2. Геном митохондрий

1. Структура митохондриальной днк

В 1963 году ДНК была впервые обнаружена в митохондриях. В течение следующих 30 лет полная последовательность митохондриальной ДНК (мтДНК) была определена более чем в десятке видов, включая людей.

Митохондриальная ДНК (мтДНК) млекопитающих представлена ковалентно замкнутой двуцепочечной молекулой, размером около 16000 пар оснований. Она располагается в матриксе митохондрий, в непосредственной близости к внутренней митохондриальной мембране [5]. Митохондриальная ДНК человека представлена двумя цепями: L (Light) - легкая, богата цитозином, содержит 9 генов: ND6 и 8 генов тРНК; H (Heavy) - тяжелая, богата гуанином, содержит 28 генов.

Кодирующая часть мтДНК содержит 37 генов. Из которых 13 структурных генов, продукты которых участвуют в процессе выработки энергии в дыхательной цепи митохондрий. К структурным генам относятся гены первого ферментного комплекса - 7 субъединиц НАДН-дегидрогеназы (ND1, 2, 3, 4, 4L, 5, 6); третьего ферментного комплекса - 1 субъединица (Cyt b); четвертого - 3 субъединицы цитохром с - оксидазы (CO I, CO II, CO III) и пятого - 2 субъединицы (АТФ-аза 6 и 8). Два гена, кодирующих рРНК (12s рРНК и 16s рРНК). И 22 гена, кодирующих тРНК: А, Р, С, Е, Q и т. д. [7]. Все остальные белки, необходимые для нормальной работы митохондрий, кодируются исключительно ядерными генами и синтезируются на цитоплазматических рибосомах. В связи с этим функционирование митохондрии происходит при постоянном диалоге между ее геномом и геномом ядра [1].

Некодирующая часть включает в себя контрольный район (КР), который несет регуляторные последовательности: HSP – точка инициации транскрипции тяжелой цепи; LSP – точка инициации транскрипции легкой цепи; OH - точка инициации репликации тяжелой цепи; OL - точка инициации репликации легкой цепи (лежит в кодирующей части). Д-петля (от англ. Displacement Loop) так же относится к некодирующей части мтДНК. Это трехцепочечный участок ДНК, образующийся в результате репликации [7]. Структура мтДНК представлена на рисунке 2.

Рисунок 2- Структура митохондриальной ДНК (по Р. И. Сукерник, 2002).

2. Особенности мтДнк

Первое сообщение пришло в 1979 году, когда было обнаружено, что в митохондриях нередки отклонения от универсального генетического кода. Эти отклонения были найдены позже во многих организмах, особенно в митохондриях животных и грибов. Так, в митохондриях человека кодон АУА кодирует аминокислоту метионин вместо изолейцина в стандартном коде. Кодоны АГА и АГГ, в стандартном коде кодирующие аргинин, являются стоп - кодонами, а кодон УГА, в стандартном коде являющийся стоп - кодоном, кодирует триптофан.

Другой необычной чертой митохондрий является особенность узнавания кодонов транспортными РНК, что приводит к тому, что одна молекула узнает сразу четыре кодона. Указанное изменение митохондриального генетического кода уменьшает значимость третьего нуклеотида в кодоне и приводит к тому, что требуется меньше транспортных РНК. Всего 22 транспортных РНК достаточно для узнавания всех 64 кодонов, тогда как для обычных рибосом их должно быть не менее 32 [2].

Среди характерных свойств мтДНК, отличающих ее от ядерной ДНК, следует отметить многокопийность, которая выражается в присутствии, в среднем, 1000 копий молекул мтДНК на клетку.

Также для мтДНК характерна примерно в 20 раз более высокая частота мутаций по сравнению с ядерной ДНК [3]. Это обосновывается тем, что даже в условиях нормы мтДНК подвергается атакам активных форм кислорода (АФК), которые образуются в качестве побочных продуктов деятельности электронно – транспортной цепи (ЭТЦ). Нарушение функционирования ЭТЦ, приводящее к повышению фона АФК, считается основой многих так называемых «митохондриальных патологий». Механизм развития этих патологий может быть связан как с нарушением структуры генетического материала самих митохондрий (делеции, модификации нуклеотидов, одно- и двунитевые разрывы нуклеиновых кислот), так и с изменением ядерной регуляции процессов репликации и транскрипции мтДНК [5]. Кроме этого высокая частота мутаций обуславливается близким прилежанием мтДНК к мембране, ошибками репликации, неэффективной системой репарации, отсутствием защитных гистонов.

Отдельно стоит упомянуть о гетероплазмии - феномене, выражающемся в одновременном присутствии в одной клетке нескольких вариантов мтДНК, отличающихся по длине и набору генов. Считается, что при 70% гетероплазмии клинически проявляется любая мутация мтДНК. Однако следует отметить, что данный уровень весьма условен, а взаимосвязь между симптомом и уровнем гетероплазмии носит индивидуальный характер.

Митохондриальная ДНК имеет также ряд особенностей при ее передаче следующим поколениям. В подавляющем большинстве случаев мтДНК наследуется по материнской линии. На сегодняшний день известно лишь об одном случае отцовского наследования, причем с клиническими последствиями, проявившимися у носителя в виде снижения переносимости физических нагрузок. В связи с этим, отцовские мутации мтДНК потомству не передаются [3].