Органели, які виробляють в клітині енергію, мають свою власну генетичну систему. За організацією генів і навіть за генетичним кодом вона відрізняється як від геному бактерій, так і від хромосом вищих організмів.
Приблизно півтора-два мільярди років тому, коли на Землі було ще дуже мало кисню, примітивна бактеріальна клітина, яка ледь животіла, зброджуючи органічні речовини анаеробним шляхом, поглинула більш дрібну клітину, якій якимось чином вже вдалося набути здатності до дихання. Це було ключовою подією в еволюції живої природи. Між клітинами встановилися відносини симбіозу: в обмін на поживні речовини і захист від несприятливих факторів зовнішнього середовища, які їй надавала більш велика клітинка-господар, маленька аеробна клітина постачала її енергією, оскільки при диханні виділяється набагато більше енергії, ніж при анаеробному окисленні. Концентрація кисню в атмосфері підвищилася і це зіграло роль рушійної сили у зміцненні такого симбіозу. З часом поглинені клітини стали внутрішньоклітинними органелами. Тепер при розмноженні вони передаються від батьківської клітини її нащадкам. У клітинах-господарях також відбулися глибокі зміни: виникли різноманітні клітинні структури, розвинулася система внутрішніх мембран, генетичний матеріал в ядрі оформився в окремі хромосоми. Ці клітини – предки всіх сучасних еукаріотів (тобто клітин, що мають ядра): найпростіших, одноклітинних водоростей, а також клітин багатоклітинних організмів – грибів, рослин і тварин. А нащадки тих симбіотичних аеробних бактерій – це мітохондрії, «енергетичні станції» еукаріотичних клітин.
Мітохондрії мають овальну форму або нагадують по контурах черв'ячків. Вони приблизно такого ж розміру, як і багато сучасних бактерій: близько 0,5 мкм в діаметрі і від 2 до 5 мкм завдовжки. У мітохондрії дві мембрани: зовнішня гладка, а внутрішня утворює численні глибокі згини. Внутрішня мембрана оточує матрикс – рідкий вміст органели. У мітохондріях відбувається окисне фосфорилювання – основний процес, що поставляє клітині енергію. При розщепленні речовин, що надходять з їжею, утворюються органічні молекули; в мітохондріальному матриксі вони окислюються в ланцюзі хімічних реакцій, які складають так званий цикл лимонної кислоти. Електрони, звільнені при окислюванні, передаються вздовж ланцюга комплексів дихальних ферментів, розташованих у внутрішній мембрані мітохондрії. У цитоплазмі еукаріотичних клітин може міститися різна кількість мітохондрій – від декількох штук до багатьох сотень. Чим більша потреба клітини в енергії – тим більше в ній мітохондрій.
Швидше за все, мітохондрії наділені власним генетичним матеріалом і апаратом для експресії генів, оскільки в минулому вони були вільними бактеріями. Вперше припущення про те, що органели можуть мати власні гени, яких немає в ядрі, виникло у 1949 році, коли Б. Ефруссі виявив, що здатність пекарських дріжджів до окислювального фосфорилювання контролюється не ядерним фактором, а цитоплазматичним. Але тільки у 1966 році вдалося виділити і охарактеризувати ДНК із мітохондрій хребетної тварини (курчати). Відтоді мітохондріальні ДНК різних організмів стали предметом пильного вивчення. Найбільше дослідників цікавило, як організована ДНК мітохондрій, як експресуються її гени і які функції вони контролюють.
За останні роки завдяки успіхам молекулярної генетики та новим ефективним методам визначення нуклеотидної послідовності ДНК були отримані важливі дані про геном мітохондрій. У 1981 році Б. Баррелл і його колеги з лабораторії Ф. Сенгера в Кембриджі опублікували повну нуклеотидну послідовність ДНК із мітохондрій людини. Одночасно Дж. Аттарді (Каліфорнійський технологічний інститут) досліджував синтез РНК на ДНК мітохондрій людини. Незабаром співробітники того ж інституту Д. Клейтон і його колеги визначили послідовність ДНК із мітохондрій миші, а група Баррелла – ДНК із мітохондрій бика. Тим часом в Колумбійському університеті А. Цаго-Лоффа визначив послідовність значної частини геному мітохондрій дріжджів. Якщо порівняти отримані цими дослідниками дані, стає ясно, що мітохондріальні ДНК з різних організмів відрізняються від всіх вивчених раніше видів ДНК за кількома важливими ознаками. Можливо, їх незвичайні риси - спадщина тих примітивних аеробних організмів, які в далекому минулому, на зорі еволюції еукаріот, оселилися всередині анаеробних бактерій.
Геном мітохондрій і закодовані в ньому білки
У еукаріотичних організмів ДНК в ядрі представлена кількома окремими хромосомами, в яких нуклеїнова кислота знаходиться в міцному комплексі з білками. Мітохондріальна ДНК більше схожа на хромосому бактерій – вона є однією подвійною спіраллю молекули ДНК, не пов'язаною з білками. У більшості еукаріот, за винятком деяких найпростіших, мітохондріальна ДНК замкнута в кільце – знову ж таки як у бактерій. Проте зазвичай геном мітохондрій набагато менший, ніж геном навіть найпростіших бактерій; за розміром він наближається до геному вірусів. Загалом, величина мітохондріального геному сильно варіює. У більшості тварин в мітохондріальній ДНК всього 15000 нуклеотидів. У дріжджів вона в 5 разів довша, а у рослин – у 25 разів. Різниця в розмірах між геномом мітохондрій тварин і геномом мітохондрій дріжджів в значній мірі пояснюється тим, що один і той же набір генів по-різному організований.
Хоча мітохондрії і мають власну ДНК, вони не є генетично автономними. Велика частина їх структурних білків і ферментів закодована в генах ядра. ДНК мітохондрій відіграє роль матриці для рибосомних РНК мітохондрій (слід зауважити, що мітохондріальні рибосоми сильно відрізняються від решти рибосом еукаріотичної клітини) і адапторних РНК (тобто транспортних РНК, або тРНК; їхня функція – приносити в рибосоми амінокислоти, з яких синтезуються білки). Що стосується білків, то в геномі мітохондрій кодуються інформаційні РНК (мРНК) лише деяких субодиниць комплексів дихальних ферментів з внутрішньої мембрани. Всі інші білки внутрішньої мембрани, всі білки матриксу, у тому числі ферменти циклу лимонної кислоти, а також всі білки зовнішньої мембрани закодовані в ядерній ДНК. Вони синтезуються на рибосомах в цитоплазмі, а потім транспортуються в мітохондрії. Крім структурних компонентів мітохондрій, в ядрі закодовані всі ферменти, необхідні для реплікації ДНК і для синтезу РНК, а також білки, що входять до складу мітохондріальних рибосом, і білкові фактори, що приймають участь у синтезі білків. Іншими словами, функціонування генетичного апарату мітохондрій в чомусь забезпечується генами ядра і синтезуючим білок апаратом самої еукаріотичної клітини.
У клітині ці дві настільки різні генетичні системи – мітохондріальна та ядерна – працюють надзвичайно узгоджено. Однак їхня пара не абсолютна: клітина може жити, навіть якщо активність генів ядра або активність мітохондріальної ДНК на деякий час заблокована.
Організація геному
До складу ДНК входять нуклеотиди чотирьох типів, що відрізняються один від одного природою азотистої основи. Нуклеотидні послідовності двох ланцюгів в подвійній спіралі ДНК комплементарні один одному: аденін (А) одного ланцюга зв’язується з тиміном (Т) іншого, а гуанін (G) – з цитозином (С). У більшості еукаріотичних організмів закодовані ділянки складають лише невелику частину ДНК хромосом: безперервні ряди триплетів, які і складають власне гени, розділені довгими некодованими проміжками і регуляторними послідовностями, що не транскрибуються з утворенням РНК, а також іншими послідовностями, які, хоча і транскрибуються, але не транслюються. Навіть всередині самих генів часто є некодовані «вкраплення» послідовності (їх називають нітронами).
Мітохондріальна ДНК людини, навпаки, є зразком економії. У ній всього 16569 нуклеотидних пар, причому, мабуть, майже кожна основа є кодованою. Між генами майже немає некодованих нуклеотидів. У мітохондріальної ДНК людини є гени двох рибосомних РНК, 22 типів адапторних РНК і гени п'яти білків внутрішньої мембрани мітохондрій. Крім того, в мітохондріальному геномі є ще вісім неідентифікованих рамок зчитування. Жоден з мітохондріальних генів людини не містить нітронів. Ділянок, що кодують нетрансльовану РНК, зовсім небагато.
Мітохондріальна ДНК людини вкрай відрізняється від ДНК із мітохондрій дріжджів. У той час як перша дуже економна, друга вкрай надлишкова. У пекарських дріжджів Saccharomyces cerevisiae гени розкидані по ДНК, довжина якої в п'ять разів перевищує сумарну довжину генів. Кодовані послідовності розділені довгими ділянками ДНК, які складаються майже виключно з основ А і Т. Принаймні в трьох генах є нітрони. На початку і в кінці генів є довгі послідовності, які транскрибуються, але не транслюються.
Генетичний код не універсальний
Кожен кодон інформаційної РНК «прочитується» антикодоном адапторної РНК, яка при синтезі поліпептидного ланцюга поміщає конкретну амінокислоту на своє місце. Генетичний код, який встановлює відповідність між кодонами ДНК (або транскрибованих РНК) і амінокислотами поліпептидного ланцюга, точно однаковий у вірусів, бактерій і у всіх тварин – від черв'яків і до людини. Його вважали універсальним, але виявилося, що це не так: генетичний код в мітохондріях інший, причому у різних організмів він дещо різний.
Інтрони дріжджів
«Розірвані» гени були вперше виявлені в 1977 році, і тепер уже очевидно, що в хромосомах ссавців, птахів і амфібій дуже багато генів (а у нижчих еукаріот – деякі) містять некодовані вкраплення – інтрони, які розташовуються між кодованими ділянками – екзонами.
У хромосомах ядра інтрони, ймовірно, не кодують жодних білків. Інакше справа в мітохондріях дріжджів. Дослідники виявили, що мутації в одному з інтронів гена цитохрому b (цитохром b – це дихальний фермент) впливають на сплайсинг РНК цього гена. Витончені генетичні експерименти і аналіз послідовності ДНК дозволили з'ясувати причини такого явища. Виявилося, що білок, який вирізає другий інтрон в гені цитохрому b, частково цим же інтроном і кодується.
Для чого потрібна мітохондріальна ДНК?
Чому в мітохондріях знадобилася окрема генетична система, а в інших органелах в ній не було необхідності? Геном мітохондрій не можна представити як результат ампліфікації генів заради синтезу якихось мітохондріальних білків у особливо великій кількості. Високого рівня синтезу можна досягти і іншими способами, а вже якщо ампліфікація генів неодмінно потрібна, вона з не меншим успіхом може відбутися в ядрі. Існування автономної ДНК в мітохондріях вдається пояснити також, припустивши, що вона необхідна для синтезу білків, які занадто гідрофобні і тому не здатні переміщатися у водному середовищі до місця своєї «прописки» у внутрішній мембрані.
Якщо окрема генетична система в мітохондріях не обов'язкова, чому вона існує? На думку Борстен, мітохондріальна ДНК – це просто глухий кут еволюції, залишок ендосимбіотичної бактерії. Згідно з гіпотезою Борстен, на ранніх етапах еволюції практично не було труднощів в обміні генетичною інформацією між геномами ендосимбіонта і господаря, і поступово багато генів ендосимбіонта перекочували в геном клітини-хазяїна. Поступово еукаріотична клітина ускладнилася (сформувалося ядро, ДНК розділилася на хромосоми), з'явилися відмінності в генетичному коді між генами ядра і мітохондрій, перенесення генів зрештою стало неможливим. Якась частина генетичного матеріалу виявилася ізольованою всередині мітохондрій. Це були життєво важливі гени, тому вони і збереглися дотепер.
Гіпотеза приваблює своєю простотою. Вона добре пояснює той відомий факт, що деякі мітохондріальні ферменти, закодовані в ядрі, дуже схожі на відповідні ферменти бактерій. Гіпотеза Борстен пророкує, що одні й ті ж гени у одних організмів можуть перебувати в геномі ядра, а в інших – у мітохондріях.
Читайте також:
