10823 (Формування, ріст і розвиток мітохондрій в гаметогенезі та ранньому ембріогенезі хребетних)

2

Формування, ріст і розвиток мітохондрій в гаметогенезі та ранньому ембріогенезі хребетних.

ПЛАН

1. Синтез мітохондріальних білків і особливості формування мітохондрій.

1. система синтезу білка в мітохондріях;

2. продукти мітохондріального білкового синтезу;

3. синтез мітохондріальних білків у цитоплазмі;

4. транспорт у мітохондрії білків, синтезованих у цитоплазмі;

5. формування окремих компонентів мембран мітохондрій.

1. Формування мітохондрій під час процесів розвитку.

1) оогенез;

2) сперматогенез;

3) ріст та диференціювання окремих тканин і органів.

1.Вступ

Роль мітохондрії у розвитку хребетних переоцінити важко. Адже всі процеси в клітині, так чи інакше повязані з енергетичним обміном, залежать від клітинного дихання, важливою складовою якого є окислювальне фосфорилювання. Останнє не можна уявити без мітохондріальних мембран. У процесі онтогенезу роль окислювального фосфорилювання, а отже і мітохондрій, проявляється особливо яскраво і відкриває цілий ряд питань, що потребують дослідження.

По-перше, на даний час ведеться жвава наукова дискусія щодо впливу енергетичного обміну на вік клітини. Відомо, що при розвитку і старінні організму сильно змінюється поглинання кисню клітиною, і це не може не відображатися на структурі та кількості мітохондрій. Тобто, вивчаючи процеси формування мітохондрій у розвитку, ми зможемо впливати на процеси клітинного старіння та омолоджування.

По-друге, широкі перспективи відкриває дослідження мітохондрії як носія власного геному. Геном мітохондрії має значно менші розміри, ніж ядерний геном, і тому є зручним обєктом для вивчення. Крім цього, відкритим залишається питання про взаємодію мітохондріального та ядерного геномів, про перенесення генів з мітохондрії в ядро у процесі еволюційного розвитку. Дослідження цих проблем може допомогти у вирішенні багатьох питань еволюції і генетики.

По-третє, досі незрозумілим є процес відтворення мітохондрій в оогенезі, і це питання також активно досліджується.

У роботі використано праці як дослідників-цитологів (Зотін, Зотіна, Седжер, Білл та Ноулз, Гаузе, Мінченко), так і ембріологів (Айзенштадт, Данілова, Озернюк, Кауфман, Абрамова, Чейз та ін.). На окрему увагу заслуговують праці Озернюка, який є одним із найактивніших дослідників ролі мітохондрій у розвитку, і книга Мінченка та Дударєвої “Мітохондріальний геном”, де розкривається структура, функціонування та роль генетичного апарату мітохондрій.

Робота має два розділи. У першому дається характеристика біогенезу мітохондрії - походження мітохондріальних білків, їх транспорт, структура та функції мітохондріального генетичного апарату. У другому розділі мова йде про зміну характеристик мітохондрій в оогенезі, сперматогенезі та ранньому розвитку хребетних тварин.

2. Синтез мітохондріальних білків і особливості формування мітохондрій.

Формування мітохондрій є багатоступінчатим і багатокомпонентним процесом Особливістю їх утворення є те, що мітохондріальні білки є продуктами діяльності двох генетичних систем: мітохондріальної та ядерної. Просторове розділення цих двох генетичних систем є одною із причин складності їх системи взаєморегуляції як на рівні синтезу окремих білків, так і на рівні інтактної мітохондрії. Розглянемо процеси, що в сукупності утворюють єдиний механізм формування мітохондрій

1)Система синтезу білків в мітохондріях.

Апарат білкового синтезу, локалізований у мітохондріях, призначення для утворення дуже малої кількості білків, що становить не більше 7 -10% білків внутрішньої мембрани мітохондрій. Основним продуктом мітохондріального білкового синтезу є поліпептиди з сильно вираженими гідрофобними властивостями Пинус, Рабинович, 1977

Апарат трансляції мітохондрій характеризується рядом унікальних властивостей. Перш за все, це стосується розміру рибосом. Мітохондріальні рибосоми тварин - найменші серед усіх відомих типів рибосом, що зумовлено відносно невеликими розмірами рРНК, відсутністю 5S рРНК, малим розміром рибосомальних білків Минченко, 1987. У порівнянні з цитоплазматичними та бактеріальними мітохондріальні рибосоми тварин характеризуються більш низьким співвідношенням РНК та білка. В клітинах жаби у великій субчастинці мітохондріальних рибосом вміст РНК становить 32%, в малій субчастинці - 20%, тоді як в цитоплазматичних рибосомах ця величина дорівнює 58% РНК для великої субчастинки і 50% РНК для малої субчастинки. Для мітохондрій ссавців встановлено, що вміст РНК у їхніх рибосомах приблизно вдвічі нижчий в порівнянні з іншими рибосомами Озернюк, 1978.

Рибосоми тварин містять не менш ніж 87 білків: 52 білки у великій субодиниці (молекулярна маса - 8,8 - 49 тис. дальтон) і 33 білки у меншій субодиниці (молекулярна маса - 10 - 48 тис. дальтон), причому всі вони різняться за електрофоретичною рухливістю від білків цитоплазматичних рибосом. Унікальними є і мітохондріальні мРНК. Вони не містять довгих фланкіруючих ділянок, що не транслюються, які присутні в мРНК з цитоплазми, і відповідальні за зв’язування з рибосомами, характеризуються вкороченими полі-А-послідовностями та відсутністю “кепів”, необхідних для ефективної трансляції цитоплазматичних мРНК Гаузе, 1977.

Що стосується мітохондріальної ДНК, то відомо, що вона успадковується лише по материнській лінії. Сцолозі Szollozi, 1965; цит. за: Билл, Ноулз, 1981 виявив, що у щурів при заплідненні мітохондрії сперміїв входять в яйцеклітину, а потім набухають і руйнуються. Існують докази того, що після запліднення мітохондріальна ДНК елімінується Hutchison et al. 1974, цит. за Билл, Ноулз, 1981. Висловлено припущення, що по батьківській лінії може передаватися не більш ніж одна молекула ДНК мітохондрій на 25 тисяч материнських молекул.Минченко, Дударева, 1990

У ссавців мітохондріальний геном представлений кільцевою мітохондріальною ДНК розміром близько 5 мкм (молекулярна маса приблизно 10 МД), що присутня в мітохондріях у вигляді ковалентно замкнутих форм, що перебувають у надспіралізованому стані Минченко, 1987.

Комплементарні ланцюги в мітохондріальної ДНК більшості тварин суттєво різняться за плавучою щільністю в градієнтах лужного хлориду цезію, оскільки мають неоднаковий середній нуклеотидний склад, що коливається у тварин різних видів у значних межах. Частина молекул ДНК в мітохондріях клітин більшості організмів присутня у вигляді олігомерних форм, що поділяються на два класи: кільцеві олігомери, тобто молекули з контурною довжиною, кратною довжині мономерних кілець і ланцюгові олігомери (катенани) що складаються із зв’язаних топологічним зв’язком мономерних кілець Минченко, Дударева, 1990.

Особливістю мітохондріальної системи трансляції є також те, що синтез білків в мітохондріях людини і тварин здійснюється за участю лише 22 - 23 тРНК. Цієї кількості тРНК достатньо завдяки тому, що система генетичного коду мітохондрій змінена в порівнянні із універсальним генетичним кодом. (табл.1). Більшість мітохондріальних тРНК здатні зчитувати по чотири кодони, які різняться за третім нуклеотидом, тобто при наявності чотирьох варіантів кодування однієї амінокислоти. Слід також відмітити, що розмір мітохондріальних тРНК клітин тварин менший у порівнянні з цитоплазматичними тРНК. Anderson et al., 1981.

Табл.1 Генетичний код мітохондрій Anderson et al., 1981.

У таблиці показано бокси, що зчитуються за допомогою єдиної тРНК. Вказано також загальну кількість амінокислотних кодонів, знайдених у генах та послідовностях, які можуть бути генами ДНК мітохондрій.

Ще однією особливістю синтезу мітохондріальних білків є те, що він стійкий до дії специфічного інгібітора цитоплазматичної трансляції циклогексиміду і специфічно пригнічується хлорамфеніколом і бромідом етидію. Синтез білків в ізольованих мітохондріях протікає з низькою швидкістю і нелінійно. Це, можливо, зумовлено затримкою просування полірибосоми по мРНК в її середній ділянці і частково присутністю в мітохондріях інгібітора трансляції, який знижує загальну кількість полірибосом шляхом порушення цілісності мРНК Шугалий и др., 1974.

2)Продукти мітохондріального білкового синтезу

Мітохондріальний геном тварин кодує синтез відносно невеликої кількості поліпептидів. В мітохондріальній ДНК клітин людини та тварин ідентифіковано 13 рамок зчитування для пяти відомих і восьми ще не вивчених білків. В генах, що кодують синтез мітохондріальних білків у клітинах тварин інтрони не виявлені, на відміну від клітин вищих рослин та грибів Anderson et al, 1981.

Цікавим є той факт, що кількість білків - продуктів мітохондріальної трансляції, виявлених за допомогою електрофорезу, значно перевищує кількість рамок зчитування, а отже і кількість потенціальних генів, ідентифікованих в Н-тяжі мітохондріальної ДНК. Це може пояснюватися тим, що серед білків, які синтезуються в мітохондрії, є такі, що кодуються L - тяжем мітохондріальної ДНК, хоча на ньому рамки зчитування ще не виявлені. Крім цього, можна припустити, що деякі з ідентифікованих рамок зчитування можуть кодувати синтез більш ніж одного білка.

На даний час серед мітохондріальних продуктів трансляції ідентифіковані три субодиниці ( І, ІІ і ІІІ ) цитохромоксидази, апоцитохром b і дві субодиниці АТФ-ази, причому гени, що кодують синтез обох субодиниць (6-ї та 8-ї) виявлені лише в геномі мітохондрій дріжджів, а в клітинах тварин однозначно виявлений лише ген 6-ї субодиниці. Детально вивчено функціональне значення цілого ряду білків, які синтезуються в мітохондріях. Існують дані, що деякі із синтезованих в мітохондріях поліпептидів можуть виходити з мітохондрій і грати певну роль в ядерно-мітохондріальних взаємовідношеннях, зокрема в регуляції експресії ядерних генів, що кодують синтез мітохондріальних білків Bibb et al., 1981; цит. за: Минченко, 1987.