Особенности строения митохондриальной днк. О важности изучения митохондриальной днк Анализ митохондриальной днк

Что такое ДНК?

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) клеток обеспечивает хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования организма.

ДНК расположена в ядре клетки в составе хромосом. У каждого человека 46 парных хромосом: первый комплект (22 хромосомы) нам достается от одного родителя, второй – от другого. 44 из 46 хромосом не зависят от пола, а две – определяют его: XY – у мужчин или ХХ – у женщин. В общей сложности каждый человек имеет 120 миллиардов миль ДНК.

Воспроизведение клеток происходит посредством репликации ДНК. При этом она раскручивается на две цепочки РНК. Они расходятся, образуют репликационную вилку. Затем каждая цепь РНК становится матрицей, на которой достраивается аналогичная цепь. В результате образуются две новые двуспиральные молекулы ДНК, идентичные родительской молекуле.

Носителями наследственной информации человека являются гены. Каждый ген - это участок молекулы ДНК, несущий информацию об определённом белке. Полный набор генов человека (генотип) отвечает за работу организма, его рост и развитие. Совокупность множества генов определяет уникальность каждого человека.

Митохондриальная ДНК

ДНК хранится не только в ядре клеток, но и в их цитоплазме, точнее – в митохондриях. Это специальные структуры клетки (органоиды), отвечающие за образование энергии – энергетические станции организма.

Также митохондрии вовлечены во множество других клеточных процессов: дифференцировка клеток, апоптоз (запрограммированная гибель клеток), контроль клеточного цикла и рост.

Чтобы столь жизненно важные процессы проходили без сбоев, в митохондриях и содержится собственный геном, представленный кольцевой молекулой ДНК, состоящей из 37 генов. В каждой митохондрии содержится несколько копий ее генома, а в каждой клетке – несколько десятков митохондрий.

Наследование ДНК от родителей

Ядерные и митохондриальные ДНК наследуются по-разному. Каждый ребенок получает двойной «комплект» ядерной ДНК: один - от мамы, другой - от папы. Поэтому дети так похожи на своих родителей.

Митохондриальные гены передаются потомкам ТОЛЬКО ОТ МАТЕРИ. Это связано с тем, что всю цитоплазму с содержащимися в ней митохондриями дети получают вместе с яйцеклеткой, в то время как в сперматозоидах цитоплазма практически отсутствует. По этой причине женщина с митохондриальным заболеванием передаёт его всем своим детям, а больной мужчина - нет.

Ряд мутаций митохондриального генома может передаваться по наследству от матери к ребёнку и далее умножиться путём деления митохондрий, содержащих мутантную ДНК.

Митохондриальные заболевания

В норме все митохондрии в клетке имеют одинаковую копию ДНК (гомоплазмия). Однако митохондриальный геном отличается выраженной нестабильностью: в нем нередко возникают мутации.

В одной клетке могут сосуществовать митохондрии нормальные и с нарушенной функцией (гетероплазмия). За счет первых клетка осуществляет свои функции. Если же продукция энергии в ней падает ниже определенного порога, происходит компенсаторная пролиферация (увеличение органоида и повышение его функции) всех митохондрий, включая дефектные. Поэтому в начале болезни мутации могут вообще не иметь внешних проявлений.

Однако наступает момент, когда происходит срыв компенсаторных механизмов, и заболевание проявляется. Естественно, при этом в худшем положении оказываются клетки, которые потребляют много энергии: мышечные волокна, кардиомиоциты, нейроны. Митохондриальные заболевания затрагивают в основном мышечную и нервную системы и, как правило, характеризуются поздним началом клинических проявлений.

Характерными признаками митохондриальных мутаций являются:

Низкая толерантность к физической нагрузке, гипотония, проксимальная миопатия, включающая фациальные и фарингеальные мышцы, офтальмопарез, птоз;
- нарушения сердечного ритма, гипертрофическая кардиомиопатия;
- атрофия зрительного нерва, пигментная ретинопатия, миоклонус, деменция, инсультоподобные эпизоды, расстройства психики;
- аксональная нейропатия, нарушения двигательной функции желудочно-кишечного тракта;
- диабет, гипопаратиреоидизм, нарушение экзокринной функции панкреас, низкий рост.

Также митохондриальные мутации вызывают нефротический синдром в период беременности и внезапную смерть младенцев.

Болезни, обусловленные генетическими дефектами митохондрий, встречаются у одного из 200 человек. В США ежегодно рождается от 1 до 4 тысяч детей с данной патологией, а более чем у 4 тысяч она развивается по достижении возраста 10 лет.

Реорганизация митохондриального генома обнаружена также при старении организма и злокачественном перерождении тканей.

Все эти проблемы, а также возможности прогнозирования и лечения заболеваний, связанных с аномалиями митохондриального генома, являются предметом изучения "митохондриальной медицины". Сформировавшись как самостоятельное направление в конце XX столетия, сегодня она представляет наиболее интенсивно разви¬вающуюся область исследования генетики клеточных органелл.

Диагностика митохондриальных болезней

Для митохондриальных болезней характерны следующие лабораторные признаки:

Наличие ацидоза;
- повышенные уровни лактата и пирувата в крови;
- гиперкетонемия;
- гипераммониемия;
- повышение концентрации ацетоацетата и 3-оксибутирата;
- повышенное содержание аминокислот в крови и моче (аланина, глутамина, глутаминовой кислоты, валина, лейцина, изолейцина);
- повышенные уровни жирных кислот в крови;
- гиперэкскреция органических кислот с мочой;
- снижение уровня карнитина в крови;
- увеличение содержания миоглобина в биологических жидкостях;
- снижение активности митохондриальных ферментов в миоцитах и фибробластах.

Однако для выявления митохондриальной дисфункции недостаточно рутинных биохимических методов исследования, необходимо проведение специальных тестов: анализа активности ферментов в биоптатах скелетных мышц, определение активности ферментов дыхательной цепи (цитрат-синтетазы, сукцинатдегидрогеназы и цитохром С-оксидазы).

Важная информация может быть получена при одновременном исследовании материала с помощью световой и электронной микроскопии. Маркерами митохондриальных болезней являются: феномен «рваных» красных волокон, резкое увеличение размеров митохондрий, локальные некрозы мышечных волокон и пр.

Также проводится генетическое обследование на наличие мутаций митохондриальной ДНК.

Инновационные методы лечения

Лечение заболеваний, вызванных мутациями различных генов в настоящее время представляет определенные трудности. Однако учеными из Калифорнийского Университета в Лос-Анджелесе впервые удалось найти универсальный способ корректировки мутаций митохондриальной ДНК человека с помощью молекул РНК.

Джен Вон (Geng Wang), научный сотрудник Центра Регенеративной Медицины и Исследований Стволовых Клеток, разработал метод доставки в митохондрии специфических ядерных молекул РНК необходимых для восстановления мутаций митохондриальных генов.

В экспериментах на моделях митохондриальных заболеваний на двух разных клеточных линиях ученым удалось доставить в митохондрии множество разных молекул РНК, где те успешно исправляли нарушения и восстанавливали нормальный уровень производства энергии.

Метод может стать инновационной технологией для терапии митохондриальных генетических заболеваний. Однако он еще находится в стадии доработки.

Эмбрион от трех родителей

Если будущая мамочка имеет митохондриальные мутации, то они могут передаться потомству вместе с цитоплазмой яйцеклетки.

Предотвратить передачу митохондриальных мутаций можно, заменив цитоплазму яйцеклетки носительницы мутаций цитоплазмой яйцеклетки здорового донора. Сделать это можно либо до экстракорпорального оплодотворения, либо в течение первых суток после него. Таким образом, оплодотворенная яйцеклетка будет содержать генетический материал не двух, а трех людей: ядерную ДНК отца, ядерную ДНК матери и митохондриальную ДНК донора цитоплазмы яйцеклетки.

В настоящее время исследования с эмбрионами, полученными из половых клеток трех родителей, активно ведутся в Великобритании и планируются в США.

Будьте счастливы и здоровы!

Всегда с вами,

Гены, оставшиеся в ходе эволюции в «энергетических станциях клетки», помогают избежать проблем в управлении: если в митохондрии что-то сломается, она может починить это сама, не дожидаясь разрешения из «центра».

Наши клетки получат энергию с помощью особых органелл, называемых митохондриями, которых часто так и называют энергетическими станциями клетки. Внешне они выглядят как цистерны с двойной стенкой, причём внутренняя стенка очень неровная, с многочисленными сильными впячиваниями.

Клетка с ядром (окрашено синим) и митохондриями (окрашены красным). (Фото NICHD / Flickr.com.)

Митохондрии в разрезе, выросты внутренней мембраны видны как продольные внутренние полосы. (Фото Visuals Unlimited / Corbis.)

В митохондриях происходит огромное количество биохимических реакций, в ходе которых «пищевые» молекулы постепенно окисляются и распадаются, а энергия их химических связей запасается в удобной для клетки форме. Но, кроме того, у этих «энергетических станций» есть своя ДНК с генами, которую обслуживают собственные молекулярные машины, обеспечивающие синтез РНК с последующим синтезом белка.

Считается, что митохондрии в очень далёком прошлом были самостоятельными бактериями, которых ели какие-то другие одноклеточные существа (с большой вероятностью, археи). Но однажды «хищники» вдруг перестали переваривать проглоченных протомитохондрий, удерживая их внутри себя. Началось долгое притирание симбионтов друг к другу; в итоге те, кого проглотили, сильно упростились в строении и стали внутриклеточными органеллами, а их «хозяева» получили возможность за счёт более эффективной энергетики развиваться дальше, во всё более и более сложные формы жизни, вплоть до растений и животных.

О том, что митохондрии когда-то были самостоятельными, говорят остатки их генетического аппарата. Разумеется, если живёшь внутри на всём готовом, необходимость содержать собственные гены пропадает: ДНК современных митохондрий в человеческих клетках содержит всего 37 генов - против 20-25 тысяч тех, что содержатся в ядерной ДНК. Многие из митохондриальных генов за миллионы лет эволюции перебрались в клеточное ядро: белки, которые они кодируют, синтезируются в цитоплазме, а потом транспортируются в митохондрии. Однако тут же возникает вопрос: а почему 37 генов всё-таки остались там, где были?

Митохондрии, повторим, есть у всех эукариотических организмов, то есть и у животных, и у растений, и у грибов, и у простейших. Иан Джонстон (Iain Johnston ) из Бирмингемского университета и Бен Уильямс (Ben P. Williams ) из Института Уайтхеда проанализировали более 2 000 митохондриальных геномов, взятых у различных эукариот. С помощью особой математической модели исследователи смогли понять, какие из генов в ходе эволюции были более склонны оставаться в митохондриях.

Основная статья: Митохондриальная ДНК

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

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

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

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

Митохондриальные белки[править | править исходный текст]

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

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

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

Центриолярная наследственность

Примеры признаков, передающихся через центриоли, пока не установлены.

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

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

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

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

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

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

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

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

Изменчивость

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

Выделяют три вида изменчивости:

фенотипическая,

онтогенетическая,

генотипическая.

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

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

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

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

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

У взрослых мышей эти гены соединены и работают как один:

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

Генотипическая изменчивость подразделяется на два вида: комбинативную и мутационную .

Комбинативная изменчивость обусловлена перекомбинацией имеющегося генетического материала.

В природе имеется три источника комбинативной изменчивости:

1) независимое расхождение хромосом в мейозе (число комбинаций составляет

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

2) кроссинговер (обмен гомологичными участками между гомологичными

хромосомами);

3) случайное комбинирование хромосом во время оплодотворения.

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

В основе мутационной изменчивости лежит перестройка генетического аппарата.

Исторически первое исследование такого рода было проведено с использованием митохондриальных ДНК. Ученые взяли выборку от аборигенов Африки, Азии, Европы, Америки и в этой, поначалу небольшой, выборке сравнивали митохондриальные ДНК разных индивидов друг с другом. Они обнаружили, что разнообразие митохондриальных ДНК выше всего в Африке. А поскольку известно, что мутационные события могут изменять тип митохондриальной ДНК, а также известно, как он может меняться, то, следовательно, можно сказать, какие типы людей от каких могли произойти мутационно. У всех людей, у которых брали анализ ДНК, именно у африканцев обнаружили гораздо бóльшую вариативность. Типы митохондриальных ДНК на других континентах были менее разнообразны. Значит, у африканцев было больше времени на то, чтобы накопить эти изменения. Они имели больше времени на биологическую эволюцию, если именно в Африке находят древние остатки ДНК, не свойственные мутациям европейского человека.

Можно утверждать, что генетикам по митохондриальным ДНК удалось доказать происхождение женщины в Африке. Они изучали также Y-хромосомы. Оказалось, что и мужчины происходят из Африки.

Благодаря исследованиям митохондриальной ДНК можно установить не только то, что человек произошел из Африки, но и определить время его происхождения. Время появления митохондриальной праматери человечества было установлено благодаря сравнительному изучению митохондриальной ДНК шимпанзе и современного человека. Зная темп мутационной дивергенции – 2-4 % за миллион лет – можно определить время разделения двух ветвей, шимпанзе и современного человека. Это произошло примерно 5 – 7 миллионов лет назад. При этом темп мутационной дивергенции считается постоянным.

Митохондриальная Ева

Когда говорят о митохондриальной Еве, не имеют в виду особь. Говорят о возникновении путем эволюции целой популяции особей со сходными признаками. Считается, что митохондриальная Ева жила в период резкого сокращения численности наших предков, приблизительно до десяти тысяч особей.

Происхождение рас

Изучая митохондриальную ДНК разных популяций, генетики высказали предположение, что еще до выхода из Африки популяция предков разделилась на три группы, давшие начало трем современным расам – африканской, европеоидной и монголоидной. Считается, что это произошло приблизительно 60 – 70 тысяч лет назад.

Сравнение митохондриальной днк неандартальца и современного человека

Дополнительные сведения о происхождении человека были получены при сравнении генетических текстов митохондриальной ДНК неандертальца и современного человека. Ученым удалось прочитать генетические тексты митохондриальной ДНК костных останков двух неандертальцев. Костные останки первого неандертальца были найдены в Фельдховерской пещере в Германии. Чуть позже был прочитан генетический текст митохондриальной ДНК неандертальского ребенка, который был найден на Северном Кавказе в Межмайской пещере. При сравнении митохондриальной ДНК современного человека и неандертальца были найдены очень большие различия. Если взять какой-то участок ДНК, то из 370 нуклеотидов отличаются 27. А если сравнить генетические тексты современного человека, его митохондриальную ДНК, то обнаружится отличие только по восьми нуклеотидам. Считается, что неандерталец и современный человек – совершенно отдельные ветви, эволюция каждого из них шла независимо друг от друга.

При изучении различия в генетических текстах митохондриальной ДНК неандертальца и современного человека была установлена дата разделения этих двух ветвей. Это произошло примерно 500 тысяч лет назад, а приблизительно 300 тысяч лет назад произошло их окончательное разделение. Считается, что неандертальцы расселились по Европе и Азии и были вытеснены человеком современного типа, который вышел из Африки на 200 тысяч лет позже. И, наконец, приблизительно 28 – 35 тысяч лет назад неандертальцы вымерли. Почему это произошло, в общем-то, пока не понятно. Может быть, они не выдержали конкуренции с человеком современного типа, а может быть, на это были иные причины.