Глава 11. Митохондриальные гены и материнское наследование
Митохондриальная ДНК К настоящему времени прочитано более 100 разных геномов митохондрий. Набор и количество их генов в митохондриальных ДНК (мтДНК), 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). 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 и РНК-полимераза, зашифрованы в ядре и синтезируются на рибосомах цитоплазмы. Этот факт указывает на относительность автономии митохондрий в сложной иерархии эукариотической 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. 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. Две нуклеотидные цепи молекулы мтДНК имеют различный суммарный нуклеотидный состав и обозначаются как L-цепь (light, легкая) и Н-цепь (heavy, тяжелая). Различия обусловлены неодинаковым содержанием "тяжелых" пуриновых и "легких" пиримидиновых нуклеотидов. Большая часть молекулы митохондриальной ДНК содержит консервативные кодирующие последовательности. Только небольшой не кодирующий участок размером 1122 нуклеотидные пары, так называемый "контрольный регион", содержит гипервариабельные участки HV1 (342 пары нуклеотидов), HV2 (268 пар нуклеотидов) и HV3 (137 пар нуклеотидов) (рис. 11.1).
Рисунок 11.1. Участки митохондриальной ДНК человека Большая часть генов расположена на Н-нити мтДНК: это 14 генов тРНК, оба гена рРНК и 11 генов, кодирующих белки. 8 тРНК генов и два белок-кодирующих гена (ND3 и АТ8)расположены на L-нити (рис. 11.2). Малый размер митохондриального генома животных по сравнению с грибами и растениями при сохранении почти всех митохондриально кодируемых белков указывает на его чрезвычайно экономную организацию. Так, гены расположены почти вплотную, межгенные спейсеры составляют всего до 9 нуклеотидов. Рисунок 11.2. Карта митохондриальной ДНК человека. Указаны гены субъединиц NAD-дегидрогеназы, цитохрома b, субъединиц цитохрома с, субъединиц АТФ-синтазы, рРНК (12S и 16S) и тРНК (однобуквенные символы аминокислот). Стрелками указаны промоторы транскрипции цепей (LSP, HSP1, HSP2) и точки инициации репликации (0L, Он). Имеющихся в митохондриальной ДНК 22 тРНК генов достаточно для синтеза всех необходимых митохондриальных белков. 13 генов мтДНК животных кодируют белки различных энергетических комплексов. Гены митохондриальных белков почти всегда фланкированы с двух сторон генами тРНК. Единственным протяженным участком мтДНК животных, не имеющим никаких генов, является область так называемой D-петли (Displacement loop). 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 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. 11.3).
Рисунок 11.3 Схема репликации мтДНК млекопитающих Длина D-петли несколько различается у разных видов и определяется короткими (15 п.н.) специфическими TAS-последовательностями (termination-associated sequences). ДНК-репликация в митохондриях тесно связана с транскрипцией. В области D-петли расположены два промотора: один из них (HSP) инициирует транскрипцию основной кодирующей Н-цепи, другой (LSP) - комплементарной легкой L-цепи. В области D-петли находится также точка инициации репликации Н-цепи (Он), тогда как точка инициации репликации L-цепи находится обычно вдали от D-петли. Вначале на LSP инициируется синтез коротких РНК-транскриптов, которые служат праймерами для начала репликации Н-цепи. Вновь синтезируемая часть Н-цепи имеет небольшую длину (до 1000 п.н.). Она комплементарно связывается с соответствующим участком L-цепи, оттесняя в этом месте родительскую Н-цепочку, так что образуется D-петля. Молекула мтДНК в области D-петли трехнитчатая. Митохондриальная ДНК человека имеет все признаки, характерные для мтДНК млекопитающих: типичный размер - 16569 п.н, кольцевую структуру, 37 генов, реплицируется с образованием D-петли и экспрессируется с помощью ряда ядерных факторов. Наряду с мономерными кольцами в митохондриальных геномах человека и других млекопитающих редко встречаются димерные и мультимерные молекулы, которые особенно характерны для малигнизированных клеток. Кроме механизма асинхронной репликации Н- и L-нитей мтДНК в митохондриях млекопитающих обнаружена синхронная репликация двух цепей, начинающаяся в точке Он и продолжающаяся в одном направлении по всей длине молекулы. Данный способ репликации характерен для клеток, восстанавливающих нормальное число молекул мтДНК после резкого их уменьшения, тогда как асинхронная репликация типична для клеток, поддерживающих число копий мтДНК при стабильном состоянии
В отличие от большинства эукариотических 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. 11.4). Таких коротких транскриптов в 10 раз больше, чем длинных. В результате 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 эукариот. Сплайсинга не происходит, поскольку ни один из митохондриальных генов млекопитающих не содержит интронов. Рисунок 11.4. Транскрипция мтДНК человека Доля молекул с D-петлей в общем пуле митохондриальных ДНК зависит от типа клеток и стадии клеточного цикла. Так, при увеличении потребности в кислороде частота молекул мтДНК с D-петлей увеличивается. В митохондриях общее число молекул с D-петлей значительно превышает число полностью реплицирующихся молекул. Обусловлено это тем, что у D-петли есть дополнительные функции - это прикрепление мтДНК к внутренней мембране и инициация транскрипции, поскольку в этом районе локализованы промоторы транскрипции обеих цепей ДНК. Высокая мутабильность митохондриальной ДНК связана, с одной стороны, с особенностями ее организации: геном не защищен гистоновыми белками, репарационные процессы не так многообразны, как в ядре. В то же время митохондрии поглощают более 90% кислорода, попадающего в клетку, и дыхательная цепь образует при функционировании большое количество ДНК-повреждающих свободных радикалов. Высокая концентрация активных форм кислорода в митохондриях увеличивает 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.
Аккумулируя точечные мутации почти в десять раз быстрее, чем ядерная, мтДНК любого представителя незамкнутой популяции отличается от мтДНК другого человека в среднем на 25 нуклеотидных замен, которые не всегда являются патологическими, а часто представляют результат полиморфизма. Этот полиморфизм создает объективные трудности в выяснении истинной роли мтДНК в патогенезе, его следует учитывать при любом исследовании митохондриального генома. Генотип человека по локусам митохондриальной ДНК называется митотипом. Для обозначения аллельных вариантов, при описании митотипа, указывается отличие последовательности нуклеотидов аллеля конкретного митотипа от стандартной последовательности. В качестве стандартной последовательности нуклеотидов молекулы митохондриальной ДНК человека используется так называемая пересмотренная Кембриджская референсная последовательность (revised Cambridge Reference Sequence или rCRS) опубликованная в 1999 году. Работы Брауна с соавторами (Brown et al., 1980; 1982), посвященные сравнению последовательностей мтДНК у приматов и человека, у представителей различных человеческих рас показали высокую информативность мтДНК, как инструмента исследований эволюционной, популяционной и исторической генетики. Этому способствуют уникальные особенности мтДНК, во-первых, высокая скорость изменчивости мтДНК приводит к высокому уровню полиморфизма мтДНК в популяциях. Во-вторых, отсутствие рекомбинаций и наследование мтДНК исключительно гаплотипами способствует простоте реконструкции предковых форм – гаплотипов-основателей – наблюдаемого генетического разнообразия; и, наконец, наследование от одного родителя определяет мтДНК как нейтральный маркер материнской линии. В настоящее время наиболее распространены два основных метода и подхода к исследованию полиморфизма мтДНК в популяциях мира. Первый подход – это высокоразрешающее рестрикционное картирование тотальной молекулы мтДНК. Работы в этом направлении выявили высокий уровень разнообразия митохондриального генофонда и показали наличие этно-географической специфичности типов мтДНК. На основе диагностических рестрикционных сайтов в различных, преимущественно кодирующих, участках мтДНК типы мтДНК объединяются в континент-специфические группы, или гаплогруппы, описывающие от 60 до 100% общего разнообразия последовательностей мтДНК населения отдельных континентов.
Второй подход – это исследование полиморфизма главной некодирующей области (D-петли) мтДНК. Полиморфизм первого гипервариабельного сегмента D-петли может на данный момент считаться наиболее изученным в популяционном плане. Несмотря на большое разнообразие индивидуальных линий мтДНК показано, что эти гаплотипы дифференцируются на группы. Так для населения Европы и Ближнего Востока выявлено пять таких гаплогрупп, объединяющих близкородственные гаплотипы на основе наиболее устойчивых ассоциаций нуклеотидных замен. На сегодня уже установлено, какие митохондриальные линии присущи населению Западной и Восточной Евразии, Африки, Австралии и Америки. По современным представлениям, все евразийские группы мтДНК входят в состав трех макрогрупп - M, N и R, которые произошли примерно 65 тыс. лет назад из африканской митохондриальной группы L3. Распределение линий мтДНК в генофонде населения Евразии характеризуется выраженной этнорасовой специфичностью. Например, генофонды народов западной и восточной частей Евразии различаются кардинально. Почти все линии мтДНК корейцев и бурят относятся к набору восточноевразийских групп - A, B, C, D, F, G, M7, M8a, M9, M10, M11, Y, Z, N9a, R9. Европейцам же свойственны группы H, HV*, pre-V, T, J, K, U2, U3, U4, U5, U8, N1a, I, W и X. В другой части Евразии, в северной лишь в краевых популяциях почти полностью преобладают митохондриальные линии одного этнорасового происхождения - монголоидного или европеоидного. Огромная же по протяженности территория (от Алтая до Восточно-Европейской равнины) представляет собой древнюю контактную зону. Именно в ней проходил расогенез за счет межрасового смешения (рис. 11.5). Рисунок 11.5. Филогенетическое дерево митохондриальной ДНК человека Митохондриальный генофонд русского населения характеризуется высоким разнообразием, но встречаются и общие группы. Наиболее частыми из них были H, U, T и J - те же группы, которые широко распространены в генофондах других европейских народов. Монголоидная примесь у русских оказалась незначительной - около 1.5%, причем ее составляли группы мтДНК (C, D, M*, G2a, N9a) восточноевразийского происхождения (рис. 11.6). Рисунок 11.6. Структура митохондриального генофонда русских, поляков и боснийцев (кластеры мтДНК обозначены буквам (розовыми кружками (их размер пропорционален частоте гаплотипа мтДНК) даны кластеры русских, серыми - поляков, черными – боснийцев). Митохондриальные болезни В 1972 г. Ольсон с соавторами с помощью модифицированной трехцветной окраски обнаружили в поперечнополосатых мышцах волокна с аномально большим количеством митохондрий. Они предложили новый термин – " рваные мышечные волокна ". При электронной микроскопии видно, что митохондрии в таких волокнах увеличены, часто имеют необычную форму и содержат кристаллические включения. Со времени этих исследований представления о митохондриальных миопатиях и наследственных митохондриальных болезнях вообще существенно расширились. Митохондриям принадлежит ведущая роль в образовании энергии. В результате окисления углеводов, жиров и белков образуются восстановительные эквиваленты, которые переносятся по дыхательной цепи. Высвобождающаяся при этом энергия переходит в энергию электрохимического градиента для протонов на внутренней мембране митохондрий, а та, в свою очередь, используется для синтеза АТФ. Этот процесс - окислительное фосфорилирование. Митохондриальный геном кодирует рРНК и тРНК, участвующие в митохондриальной системе трансляции, и некоторые белки, необходимые для окислительного фосфорилирования. 13 белок-кодирующих митохондриальных генов занимают примерно 77% кодирующих последовательностей мтДНК; на долю двух генов рРНК приходится 14%, а 22 гена тРНК составляют 9% митохондриальной ДНК человека. Многие митохондриальные белки кодируются генами ядерного генома, синтезируются в цитоплазме и затем транспортируются в митохондрии. Поэтому мутации, нарушающие функции митохондрий, могут происходить как в митохондриальном, так и в ядерном геномах. Дефект любого из ферментов митохондрий нарушает слаженную работу всей "энергетической станции". При этом в первую очередь страдают наиболее энергозависимые ткани и органы - центральная нервная система, скелетные и сердечная мышцы, почки, печень, эндокринные железы. На фоне хронического дефицита энергии в них рано или поздно возникают патологические изменения и развиваются заболевания, которые получили название митохондриальных. Современной медицине известно около 200 таких болезней. В их клинике встречается самая различная патология, но доминируют поражения центральной нервной системы и мышечной ткани. Симптомами, типичными для митохондриальных заболеваний, являются мышечные боли, слабость и атрофия мускулатуры, непереносимость физических нагрузок, птоз, полинейропатия, судороги, отсутствие рефлексов, атрофия зрительного нерва, нейросенсорная тугоухость, мигрени, летаргические состояния, изменения психомоторного развития, олигофрения и деменция. Мутации, возникшие в митохондриальных генах, передаются в новые митохондрии при делении этих органелл. Получается, что даже в пределах одной клетки присутствуют митохондрии с разными вариантами геномов. Это явление называется гетероплазмией. Человек с мутацией в митохондриальном гене несет смесь нормальной и мутантной ДНК, причем соотношение митохондрий с мутантными и нормальными геномами может быть каким угодно, поэтому выраженность митохондриальных заболеваний у разных больных неодинаковая. В подобных случаях мутации поначалу могут вообще не иметь внешних проявлений. Нормальные митохондрии до поры до времени обеспечивают клетки энергией, компенсируя недостаточность функции митохондрий с дефектами. На практике это проявляется более или менее длительным бессимптомным периодом при многих митохондриальных заболеваниях. Однако рано или поздно наступает момент, когда дефектные формы накапливаются в количестве, достаточном для проявления патологических признаков. Возраст манифестации заболевания варьирует у разных больных. Раннее начало заболевания приводит к более тяжелому течению и неутешительному прогнозу. Наследование мутаций в митохондриальном геноме носит особый характер. Если гены, заключенные в ядерной ДНК, дети получают поровну от обоих родителей, то митохондриальные гены передаются потомкам только от матери. Это связано с тем, что всю цитоплазму с содержащимися в ней митохондриями потомки получают вместе с яйцеклеткой, в то время как в сперматозоидах цитоплазма практически отсутствует. По этой причине женщина с митохондриальным заболеванием передаёт его всем своим детям, а больной мужчина - нет. В 1988 году были опубликованы первые работы, в которых показана связь мутаций в мтДНК с рядом заболеваний у человека. Сейчас известно более 110 патогенных точечных мутаций и около 200 делеции, инсерций и других структурных реорганизаций мтДНК человека, индуцирующих развитие наследственных заболеваний. Проявление мутаций мтДНК тканеспецифично: сердце, мышцы и мозг являются наиболее зависимыми от аномалий процесса окислительного фосфорилирования, с этим и связаны особенности большинства "митохондриальных" синдромов (рис. 11.5). Каждый из известных сегодня синдромов, вызванных нарушением функционирования митохондрий, определяется какой-либо мутацией следующего типа: - нуклеотидные замены в генах, кодирующих полипептидные цепи (миссенс-мутации); - нуклеотидные замены в генах тРНК; - делеции или вставки в мтДНК; - мутации, изменяющие число копий мтДНК. В митохондриальном геноме человека обнаружен ряд единичных делеций размером от 1 до 10 т.п.н. Оказалось, что почти треть пациентов с делециями мтДНК утрачивают один и тот же участок митохондриального генома размером 4977 п.н, несут так называемую обычную делецию. Она фланкирована двумя прямыми повторами размером 13 п.н и расположена между генами atp8 и nad5. Все макроделеции, найденные в мтДНК человека, разделяются на две группы: 1) имеющие короткие прямые повторы в точках разрыва ДНК молекулы; 2) не имеющие таких повторов. У пациентов, несущих делеции мтДНК, обнаруживаются часто также мтДНК с дупликациями. Описана реорганизация генома, в результате которой объединяются интактная молекула мтДНК - 16,6 т.п.н. с молекулой, несущей делецию - 11,6 т.п.н, при этом образуются кольцевые молекулы размером 28,2 т.п.н. Патогенность крупных делеции связывают прежде всего с утратой генов сразу нескольких тРНК, что приводит к нарушению трансляции практически всего митохондриального генома. С делецией 4977 п.н. (утрачиваются гены тРНК, расположенные между atp8 и nad5) связаны сразу три синдрома: Рисунок. 11.5. Митохондриальный геном человека с указанными позициями делеции 5 т.п.н, а также различных точечных мутаций и связанных с ними синдромов. - синдром Кернс-Сейра - фатальная мультисистемная патология, проявляющаяся в возрасте 4 - 18 лет пигментным ретинитом, атаксией, атриовентрикулярной блокадой сердца, повышением уровня белка в цереброспинальной жидкости, появлением "рваных" волокон в скелетных мышцах и др.; - прогрессирующая наружная офтальмоплегия - миопатия, характеризующаяся параличом наружных глазодвигательных мышц; - синдром Пирсона - гипопластическая анемия, нарушение экзокринной функции поджелудочной железы. Все три синдрома являются спорадическими, т.е. матери и другие дети тех же родителей остаются здоровыми. Митохондриальные ДНК больных характеризуются гетероплазмией: делетированные молекулы присутствуют в тканях одновременно с нормальными. Причиной заболевания является единичная спонтанная делеция, происходящая рано в оогенезе или эмбриогенезе. До начала дифференциации зародышевых слоев мтДНК не реплицируется. Если мутантная мтДНК по воле случая распределится равномерно между клетками всех зародышевых слоев, разовьется скорее всего мультисистемный синдром Кернс-Сейра; неравномерная сегрегация с накоплением мутантных мтДНК в клетках костного мозга может дать начало синдрому Пирсона, сегрегация исключительно в мышцы приведет к формированию прогрессирующей наружной офтальмоплегии. Возникнув первоначально в результате мутации, единичная молекула мтДНК с делецией амплифицируется, приводя к появлению триллионов аномальных ДНК у больных с клиническими синдромами. Именно пролиферация дефектных митохондрий (особенно в мышцах) в значительно большей степени, чем присутствие мутантной ДНК в них, приводит к гибели больного. Множественные митохондриальные делеции были обнаружены в ДНК пациентов с митохондриальной нейрогастроинтестинальной энцефало-миопатией, прогрессивной наружной офтальмоплегией и рядом других симптомов. В этих случаях дефект наследовался по менделевскому типу как аутосомный рецессивный ген, т.е. его первопричина находилась вне митохондриальной ДНК. Во многих описанных случаях в семьях пациентов, происходящих из самых разных этнических групп, был обнаружен дефектный ядерный ген ти-мидинфосфорилазы (хромосома 22ql3.32-qter). Тимидинфосфорилаза катализирует реакцию превращения тимидина в тимин. У 15 исследованных больных с синдромом MNGIE уровень тимидина в плазме был повышен в 20 и более раз по сравнению с контрольным. Вероятно, нарушенный метаболизм тимидина приводит к нестабильности мтДНК. Тяжелые клинические последствия имеет процесс почти полной утраты клеткой мтДНК - так называемый синдром мтДНК деплеции. При этом в клетках остается 1 - 30% нормального количества молекул мтДНК. Синдром деплеции также наследуется по аутосомно-рецессивному типу, мутирующий при этом ген пока окончательно не установлен; скорее всего им окажется ядерный ген, кодирующий ДНК-полимеразу гамма. При трансплантации in vitro ядер из нормальных клеток в клетки с деплецией митохондриального генома восстанавливается нормальный уровень молекул мтДНК, что доказывает ядерную локализацию данной мутации. Синдром проявляется в первые недели после рождения; деплеция мтДНК была даже обнаружена в клетках амниотической жидкости плода. Новорожденные страдают множественными нарушениями: фатальная гепатопатия, врожденная или возникающая в первые два года жизни миопатия с генерализованной гипотонией, кардиомиопатией и судорогами (синдром Де Тони-Дебре-Фанкони), атрофией проксимальных групп мышц и утратой сухожильных рефлексов. В тяжелых случаях смерть наступает в первый год жизни; даже при менее массированной деплеции течение болезни быстропрогрессирующее, с летальным исходом в первые три года жизни. Частота мутаций в генах тРНК в 2 раза выше, чем в белок-кодирующих генах. Подавляющее большинство исследованных до сих пор мутаций митохондриальных генов тРНК являются рецессивными: биохимическая дисфункция проявляется лишь тогда, когда уровень немутантных мтДНК падает ниже 30%. Известно пять мутаций генов рибосомальной РНК митохондрий, все они вызывают тканеспецифические эффекты. Наиболее часто встречается мутация гена 12S рРНК A1555G. Она находится в высококонсервативной области гена РНК малой субъединицы рибосомы и вызывает врожденную несиндромную потерю слуха. В результате этой мутации изменяется аминогликозид-связывающий сайт 12S рРНК, вследствие чего пациенты становятся чувствительными к находящимся во внешней среде ототоксическим аминогликозидам. Еще четыре мутации генов 12S и 16S рРНК вызывают кардиомиопатию. У большинства пациентов с синдромом MERRF (миоклонус-эпилепсия, "рваные" красные мышечные волокна, задержка умственного развития, атаксия, атрофия мышц и др.) обнаружена гетероплазматическая транзиция A8344G в гене TPHKLys. Дисфункция дыхательной цепи проявляется при очень высоком уровне мутантных молекул в клетках - не менее 85 - 90%. Матери пациентов с синдромом MERRF несут значительно менее выраженные синдромы либо фенотипически являются здоровыми. У некоторых пациентов с мутацией A8344G были обнаружены множественные симметричные липомы на шее, которые содержали более высокий уровень мутантной мтДНК, чем окружающие жировые ткани, и, возможно, являлись первым проявлением мутантного фенотипа. Реже встречается вторая мутация гена лизиновой тРНК: транзиция нуклеотида 8356 (Т8356С). Данная мутация также ингибирует белковый синтез в митохондриях и вызывает дефицит дыхательной цепи. Основная часть обнаруженных мутаций тРНК генов является транзициями и трансверсиями.
Воспользуйтесь поиском по сайту: ©2015 - 2024 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...
|