 |
Митохондриальный геном и старение
|
|
|
|
Большое количество публикаций свидетельствует о том, что накопление мутаций митохондриального генома происходит у человека в процессе жизни, при этом наибольший уровень мутаций наблюдается в ЦНС и мышцах. Со времени появления первой работы, в которой обнаружено увеличение количества делеции мтДНК с возрастом в стареющих тканях человека выявлено более 20 различных типов делеций. Показано накопление с возрастом так называемой "соттоп"-делеции 4977 п.н, расположенной между нуклеотидами 8470 и 13447. Характерно, что в клетках плода данная делеция не обнаружена. Еще одна крупная делеция (7,4 т.п.н. между 8649-м и 16084-м нуклеотидами) обнаруживается при старении различных тканей. При этом, если наряду с фактором старения наблюдается аномалия какого-либо органа, частота делеции увеличивается во много раз: в 240 раз в тканях сердечной мышцы при ее ишемии, в 17 раз в тканях striatum при болезни Паркинсона. На накопление делеций в митохондриальном геноме влияют также средовые факторы: участки кожи одного и того же индивидуума, подвергавшиеся воздействию солнца, накапливали в 30 раз больше мтДНК с делецией 4977 п.н, чем участки, не подвергавшиеся солнечным лучам.
Детальный анализ мтДНК на наличие делеции в 350 кардиомиоцитах, взятых у трех пациентов среднего возраста и четырех старше 100 лет, показал, что в одной из каждых семи клеток 100-летних доноров митохондриальный геном несет значительное количество делегированных молекул (от 2 до 65%). В митохондриях кардиомиоцитов пациентов среднего возраста делеции не найдено.
Подобный подход был использован другой группой исследователей для анализа делеции мтДНК в отдельных клетках скелетных мышц. Уровень мутаций был гораздо выше, чем в случае кардиомиоцитов: в большинстве клеток скелетных мышц обнаружены мтДНК с делециями, значительное количество клеток содержало только делегированные молекулы, во многих случаях в одной клетке встречались мтДНК с различными делециями.
|
|
|
Не только делеции, но и точечные мутации накапливаются в мтДНК в онтогенезе. Общее количество точечных мутаций митохондриального генома в стареющих тканях человека оценивается примерно как одна мутация на молекулу мтДНК. Так, в D-петле и прилегающих к ней транскрипционных промоторах обнаружена зависящая от возраста аккумуляция точечных мутаций. Наиболее характерной мутацией в фибробластах пациентов старше 65 лет была трансверсия T414G, которая обнаруживалась в 50% молекул у мтДНК 57% пожилых больных, но отсутствовала у всех исследованных молодых пациентов. При анализе области D-петли в мтДНК скелетных мышц мутация T414G отсутствовала, зато отмечено накопление у пожилых пациентов (64 - 101 год) двух других точечных мутаций: A189G и Т408А. Ни у одного из обследованных моложе 34 лет данные мутации не выявлялись
Несмотря на обнаружение большого количества точечных мутаций и делеции в мтДНК при старении организма, их связь с функциональными повреждениями клеток и тканей пока остается недоказанной.
Модуль 5. Генетика пола
Глава 12. Генетика формирования пола
Автор: Шкурат Татьяна Павловна
Половые хромосомы
Половые хромосомы часто отличаются друг от друга, то есть они гетероморфные. Среди 23-х пар человеческих хромосом есть одна пара половых – то есть Х и Y-хромосомы. У женщин две Х-хромосомы, у мужчин Х- и Y-хромосома. Y-хромосома – самая вариабельная хромосома генома. В отличие от других акроцентриков не имеет спутников. У человека она генетически почти пустая (ген волосатости ушей и перепонок между пальцами ног). У других видов может содержать много активных генов – у гуппи – около 30 Y–генов окраски самцов (и только 1 аутосомный ген).
|
|
|
Drosophila. Содержит 9 генов: 6 определяют фертильность самцов, 3 bobbed кластер генов рРНК. Активность bb генов приводит к формированию ядрышка. Ядрышкообразующий bb ген есть и в Х-хромосоме - - сайт спаривания Х и Y хромосом – сайт collohaes.Ответственными за конъюгацию являются короткие последовательности нуклеотидов (240 п.н.), расположенные между генами рРНК в Х и Y – хромосомах. Удаление bb локуса - нет конъюгации половых хромосом.
Ещё один ген - crystal- влияет на поведение хромосом в мейозе. Его делеция – нарушается расщепление хромосом в мейозе.
У дрозофилы 6 факторов фертильности самцов. Из них 3 очень большие – занимают по 10% Y- хромосомы каждый, т.е. по 4000 т.п.н.
В составе ДНК Y-хромосомы 2 типа последовательностей:
-Y – специфичные – семейства из 200-2000 копий, организованы в кластеры тандемно повторенных единиц длиной 200-400 п.н. Расположены, вероятно, в петлях.
-Y-ассоциированные (встречаются в других хромосомах).
На стрекозах показано, что форма XY эволюционно более поздняя, чем ХО. Другая точка зрения- половые хромосомы произошли от обычной пары аутосом, несущей гены, определяющие пол. Поэтому у одних видов (более примитивных) Y-хромосома такая же по размерам, как и Х –хромосома, конъюгирует с ней полностью или частично, участвует в кроссинговере. А у других видов – она маленькая, с Х-хромосомой соединяется конец в конец, без кроссинговера. В процессе эволюции Y- хромосома почему-то теряет активные гены, деградирует и исчезает, потому форма XY предшествует ХО.
Х-хромосома и дозовая компенсация
В 1949 г Барр и Бертрам обнаружили в ядрах нейронов кошки интенсивно окрашенные тельца, названные тельцами Барра. Они представляют собой неактивную Х-хромосому. Таким образом, у самок млекопитающих транскрипционно активна только одна Х-хромосома – это феномен компенсации дозы гена. Факультативный гетерохроматин обогащен повторами типа LINE, которые способствуют конденсации хроматина.
В ходе раннего развития самок млекопитающих обе Х-хромосомы активны. На предимплантационных стадиях развития эмбриона происходит инактивация Х-хромосомы, унаследованной от отца. Во время имплантации зародыша происходит реактивация и последующая инактивация случайно либо отцовской, либо материнской Х-хромосомы. Иногда наблюдается предпочтительная инактивация отцовской Х-хромосомы (у сумчатых). Процесс инактивации контролируется сложным локусом Х-хромосомы – центром инактивации Xiс. Данный локус содержит ген Xist (Х inactive specific transcript). Продуктом этого гена является некодирующая ядерная РНК размером 16 тн.
|
|
|
Ген Xist имеет 3 промотора – Р0, Р1 и Р2. Если транскрипция идет с прототоров Р1 или Р2 – образуется стабильный продукт размером 15 т.п.н., если с промотора Р0 – возникает нестабильный продукт. Переключение транскрипции с Ро на Р1/Р2 коррелирует с началом инактивации Х-хромосомы. В функционально активной Х-хромосоме ген Xist инактивирован за счет метилирования ЦГ-динуклеотидов в промоторе гена.
РНК гена Xist не способна переходить с одной Х-хромосомы на другую. РНК Xist присоединяет различные белки, образуя комплексы, которые распределяются вдоль всей Х-хромосомы, запуская ее инактивацию. Они, несомненно, принимают участие в установлении неактивного состояния, так как Х-хромосома, у которой отсутствует район гена Xist, никогда не инактивируется. Если же ген Xist искусственно перенести на аутосому, то она инактивируется.
В период инициации инактивации продукт гена Xist становится стабильным и распространяется вдоль по всей длине Х-хромосомы. Это подавляет транскрипцию генов и приводит к модификации гистонов. После отделения линии герминальных клеток в соматических клетках происходит гиперметилирование инактивируемой хромосомы; неактивное состояние становится необратимым и наследуется в ряду клеточных поколений. В линии герминальных клеток самок ДНК инактивированной Х-хромосомы остается неметилированной и впоследствии хромосома реактивируется незадолго до вхождения клеток в мейоз. В зрелых ооцитах обе Х-хромосомы активны.
Выбор того, какая Х-хромосома инактивируется, случаен, но это может регулироваться аллелями Xce (X-linced X controlling element). На линиях мышей было обнаружено три аллеля Хсе – "слабый" Xcea, "промежуточный" Xceb и "сильный" Xcec. В гетерозиготах наиболее часто инактивируются те Х-хромосомы, которые несут более слабый аллель. У гомозигот выбор происходит случайно. Xce локус расположен вблизи Xic. Предполагается, что Xce связывают транс-факторы, регулирующие работу генов в Xic, предопределяя выбор между Х-хромосомами.
|
|
|
Ряд генов неактивной Х-хромосомы ускользает от инактивации. Например, избегает инактивации район спаривания с Y-хромосомой. В данном локусе находятся гены, присутствующие и на Х- и на Y-хромосомах: то есть и у XY-самцов таких генов по паре, и у XX-самок их столько же — этим генам не нужна компенсация дозы.
Y-хромосома человека
Y-хромосома является наименьшей по размеру из 24 хромосом у человека и содержит около 2-3% ДНК гаплоидного генома (60 млн. п.н.). Из всего объема ДНК Y-хромосомы на данный момент секвенировано 21.8 Mb. Короткое плечо Y-хромосомы (Yp) содержит примерно 11 Mb, а длинное плечо (Yq) - 40 Mb ДНК, из которых около 7 Mb приходятся на эухроматиновую часть Yq и около 3 Mb ДНК на центромерную область хромосомы. Большая часть (~60%) длинного плеча Y-хромосомы представляет собой функционально неактивный гетерохроматин, имеющий размер около 24 Mb.
В Y-хромосоме выделяют несколько областей:
- псевдоаутосомные области (PAR1 и 2 – 1 – короткое плечо; 2 - длинное);
- эухроматиновую область короткого плеча (Yp11);
- эухроматиновую область проксимальной части длинного плеча (Yq11);
- гетерохроматиновую область дистальной части длинного плеча (Yq12);
- область прицентромерного гетерохроматина.
Y-хромосома содержит около 100 функциональных генов. Из-за наличия на Х и Y-хромосомах (на теломерах) гомологичных PAR-регионов, половые хромосомы регулярно конъюгируют и рекомбинируют участками этих регионов в зиготене и пахитене профазы I мейоза. Однако большая часть (~95%) Y-хромосомы не принимает участия в рекомбинации, и поэтому называется нерекомбинирующей областью Y-хромосомы (NRY - Non Recombinant Region Y chromosome).
Гетерохроматиновая область длинного плеча Y-хромосомы является генетически инертной и содержит различные типы повторов, в том числе высокоповторяющиеся последовательности двух семейств DYZ1 и DYZ2, каждый из которых представлен приблизительно 5000 и 2000 копиями соответственно.
На основе сравнительного анализа генов гоносом X и Y в Y-хромосоме выделяют три группы генов:
PAR-гены (PAR - Pseudoautosomal Region; гены псевдоаутосомных областей PAR1и PAR2), локализованные в теломерных областях Y-хромосомы;
2. X-Y гомологичные гены, локализованные в нерекомбинирующих областях Yp и Yq;
3. Y-специфичные гены, расположенные в нерекомбинирующих областях Yp и Yq.
|
|
|
Первая группа представлена генами псевдоаутосомных областей (регионов). Они являются идентичными для X- и Y-хромосом и наследуются как аутосомные гены. PAR1-регион расположен на конце короткого плеча Y-хромосомы, он больше по размеру, чем PAR2-регион, его размер приблизительно оценивается в 2,6 Mb. Так как делеции PAR1 приводят к нарушениям конъюгации гоносом во время мейоза у мужчин и могут привести к мужскому бесплодию, предполагается, что PAR-регионы имеют существенное значение для нормального протекания сперматогенеза у мужчин.
Вторая группа генов содержит X-Y-гомологичные, но не идентичные гены, которые локализованы в нерекомбинирующих районах Y-хромосомы (на Yp и Yq). В нее включены 10 генов, представленных на Y-хромосоме одной копией, большинство из них экспрессируются у человека во многих тканях и органах, включая яички и предстательную железу. До сих пор неизвестно, являются ли эти X-Y-гомологичные гены функционально взаимозаменяемыми.
Третью группу генов составляют 11 генов, которые расположены в нерекомбинирующем районе Y-гоносомы (NRY). Все эти гены, за исключением гена SRY (Sex-Determining Region Y Chromosome, пол-детерминирующий регион Y-хромосомы), представленного одной копией, являются мультикопийными, и их копии расположены на обоих плечах Y-хромосомы. Некоторые из них являются генами-кандидатами на AZF-фактор (Azoospermia factor, или фактор азооспермии).
Половые хромосомы часто отличаются друг от друга, то есть они гетероморфные. Среди 23-х пар человеческих хромосом есть одна пара половых – то есть Х и Y-хромосомы. У женщин две Х-хромосомы, у мужчин Х- и Y-хромосома. Y-хромосома – самая вариабельная хромосома генома. В отличие от других акроцентриков не имеет спутников. У человека она генетически почти пустая (ген волосатости ушей и перепонок между пальцами ног). У других видов может содержать много активных генов – у гуппи – около 30 Y–генов окраски самцов (и только 1 аутосомный ген).
Drosophila. Содержит 9 генов: 6 определяют фертильность самцов, 3 bobbed кластер генов рРНК. Активность bb генов приводит к формированию ядрышка. Ядрышкообразующий bb ген есть и в Х-хромосоме - - сайт спаривания Х и Y хромосом – сайт collohaes.Ответственными за конъюгацию являются короткие последовательности нуклеотидов (240 п.н.), расположенные между генами рРНК в Х и Y – хромосомах. Удаление bb локуса -- нет конъюгации половых хромосом.
Ещё один ген - crystal- влияет на поведение хромосом в мейозе. Его делеция – нарушается расщепление хромосом в мейозе.
У дрозофилы 6 факторов фертильности самцов. Из них 3 очень большие – занимают по 10% Y- хромосомы каждый, т.е. по 4000 т.п.н.
В составе ДНК Y-хромосомы 2 типа последовательностей:
-Y – специфичные – семейства из 200-2000 копий, организованы в кластеры тандемно повторенных единиц длиной 200-400 п.н. Расположены, вероятно, в петлях.
-Y-ассоциированные (встречаются в других хромосомах).
На стрекозах показано, что форма XY эволюционно более поздняя, чем ХО. Другая точка зрения- половые хромосомы произошли от обычной пары аутосом, несущей гены, определяющие пол. Поэтому у одних видов (более примитивных) Y-хромосома такая же по размерам, как и Х –хромосома, конъюгирует с ней полностью или частично, участвует в кроссинговере. А у других видов – она маленькая, с Х-хромосомой соединяется конец в конец, без кроссинговера. В процессе эволюции Y- хромосома почему-то теряет активные гены, деградирует и исчезает, потому форма XY предшествует ХО.
|
|
|
