Взаимодействие ядерных и цитоплазматических генов в детерминации морфогенетических процессов у эукариот

2) экспрессия митохондриальных генов не требует кэпированния и полиаденилирования;

3) созревание мтДНК заключается в следующих процессах: сплайсинге при наличии интронов в гене, формировании 5'- и 3'-концов с образованием шпилек на 3'-конце; а также в редактировании транскриптов с преобразованием С → U и U →С (в результате редактирования транскриптов формируются правильные инициаторные и нонсенс-кодоны, одни смысловые кодоны превращаются в другие).

Таким образом, для экспрессии митохондриальных генов растений характерны эукариогические черты (за исключением пункта 2) [2], [15], [27].

 

 

 

3.3 Организация генетического материала митохондрий дрожжей и взаимодействие его с генетическим материалом ядра

 

1. Митохондриальный геном дрожжей

 

МтДНК дрожжей в несколько раз больше, чем у человека (80 т.п.н,). Гены мтДНК дрожжей кодируют большую и малую рРНК, тРНК, субъединицы цитохром-с-оксидазы, 9-ю субъединицу АТРазы, цитохром b. В митохондриальном геноме дрожжей есть также гены устойчивости к антибиотикам.

Изучение молекулярной природы митохондриальных мутаций показало, что различные штаммы дрожжей отличаются по некодирующим и кодирующим участкам генома. В отличие от мтДНК человека, в генах которой не выявлены интроны, в некоторых генах мтДНК дрожжей они имеются; среди таких генов: box – цитохрома b, 2lS-pPHK, oxi 3 - 1-й субъединицы цитохромоксидазы I. Так при клонировании и секвенировании гена box выяснилось наличие в нем 6 экзонов и 5 интронов. При объединении первого и второго экзона и части второго интрона образуется мРНК, с которой транслируется фермент - РНК-матураза, предназначенный для удаления второго интрона при сплайсинге. В данном случае второй интрон является факультативным, поскольку он функционирует и как экзон. Таким образом, фермент сплайсинга закодирован в самом гене box [5], [30].

Кроме того, на этом объекте обнаружено ранее неизвестное явление — транспозиция интрона. При скрещивании штаммов дрожжей с разным типом спаривания (w⁺ с w^-) происходит перенос интрона из гена 2lS-pPHK родительского штамма w⁺ в ген 2lS-pPHК другого родительского штамма w^-.

Причем интрон в гене 2lS-pPHK функционирует как ген, кодирующий сайтснеспецифическую эндонуклеазу — фермент, необходимый для переноса интрона. Следствием этого события является превращение митохондрий штамма с типом спаривания w^- в — w⁺  [5].

 

 

3.3.2 Дыхательная недостаточность у дрожжей

 

У таких гибов как  дрожжи,  и нейроспора была обнаружена дыхательная недостаточность, которая обусловлена необратимыми наследственными изменениями функции митохондрии – у них утрачена активность цитохромоксидазы [5], [32].

 Б. Эфрусси обнаружил  штаммы дрожжей Saccharomyces cerevisiae, которые спонтанно образуют карликовые колонии с дыхательной недостаточностью. Поскольку колонии возникают при вегетативном размножении гаплоидных дрожжей, эта форма была названа вегетативным карликовым штаммом. Наряду с вегетативными карликовыми колониями была обнаружена форма, по фенотипу – росту и дыхательной недостаточности – сходная с первой, но она давала расщепление по признаку карликовости, как будто он определялся одним ядерным геном; эта форма была названа расщепляющимся карликовым штаммом [33].

Генетический анализ вегетативного и расщепляющегося  карликовых штаммов  показывает, что фенотип расщепляющейся карликовости определяется ядерным геном (при скрещиваниях наблюдается расщепление в отношении 1:1). При скрещивании вегетативных карликов и нормальных дрожжей диплоидная зигота, в которой есть митохондрии от нормальной формы, не дает расщепления – из спор (аскоспор) не появляются мелкие колонии. Следовательно, у этих форм геномы одинаковы, различалась лишь цитоплазма. Расщепления по типу цитоплазмы в мейозе не происходит. В данном эксперименте факт цитоплазматического наследования очевиден.

Получено и прямое доказательство роли митохондрии в  наследственной передаче дыхательной  недостаточности у дрожжей. Вегетативных карликов, лишенных клеточных оболочек, выращивали в присутствии изолированных митохондрии нормальных дрожжей. В результате часть образовавшихся колоний (2–2,5%) имели нормальные размеры. Этот факт можно объяснить, предположив, что «нормальные» митохондрии, попав в клетки вегетативных карликов, исправили дефект их дыхательной системы и, передаваясь из клетки в клетку в ходе деления, способствовали образованию нормальных колоний [24],[33].

 

 

 

3.4 Организация генетического материала митохондрий человека и взаимодействие его с генетическим материалом ядра

 

3.4.1 Митохондриальный геном человека

Геном митохондрий человека представлен кольцевой двухцепочечной молекулой ЦНК., содержащей 16559 п.н..

Доля митохондриальной ДНК от общего количества ДНК достигает 5%. Митоховдриальная молекула ДНК состоит из тяжелой (Н) и легкой (L) - цепей. Цепи различаются по нуклеотидному составу. Н-цепь (heavy) содержит больше пурина, легкая L-цепь (light) - больше пиримидина. Митохондриальный геном человека, как и других организмов, представляет собой полуавтономную генетическую систему. Большая часть генов человека локализована в хромосомах ядра, и меньшая - в митохондриальном геноме . В состав генома митохондрий входят:

- гены рибосомных 12S-рРНКи 16S-pPHK,

- 22 гена тРНК,

- гены трех субъединиц цитохром-с-оксидазы,

- шестой и восьмой субъединиц АТФазы,

- ген цитохрома b,

- гены семи субъединиц НАДH-дегидрогеназы [4], [29].

Митохондрии, как в зиготе, так и в соматических клетках, имеют в основном материнское происхождение. Отсюда понятен неменделевский характер наследования. Полностью материнский тип наследования возможен только в том случае, если единичные отцовские митохондрии или не попадают в зиготу или их деление заблокировано. При отсутствии отцовских митохондрий невозможен и кроссинговер между родительскими молекулами мтДНК и образование новых комбинаций митохондриальных генов [1], [24], [27].

Мутации, возникающие в мтДНК человека (в основном точковые мутации и делеции), приводят к изменению белков, входящих в комплексы дыхательной цепи митохондрий, и, как следствие, к снижению энергетического обеспечения клеток. Недостаток синтеза молекул АТФ приводит к заболеваниям тех тканей и органов, в которых происходят энергоемкие процессы. Митохондриальные заболевания обусловлены генетическими, структурными, биохимическими дефектами митохондрий, приводящими к нарушениям тканевого дыхания. Они передаются только по женской линии к детям обоих полов, так как сперматозоиды передают зиготе половину ядерного генома, а яйцеклетка поставляет и вторую половину генома, и митохондрии. Патологические нарушения клеточного энергетического обмена могут проявляться в виде дефектов различных звеньев в цикле Кребса, в дыхательной цепи, процессах бета-окисления и т. д. Не все ферменты и другие регуляторы, необходимые для эффективного функционирования митохондрий, кодируются митохондриальной ДНК. Большая часть митохондриальных функций контролируется ядерной ДНК [12], [29].

 

 

 

3.4.2 Митохондриальные заболевания

 

Можно выделить 2 группы митохондриальных заболеваний:

1. Ярко выраженные наследственные синдромы, обусловленные мутациями генов, ответственных за митохондриальные белки (синдром Барта, синдром Кернса-Сейра, синдром Пирсона, синдром MELAS, синдром MERRF и другие).

2. «Вторичные митохондриальные заболевания», включающие нарушение клеточного энергообмена как важное звено формирования патогенеза (болезни соединительной ткани, синдром хронической усталости, гликогеноз, кардиомиопатия, мигрень, печеночная недостаточность, панцитопения, а также гипопаратиреоз, диабет, рахит и другие) [28], [31].

 

Наследование  митохондриальных болезней

Митохондрии наследуются  иначе, чем ядерные гены. Ядерные  гены в каждой соматической клетке обычно представлены двумя аллелями (за исключением большинства сцепленных с полом генов у гетерогаметного пола ). Один аллель унаследован от отца, другой от матери. Однако митохондрии содержат собственную ДНК, причем в каждой митохондрии человека обычно содержится от 5 до 10 копий кольцевой молекулы ДНК и все они наследуются от матери. Когда митохондрия делится, копии ДНК случайным образом распределяются между ее потомками, а затем происходит удвоение ДНК. Если только одна из исходных молекул ДНК содержит мутацию, в результате случайного распределения такие мутантные молекулы могут накопиться в некоторых митохондриях. Митохондриальная болезнь начинает проявляться в тот момент, когда заметное число митохондрий во многих клетках данной ткани приобретают мутантные копии ДНК (пороговая экспрессия).

Мутации в митохондриальной ДНК происходят, по разным причинам, намного чаще, чем в ядерной. Это  означает, что митохондриальные болезни  достаточно часто проявляются из-за спонтанных вновь возникающих мутаций. Иногда темп мутирования увеличивается из-за мутаций в ядерных генах, кодирующих ферменты, которые контролируют репликацию ДНК митохондрий.

Сложная структура митохондрии  и наличие собственной кольцевой хромосомы, кодирующей некоторые компоненты митохондрии, усложняет выяснение причин митохондриальных заболеваний [22], [28].

 

Дефекты и  симптомы

Эффекты митоходриальных  заболеваний очень разнообразны. Из-за различного распределения дефектных митохондрий в разных органах, мутация у одного человека может привести к заболеванию печени, а у другого — к заболеванию мозга. Величина проявления дефекта может быть большой или малой, и она может существенно изменяться, медленно нарастая во времени. Некоторые небольшие дефекты приводят лишь к неспособности пациента выдерживать физическую нагрузку, соответствующую его возрасту, и не сопровождаются серьёзными болезненными проявлениями. Другие дефекты могут быть более опасны, приводя к серьёзной патологии.

В общем случае, митоходриальные  заболевания проявляются сильнее  при локализации дефектных митохондрий  в мышцах, мозге, нервной ткани, поскольку эти органы требуют больше всего энергии для выполнения соответствующих функций.

Несмотря на то, что  протекание митохондриальных заболеваний  сильно отличаются у разных пациентов, на основании общих симптомов  и конкретных мутаций, вызывающих болезнь, выделено несколько основных классов этих заболеваний [31].

Типы заболеваний

Помимо относительно распространённой митохондриальной миопатии, встречаются:

1. Митохондриальный сахарный диабет, сопровождающийся глухотой (DAD, MIDD, синдром MELAS) — это сочетание, проявляющееся в раннем возрасте, может быть вызвано мутацией митохондриального гена MT-TL1, но сахарный диабет и глухота могут быть вызваны как митохондриальными заболеваниями, так и иными причинами[31], [32];

 2. Наследственная оптическая нейропатия Лебера (Leber's hereditary optic neuropathy (LHON)), характеризующийся потерей зрения в раннем пубертатном периоде [27], [33];

3.Синдром Вольфа-Паркинсона-Уайта (Wolff-Parkinson-White syndrome) [33]

4. Синдром Лея (Leigh) или подострая некротизирующая энцефаломиопатия : После начала нормального постнатального развития организма болезнь обычно развивается в конце первого года жизни, но иногда проявляется у взрослых. Болезнь сопровождается быстрой потерей функций организма и характеризуется судорогами, нарушенным состоянием сознания, деменцией, остановкой дыхания [28],[33].

5. NARP: Neuropathy, ataxia, retinitis pigmentosa, and ptosis: прогрессирующие симптомы нейропатии, атаксии, тунельное зрение и потеря зрения, птоз, деменция [31];

6. Митохондриальная нейрогастроинтенстинальная энцефалопатия en:Mitochondrial neurogastrointestinal encephalomyopathy (MNGIE): гастроинтестинальная псевдообструкция и кахексией, нейропатия, энцефалопатия с изменениями белого вещества головного мозга [24], [34].

 

Диагностика

В клинической генетике диагностическими критериями митохондриального заболевания служат:

- аномальные структуры митохондрий, выявленные при морфологическом исследовании мышечных биоптатов («рваные красные мышечные волокна»);

- мугации (точковые мутации, делеции, дупликации) в мтДНК, обнаруженные в молекулярно-генетических исследованиях;

- повышение концентрации метаболитов (в крови и мышечныхбиоптатах), являющихся биохимическими маркерами нарушения окислительногофосфорилирования;

- изменение активности ферментов дыхательной цепи митохондрий в мышечном биоптате больных (дефицит дегидрогеназы, цитохром-с-оксидазы и др.) [24], [34].

Лечение

В настоящее время  лечение митохондриальных заболеваний  находится в стадии разработки, но распространённым терапевтическим  методом служит симптоматическая профилактика с помощью витаминов [27]. Также в качестве одного из методов применяются пируваты [24].

Поскольку в сперматозоиде, который вносит половину хромосом будущего организма, содержится мало митохондрий, митохондриальная наследственность определяется, в основном, митохондриями яйцеклетки. Сейчас проводятся экспериментальные работы по экстракорпоральному (in vitro) оплодотворению с использованием переноса ядра оплодотворённой яйцеклетки в безъядерную цитоплазму другой яйцеклетки с нормально функционирующими митохондриями (замена ядра) [31].

 

Изучение особенностей структуры и функционирования ДНК цитоплазматических органелл в норме и при патологии — не единственная научная задача. Анализ мтДНК проводится и в популяционных исследованиях. 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.^[11] Исследование митохондриальной ДНК в популяциях человека позволило вычислить «митохондриальную Еву», гипотетическую прародительницу всех живущих в настоящее время людей [26], [33], [34].