2.3.5. Геном митохондрий

Структура и функция митохондрий. Митохондрии - это цитоплазматические органеллы. Их количество и форма варьируют в зависимости от функции клетки. Например, у млекопитающих в клетках печени имеется по 1000-1500 митохондрий. Все они имеют общие структурные особенности: матрикс, внутреннюю и внешнюю мембрану (рис. 2.98). Внутренняя мембрана образует характерные складки: иногда в виде «крист», иногда в виде «трубочек». Митохондрии осуществляют важные биохимические функции, в частности, именно в них происходит аэробное окисление. Вот почему эти органеллы часто называют энергетической фабрикой организма. Энергия хранится в АТР (аденозинтрифосфат). Из трех энергетических источников нашей пищи аминокислоты и жиры подвергаются распаду только в результате аэробного окисления, которое происходит в митохондриях. Кроме того, в них осуществляется цикл лимонной кислоты. Мембрана митохондрий содержит упорядоченную мультиферментную систему, а распределение ферментов в функционально значимом порядке гарантирует упорядоченную последовательность биохимических реакций.

Подобно всему живому митохондрии размножаются путем деления. Их синтез de novo невозможен. Они содержат рибосомы, которые по размеру меньше (70S), чем рибосомы цитоплазмы (80S). Эти и другие факты привели к гипотезе, что митохондрии происходят от микроорганизмов, которые на ранних этапах эволюции вступили в симбиотические взаимоотношения с эукариотической клеткой, а затем были интегрированы, но еще сохраняют свои специфические особенности.

Геном митохондрий. Давно известно, что митохондрии имеют собственную ДНК и собственные гены, например, для транспортной РНК. С другой стороны, многие, но не все митохондриальные ферменты кодируются ядерными генами.

Совсем недавно в лаборатории молекулярной биологии Медицинского исследовательского центра в Кэмбридже была полностью расшифрована последовательность ДНК и выяснена организация генов в митохондриальном геноме человека ([293], рис. 2.99). Оказалось, что геном митохондрий представлен кольцевой молекулой ДНК, содержащей 16 569 нуклеотидных пар. В состав генома входят гены 12S- и 16S-pPHK, 22 различных тРНК, субъединиц I, II и III оксидазы цитохрома с, субъединицы 6 АТРазы, цитохрома b и девяти других пока неизвестных белков. В про-

Рис. 2.98. Электронно-микроскопическая фотография митохондрии при увеличении х 53 000. Стрелки указывают на наружную и внутреннюю мембрану. (По Nielsen et al., Fundamental concepts of Biology, New York, Wiley, 1970.)

2. Хромосомы человека 147

тивоположность ядерному геному (разд. 2.3.1.1) нуклеотидная последовательность митохондрий характеризуется весьма экономной организацией: в ней нет или имеется очень мало некодирующих участков. Кроме того, в митохондриальной ДНК транскрибируются и транслируются обе цепи. Во многих случаях триплет, определяющий терминацию транскрипции, не закодирован в ДНК, а создается посттранскрипционно. И наконец, по ряду характеристик генетический код митохондриальной ДНК человека отличается от универсального: UGA кодирует триптофан, а не терминацию транскрипции, AUA кодирует метионин, а не изолейцин, AGA и AGG являются стоп-кодонами, а аргинин не кодируют. Существенно также, что в третьей позиции кодонов, которая является основным источником вырожденности кода, А или С (по сравнению с G или Т) встречаются чаще, чем в ядерном геноме.

Полиморфизм ДНК и наследственные болезни, связанные с митохондриальными мутациями. Расшифровка нуклеотидной последовательности митохондриального генома человека ускорила выявление в нем полиморфных сайтов рестрикции (разд. 2.3.2.7, см. разд. 6.1). Бланк и соавт. [305] для анализа ДНК использовали 12 рестриктаз. В группу испытуемых входило 112 человек, принадлежащих разным расовым группам. Скринировали суммарно 441 сайт рестрикции. Из всех исследованных сайтов 163 оказались полиморфными, т.е. присутствовали у одних и отсутствовали у других индивидов. Остальные 278 сайтов оказались константными. Полиморфизм наблюдали во всех частях генома. Кроме того, обнаружены расовые различия в отношении частоты ряда полиморфных вариантов [336; 305].

До настоящего времени генетическая рекомбинация митохондриальной ДНК человека не обнаружена; если она и происходит, то, вероятно, очень редко. Следовательно, рестрикционный полиморфизм митохондриальной ДНК в популяции отражает картину ее мутационной истории. Это означает, что, сравнивая популяции по полиморфизму этого типа, можно определить их происхождение и историю много точнее, чем на основе анализа полиморфизма классического типа (разд. 6.2.3).

Рис. 2.99. Митохондриальный геном человека представляет собой двухцепочечное кольцо. Цепи отличаются по их плотности в градиенте CsCl: тяжелая (Н) и легкая (L). Стрелки показывают направление транскрипции. Начало стрелок совпадает с сайтом промотора. Участки, обозначенные жирной линией, содержат идентифицированные гены двух молекул рРНК; гены CoI, CoII и СоIII для субъединиц оксидазы цитохрома с; для субъединицы 6 АТР-синтазы и для цитохрома b, Гены тРНК для различных аминокислот обозначены точками. L-цепь содержит 8 генов тРНК. Пустые участки, вероятно, кодируют еще неидентифицированные гены. (По Kuppers, Molekulare Genetik, 4th ed., 1985.)

Большое количество митохондрий содержится в ооцитах, тогда как в спермин их только четыре. При оплодотворении эти митохондрии не попадают в ооцит. Следовательно, все митохондрии во всех клетках любого индивида имеют материнское происхождение [360]. В связи с этим возникает вопрос, может ли мутация в митохондриальной ДНК быть причиной наследственного заболевания. Такая патология должна передаваться только от матери всем ее детям (разд. 3.15).

Представляется, что такой тип наследо-

148 2. Хромосомы человека

вания маловероятен, ведь каждый ооцит содержит множество митохондрий, и если в одной из них произошла мутация, все остальные остаются немутантными и, следовательно, не должно быть никакого фенотипического эффекта. С другой стороны, такой же аргумент справедлив и в отношении рестрикционного полиморфизма митохондриальной ДНК. Однако полиморфизм этого типа наследуется всеми детьми от матери, причем все митохондрии одного индивида генетически однородны. Какова причина этого пока непонятного явления? Может быть, все митохондрии ооцита являются потомками одной стволовой митохондрии?