Митохондриальный геном и митохондриальные заболевания человека. Функционирование митохондриального генома Митохондриальных генов

Происхождение, то есть были приобретены предками эукариот лишь однажды.

На основании сходства в последовательностях нуклеотидов ДНК ближайшими родственниками митохондрий среди ныне живущих прокариот считают альфа-протеобактерий (в частности, выдвигалась гипотеза, что к митохондриям близки риккетсии). Сравнительный анализ геномов митохондрий показывает, что в ходе эволюции происходило постепенное перемещение генов предков современных митохондрий в ядро клетки. Необъяснимыми с эволюционной точки зрения остаются некоторые особенности митохондриальной ДНК (например, довольно большое число интронов , нетрадиционное использование триплетов и другие). Ввиду ограниченного размера митохондриального генома бо́льшая часть митохондриальных белков кодируется в ядре. При этом бо́льшая часть митохондриальных тРНК кодируются митохондриальным геномом.

Формы и число молекул митохондриальной ДНК

У большинства изученных организмов митохондрии содержат только кольцевые молекулы ДНК, у некоторых растений одновременно присутствуют и кольцевые, и линейные молекулы, а у ряда протистов (например, инфузорий) имеются только линейные молекулы.

У растений каждая митохондрия содержит несколько молекул ДНК разного размера, которые способны к рекомбинации.

При половом размножении митохондрии, как правило, наследуются исключительно по материнской линии, митохондрии сперматозоида обычно разрушаются после оплодотворения. Кроме того, большая часть митохондрий сперматозоида находятся в основании жгутика , которое при оплодотворении иногда теряется. В 1999 году было обнаружено, что митохондрии сперматозоидов помечены убиквитином (белком-меткой, которая приводит к разрушению отцовских митохондрий в зиготе) .

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 . Исследование митохондриальной ДНК в популяциях человека позволило вычислить «митохондриальную Еву », гипотетическую прародительницу всех живущих в настоящее время людей.

Наследование по отцовской линии

Для некоторых видов показана передача митохондриальной ДНК по мужской линии, например, у мидий . Наследование митохондрий по отцовской линии также описано для некоторых насекомых, например, для дрозофилы , медоносных пчел и цикад .

Существуют также данные о митохондриальном наследовании по мужской линии у млекопитающих. Описаны случаи такого наследования для мышей, при этом митохондрии, полученные от самца, впоследствии отторгаются. Такое явление показано для овец и клонированного крупного рогатого скота.

Наследование по отцовской линии у людей

До недавнего времени считалось, что митохондрии человека наследуются только по материнской линии. Был известен лишь один-единственный случай пациента, у которого в 2002 году достоверно обнаружили отцовскую митохондриальную ДНК .

Лишь недавнее исследование 2018 года показало, что митохондриальная ДНК человека иногда всё же может передаваться и по отцовской линии. Небольшое количество митохондрий отца может попасть в яйцеклетку матери вместе с цитоплазмой сперматозоида, но, как правило, отцовские митохондрии после этого из зиготы исчезают. Однако, было обнаружено, что у некоторых людей существует «мутация, которая помогает выживать митохондриям отца» .

Геном митохондрий

У млекопитающих каждая молекула мтДНК содержит 15000-17000 пар оснований (у человека 16565 пар нуклеотидов - исследование закончено в 1981 году, по другому источнику 16569 пар ) и содержит 37 генов - 13 кодируют белки, 22 - гены тРНК , 2 - рРНК (по одному гену для 12S и 16S рРНК). Другие многоклеточные животные имеют схожий набор митохондриальных генов, хотя некоторые гены могут иногда отсутствовать. Генный состав мтДНК разных видов растений, грибов и особенно протистов различается более значительно. Так, у жгутиконосца-якобиды Reclinomonas americana найден наиболее полный из известных митохондриальных геномов: он содержит 97 генов , в том числе 62 гена, кодирующих белки (27 рибосомальных белков, 23 белка, участвующих в работе электрон-транспортной цепи и в окислительном фосфорилировании , а также субъединицы РНК-полимеразы).

Один из наиболее маленьких митохондриальных геномов имеет малярийный плазмодий (около 6.000 п.о., содержит два гена рРНК и три гена, кодирующих белки).

Недавно открытые рудиментарные митохондрии (митосомы) некоторых протистов (дизентерийной амёбы , микроспоридий и лямблий) не содержат ДНК.

Митохондриальные геномы различных видов грибов содержат от 19 431 (делящиеся дрожжи Schizosaccharomyces pombe ) до 100 314 (сордариомицет Podospora anserina ) пар нуклеотидов .

Некоторые растения имеют огромные молекулы митохондриальной ДНК (до 25 миллионов пар оснований), при этом содержащие примерно те же гены и в том же количестве, что и меньшие мтДНК. Длина митохондриальной ДНК может широко варьировать даже у растений одного семейства. В митохондриальной ДНК растений имеются некодирующие повторяющиеся последовательности.

Геном человека содержит только по одному промотору на каждую комплементарную цепь ДНК .

Геном митохондрий человека кодирует следующие белки и РНК:

Особенности митохондриальной ДНК

Кодирующие последовательности (кодоны) митохондриального генома имеют некоторые отличия от кодирующих последовательностей универсальной ядерной ДНК.

Так, кодон AUA кодирует в митохондриальном геноме метионин (вместо изолейцина в ядерной ДНК), кодоны AGA и AGG - терминаторные кодоны (в ядерной ДНК кодируют аргинин), кодон UGA в митохондриальном геноме кодирует триптофан .

Если говорить точнее, то речь идёт не о митохондриальной ДНК, а о мРНК , которая списывается (транскрибируется) с этой ДНК перед началом синтеза белка. Буква U в обозначении кодона обозначает уридин , который при транскрипции гена в РНК заменяет тимин .

Количество генов тРНК (22 гена) меньше, чем в ядерном геноме с его 32 генами тРНК .

В человеческом митохондриальном геноме информация настолько сконцентрирована, что в последовательностях, кодирующих мРНК, как правило, частично удалены нуклеотиды, соответствующие 3"-концевым терминаторным кодонам .

Применение

Кроме использования при построении различных филогенетических теорий, изучение митохондриального генома - основной инструмент при проведении идентификации . Возможность идентификации связана с существующими в митохондриальном геноме человека групповыми и даже индивидуальными различиями.

Последовательность участка гена субъединицы I цитохром с-оксидазы, кодируемого в митохондриальной ДНК, широко используется в проектах, связанных с ДНК-баркодированием животных - определением принадлежности организма к тому или иному таксону на основе коротких маркеров в его ДНК . Для баркодирования растений используется преимущественно комбинация двух маркёров в пластидной ДНК .

Группа Шухрата Миталипова из центра эмбриональных клеток и генной терапии Орегонского университета разработала метод замены митохондриальной ДНК для лечения наследственных митохондриальных заболеваний. Сейчас в Великобритании начаты клинические испытания этого метода, получившего неофициальное название «3-parent baby technique» - «ребенок от трех родителей». Известно также о рождении в результате этой процедуры ребенка в Мексике .

Примечания

1. Джинкс Д., Нехромосомная наследственность, пер. с англ., М., 1966; Сэджер Р., Гены вне хромосом, в кн.: Молекулы и клетки, пер. с англ., М., 1966.
2. Nass, M.M. & Nass, S. (1963 at the Wenner-Gren Institute for Experimental Biology, Stockholm University, Stockholm , Sweden): Intramitochondrial Fibers with DNA characteristics (PDF). In: J. Cell. Biol. Bd. 19, S. 593-629. PMID 14086138
3. Ellen Haslbrunner, Hans Tuppy and Gottfried Schatz (1964 at the Institut for Biochemistry at the Medical Faculty of the University of Vienna in Vienna , Австрия): «Deoxyribonucleic Acid Associated with Yeast Mitochondria» (PDF) Biochem. Biophys. Res. Commun. 15, 127-132.
4. Iborra F. J., Kimura H., Cook P. R. The functional organization of mitochondrial genomes in human cells (англ.) // BMC Biol. (англ.) русск. : journal. - 2004. - Vol. 2 . - P. 9 . - DOI :10.1186/1741-7007-2-9 . - PMID 15157274 .
5. Дымшиц Г. М. Сюрпризы митохондриального генома. Природа, 2002, N 6
6. Wiesner R. J., Ruegg J. C., Morano I. Counting target molecules by exponential polymerase chain reaction, copy number of mitochondrial DNA in rat tissues (англ.) // Biochim Biophys Acta. (англ.) русск. : journal. - 1992. - Vol. 183 . - P. 553-559 . - PMID 1550563 .
7. doi:10.1016/j.exppara.2006.04.005 (недоступная ссылка)
8. Alexeyev, Mikhail F.; LeDoux, Susan P.; Wilson, Glenn L. Mitochondrial DNA and aging (неопр.) // Clinical Science. - 2004. - July (т. 107 , № 4 ). - С. 355-364 . - DOI :10.1042/CS20040148 . - PMID 15279618 .
9. Ченцов Ю. С. Общая цитология. - 3-е изд. - МГУ, 1995. - 384 с. - ISBN 5-211-03055-9 .
10. Sutovsky, P., et. al. Ubiquitin tag for sperm mitochondria (англ.) // Nature . - Nov. 25, 1999. - Vol. 402 . - P. 371-372 . - DOI :10.1038/46466 . - PMID 10586873 . Discussed in
11. Vilà C., Savolainen P., Maldonado J. E., and Amorin I. R. Multiple and Ancient Origins of the Domestic Dog (англ.) // Science : journal. - 1997. - 13 June (vol. 276 ). - P. 1687-1689 . - ISSN 0036-8075 . - DOI :10.1126/science.276.5319.1687 . - PMID 9180076 .
12. Hoeh W. R., Blakley K. H., Brown W. M. Heteroplasmy suggests limited biparental inheritance of Mytilus mitochondrial DNA (англ.) // Science: journal. - 1991. - Vol. 251 . - P. 1488-1490 . - DOI :10.1126/science.1672472 . - PMID 1672472 .
13. Penman, Danny . Mitochondria can be inherited from both parents , NewScientist.com (23 августа 2002). Дата обращения 5 февраля 2008.
14. Kondo R., Matsuura E. T., Chigusa S. I. Further observation of paternal transmission of Drosophila mitochondrial DNA by PCR selective amplification method (англ.) // Genet. Res. (англ.) русск. : journal. - 1992. - Vol. 59 , no. 2 . - P. 81-4 . - PMID 1628820 .
15. Meusel M. S., Moritz R. F. Transfer of paternal mitochondrial DNA during fertilization of honeybee (Apis mellifera L.) eggs (англ.) // Curr. Genet. : journal. - 1993. - Vol. 24 , no. 6 . - P. 539-543 . - DOI :10.1007/BF00351719 . - PMID 8299176 .
16. Fontaine, K. M., Cooley, J. R., Simon, C. Evidence for paternal leakage in hybrid periodical cicadas (Hemiptera: Magicicada spp.) (исп.) // PLoS One. : diario. - 2007. - V. 9 . - P. e892 . - DOI :10.1371/journal.pone.0000892 .
17. Gyllensten U., Wharton D., Josefsson A., Wilson A. C. Paternal inheritance of mitochondrial DNA in mice (англ.) // Nature. - 1991. - Vol. 352 , no. 6332 . - P. 255-257 . - DOI :10.1038/352255a0 . - PMID 1857422 .
18. Shitara H., Hayashi J. I., Takahama S., Kaneda H., Yonekawa H. Maternal inheritance of mouse mtDNA in interspecific hybrids: segregation of the leaked paternal mtDNA followed by the prevention of subsequent paternal leakage (англ.) // Genetics: journal. - 1998. - Vol. 148 , no. 2 . - P. 851-857 . - PMID 9504930 .

Что такое митохондриальная ДНК?

Митохондриальная ДНК (мтДНК) - представляет собой ДНК, расположенную в митохондриях, клеточных органеллах внутри эукариотических клеток, которые преобразуют химическую энергию из пищи в той форме, в которой клетки могут ее использовать - аденозинтрифосфата (АТФ). Митохондриальная ДНК являет собой лишь небольшую часть ДНК в эукариотической клетке; большую часть ДНК можно обнаружить в ядре клетки, у растений и водорослей, а также в пластидах, таких как хлоропласты.

У людей 16569 пар оснований митохондриальной ДНК кодируют всего 37 генов. Человеческая митохондриальная ДНК была первой значительной частью генома человека, подлежащей секвенированию. У большинства видов, включая людей, мтДНК наследуется только от матери.

Посколько мтДНК животных развивается быстрее, чем ядерные генетические маркеры, она представляет собой основу филогенетики и эволюционной биологии. Это стало важным пунктом в антропологии и биогеографии, так как позволяет изучать взаимосвязь популяций.

Гипотезы происхождения митохондрий

Ядерная и митохондриальная ДНК, как полагают, имеет разное эволюционное происхождение, причем мтДНК выведена из кольцевых геномов бактерий, которые были поглощены ранними предками современных эукариотических клеток. Эта теория называется эндосимбиотической теорией. По оценкам, каждая митохондрия содержит копии 2-10 мтДНК. В клетках существующих организмов подавляющее большинство белков, присутствующих в митохондриях (численность около 1500 различных типов у млекопитающих) кодируются ядерной ДНК, но гены для некоторых из них, если не большинство, считаются первоначально бактериальными, с тех пор они были перенесены в эукариотическое ядро ​​во время эволюции.

Обсуждаются причины, по которым митохондрии сохраняют некоторые гены. Существование у некоторых видов митохондриального происхождения органелл, не имеющих генома, позволяет предполагать, что возможна полная потеря гена, а перенос митохондриальных генов в ядро ​​имеет ряд преимуществ. Трудность ориентации дистанционно производимых гидрофобных белковых продуктов в митохондриях является одной из гипотез почему некоторые гены сохраняются в мтДНК. Совместная локализация для окислительно-восстановительного регулирования является другой теорией, ссылаясь на желательность локализованного контроля над митохондриальными механизмами. Недавний анализ широкого спектра митохондриальных геномов предполагает, что обе эти функции могут диктовать удержание митохондриального гена.

Генетическая экспертиза мтДНК

В большинстве многоклеточных организмов, мтДНК наследуется от матери (по материнской линии). Для этого механизмы включают простое разведение (яйцо содержит в среднем 200000 молекул мтДНК, тогда как здоровая сперма человека содержит в среднем 5 молекул), деградацию спермы мтДНК в мужских половых путях, в оплодотворенной яйцеклетке, и, по крайней мере, в нескольких организмах, неспособность мтДНК спермы проникать в яйцо. Каким бы ни был механизм, это однополярное наследование - наследования мтДНК, которое встречается у большинства животных, растений и грибов.

Наследование по материнской линии

При половом размножении митохондрии обычно унаследованы исключительно от матери; митохондрии в сперме млекопитающих обычно уничтожаются яйцеклеткой после оплодотворения. Кроме того, большинство митохондрий присутствует у основания хвоста сперматозоида, который используется для движения клеток спермы; иногда во время оплодотворения хвост теряется. В 1999 году сообщалось, что отцовские митохондрии сперматозоида (содержащие мтДНК) отмечены убиквитином для последующего разрушения внутри эмбриона. Некоторые методы оплодотворения in vitro, в частности, инъекция спермы в ооцит могут мешать этому.

Тот факт, что митохондриальная ДНК наследуется по материнской линии позволяет генеалогическим исследователям проследить материнскую линию далеко назад во времени. (Y-хромосомная ДНК наследуется по отцовской линии, используется аналогичным образом для определения патрилинейной истории.) Обычно это осуществляется на митохондриальной ДНК человека путем секвенирования гипервариабельной области управления (HVR1 или HVR2), а иногда и полной молекулы митохондриальной ДНК как генеалогический тест ДНК. Например, HVR1 состоит примерно из 440 пар оснований. Затем эти 440 пар сравниваются с контрольными областями других лиц (либо конкретных людей или субъектов в базе данных) для определения материнской линии. Чаще всего сравнение проводится с пересмотренной Кембриджской справочной последовательностью. Vilà et al. опубликовали исследования, посвященные матрилинейному сходству домашних собак и волков. Концепция Митохондриальной Евы основана на одном и том же типе анализа, пытается обнаружить происхождение человечества, отслеживает происхождение назад во времени.

мтДНК является высококонсервативной, а ее относительно медленные скорости мутаций (по сравнению с другими областями ДНК, такими как микросателлиты) делают ее полезной для изучения эволюционных отношений - филогении организмов. Биологи могут определить, а затем сравнить мтДНК последовательности у разных видов и использовать сравнения для построения эволюционного дерева для изученных видов. Однако, из-за медленных скоростей мутаций, которые он испытывает, часто трудно различать близкородственные виды в любой степени, поэтому необходимо использовать другие методы анализа.

Мутации митохондриальной ДНК

Можно ожидать, что лица, подвергающиеся однонаправленному наследованию и почти без рекомбинации, подвергаются трещотке Мюллера, накоплению вредных мутаций до тех пор, пока не будет потеряна функциональность. Популяции животных митохондрий избегают этого накопления из-за процесса развития, известного как узкое место мтДНК. Узкое место использует стохастические процессы в клетке для увеличения изменчивости клетки-к-клетке в мутантной нагрузке, когда организм развивается, таким образом, что одна яйцеклетка с некоторой долей мутантной мтДНК создает эмбрион, в котором разные клетки имеют различные мутантные нагрузки. Затем может быть выбран клеточный уровень, чтобы удалить эти клетки с большей мутантной мтДНК, что приведет к стабилизации или уменьшению мутантной нагрузки между поколениями. Механизм, лежащий в основе узкого места, обсуждается с недавней математической и экспериментальной метастадией и служит доказательством комбинации случайного разбиения мтДНК на клеточные деления и случайного оборота молекул мтДНК внутри клетки.

Наследование по отцовской линии

Двукратное однонаправленное наследование мтДНК наблюдается у двустворчатых моллюсков. У этих видов самки имеют только один тип мтДНК (F), тогда как самцы имеют мтДНК типа F в своих соматических клетках, но M тип мтДНК (которая может достигать 30% расходящихся) в клетках зародышевой линии. У материнских унаследованных митохондрий дополнительно сообщалось о некоторых насекомых, таких как плодовые мухи, пчелы и периодические цикады.

Мужское митохондриальное наследования было недавно обнаружено у циплят Плимут-Рок. Доказательства подтверждают редкие случаи мужского митохондриального наследования у некоторых млекопитающих. В частности, документально подтвержденные случаи существуют для мышей, где впоследствии были отвергнуты мужские наследственные митохондрии. Кроме того, он был обнаружен у овец, а также у клонированного крупного рогатого скота. Однажды был обнаружен в организме мужчины.

Несмотря на то, что многие из этих случаев связаны с клонированнием эмбрионов или последующим отторжением отцовской митохондрии, другие документируют наследование и стойкость in vivo в лабораторных условиях.

Митохондриальное донорство

Метод IVF, известный как митохондриальное донорство или митохондриальная заместительная терапия (МЗТ), приводит к потомству, содержащащему мтДНК от доноров женского пола и ядерной ДНК от матери и отца. В процедуре переноса шпинделя, ядро ​​яйца вводится в цитоплазму яйцеклетки от донора-самки, у которой было ​​удалено ядро, но которое по-прежнему содержит мтДНК женского донора. Композиционное яйцо затем оплодотворяется спермой мужчины. Эта процедура используется тогда, когда женщина с генетически неполноценными митохондриями, хочет производить потомство со здоровыми митохондриями. Первым известным ребенком, который родился в результате митохондриального пожертвования, был мальчик, родившийся у иорданской пары, в Мексике 6 апреля 2016 года.

Структура митохондриальной ДНК

В большинстве многоклеточных организмов, мтДНК - или митогеном - организована в виде круглой, циркулярно замкнутой, двухцепочной ДНК. Но во многих одноклеточных (например, тетрахимены или зеленой водоросли Chlamydomonas reinhardtii) и в редких случаях у многоклеточных организмов (например, у некоторых видов книдарий), мтДНК находится как линейно организованная ДНК. Большинство этих линейных мтДНК обладают теломеразо-независимыми теломерами (то есть концами линейной ДНК) с различными режимами репликации, которые сделали их интересными объектами исследования, так как многие из этих одноклеточных организмов с линейной мтДНК являются известными патогенами.

Для митохондриальной ДНК человека (и, вероятно, для метазоанов), 100-10000 отдельных копий мтДНК обычно присутствуют в соматической клетке (яйцеклетки и сперматозоиды являются исключениями). У млекопитающих каждая из двухцепочной молекулы круговой мтДНК состоит из 15000-17000 пар оснований. Две цепи мтДНК различаются по их нуклеотидному содержанию, богатая гуанидом прядь называется тяжелой цепью (или Н-цепью), а богатую цинозином нить называют легкой цепью (или L-нитью). Тяжелая цепь кодирует 28 генов, а легкая - 9 генов, в общей сложности 37 генов. Из 37 генов 13 предназначены для белков (полипептидов), 22 - для передачи РНК (тРНК) и два - для малых и больших субъединиц рибосомальной РНК (рРНК). Митогеном человека содержит перекрывающиеся гены (ATP8 и ATP6, а также ND4L и ND4: см. Карту генома человека митохондрий), которая редко встречается в геномах животных. 37-генная картина также встречается среди большинства метазоанов, хотя, в некоторых случаях, один или несколько из этих генов отсутствуют, а диапазон размеров мтДНК больше. Еще большее изменение содержания и размера генов мтДНК существует среди грибов и растений, хотя, как представляется, существует основное подмножество генов, которое присутствует во всех эукариотах (за исключением немногих, у которых вообще нет митохондрий). Некоторые виды растений имеют огромные мтДНК (столько, сколько 2500000 пар оснований на молекулу мтДНК), но, как ни удивительно, даже эти огромные мтДНК содержат одинаковое число и виды генов, как родственные растения с гораздо меньшими мтДНК.

Геном митохондрии огурца (Cucumis Sativus) состоит из трех кольцевых хромосом (длина 1556, 84 и 45 т.п.н.), которые полностью или в значительной степени автономны в отношении их репликации.

В митохондриальных геномах обнаружено шесть основных типов генома. Эти типы геномов были классифицированы «Колесниковым и Герасимовым (2012)» и различаются различными способами, такими как круговой, по сравнению с линейным геномом, размером генома, наличием интронов или подобных плазмидных структур, а также является ли генетический материал особой молекулой, коллекцией гомогенных или гетерогенных молекул.

Расшифровка генома животных

В клетках животных существует только один тип митохондриального генома. Этот геном содержит одну круговую молекулу между 11-28кбп генетического материала (тип 1).

Расшифровка генома растений

Существует три различных типа генома, содержащихся в растениях и грибах. Первый тип - это круговой геном, который имеет интроны (тип 2) длиной от 19 до 1000 кбп. Второй тип генома представляет собой круговой геном (около 20-1000 кбп), который также имеет плазмидную структуру (1kb) (тип 3). Конечный тип генома, который можно найти в растении и грибах представляет собой линейный геном, состоящий из гомогенных молекул ДНК (тип 5).

Расшифровка генома протистов

Протисты содержат самые разнообразные митохондриальные геномы, которые включают пять разных типов. Тип 2, тип 3 и тип 5, упомянутые в геноме растений и грибов, также существуют в некоторых простейших, а также в двух уникальных типах генома. Первым из них является гетерогенная коллекция круговых молекул ДНК (тип 4), а конечный тип генома, обнаруженный у протистов, представляет собой гетерогенную коллекцию линейных молекул (тип 6). Типы геномов 4 и 6 варьируются от 1 до 200 кб.,

Передача эндосимбиотических генов, процесс генов, кодируемых в митохондриальном геноме, переносится в основном геном клетки, вероятно, это объясняет почему более сложные организмы, например, люди, имеют меньшие митохондриальные геномы, чем более простые организмы, такие как простейшие.

Репликация митохондриальной ДНК

Митохондриальная ДНК реплицируется гамма-комплексом ДНК-полимеразы, который состоит из каталитической ДНК-полимеразы размером 140 кДа, кодируемой геном POLG и двумя вспомогательными субъединицами 55 кДа, закодированными геном POLG2. Репликационное устройство образовано ДНК-полимеразой, TWINKLE и митохондриальными SSB-белками. TWINKLE - это геликаза, которая разматывает короткие отрезки dsDNA в направлении от 5 "до 3".

Во время эмбриогенеза репликация мтДНК строго отрегулирована от оплодотворенного ооцита через предимплантационный эмбрион. Результативное сокращение количества клеток в каждой клетке мтДНК играет роль в узком месте митохондрий, использующем изменчивость клеток к клетке для улучшения наследования повреждающих мутаций. На стадии бластоцитов начало репликации мтДНК специфично для клеток трофтокодера. Напротив, клетки внутренней клеточной массы ограничивают репликацию мтДНК до тех пор, пока они не получат сигналы для дифференциации к конкретным типам клеток.

Транскрипция митохондриальной ДНК

В митохондриях животных каждая нить ДНК непрерывно транскрибируется и производит полицистронную молекулу РНК. Между большинством (но не во всех) белок-кодирующих областях присутствуют тРНК (см. Карту генома митохондрий человека). Во время транскрипции тРНК приобретает характерную L-форму, которая распознается и расщепляется конкретными ферментами. При обработке митохондриальной РНК отдельные фрагменты мРНК, рРНК и тРНК высвобождаются из первичного транскрипта. Таким образом, сложенные тРНК действуют как второстепенные пунктуации.

Митохондриальные заболевания

Понятие о том, что мтДНК особенно восприимчива к реактивным кислородным видам, генерируемым дыхательной цепью из-за его близости, остается спорным. мтДНК не накапливает больше окислительной базы, чем ядерная ДНК. Сообщалось, что, по крайней мере, некоторые виды повреждений окислительной ДНК восстанавливаются более эффективно в митохондриях, чем в ядре. мтДНК упаковывается с белками, которые, по-видимому, являются такими же защитными, как белки ядерного хроматина. Более того, митохондрии развили уникальный механизм, который поддерживает целостность мтДНК путем деградации чрезмерно поврежденных геномов с последующей репликацией интактной/восстановленной мтДНК. Этот механизм отсутствует в ядре и активируется несколькими копиями мтДНК, присутствующими в митохондриях. Результатом мутации в мтДНК может быть изменение инструкций кодирования для некоторых белков, что может влиять на метаболизм и/или пригодность организма.

Мутации митохондриальной ДНК могут привести к ряду заболеваний, включая непереносимость физической нагрузки и синдром Кирнс-Сайре (KSS), который заставляет человека терять полную функцию движений сердца, глаз и мышц. Некоторые данные свидетельствуют о том, что они могут вносить значительный вклад в процесс старения и связаны с возрастом патологии. В частности, в контексте заболевания, доля мутантных молекул мтДНК в клетке называется гетероплазмой. Распределения гетероплазмы внутри клетки и между клетками диктуют начало и тяжесть заболевания и находятся под влиянием сложных стохастических процессов внутри клетки и во время развития.

Мутации в митохондриальных тРНК могут быть ответственны за тяжелые заболевания, например, такие, как синдромы MELAS и MERRF.

Мутации в ядерных генах, кодирующие белки, которые используют митохондрии также могут способствовать митохондриальным заболеваниям. Эти болезни не соответствуют моделям наследования митохондрий, а вместо этого следуют менделевским схемам наследования.

В последнее время мутации в мтДНК были использованы для помощи диагностирования рака простаты у пациентов с отрицательной биопсией.

Механизм старения

Хотя идея является спорной, некоторые данные свидетельствуют о связи между старением и митохондриальной дисфункцией генома. В сущности, мутации в мтДНК нарушают тщательный баланс производства реактивного кислорода (ROS) и ферментативного ROS-продуцирования (ферментами, такими как супероксиддисмутаза, каталаза, глутатионпероксидаза и другие). Тем не менее, некоторые мутации, которые увеличивают производство ROS (например, за счет снижения антиоксидантной защиты) у червей увеличивают, а не уменьшают их долговечность. Кроме того, обнаженные мольные крысы, грызуны, размером с мышей, живут примерно в восемь раз дольше, чем мыши, несмотря на снижение, по сравнению с мышами, антиоксидантной защиты и повышенного окислительного повреждения биомолекул.

Однажды, как полагали, был положительный цикл обратной связи в работе («Vicious Cycle»); поскольку митохондриальная ДНК накапливает генетический ущерб, вызванный свободными радикалами, митохондрии теряют функцию и освобождают свободные радикалы в цитозоле. Снижение функции митохондрий снижает общую метаболическую эффективность. Однако, эта концепция была окончательно опровергнута, когда было продемонстрировано, что мыши, генетически измененные для накопления мутаций мтДНК с увеличенной скоростью, преждевременно стареют, но их ткани не вырабатывают больше ROS, как прогнозировалось гипотезой «Порочный цикл». Поддерживая связь между долговечностью и митохондриальной ДНК в некоторых исследованиях обнаружены корреляции между биохимическими свойствами митохондриальной ДНК и долговечностью видов. Проводятся обширные исследования для дальнейшего изучения этой связи и методов борьбы со старением. В настоящее время генная терапия и нутрицевтические добавки являются популярными областями текущих исследований. Bjelakovic et al. проанализировал результаты 78 исследований в период между 1977 и 2012 годами, в которых участвовало, в общей сложности, 296707 участников, пришел к выводу, что антиоксидантные добавки не уменьшают смертность от каких-либо причин и не продлевают продолжительность жизни, в то время как некоторые из них, такие как бета-каротин, витамин Е и более высокие дозы витамина А, могут фактически увеличить смертность.

Контрольные точки удаления часто встречаются внутри или рядом с регионами, показывающими неканонические (не-B) конформации, а именно шпильки, крестообразные и подобные клеверу элементы. Кроме того, есть данные, подтверждающие вовлечение спирально искажающих криволинейных областей и длинных G-тетрад в выявлении событий нестабильности. Кроме того, более высокие точки плотности последовательно наблюдались в областях с перекосом GC и в непосредственной близости от вырожденного фрагмента последовательности YMMYMNNMMHM.

Чем митохондриальная ДНК отличается от ядерной?

В отличие от ядерной ДНК, которая унаследована от обоих родителей и в которой гены перегруппированы в процессе рекомбинации, обычно нет изменений в мтДНК от родителя к потомству. Хотя мтДНК также рекомбинирует, она делает это с копиями себя в пределах той же митохондрии. Из-за этого частота мутаций животных мтДНК выше, чем у ядерной ДНК. мтДНК является мощным инструментом для отслеживания родословной через женщин (matrilineage) и использовалась в этой роли для отслеживания родословной многих видов сотни поколений назад.

Стремительная частота мутаций (у животных) делает мтДНК полезной для оценки генетических взаимоотношений отдельных индивидуумов или групп в пределах вида, а также для идентификации и количественного определения филогении (эволюционных отношений) среди разных видов. Для этого биологи определяют, а затем сравнивают последовательность мтДНК с разными индивидуумами или видами. Данные сравнений используются для построения сети взаимоотношений между последовательностями, которые обеспечивают оценку отношений между отдельными лицами или видами, из которых были взяты мтДНК. мтДНК может быть использована для оценки взаимосвязи между близкими и удаленными видами. Из-за высокой частоты мутаций мтДНК у животных, 3-й позиции кодонов меняться относительно быстро, и, таким образом, предоставляет информацию о генетических расстояний между близкородственными особями или видами. С другой стороны, скорость замещения mt-белков очень низкая, поэтому изменения аминокислот накапливаются медленно (с соответствующими медленными изменениями в положениях 1-го и 2-го кодонов) и, таким образом, они предоставляют информацию о генетических расстояниях отдаленных родственников. Статистические модели, которые учитывают частоту замещения среди позиций кодонов отдельно, могут поэтому использоваться для одновременной оценки филогении, которая содержит как близкие, так и отдаленные виды.

История открытия мтДНК

Митохондриальная ДНК была обнаружена в 1960-х годах Маргитом М. К. Насом и Сильваном Насом с помощью электронной микроскопии в качестве чувствительных к ДНКазе нитей внутри митохондрий, а также Эллен Хасбруннер, Ханс Таппи и Готфрид Шац из биохимических анализов на высокоочищенных митохондриальных фракциях.

Митохондриальная ДНК впервые была признана в 1996 году во время штата Теннесси против Пола Уэра. В 1998 году в судебном деле Содружества Пенсильвании против Патриции Линн Роррер, митохондриальная ДНК впервые была принята в качестве доказательства в штате Пенсильвания. Случай был показан в эпизоде ​​55 5-го сезона настоящей серии драматических криминалистических судебных дел (сезон 5).

Митохондриальная ДНК впервые была признана в Калифорнии в ходе успешного преследования Дэвида Вестерфилда за похищение и убийство в 2002 году 7-летней Даниэль ван Дам в Сан-Диего: она использовалась как для идентификации людей, так и собак. Это было первое испытание в США, которое разрешило собачью ДНК.

Базы данных по мтДНК

Было создано несколько специализированных баз данных для сбора митохондриальных последовательностей генома и другой информации. Хотя большинство из них сосредоточены на данных о последовательности, некоторые из них включают в себя филогенетическую или функциональную информацию.

• MitoSatPlant: база данных микросателлитов митохондриальных виридиплантов.

• MitoBreak: база данных контрольных точек митохондриальной ДНК.

• MitoFish и MitoAnnotator: база данных о митохондриальном геноме рыб. Смотрите также Cawthorn и др.

• MitoZoa 2.0: база данных для сравнительного и эволюционного анализа митохондриальных геномов (больше недоступна)

• InterMitoBase: аннотированная база данных и платформа анализа белково-белковых взаимодействий для митохондрий человека (последний обновлен в 2010 году, но все еще является не доступным)

• Mitome:база данных для сравнительной митохондриальной геномики у многоклеточных животных (больше недоступна)

• MitoRes: ресурс ядерно-кодированных митохондриальных генов и их продуктов в метазоах (больше не обновлялся)

Существует несколько специализированных баз данных, которые сообщают о полиморфизмах и мутациях в митохондриальной ДНК человека вместе с оценкой их патогенности.

• MITOMAP: компендиум полиморфизмов и мутаций в митохондриальной ДНК человека.

• MitImpact: Сбор предсказанных прогнозов патогенности для всех изменений нуклеотидов, которые вызывают несинонимические замены в генах, кодирующих митохондриальные белки человека.

© Г.М.Дымшиц

Сюрпризы митохондриального генома

Г.М. Дымшиц

Григорий Моисеевич Дымшиц, доктор биологических наук, профессор кафедры молекулярной биологии Новосибирского государственного университета, заведующий лабораторией структуры генома Института цитологии и генетики Сибирского отделения РАН. Соавтор и редактор четырех школьных учебников по общей биологии.

Сегодня митохондриальная генетика человека интенсивно развивается как в популяционном, так и в медицинском аспекте. Установлена связь между рядом тяжелых наследственных заболеваний и дефектами в митохондриальных ДНК. Генетические изменения, ассоциированные со старением организма, наиболее выражены в митохондриях. Что же представляет из себя геном митохондрий, отличающийся у человека и других животных от такового у растений, грибов и простейших и по размеру, и по форме, и по генетической емкости? Как работает и как возник митохондриальный геном у разных таксонов? Об этом и пойдет речь в нашей статье.

Митохондрии называют энергетическими станциями клетки. Помимо наружной гладкой мембраны они имеют внутреннюю мембрану, образующую многочисленные складки - кристы. В них встроены белковые компоненты дыхательной цепи - ферменты, участвующие в преобразовании энергии химических связей окисляемых питательных веществ в энергию молекул аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Такой “конвертируемой валютой” клетка оплачивает все свои энергетические потребности. В клетках зеленых растений помимо митохондрий есть еще и другие энергетические станции - хлоропласты. Они работают на “солнечных батареях”, но тоже образуют АТФ из АДФ и фосфата. Как и митохондрии, хлоропласты - автономно размножающиеся органеллы - также имеют две мембраны и содержат ДНК.

В матриксе митохондрий, кроме ДНК, находятся и собственные рибосомы, по многим характеристикам отличающиеся от эвкариотических рибосом, расположенных на мембранах эндоплазматической сети. Однако на рибосомах митохондрий образуется не более 5% от всех белков, входящих в их состав. БOльшая часть белков, составляющих структурные и функциональные компоненты митохондрий, кодируется ядерным геномом, синтезируется на рибосомах эндоплазматической сети и транспортируется по ее каналам к месту сборки. Таким образом, митохондрии - это результат объединенных усилий двух геномов и двух аппаратов транскрипции и трансляции. Некоторые субъединичные ферменты дыхательной цепи митохондрий состоят из разных полипептидов, часть которых кодируется ядерным, а часть - митохондриальным геномом. Например, ключевой фермент окислительного фосфорилирования - цитохром-с-оксидаза у дрожжей состоит из трех субъединиц, кодируемых и синтезируемых в митохондриях, и четырех, кодируемых в ядре клетки и синтезируемых в цитоплазме. Экспрессией большинства генов митохондрий управляют определенные гены ядер.

Размеры и формы митохондриальных геномов

К настоящему времени прочитано более 100 разных геномов митохондрий. Набор и количество их генов в митохондриальных ДНК, для которых полностью определена последовательность нуклеотидов, сильно различаются у разных видов животных, растений, грибов и простейших. Наибольшее количество генов обнаружено в митохондриальном геноме жгутикового простейшего Rectinomonas americana - 97 генов, включая все кодирующие белок гены, найденные в мтДНК других организмов. У большинства высших животных геном митохондрий содержит 37 генов: 13 для белков дыхательной цепи, 22 для тРНК и два для рРНК (для большой субъединицы рибосом 16S рРНК и для малой 12S рРНК). У растений и простейших, в отличие от животных и большинства грибов, в митохондриальном геноме закодированы и некоторые белки, входящие в состав рибосом этих органелл. Ключевые ферменты матричного полинуклеотидного синтеза, такие как ДНК-полимераза (осуществляющая репликацию митохондриальной ДНК) и РНК-полимераза (транскрибирующая геном митохондрий), зашифрованы в ядре и синтезируются на рибосомах цитоплазмы. Этот факт указывает на относительность автономии митохондрий в сложной иерархии эвкариотической клетки.

Геномы митохондрий разных видов отличаются не только по набору генов, порядку их расположения и экспрессии, но по размеру и форме ДНК. Подавляющее большинство описанных сегодня митохондриальных геномов представляет собой кольцевые суперспирализованные двуцепочечные молекулы ДНК. У некоторых растений наряду с кольцевыми формами имеются и линейные, а у некоторых простейших, например инфузорий, в митохондриях обнаружены только линейные ДНК .

Как правило, в каждой митохондрии содержится несколько копий ее генома. Так, в клетках печени человека около 2 тыс. митохондрий, и в каждой из них - по 10 одинаковых геномов. В фибробластах мыши 500 митохондрий, содержащих по два генома, а в клетках дрожжей S.cerevisiae - до 22 митохондрий, имеющих по четыре генома.

Митохондриальный геном растений, как правило, состоит из нескольких молекул разного размера. Одна из них, “основная хромосома”, содержит большую часть генов, а кольцевые формы меньшей длины, находящиеся в динамическом равновесии как между собой, так и с основной хромосомой, образуются в результате внутри- и межмолекулярной рекомбинации благодаря наличию повторенных последовательностей (рис.1).

Рис 1. Схема образования кольцевых молекул ДНК разного размера в митохондриях растений.
Рекомбинация происходит по повторенным участкам (обозначены синим цветом).

Рис 2. Схема образования линейных (А), кольцевых (Б), цепных (В) олигомеров мтДНК.
ori - район начала репликации ДНК.

Размер генома митохондрий разных организмов колеблется от менее 6 тыс. пар нуклеотидов у малярийного плазмодия (в нем, помимо двух генов рРНК, содержится только три гена, кодирующих белки) до сотен тысяч пар нуклеотидов у наземных растений (например, у Arabidopsis thaliana из семейства крестоцветных 366924 пар нуклеотидов). При этом 7-8-кратные различия в размерах мтДНК высших растений обнаруживаются даже в пределах одного семейства. Длина мтДНК позвоночных животных отличается незначительно: у человека - 16569 пар нуклеотидов, у свиньи - 16350, у дельфина - 16330, у шпорцевой лягушки Xenopus laevis - 17533, у карпа - 16400. Эти геномы сходны также и по локализации генов, большинство которых располагаются встык; в ряде случаев они даже перекрываются, обычно на один нуклеотид, так что последний нуклеотид одного гена оказывается первым в следующем. В отличие от позвоночных, у растений, грибов и простейших мтДНК содержат до 80% некодирующих последовательностей. У разных видов порядок генов в геномах митохондрий отличается.

Высокая концентрация активных форм кислорода в митохондриях и слабая система репарации увеличивают частоту мутаций мтДНК по сравнению с ядерной на порядок. Радикалы кислорода служат причиной специфических замен Ц® Т (дезаминирование цитозина) и Г® Т (окислительное повреждение гуанина), вследствие чего, возможно, мтДНК богаты АТ-парами. Кроме того, все мтДНК обладают интересным свойством - они не метилируются, в отличие от ядерных и прокариотических ДНК. Известно, что метилирование (временная химическая модификация нуклеотидной последовательности без нарушения кодирующей функции ДНК) - один из механизмов программируемой инактивации генов .

Репликация и транскрипция ДНК митохондрий млекопитающих

У большинства животных комплементарные цепи в мтДНК значительно различаются по удельной плотности, поскольку содержат неодинаковое количество “тяжелых” пуриновых и “легких” пиримидиновых нуклеотидов. Так они и называются - H (heavy - тяжелая) и L (light - легкая) цепь. В начале репликации молекулы мтДНК образуется так называемая D-петля (от англ. displacement loop - петля смещения). Эта структура, видимая в электронный микроскоп, состоит из двуцепочечного и одноцепочечного (отодвинутой части Н-цепи) участков. Двуцепочечный участок формируется частью L-цепи и комплементарным ей вновь синтезированным фрагментом ДНК длиной 450-650 (в зависимости от вида организма) нуклеотидов, 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. Это обусловлено тем, что область инициации репликации L-цепи доступна для ферментов синтеза ДНК лишь в одноцепочечном состоянии, а следовательно, только в расплетенной двойной спирали при синтезе Н-цепи. Таким образом, дочерние цепи мтДНК синтезируются непрерывно и асинхронно (рис.3).

Рис 3. Схема репликации мтДНК млекопитающих.
Сначала формируется D-петля, затем синтезируется дочерняя Н-цепь,
потом начинается синтез дочерней L-цепи.

В митохондриях общее число молекул с D-петлей значительно превышает число полностью реплицирующихся молекул. Обусловлено это тем, что у D-петли есть дополнительные функции - прикрепление мтДНК к внутренней мембране и инициация транскрипции, поскольку в этом районе локализованы промоторы транскрипции обеих цепей ДНК.

В отличие от большинства эвкариотических генов, которые транскрибируются независимо друг от друга, каждая из цепей мтДНК млекопитающих переписывается с образованием одной молекулы РНК, начинающейся в районе ori H. Помимо этих двух длинных молекул РНК, комплементарных Н- и L-цепям, формируются и более короткие участки Н-цепи, которые начинаются в той же точке и заканчиваются на 3"-конце гена 16S рРНК (рис.4). Таких коротких транскриптов в 10 раз больше, чем длинных. В результате созревания (процессинга) из них образуются 12S рРНК и 16S рРНК, участвующие в формировании митохондриальных рибосом, а также фенилаланиновая и валиновая тРНК. Из длинных транскриптов вырезаются остальные тРНК и образуются транслируемые мРНК, к 3"-концам которых присоединяются полиадениловые последовательности. 5"-концы этих мРНК не кэпируются, что необычно для эвкариот. Сплайсинга (сращивания) не происходит, поскольку ни один из митохондриальных генов млекопитающих не содержит интронов.

Рис 4. Транскрипция мтДНК человека, содержащей 37 генов. Все транскрипты начинают синтезироваться в районе ori H. Рибосомные РНК вырезаются из длинного и короткого транскриптов Н-цепи. тРНК и мРНК образуются в результате процессинга из транскриптов обеих цепей ДНК. Гены тРНК обозначены светло-зеленым цветом.

Несмотря на то, что в геномах митохондрий млекопитающих и дрожжей содержится приблизительно одинаковое количество генов, размеры дрожжевого генома в 4-5 раз больше - около 80 тыс. пар нуклеотидов. Хотя кодирующие последовательности мтДНК дрожжей высоко гомологичны соответствующим последовательностям у человека, дрожжевые мРНК дополнительно имеют 5"-лидерную и 3"-некодирующую области, как и большинство ядерных мРНК. Ряд генов содержит еще и интроны. Так, в гене box, кодирующем цитохромоксидазу b, имеется два интрона. Из первичного РНК-транскрипта автокаталитически (без участия каких-либо белков) вырезается копия большей части первого интрона. Оставшаяся РНК служит матрицей для образования фермента матуразы, участвующей в сплайсинге. Часть ее аминокислотной последовательности закодирована в оставшихся копиях интронов. Матураза вырезает их, разрушая свою собственную мРНК, копии экзонов сшиваются, и образуется мРНК для цитохромоксидазы b (рис.5). Открытие такого феномена заставило пересмотреть представление об интронах, как о “ничего не кодирующих последовательностях”.

Рис 5. Процессинг (созревание) мРНК цитохромоксидазы b в митохондриях дрожжей.
На первом этапе сплайсинга образуется мРНК, по которой синтезируется матураза,
необходимая для второго этапа сплайсинга.

При изучении экспрессии митохондриальных генов Trypanosoma brucei обнаружилось удивительное отклонение от одной из основных аксиом молекулярной биологии, гласящей, что последовательность нуклеотидов в мРНК в точности соответствует таковой в кодирующих участках ДНК. Оказалось, мРНК одной из субъединиц цитохром-с-оксидазы редактируется, т.е. после транскрипции изменяется ее первичная структура - вставляется четыре урацила. В результате образуется новая мРНК, служащая матрицей для синтеза дополнительной субъединицы фермента, последовательность аминокислот в которой не имеет ничего общего с последовательностью, кодируемой нередактированной мРНК (см. таблицу).

Впервые обнаруженное в митохондриях трипаносомы редактирование РНК широко распространено в хлоропластах и митохондриях высших растений. Найдено оно и в соматических клетках млекопитающих, например, в кишечном эпителии человека редактируется мРНК гена аполипопротеина.

Наибольший сюрприз ученым митохондрии преподнесли в 1979 г. До того времени считалось, что генетический код универсален и одни и те же триплеты кодируют одинаковые аминокислоты у бактерий, вирусов, грибов, растений и животных. Английский исследователь Беррел сопоставил структуру одного из митохондриальных генов теленка с последовательностью аминокислот в кодируемой этим геном субъединице цитохромоксидазы. Оказалось, что генетический код митохондрий крупного рогатого скота (как и человека) не просто отличается от универсального, он “идеален”, т.е. подчиняется следующему правилу: “если два кодона имеют два одинаковых нуклеотида, а третьи нуклеотиды принадлежат к одному классу (пуриновых - А, Г, или пиримидиновых - У, Ц), то они кодируют одну и ту же аминокислоту”. В универсальном коде есть два исключения из этого правила: триплет АУА кодирует изолейцин, а кодон АУГ - метионин, в то время как в идеальном коде митохондрий оба эти триплета кодируют метионин; триплет УГГ кодирует лишь триптофан, а триплет УГА - стоп-кодон. В универсальном коде оба отклонения касаются принципиальных моментов синтеза белка: кодон АУГ - инициирующий, а стоп-кодон УГА останавливает синтез полипептида. Идеальный код присущ не всем описанным митохондриям, но ни у одной из них нет универсального кода. Можно сказать, что митохондрии говорят на разных языках, но никогда - на языке ядра.

Как уже говорилось, в митохондриальном геноме позвоночных есть 22 гена тРНК. Каким же образом такой неполный набор обслуживает все 60 кодонов для аминокислот (в идеальном коде из 64 триплетов четыре стоп-кодона, в универсальном - три)? Дело в том, что при синтезе белка в митохондриях упрощены кодон-антикодонные взаимодействия - для узнавания используется два из трех нуклеотидов антикодона. Таким образом, одна тРНК узнает все четыре представителя кодонового семейства, отличающиеся только третьим нуклеотидом. Например, лейциновая тРНК с антикодоном ГАУ встает на рибосоме напротив кодонов ЦУУ, ЦУЦ, ЦУА и ЦУГ, обеспечивая безошибочное включение лейцина в полипептидную цепь. Два других лейциновых кодона УУА и УУГ узнаются тРНК с антикодоном ААУ. В целом, восемь разных молекул тРНК узнают восемь семейств по четыре кодона в каждом, и 14 тРНК узнают разные пары кодонов, каждая из которых шифрует одну аминокислоту.

Важно, что ферменты аминоацил-тРНК-синтетазы, ответственные за присоединение аминокислот к соответствующим тРНК митохондрий, кодируются в ядре клетки и синтезируются на рибосомах эндоплазматической сети. Таким образом, у позвоночных животных все белковые компоненты митохондриального синтеза полипептидов зашифрованы в ядре. При этом синтез белков в митохондриях не подавляется циклогексимидом, блокирующим работу эвкариотических рибосом, но чувствителен к антибиотикам эритромицину и хлорамфениколу, ингибирующим белковый синтез в бактериях. Этот факт служит одним из аргументов в пользу происхождения митохондрий из аэробных бактерий при симбиотическом образовании эвкариотических клеток .

Симбиотическая теория происхождения митохондрий

Гипотезу о происхождении митохондрий и растительных пластид из внутриклеточных бактерий-эндосимбионтов высказал Р.Альтман еще в 1890 г. За век бурного развития биохимии, цитологии, генетики и появившейся полвека назад молекулярной биологии гипотеза переросла в теорию, основанную на большом фактическом материале. Суть ее такова: с появлением фотосинтезирующих бактерий в атмосфере Земли накапливался кислород - побочный продукт их метаболизма. С ростом его концентрации усложнялась жизнь анаэробных гетеротрофов, и часть из них для получения энергии перешла от бескислородного брожения к окислительному фосфорилированию. Такие аэробные гетеротрофы могли с бOльшим КПД, чем анаэробные бактерии, расщеплять органические вещества, образующиеся в результате фотосинтеза. Часть свободно живущих аэробов была захвачена анаэробами, но не “переварена”, а сохранена в качестве энергетических станций, митохондрий. Не стоит рассматривать митохондрии как рабов, взятых в плен, чтобы снабжать молекулами АТФ не способные к дыханию клетки. Они скорее “существа”, еще в протерозое нашедшие для себя и своего потомства лучшее из убежищ, где можно затрачивать наименьшие усилия, не подвергаясь риску быть съеденными.

В пользу симбиотической теории говорят многочисленные факты:

- совпадают размеры и формы митохондрий и свободно живущих аэробных бактерий; те и другие содержат кольцевые молекулы ДНК, не связанные с гистонами (в отличие от линейных ядерных ДНК);

По нуклеотидным последовательностям рибосомные и транспортные РНК митохондрий отличаются от ядерных, демонстрируя при этом удивительное сходство с аналогичными молекулами некоторых аэробных грамотрицательных эубактерий;

Митохондриальные РНК-полимеразы, хотя и кодируются в ядре клетки, ингибируются рифампицином, как и бактериальные, а эвкариотические РНК-полимеразы нечувствительны к этому антибиотику;

Белковый синтез в митохондриях и бактериях подавляется одними и теми же антибиотиками, не влияющими на рибосомы эвкариот;

Липидный состав внутренней мембраны митохондрий и бактериальной плазмалеммы сходен, но сильно отличается от такового наружной мембраны митохондрий, гомологичной другим мембранам эвкариотических клеток;

Кристы, образуемые внутренней митохондриальной мембраной, являются эволюционными аналогами мезосомных мембран многих прокариот;

До сих пор сохранились организмы, имитирующие промежуточные формы на пути к образованию митохондрий из бактерий (примитивная амеба Pelomyxa не имеет митохондрий, но всегда содержит эндосимбиотические бактерии).

Новый геном может создавать метаболические пути, приводящие к образованию полезных продуктов, которые не могут быть синтезированы ни одним из партнеров по отдельности. Так, синтез стероидных гормонов клетками коры надпочечников представляет собой сложную цепь реакций, часть которых происходит в митохондриях, а часть - в эндоплазматической сети . Захватив гены промитохондрий, ядро получило возможность надежно контролировать функции симбионта. В ядре кодируются все белки и синтез липидов наружной мембраны митохондрий, большинство белков матрикса и внутренней мембраны органелл. Самое главное, что ядро кодирует ферменты репликации, транскрипции и трансляции мтДНК, контролируя тем самым рост и размножение митохондрий. Скорость роста партнеров по симбиозу должна быть приблизительно одинаковой. Если хозяин будет расти быстрее, то с каждым его поколением число симбионтов, приходящихся на одну особь, будет уменьшаться, и, в конце концов, появятся потомки, не имеющие митохондрий. Мы знаем, что в каждой клетке организма, размножающегося половым путем, содержится много митохондрий, реплицирующих свои ДНК в промежутке между делениями хозяина. Это служит гарантией того, что каждая из дочерних клеток получит по крайней мере одну копию генома митохондрии.

Цитоплазматическая наследственность

Помимо кодирования ключевых компонентов дыхательной цепи и собственного белоксинтезирующего аппарата, митохондриальный геном в отдельных случаях участвует в формировании некоторых морфологических и физиологических признаков. К таким признакам относятся характерные для ряда видов высших растений синдром NCS (non-chromosomal stripe, нехромосомно кодируемая пятнистость листьев) и цитоплазматическая мужская стерильность (ЦМС), приводящая к нарушению нормального развития пыльцы. Проявление обоих признаков обусловлено изменениями в структуре мтДНК. При ЦМС наблюдаются перестройки геномов митохондрий в результате рекомбинационных событий, ведущих к делециям, дупликациям, инверсиям или инсерциям определенных нуклеотидных последовательностей или целых генов. Такие изменения могут вызывать не только повреждения имеющихся генов, но и появление новых работающих генов.

Цитоплазматическая наследственность, в отличие от ядерной, не подчиняется законам Менделя. Это связано с тем, что у высших животных и растений гаметы от разных полов содержат несопоставимые количества митохондрий. Так, в яйцеклетке мыши имеется 90 тыс. митохондрий, а в сперматозоиде - лишь четыре. Очевидно, что в оплодотворенной яйцеклетке митохондрии преимущественно или только от женской особи, т.е. наследование всех митохондриальных генов материнское. Генетический анализ цитоплазматической наследственности затруднен из-за ядерно-цитоплазматических взаимодействий. В случае цитоплазматической мужской стерильности мутантный митохондриальный геном взаимодействует с определенными генами ядра, рецессивные аллели которых необходимы для развития признака. Доминантные аллели этих генов как в гомо-, так и в гетерозиготном состоянии восстанавливают фертильность растений вне зависимости от состояния митохондриального генома.

Изучение геномов митохондрий, их эволюции, идущей по специфическим законам популяционной генетики, взаимоотношений между ядерными и митохондриальными генетическими системами, необходимо для понимания сложной иерархической организации эвкариотической клетки и организма в целом.

С определенными мутациями в митохондриальной ДНК или в ядерных генах, контролирующих работу митохондрий, связывают некоторые наследственные болезни и старение человека . Накапливаются данные об участии дефектов мтДНК в канцерогенезе. Следовательно, митохондрии могут быть мишенью химиотерапии рака. Имеются факты о тесном взаимодействии ядерного и митохондриального геномов в развитии ряда патологий человека. Множественные делеции мтДНК обнаружены у больных с тяжелой мышечной слабостью, атаксией, глухотой, умственной отсталостью, наследующихся по аутосомно-доминантному типу. Установлен половой диморфизм в клинических проявлениях ишемической болезни сердца, что скорее всего обусловлено материнским эффектом - цитоплазматической наследственностью. Развитие генной терапии внушает надежду на исправление дефектов в геномах митохондрий в обозримом будущем.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований. Проект 01-04-48971.
Автор признателен аспиранту М.К.Иванову, создавшему рисунки к статье.

Литература

1. Янковский Н.К., Боринская С.А. Наша история, записанная в ДНК // Природа. 2001. №6. С.10-18.

2. Минченко А.Г., Дударева Н.А. Митохондриальный геном. Новосибирск, 1990.

3. Гвоздев В.А. // Сорос. образоват. журн. 1999. №10. С.11-17.

4. Маргелис Л. Роль симбиоза в эволюции клетки. М., 1983.

5. Скулачев В.П. // Сорос. образоват. журн. 1998. №8. С.2-7.

6. Игамбердиев А.У. // Сорос. образоват. журн. 2000. №1. С.32-36.

Практически во всех клетках эукариот есть митохондрии - органеллы, которые нужны в первую очередь для синтеза АТФ. История симбиоза бактерий, родственных риккетсиям, и предка эукариот, в результате которого возникли митохондрии, очень интересна, однако здесь речь пойдет не о ней. Для нас сейчас будет важно лишь то, что у митохондрий есть свой собственный геном (у млекопитающих его размер 15–20 тыс. пар нуклеотидов), что у животных он передается строго по материнской линии и что в каждой клетке присутствуют десятки и даже тысячи митохондрий, а стало быть, в любом образце количество копий митохондриального генома на несколько порядков превышает число копий любого фрагмента ядерного генома. Это особенно существенно при анализе древних образцов, в которых сохранилось мало неповрежденной ДНК.

Мы будем обсуждать интрогрессию митохондриальных геномов. Интрогрессия - это форма гибридизации, при которой гены одного вида проникают в генофонд другого. В результате образуются гибриды первого поколения, способные к возвратному скрещиванию с одним или обоими родительскими видами. Если возвратное скрещивание происходит многократно в последовательных поколениях, то может возникнуть поток вариантов некоторых генов от одного вида к другому. Такой прием часто используется в селекции, когда требуется передать некий признак от одного вида другому, например устойчивость к болезням от дикого вида к культурному сорту: производят многократные возвратные скрещивания с культурным сортом, а отбор ведут по данному признаку. Постепенно в большинстве локусов остаются только аллели культурного сорта, а локусы, от которых зависит желаемый признак, наследуются от дикого вида - и в результате получается новый устойчивый сорт.

Однако интрогрессия может происходить и в результате естественной гибридизации. Известно, что межвидовая гибридизация характерна для 10% видов животных, в частности для 6% видов млекопитающих . Если все потомки родителей, принадлежащих к разным видам, далее скрещиваются с представителями только одного из них, причем многократно в ряде последовательных поколений, то возникает однонаправленный поток вариантов генов от вида, который представляет собой донора, в популяционную систему, служащую реципиентом. Таким образом, интрогрессия - это такая гибридизация, при которой поток генов и рекомбинация доходят до видового уровня. При этом из-за упомянутых особенностей наследования митохондриального генома у животных и из-за отсутствия рекомбинации их митохондриальной ДНК оказывается легко следить за интрогрессией именно митохондриальных генов. Особый интерес представляет так называемый митохондриальный захват, когда в какой-либо популяции все митохондриальные геномы происходят от одного вида, а все ядерные - от другого. Следует отметить, что это довольно строгое определение: никогда нельзя гарантировать, что в геноме гибридов не сохранилось фрагмента ядерного генома второго вида хотя бы у части особей, поскольку для этого надо проводить подробное генотипирование большого числа ядерных геномов, что долго и дорого.

Интрогрессия митохондриальных геномов ведет к тому, что филогении, построенные по митохондриальным и ядерным маркерам, оказываются несогласованными. В недавнем обзоре обобщили 126 случаев полной и неполной митохондриальной интрогрессии у животных. Большинство из этих случаев описано уже в XXI веке. Причины интрогрессии могут быть разными: селективное преимущество, демографические особенности, смещение зоны гибридизации, влияние человека, у насекомых - заражение вольбахией и разнообразные связанные с этим эффекты, например искажение соотношения полов. Чаще всего, по-видимому, действует комбинация причин. Особый интерес представляют случаи полной интрогрессии, когда на всем ареале подавляющее большинство особей имеет митохондрии, геномы которых практически совпадают с митохондриальными геномами другого вида. Такого не замечали у земноводных, зато наблюдали четыре подобных случая у птиц, пять - у рыб и два - у насекомых. Четыре случая было отмечено у млекопитающих: митохондриальный геном тара (Hemitragus jemlahicus ) у предка диких европейских коз Capra spp. , белохвостого оленя (Odocoileus virginianus ) у чернохвостого (O. hemionus ) в Северной Америке , расы Carlit обыкновенной землеройки, или бурозубки (Sorex araneus ), у иберийской (S. granarius ) и, наконец, бурого медведя (Ursus arctos ) у белого (U. maritimus ) . О медведях речь пойдет ниже, а сначала обсудим слонов.

Африканские слоны: один или два вида?

По морфологическим особенностям африканские слоны делятся на две группы: саванные (Loxodonta africana ), которые живут в сухой саванне, и лесные (L. cyclotis ), которые обитают во влажных лесах. Вопрос о статусе этих групп до сих пор остается открытым. Некоторые авторы считают эти группы подвидами , в то время как другие относят их к разным видам [8–13 ] . Расхождение лесных и саванных слонов произошло от 2,5 млн лет назад (по ядерной ДНК) до 5,5 млн лет назад (по митохондриальной ДНК) .

Ареалы этих двух групп не разделены, и существует обширная зона контакта, на которой возможна гибридизация. В ряде популяций, например, в регионе Серенгети в Восточной Африке, большинство саванных слонов имеют митохондриальный геном лесных . Это объясняют межвидовыми скрещиваниями лесных самок с саванными самцами с последующей интрогрессией. Возможный сценарий, который учитывает хорошо изученные особенности социального поведения африканских слонов , выглядит следующим образом [8–10 ].

Слоны живут большими стадами - до нескольких десятков особей. Стадо включает только самок разного возраста и их неполовозрелое потомство и возглавляется старшей самкой-матриархом. Все слоны в стаде родственны по материнской линии и имеют одинаковый митохондриальный геном. Самцы слонов, достигшие половой зрелости (12 лет), изгоняются из стада. Они тоже могут объединяться в группы, которые состоят из самцов разного возраста и где главенствуют крупные пожилые самцы.

Когда самка достигает репродуктивного возраста (10–12 лет) и у нее начинается эстральный цикл, она уходит из стада на период до нескольких недель для встречи с самцом. Затем возвращается в материнское стадо и через 22 месяца рожает детеныша, которого выкармливает около двух лет, т.е. в течение почти четырех лет самка репродуктивного возраста не готова к новому контакту. Для спаривания самки предпочитают крупных самцов.

Рассредоточение слонов по группам не приводит к полному разделению родственников мужского и женского пола, поэтому слоны способны распознавать сородичей. Учитывая, что саванные самцы предпочитают избегать инбридинга и что они крупнее лесных слонов и репродуктивно над ними доминируют, а эстральные самки встречаются редко, не исключено, что в таких условиях лесные самки заполняют освободившуюся нишу и составляют конкуренцию саванным самкам. Здесь уместно вспомнить, что корреляция между внутривидовым потоком генов и межвидовым отрицательна .

После спаривания с саванным самцом лесная самка возвращается в материнское стадо лесных слонов. Через 22 месяца на свет появляется гибрид с митохондриальным геномом лесных слонов и ядерной ДНК саванных и лесных слонов поровну. Гибридная самка начнет передавать митохондриальный геном следующим поколениям по материнской линии. Каждое возвратное скрещивание лесных или гибридных самок с саванными самцами будет уменьшать долю ядерной ДНК лесного слона наполовину. И через много поколений у гибридов ядерная ДНК саванного слона полностью заменит ядерную ДНК лесного слона. К тому же саванные самцы почти вдвое крупнее лесных, а значит, пользуются преимуществом при спаривании в том числе и с лесными и гибридными самками. Кроме того, гибридные самцы могут обладать пониженной плодовитостью согласно правилу Холдейна: если при скрещивании разных подвидов или рас жизнеспособность потомства зависит от пола, более редким (или вообще отсутствующим) будет гетерогаметный пол, то есть у млекопитающих - самцы .

Эта модель хорошо объясняет, почему в областях, далеких от зоны контакта двух групп, практически нет ни слонов с промежуточной морфологией, ни особей со смешанным - саванным с лесным - ядерным геномом, в том числе среди саванных слонов с митохондриальным геномом лесного типа. Однако она наталкивается на противоречие: поскольку самки слона возвращаются в материнское стадо, гибридные самки оказываются в стаде с лесными, а значит, не могут передать свою митохондриальную ДНК саванным слонам. Тем более не могут этого сделать гибридные самцы, ведь митохондриальный геном наследуется только по материнской линии.

Возможно, этот парадокс объясняется изменениями популяционной структуры и ареала слонов под влиянием климатических изменений и деятельности человека - хозяйственной и охоты, в том числе браконьерской. Есть наблюдения, что, когда численность натального стада у саванных слонов по тем или иным причинам падает, матриарх может принимать самок из других, неродственных, групп . Так, например, в Уганде, где популяции слонов существенно сократились из-за браконьерства, самки с разными митохондриальными гаплотипами сформировали новые социальные группы . Кроме того, раз гибридные самки имеют ядерную ДНК саванного слона, они могут быть морфологически близки к саванным сородичам, а потому их не изгоняют из стада, когда они оказываются в зоне симпатрии.

Однако недавний подробный анализ четырех популяций слонов из контактных зон показал более сложную картину (рис. 1). Среди гибридных особей ни одна не оказалась гибридом первого поколения. Это доказывает, что гибриды саванных и лесных слонов фертильны. Однако, когда построили филогенетические деревья по маркерам митохондрий (строго материнское наследование) и Y-хромосом (строго отцовское), стало очевидно, что гибридизация шла в обоих направлениях: геномы и саванных, и лесных слонов образовали по две четко выделенные ветви, так что геномы гибридных особей могли принадлежать и одной, и другой.

Тем не менее все авторы последних исследований склонны считать лесных и саванных слонов разными видами [ , ]. По мнению Эрнста Майра, гибридизация в зоне контакта необязательно означает, что мы имеем дело с одним видом - гибридами. Генетическая цельность двух видов вполне может сохраняться . В случае африканских слонов это и наблюдается: вдали от зоны контакта нет никаких следов смешения, кроме митохондриальной интрогрессии, а морфологически виды, несмотря на нее, различны.

Бурые и белые медведи: один или два вида?

Ответ кажется очевидным. Конечно, два - достаточно сходить в зоопарк и посмотреть. Однако...

Ученые из Института арктической биологии Университета Аляски исследовали популяцию бурых медведей с архипелага Александра у берегов Аляски (с островов Адмиралти, Баранова и Чичагова, которые по первым латинским буквам называют островами АВС; рис. 2). В 1996 г. они заметили, что митохондриальные геномы этих медведей больше похожи на митохондриальные геномы белых медведей (Ursus maritimus ), чем бурых (U. arctos ) из других популяций . Несколько гипотез пытались это объяснить: происхождением белых медведей из древней прибрежной популяции бурых, которая сохранилась только на островах АВС , интрогрессией митохондриальных генов бурых медведей с островов АВС в геном белых и, наоборот, интрогрессией митохондриальных генов белых медведей в геном бурых [ , ]. Предположение, что белые медведи недавно произошли от бурых, казалось бы, подтвердилось, когда секвенировали митохондриальный геном древнего (130–110 тыс. лет назад) белого медведя из челюстной кости, найденной на архипелаге Шпицберген . Оказалось, этот геном очень близок к точке ответвления митохондриальных геномов современных белых медведей и ближайших к ним бурых медведей с островов ABC.

Получается, белые медведи - это не отдельный вид, а ветвь бурых медведей, которая отделилась сравнительно недавно, не более 150 тыс. лет назад, и сильно изменилась морфологически? Более обширный анализ митохондриальных геномов указывает на еще более фантастический сценарий. Действительно, митохондриальные геномы древних белых медведей из Скандинавии ближе всего к геномам медведей с островов АВС. В то же время митохондриальные геномы современных белых медведей существенно ближе к геномам вымершей ветви бурых медведей из Ирландии - расхождение этих двух линий произошло менее 40 тыс. лет назад (рис. 3). Следует отметить, что эти же данные интерпретировали заново уже иначе - как интрогрессию митохондриальных генов белого медведя в геном бурого . Правда, это не объясняет, почему эта ветка находится в глубине большой клады бурых медведей.

Анализ же ядерных геномов показывает, что белые медведи разделились с бурыми примерно 600 тыс. лет назад (рис. 4). Согласно этой работе, в ядерных геномах не наблюдается следов (недавних) гибридизаций между белыми и бурыми медведями, однако согласно другим исследованиям 5–10% ядерного генома бурых медведей с островов АВС происходят из генома белого медведя, а расхождение видов отнесено на 4 млн лет назад . Вообще, имеет смысл отметить важное последствие гибридизации, которое, однако, существенно затрудняет датировки: она ведет к тому, что различные геномные локусы имеют разную историю. Так, еще в одной работе расхождение бурых и белых медведей датируется примерно 400 тыс. лет назад, хотя также отмечен существенный поток генов белого медведя в геном медведей с островов АВС. Наконец, следует заметить, что во многих работах отмечается меньшая эффективная численность популяции белых медведей по сравнению с бурыми и эффект бутылочного горлышка - эпизоды резкого сокращения численности популяции после разделения с бурыми [ , , ]. Расхождение Y-хромосом белого и бурого медведя, для которых не заметно признаков интрогрессии, датируется приблизительно 1,1 млн лет назад (рис. 5). Вопрос о потоке ядерных генов бурого медведя в геном белого остается противоречивым: отмечались как следы слабого потока , так и полное его отсутствие . При этом поток генов белого медведя шел и в геномы материковых бурых медведей с Аляски, хотя и был слабее . Полный список оценок дан в обзоре .

Положительный отбор в геномах белых медведей затронул гены, связанные с формированием жировой ткани, развитием сердечной мышцы и свертываемостью крови, а также пигментацией меха . В то время как интрогрессии в геном бурого медведя подвергся ген ALDH7A1 , который регулирует осмотический стресс: это могло иметь приспособительное значение для прибрежной (островной) популяции бурых медведей .

Один из главных, принципиальных открытых вопросов, который слабо обсуждается в литературе, - произошло ли полное закрепление интрогрессировавших митохондриальных генов бурого медведя во всей популяции белых медведей под действием отбора или же в силу случайного дрейфа. Второй вопрос - была ли первоначально популяция бурых медведей с островов АВС популяцией белых медведей с почти тотальной интрогрессией ядерных генов бурых медведей за счет самцов, приплывавших с материка , или же популяцией бурых медведей, в геном которой интрогрессировали митохондриальные гены белых медведей в результате одной или нескольких гибридизаций с самками белого медведя.

Ко второму вопросу стоит добавить, что географическое распределение митохондриальных гаплотипов и белых медведей, и бурых высоко структурировано, что отражает привязанность самок к месту рождения, тогда как гаплотипы Y-хромосомы перемешаны из-за частых миграций самцов . С одной стороны, это косвенно свидетельствует о том, что случайный дрейф митохондриального генома должен быть затруднен. С другой стороны, его могли облегчать колебания численности и эффект бутылочного горлышка.

Хотя основные факты - полную интрогрессию митохондриальных генов бурого медведя в геном белого (возможно, неоднократную), значительный поток ядерных генов белого медведя в геном бурых медведей с островов АВС (и возможно, с Аляски), значительные колебания численности белых медведей - по-видимому, в целом можно считать твердо установленными, детали этой эволюционной истории нуждаются в прояснении. Как и всегда, нужно больше геномов - и современных, из разных популяций, и древних.

И снова люди

Пожалуй, одна из основных загадок геномной эволюции древних людей - происхождение денисовцев. Мы уже писали об этом вопросе в предыдущих статьях [ , ], однако полезно вернуться к нему именно в контексте обсуждаемых здесь несовпадений истории ядерных и митохондриальных геномов.

Денисовцы по ядерному геному - сестринская группа с неандертальцами, однако разошлись с ними вскоре после отделения от кроманьонцев. Оценки неточны, но в первом приближении разделение кроманьонцев и денисовцев + неандертальцев произошло примерно 650 тыс. лет назад, а денисовцев и неандертальцев - около 450 тыс. лет назад. Нам известен один ядерный геном из Денисовой пещеры на Алтае (возраст - примерно 50 тыс. лет) и несколько митохондриальных геномов оттуда же, самый старый из которых датируется 110 тыс. лет назад. Кроме того, известны фрагменты денисовского генома, которые сохранились в геномах австранезийцев. Денисовский вариант гена EPAS1 практически зафиксировался в популяции тибетцев. Все это указывает на обширность ареала денисовцев.

А вот по митохондриальному геному денисовцы разделились с ветвью неандертальцев + кроманьонцев около миллиона лет назад. Этот геном ближе всего к митохондриальному геному человека возрастом около 430 тыс. лет из пещеры Сима де лос Уэсос в Испании. Однако получается парадокс: ядерный геном из пещеры Сима де лос Уэсос ближе к неандертальскому, чем к денисовскому (авторы оригинальной статьи не приводят оценок времени расхождения). Таким образом, нет никакого простого сценария, который бы включал лишь интрогрессию, чтобы объяснить эти наблюдения. Авторы предполагают, что митохондриальные геномы из Денисовой пещеры и Сима де лос Уэсос - прямые потомки геномов древнего выходца из Африки, предка неандертальцев и денисовцев, кем бы он ни был с антропологической точки зрения, а митохондриальные геномы неандертальцев - результат поздней интрогрессии африканского же происхождения. В пользу этой гипотезы говорит то, что в геноме алтайского неандертальца обнаружены кроманьонские фрагменты, причем это следы гибридизации, предшествовавшей выходу из Африки предка современных европейцев и азиатов . Однако такие фрагменты отсутствуют в геномах других неандертальцев, в то время как митохондриальные геномы всех неандертальцев очевидно образуют единую ветвь на филогенетическом дереве. Кроме того, возникают проблемы с датировкой: носитель кроманьонских фрагментов в геноме алтайского неандертальца отделился от остальных кроманьонцев примерно 250 тыс. лет назад (до начала разделения современных популяций в Африке), а разделение митохондриальных ветвей кроманьонцев и неандертальцев датируется примерно 500 тыс. лет назад. Получается, это не могло быть результатом одного события. Альтернативное объяснение состоит в том, что источник митохондриальной ДНК денисовцев и человека из пещеры Сима де лос Уэсос - неизвестные представители рода Homo (H. erectus ?). Однако оно также не дает простого ответа на вопрос, где, когда и с кем произошла эта гибридизация.

Удивительно не то, что мы не знаем ответов на многие вопросы. Удивительно то, что мы можем эти вопросы задавать и надеемся получить на них ответы.

Н. В. Сернова благодарна своей маме Наталии Владимировне Серновой за вдохновение и помощь. М. С. Гельфанд благодарен фонду «Эволюция» за поддержку научно-популярных лекций, подготовка к которым помогла лучше осознать изложенный материал.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект 14-24-00155).

Литература
. Mallet J. Hybridization as an invasion of the genome // Trends Ecol. Evol. 2005. V. 20. P. 229–237.
. Toews D. P. L., Brelsford A. The biogeography of mitochondrial and nuclear discordance in animals // Mol. Ecol. 2012. V. 21. P. 3907–3930.
. Ropiquet A., Hassanin A. Hybrid origin of the Pliocene ancestor of wild goats // Mol. Phylogenet. Evol. 2006. V. 41. P. 395–404.
. Cathey J. C., Bickham J. W., Patton J. C. Introgressive hybridization and nonconcordant evolutionary history of maternal and paternal lineages in North American deer // Evolution . 1998. V. 52. P. 1224–1229.
. Yannic G., Dubey S., Hausser J. et al. Additional data for nuclear DNA give new insights into the phylogenetic position of Sorex granarius within the Sorex araneus group // Mol. Phylogenet. Evol. 2010. V. 57. P. 1062–1071.
. Edwards C. J., Suchard M. A., Lemey P. et al. Ancient hybridization and an Irish origin for the modern polar bear matriline // Curr. Biol. 2011. V. 21. P. 1251–1258.
. Debruyne R. A case study of apparent conflict between molecular phylogenies: the interrelationships of African elephants // Cladistics . 2005. V. 21. P. 31–50.
. Cyto-nuclear genomic dissociation and the African elephant species question // Quat. Int. 2007. V. 169–170. P. 4–16.
. Roca A. L., Ishida Y., Brandt A. L. et al. Elephant natural history: a genomic perspective // Annu. Rev. Anim. Biosci. 2015. V. 3. P. 139–167.
. Roca A. L., Georgiadis N., O’Brien S. J. Cytonuclear genomic dissociation in African elephant species // Nat. Genet. 2005. V. 37. P. 96–100.
. Grubb P., Groves C. P., Dudley J. P. et al. Living African elephants belong to two species: Loxodonta africana (Blumenbach, 1797) and Loxodonta cyclotis (Matschie, 1900) // Elephant . 2000. V. 2. P. 1–4.

ДНК в митохондриях представлена циклическими молекулами, не образующими связь с гистонами, в этом отношении они напоминают бактериальные хромосомы.
У человека митохондриальная ДНК содержит 16,5 тыс. н.п., она полностью расшифрована. Найдено, что митохондральная ДНК различных объектов очень однородна, отличие их заключается лишь в величине интронов и нетранскрибируемых участков. Все митохондриальные ДНК представлены множественными копиями, собранными в группы, кластеры. Так в одной митохондрии печени крысы может содержаться от 1 до 50 циклических молекул ДНК. Общее же количество митохондриальной ДНК на клетку составляет около одного процента. Синтез митохондриальных ДНК не связан с синтезом ДНК в ядре. Так же как и у бактерий митохондральная ДНК собрана в отдельную зону – нуклеоид, его размер составляет около 0, 4 мкм в диаметре. В длинных митохондриях может быть от 1 до 10 нуклеоидов. При делении длинной митохондрии от нее отделяется участок, содержащий нуклеоид (сходство с бинарным делением бактерий). Количество ДНК в отдельных нуклеоидах митохондрий может колебаться в 10 раз в зависимости от типа клеток. При слиянии митохондрий может происходить обмен их внутренними компонентами.
рРНК и рибосомы митохондрий резко отличны от таковых в цитоплазме. Если в цитоплазме обнаруживаются 80s рибосомы, то рибосомы митохондрий растительных клеток принадлежат к 70s рибосомам (состоят из 30s и 50s субъединиц, содержат 16s и 23s РНК, характерные для прокариотических клеток), а в митохондриях клеток животных обнаружены более мелкие рибосомы (около 50s). В митоплазме на рибосомах идет синтез белков. Он прекращается, в отличие от синтеза на цитоплазматических рибосомах, при действии антибиотика хлорамфеникола, подавляющего синтез белка у бактерий.
На митохондриальном геноме синтезируются и транспортные РНК, всего синтезируется 22 тРНК. Триплетный код митохондриальной синтетической системы отличен от такового, используемого в гиалоплазме. Несмотря на наличие казалось бы всех компонентов, необходимых для синтеза белков, небольшие молекулы митохондриальной ДНК не могут кодировать все митохондриальные белки, только лишь их небольшую часть. Так ДНК размером 15 тыс.н.п. может кодировать белки с суммарным молекулярным весом около 6х105. В это же время суммарный молекулярный вес белков частицы полного дыхательного ансамбля митохондрии достигает величины около 2х106.

Рис. Относительные размеры митохондрий у различных организмов.

Интересны наблюдения за судьбой митохондрий в дрожжевых клетках. В аэробных условиях дрожжевые клетки имеют типичные митохондрии с четко выраженными кристами. При переносе клеток в анаэробные условия (например, при их пересеве или при перемещении в атмосферу азота) типичные митохондрии в их цитоплазме не обнаруживаются, и вместо них видны мелкие мембранные пузырьки. Оказалось, что в анаэробных условиях дрожжевые клетки не содержат полную дыхательную цепь (отсутствуют цитохромы b и a). При аэрации культуры наблюдается быстрая индукция биосинтеза дыхательных ферментов, резкое повышение потребления кислорода, а в цитоплазме появляются нормальные митохондрии.
Расселение людей на Земле