Митохондриальный геном
Впервые генетические структуры митохондрий были обнаружены в начале 60-х гг. в экспериментах, когда удалось обнаружить нити, дающие окрашивание с красителями ДНК, которые разрушались нуклеазами. Дальнейшие исследования показали, что митохондриальные ДНК (мтДНК) основных систематических групп эукариот – простейших, растений, грибов и животных, несмотря на ряд общих свойств, значительно отличаются друг от друга. Митохондриальные геномы животных и высших растений различаются не только по размеру, но и по своей организации.
Митохондриальный геном растений представляет собой крайне изменчивую по структуре, но достаточно стабильную по числу находящихся в нем генов систему. Электронная микроскопия выявила как кольцевые, так и линейные молекулы в различных соотношениях и различной длины. В митохондриальном геноме гены, кодирующие белок и РНК, составляют менее 20%. Значительное увеличение размера генома происходит за счет интронов, различных повторяющихся последовательностей, ядерных и пластидных ДНК, встроившихся в мтДНК. Функция более 50% мт генома пока не выяснена. В митохондриальной генетической системе найдены гены тРНК и рРНК, структурных рибосомных белков, и около 20 компонентов дыхательной цепи. Очевидно, что гены, кодирующие ферменты транскрипции, процессинга и трансляции митохондриальных генов, локализованы в ядерном геноме. Как и в случае хлоропластов, можно говорить лишь о частичной автономности генетической системы митохондрий, поскольку для экспрессии даже тех генов, которые содержит мтДНК, необходима тесная кооперация с генетической системой ядра.
Структура и экспрессия митохондриального генома грибов изучены главным образом на примере дрожжей и нейроспоры. Основной наследственной единицей генома митохондрий дрожжей является нуклеоид диаметром 20-50 нм и состоящий обычно из 3-4 молекул мтДНК. МтДНК дрожжей связана с гистоноподобными белками. Редко удавалось выделить мтДНК в виде замкнутого кольца размером 25 мк. У трети из 60 изученных видов дрожжей обнаружены линейные молекулы мтДНК. Размеры митохондриального генома варьируют от 17,3 до 101 тысяч пар нуклеотидов, общее число генов изменяется незначительно, что объясняется наличием или отсутствием интронов и изменчивостью межгенных участков – спейсеров. Общее количество ГЦ-пар мало – 18%, молекула состоит из ГЦ- и АТ-богатых участков.
МтДНК нейроспоры представляет двухцепочечную кольцевую молекулу размером 62 т.п.н. Найдено 27 генов тРНК, ген рибосомального белка 5 S, гены 7 единиц НАДН-дегидрогеназы, ряд URF.
Митохондриальный геном животных, и особенно млекопитающих, является самой интенсивно исследуемой группой внеядерных генетических систем. Интерес к этому геному определяется развитием так называемой митохондриальной медицины. Мутации митохондриального генома человека могут приводить к тяжелым наследственным заболеваниям и связаны также с процессами старения.
МтДНК животных представляет собой замкнутую кольцевую молекулу размером от 14 до 42 т.п.н. Содержание ГЦ-пар невелико, в случае его увеличения основания распределяются асимметрично. Комплементарные цепи в мтДНК значительно различаются по удельной плотности, поскольку содержат неодинаковое количество “тяжелых” пуриновых и “легких” пиримидиновых нуклеотидов. Различают H (heavy – тяжелая) и L (light – легкая) цепи. Митохондриальные геномы животных несут стандартный набор из 37 генов, не содержащих интронов. Это гены рРНК (16S и 12S), гены 22 видов тРНК, цитохрома b (комплекс III), 3 гена оксидазы цитохрома с (комплекс IV), 2 гена АТФ-синтазы, 7 генов дыхательной цепи НАДН-дегидрогеназы. Порядок расположения генов в митохондриальном геноме разных животных может меняться. Большая часть генов расположена на H-нити мтДНК, это 14 генов тРНК, оба гена рРНК, и 11 генов, кодирующих белки. 8 генов тРНК и два белок-кодирующих гена расположены на L-нити. Гены расположены почти вплотную, межгенные спейсеры составляют 1-9 нуклеотидов.
H- и L- цепи мтДНК реплицируются асинхронно. В начале репликации молекулы мтДНК образуется так называемая петля смещения, или D-петля (от англ. displacement loop). Эта структура, видимая в электронный микроскоп, состоит из двухцепочечного и одноцепочечного (отодвинутой части Н-цепи) участков. Двухцепочечный участок образуется частью L-цепи и комплементарным ей вновь синтезированным фрагментом ДНК, имеющим на 5'-конце рибонуклеотидную затравку, которая соответствует точке начала синтеза Н-цепи (ori H). Синтез L-цепи начинается лишь тогда, когда дочерняя Н-цепь доходит до точки ori L, находящейся на расстоянии примерно 2/3 длины молекулы мтДНК от ori H. Область инициации репликации L-цепи доступна для ДНК-полимераз лишь в одноцепочечном состоянии, а следовательно, только в расплетенной двойной спирали при синтезе Н-цепи. Таким образом, дочерние цепи мтДНК синтезируются непрерывно и асинхронно
Митохондриальный геном человека интенсивно изучается. МтДНК имеет размер 16 569 пар нуклеотидов, кольцевую структуру, 37 генов, реплицируется с образованием D-петли, и экспрессируется с участием ряда ядерных факторов. Мутации и различные реорганизации генома человека могут приводить к возникновению различных заболеваний (диабет, миопатия, энцефалопатия, кардиомиопатия, мультисистемные расстройства, и т.д.). Показано наличие реорганизаций митохондриального генома также при старении и злокачественном перерождении тканей.
БИОСИНТЕЗ ДНК
Достарыңызбен бөлісу: |
