодирующие участки и отсутствуют в митохондриальных ДНК млекопитающих. Различия в структуре митохондриальной ДНК у разных штаммов дрожжей определяются в основном изменчивостью некодирующих участков.

Количество митохондрий в растительной клетке составляет от 50 до 2000, и каждая митохондрия содержит от 1 до 100 копий генома. Геном митохондрий растений значительно больше генома митохондрий животных. У арабидопсиса (сем. крестоцветных) ми-тохондриальный геном содержит 370 тыс. н.п., т.е. в 20 раз больше, чем геном митохондрий человека. Размер митохондриального генома растений сильно варьирует даже внутри одного семейства иногда в 5 —10 раз. Так, в семействе тыквенных у арбуза в ДНК митохондрий содержится 330 тыс. н.п., у тыквы — 850 тыс. н.п., а У дыни — 2400 тыс. н. п.

В настоящее время полностью секвенирована последовательность митохондриального генома печеночника маршанции, завершена работа по секвенированию митохондриального генома арабидопсиса. Митохондриальный геном растений кодирует три рибосомные РНК, 16 тРНК, около 10 рибосомальных белков, некоторые белки дыхательной цепи, 3 субъединицы АТФ-синта-зы, четыре белка, участвующих в синтезе цитохрома с. Большая вариабельность размера молекул ДНК, их множественность в митохондриях высших растений связана с рекомбиногенной природой самого генома у этих объектов. Множество молекул ДНК образовалось в результате рекомбинаций между повторяющимися последовательностями и их рекомбиногенными перестановками. Часть последовательностей имеет ядерное и даже хлоропластное происхождение. Рекомбинации и мутации митохондриальной ДНК ведут к цитоплазматической мужской стерильности, вызывая нарушения созревания пыльцевых трубок.

Репликация митохондриальной ДНК

Репликация митохондриальной ДНК не связана с клеточным циклом. Каждая из цепей дуплексной молекулы ДНК митохондрий имеет свою точку начала репликации (точка ori на рис. 103). Репликация ДНК в митохондриях человека однонаправленна и асинхронна, что обусловливается различной локализацией точек инициации репликации. Сначала инициируется репликация Н-цепи ДНК, а синтез L-цепи — только после того, как синтезируется около 67 % Н-цепи.

В дрожжевой митохондриальной ДНК имеется семь и более мест начала репликации, рассеянных по всему геному; каждое из таких мест содержит три коротких GC-богатых сегмента, разделенных двумя длинными участками, почти целиком состоящими из АТ-пар.

Синтез митохондриальной ДНК осуществляется при участии ДНК-полимеразы у. Сведения о других ферментах и белковых факторах, участвующих в репликации митохондриальной ДНК, отсутствуют.

Полиморфизм митохондриальной ДНК и эволюция человека

Уникальным свойством митохондриальной ДНК человека, как и других позвоночных, является наследование ее по материнской линии, что было продемонстрировано с помощью семейного анализа.        

Возникновение мутаций в одной из молекул митохондриальной ДНК создает внутриклеточную смесь мутантных и нормальных молекул — состояние, известное как гетероплазмия. Последовательные деления гетероплазмической клетки сдвигают соотношение мутантных и нормальных митохондриальных ДНК либо к чисто мутантным, либо к нормальным (гомоплазмия) молекулам ДНК. Несмотря на то что гетероплазмия в настоящее время — единственный механизм формирования разнообразия митохондриальных геномов, молекулярные основы поддержания состояния гетероплазмии остаются невыясненными. Высокая скорость эволюции митохондриальной ДНК в 10 — 20 раз больше, чем у ядерных генов, и это повышает частоту ее мутаций. Из-за отсутствия систем репарации и измененного генетического кода (в большинстве случаев замены оснований в третьем положении кодо-нов не отражаются на аминокислотных последовательностях белков) мутации фиксируются с большей вероятностью. Высокая скорость накопления мутаций в митохондриальной ДНК наряду с отсутствием рекомбинационных процессов является крайне важным свойством, которое позволяет использовать митохондриаль-ную ДНК в эволюционных и популяционно-генетических исследованиях.

Вариабельность нуклеотидной последовательности митохондриальной ДНК человека наибольшая в районе главной некодиру-ющей области (контрольного региона), где находятся все структуры, ответственные за инициацию и регуляцию процессов транскрипции и репликации, точка ori для тяжелой цепи, промоторы транскрипции обеих цепей митохондриальной ДНК, сайты связывания транскрипционных факторов. Вариабельность этого района обусловлена преимущественно нуклеотидными заменами и короткими делециями или инсерциями. У человека, как и других млекопитающих, он состоит из трех доменов, различающихся по степени вариабельности и насыщенности функциональными элементами. Наиболее вариабельной частью контрольного региона мтДНК является домен, расположенный между позициями 16 024— 16400 н.п., получивший название гипервариабельного сегмента I митохондриальной ДНК. Из-за высокого уровня изменчивости именно этого сегмента контрольного региона митохондриальная ДНК наиболее часто используется в эволюционных исследованиях.

К настоящему времени исследования полиморфизма мтДНК выполнены во многих этнических группах человека. Полученные данные о генетической дифференциации современного человечества широко используются для установления родства между этносами и реконструкции расогенетических процессов.

Исследования вариабельности мтДНК продемонстрировали высокий уровень митохондриального генофонда и наличие корреляций между типами мтДНК и этногеографическим происхождением индивидуумов. Согласно полученным данным, максимальное разнообразие типов митохондриальной ДНК было зафиксировано в популяциях негроидов. С помощью филогенетического анализа было установлено, что все типы этой ДНК человека являются ветвями одного дерева, причем корневые типы его характерны для современных негроидов, что, по сути, является подтверждением гипотезы об африканском происхождении современного человека.

ДНК хлоропластов

Хлоропластная ДНК (хлДНК) представляет собой замкнутую кольцевую двуспиральную молекулу. Ее размеры варьируют у разных видов растений преимущественно в интервале 130— 160 тыс. н.п. В настоящее время полностью расшифрована нуклеотидная последовательность хлДНК ряда видов, в том числе табака и риса. При этом обнаружены общие принципы организации хлоропласт-ной ДНК и ее консервативность (неизменность первичной структуры) в ходе эволюции. ХлДНК содержит около 130 генов. В ней представлены по два гена четырех типов (4,5S, 5S, 16S и 23S) рибосомальных РНК (рРНК), гены всех транспортных РНК (около 30 видов), гены рибосомальных белков (около 20). Гены субъединиц РНК-полимеразы — фермента, осуществляющего синтез РНК на хлДНК. Хлоропластный геном кодирует около 40 белков тилакоидной мембраны, участвующих в формировании комплексов электронтранспортной цепи. Это составляет около половины входящих в них белков. Остальные белки тилакоидной мембраны кодируются в ядре. ХлДНК содержит ген большой субъединицы ключевого фермента фотосинтеза рибулозодифосфаткарбоксила-зы (РДФК).

Организация генетического аппарата хлоропластов и бактерий имеет много общего. По прокариотическому типу организованы промоторы, регулирующие начало транскрипции и локализованные в области 35— 10 н.п. до точки начала транскрипции, и терминаторы, определяющие ее окончание. Вместе с тем в отличие от прокариот в хлДНК обнаружены интроны, характерные для генов эукариот. Хлоропластные рибосомы относятся к 70S-THny, характерному для прокариот.

Для каждого вида растений характерно определенное число хлоропластов в клетке, варьирующее у разных видов от нескольких единиц до величин, превышающих сотню. Число хлороплас-тов в клетке, а следовательно, их деление контролируется ядром. Так, ДНК-полимераза, осуществляющая репликацию хлДНК, кодируется в ядре, синтезируется на 80S рибосомах цитоплазмы и затем1 проникает в хлоропласт, где и обеспечивает синтез ДНК. Формирование ферментативного аппарата темновых реакций фотосинтеза, в ходе которых происходит усвоение СО2, также находится под контролем двух геномов, ядра и хлоропласта. Большая субъединица (54 кДа) ключевого фермента цикла Кальвина —Бенсона рибулозодифосфаткарбоксилазы кодируется и синтезируется в хлоропласте, а малая (14 кДа) кодируется в ядре и синтезируется в цитоплазме в виде предшественника, а затем проникает в хлоропласт, где оба полипептида образуют структуру функционально активного фермента рибулозодифосфаткарбоксилазы, состоящего из 8 больших и 8 малых субъединиц. Таким образом, формирование всех важнейших структур хлоропласта зависит и от ядра, и цитоплазмы. Это объясняет невыполнимость идеи создания культуры изолированных хлоропластов, где бы они самостоятельно размножались на питательной среде.

Происхождение ДНК органелл

Широко распространено мнение, что митохондрии и хлоро-пласты произошли от прокариотических эндосимбионтов, которые обитали в цитоплазме предшественников эукариот. Как полагают, митохондриям дали начало пурпурные бактерии, а хлоро-пластам (позднее) — цианобактерии (синезеленые водоросли) или близкие к ним организмы.

Симбионты проникли в эукариотические клетки и в ходе эволюции потеряли свою автономность, передав большое число важнейших генов в ядерный геном. В результате независимая бактериальная клетка превратилась в полуавтономную органеллу, сохранившую главную исходную функцию — способность к фотосинтезу (у хлоропластов) и систему окислительного фосфорилирова-ния (у митохондрий).

Хотя многие гены этих древних бактерий все еще используются для синтеза белков органеллы, большая их часть по неясным причинам включилась в ядерный геном, где они кодируют ферменты, которые сходны с бактериальными и синтезируются на рибосомах в цитоплазме, а затем переходят в органеллу.

Существуют экспериментальные данные, свидетельствующие о том, что последовательности ДНК «путешествуют» между орга-неллами и ядром, а также между геномами самих органелл. Подтверждением первого является тот факт, что две субъединицы рибулозодифосфаткарбоксилазы у простейшего Cyanophora paradoxa кодируются неядерным геномом, входящим в- состав хлороплас-топодобной структуры — цианеллы, типичной для цианобактерии. Однако механизмы перемещения и интеграции ДНК органелл в новые геномы пока не установлены.

Рис. 103. Митохондриальная ДНК человека.

Обозначены гены, кодирующие субъединицы НАДН-дегидрогеназного комплекса (ND), субъединицы цитохром-с-оксидазы (COI, СОИ, СОШ), цитохром 6 (цит. 6), субъединицы 6 и 8 АТР-синтазы (АТРаза 6 и АТРаза 8), кодирующие рРНК (12SpPHK и 16SpPHK); кодирующие тРНК; ori (H) и ori (Ь)-сайты инициации репликации тяжелой и легкой цепей ДНК. Точки внутри круга обозначают сайты инициации транскрипции. Маленькие стрелки указывают 5'—^'-направление смысловой цепи в различных генах