Молекулярная биология
Курс лекций для студентов IV курса факультета
биологии РГПУ им. А.И. Герцена
ЛЕКЦИЯ 8
Профессор кафедры Зоологии
д.б.н., профессор Цымбаленко Надежда Васильевна
Тема 6(3) СТРУКТУРА
И ОРГАНИЗАЦИЯ ГЕНОМА
Геном митохондрий (мтДНК)
• Согласно эндосимбиотической теории,
митохондриальная ДНК произошла от
кольцевых молекул ДНК бактерий и поэтому
имеет иное происхождение, чем ядерный
геном. Сейчас преобладает точка зрения,
согласно которой митохондрии имеют
монофилетическое происхождение, то есть
были приобретены предками эукариот лишь
однажды.
• У большинства высших животных геном
митохондрий содержит 37 генов:
• 13 для белков дыхательной цепи,
• 22 для тРНК ,
• 2 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 ДНКполимераза и РНК-полимераза, зашифрованы в
ядре и синтезируются на рибосомах цитоплазмы.
Схема мтДНК человека
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 мтДНК 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)
Распределение на мтДНК консервативных и
вариабельных участков
Большая часть генов расположена на Н-нити мтДНК: это 14
генов тРНК, оба гена рРНК и 11 генов, кодирующих белки. 8
РНК генов и 2 белковых гена (ND3 и АТР8) на L нити.
Указаны гены субъединиц NADдегидрогеназы, 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).
Единственным протяженным участком мтДНК животных,
не имеющим никаких генов, является область D-петли
(Displacement loop).
Дочерние цепи мтДНК синтезируются непрерывно и
асинхронно.
Кроме механизма асинхронной репликации Ни 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
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 Dпетли 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 Dпетля. Молекула мтДНК в области D-петли трехнитчатая.
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.
Каждая цепь мтДНК млекопитающих переписывается с
образованием одной длинной молекулы РНК, начинающейся
в районе ori H.
Помимо этих двух длинных молекул РНК, комплементарных Ни L-цепям, формируются и более короткие участки Н-цепи,
которые начинаются в той же точке и заканчиваются на 3'конце гена 16S рРНК.
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.
Транскрипция
мтДНК
человека
мт ДНК человека
имеет все
признаки,
характерные для
мтДНК
млекопитающих:
типичный размер
- 16569 п.н,
кольцевую
структуру, 37
генов,
реплицируется с
образованием Dпетли и
экспрессируется
с помощью ряда
ядерных
факторов
НАСЛЕДОВАНИЕ мтДНК
• У большинства многоклеточных организмов
митохондриальная ДНК наследуется по
материнской линии. Яйцеклетка содержит на
несколько порядков больше копий
митохондриальной ДНК, чем сперматозоид. В
сперматозоиде обычно не больше десятка
митохондрий (у человека — одна спирально
закрученная митохондрия), в небольших
яйцеклетках морского ежа — несколько сотен
тысяч, а в крупных ооцитах лягушки — десятки
миллионов.
МАТЕРИНСКОЕ НАСЛЕДОВАНИЕ мтДНК
• Материнское наследование мтДНК
• 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).
• В последнее десятилетие появились данные, что
некоторые отцовские митохондрии сохраняются и
непредсказуемо распределяются по различным
стволовым эмбриональным клеткам и при развития
зародыша могут обнаруживаться в разных органах
(работы Отдела молекулярной генетики ФГБНУ
«ИЭМ» (СПб).
OXPHOS-болезни
