Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (djvu) (1129766), страница 269
Текст из файла (страница 269)
14.БО. Организация митохоидриального генома человека. Геном содержит 2 гена РРНК, 22 гена тРНК и 13 последовательностей, кодирующих белки. Митохондризльные геномы многих других животных также были полностью расшифрованы. Большинство этих ДНК кодирует те же белки, чта и человеческий мнта- хондриальный геном, причем последовательность ~впав не изменяется от млекопитающих до рыб. Таблица 14.3. Некоторые различия между вуниверсальнымз и митокондриальным генетическими кодами« рр »Лег 1.ец .Ггр' ' ' Еец Ьр Я()Р Мег ' 1(е Тугг ' Беа Бег дг9 ...
Аго 'Красным курсивом выделены кадакы, значение которых отличается ат значения в «уннвер сальном» коде. нуклеотидов н третьем (неоднозначном) положении. Такое спаривание «2 из 3» по зволяет одной тРНК взаимодействовать с любым из четырех кодонов. В результате для синтеза белка требуется меньше молекул тРНК. 3. Отличивщийся генетический код. Наверное, наиболее удивительным результатом сравнения митохондриальной последовательности ДНК с аминокис лотными последовательности соответствующих белков был тот факт, что их гене.
тические коды различакгтся: «значения» 4 из 64 кодонов отличаются от значений тех же кодонов в других геномах (таблица 14.3). Близкое сходство между генетическим кодом всех организмов является доказа тельством того, что клетки прои,юшли от одного общего предка. Как же тогда объ яснить несколько отличий генетического кода многих митохондрий? Ответ нашли, когда обнаружили, что митохондризльный генетический код у разных организмов отличается В митохондрии с самым большим количеством генов на рис. 14.59, т.е. у простейшего тсес!тотопггз, генетический код не отличается от стандартного кода клеточного ядра.
Однако 1)ОА, который в других местах служит стоп кодоном, в ми тохондриях млекопитающих, грибов и беспозвоночных считывается как триптофан. Точно так же кодов АОО обычно кодирует аргггнин, но в митохондриях млекопитающих он кодирует стоп сигнал, а в митохондриях Огозор!гт!а — серии (см. таблицу 14.3). Зти отличия указывают на то, что в генетическом коде митохондрий может проис ходить случайное смешение. Предполагается, что благодаря необычно малому числу 14.4. Генетические системы митохондрий и пластид 1323 кодируемых митохондриальным геномом белков изменение значения редкого кодона не приводит к тяжелым последствиям, тогда как такое изменение в большом геноме повлияет на функционирование многих белков и, следовательно, разрушит клетку. 14.4.6.
Митохондрии животных содержат самые простые генетические системы из известных Сравнение последовательностей ДНК различных организмов показало, что у позвоночных животных (включая нас с вами) в ходе эволюции скорость замены нукчеотидов в митохондриальном геноме была в 10 раз больше, чем в ядерном геноме. Это различие скорее всего объясняется меньшей точностью репликации митохондриальной ДНК, малоэффективной репарацией ДНК или и тем и другим. В митохондрии животной клетки должно быть реплицировано и экспрессировано в форме РНК и белков всего около 16500 нуклеотндов. Поэтому уровень ошибок при репликации ДНК в расчете на нуктеотид, который затем был пропущен репарацией, транскрибирован РНК-полимеразой илн транслироваи в белок митохондриальными рибосомами, может быть довольно высоким без повреждения относительно небольшого числа генных продуктов.
Это может объяснить, почему механизм этих процессов прост по сравнению с механизмом в других частях клетки. Наличие всего 22 тРНК и необычно маленький размер рРНК (меньше двух третьей от размера РРНК Е. сой), например, должны снижать точность синтеза белка в митохондриях, хотя это еще нужно проверить экспериментально. Относительно высокая скорость эволюции мнтохондриальных генов животных делает сравнение последовательностей митохондриальных ДНК особенно удобным для оценки времени относительно недавних эволюционных событий, например этапов эволюции приматов. 14.4.7. Некоторые гены митохондрий и хлоропластов содержат интроны Процессинг предшественников РНК играет важную роль в двух наиболее изученных митохондриальных системах — человека и дрожжей.
В человеческих клетках обе цепочки митохондриальной ДНК транскрибируются с одинаковой скоростью с единственного промоторного участка на каждой из цепей с образованием двух различных гигантских молекул РНК, каждая из которых содержит полную копию одной цепочки ДНК. Таким обраюм, транскрипция абсолютно симметрична. Затем происходит интенсивный процессинг транскриптов одной цепочки путем нуклеазного расщепления с образованием двух РРНК, большей части тРНК и около 1О поли-А-содержащих РНК. С другой стороны, из транскрипта второй цепочки в результате процессинга образуется только 8 тРНК и 1 негюльшая поли-А-содержащая РНК; оставшиеся 90 ' этого транскрипта, по-видимому, не содержат полезной информации (поскольку они комплементарны кодирующей последовательности другой цепочки) и деградируют.
Поли-А-содержащие РНК— это митохондриальные мРНК: несмотря на то что у них отсутствует кэп-группа на 5'-конце, они несут поли-А-хвост на 3'-конце, который добавляется посттрансляционно митохондриальной поли-А-полимеразой. В отличие от митохондриальных генов человека, некоторые митохондриальные гены растений и грибов (включая дрожжи) содержат интроны, которые должны быть удалены сплайсингом РНК. Интроны также встречаются в некоторых хлоро- (324 Часть()(.вн)гтргвйняворгвизгрвц(«я клетки К настоящему времени секвенировано более 20 хлоропластных геномов. Гено.
мы даже состоящих в дальнем родстве растений (например, табака и печеночного мха) очень похожи, и даже геномы зеленых водорослей им близки (рис. 'г4.6(). Гены хлоропластов участвуют в четырех основных типах процессов: транскрипции, трансляции, фотосинтезе и биосинтезе малых молекул: аминокислот, жирных кислот и пигментов. Гены растительных хлоропластов кодируют еще по крайней мере 238 "."'::!':!~ Лг" 4~~Х:~ 168 168 ».г„гг» ч инвертированные гг:;ф, последовательности, несущие гены кврбоксилвзв (большев фф -;„:,):, субьединице] гезг;«Я« ~-',.
з'~~ ~(ф гены тРНК вЂ” гены рибосомных белков — гены фотосистемы Г о" — гены фотосистемы И гены АТР-синтезы гены комплекса Ы гены РНК-полимервзы ° гены МАОН-дегидрогенвзного комплекса Рис. 14.61. Строение хлороплвстного генома печеночного мхз, Хлороплзстный геном всех высших растений организован сходным абрахом, но его размер варьирует среди видов в зависимости от того, сколько ДНК, окружающей гены, кодирующие рибосомные РНК 165 и 235, присутствует в двух копиях властных генах растений.
Многие интроны в генах органелл содержат семейство родственных нуклеотидных последовательностей, способных самостоязельгго удаляться из транскриптов РНК путем РНК-опосредованного катализа (см, главу 6), хотя обычно в таких реакциях сплайсинга белки все же участвуют. Присутствие интронов в генах органелл неожиданно, поскольку они нечасто встречаются в генах бактерий, от чьих предков, как предполагается, произошли митохондрии и растительные хлоропласты. В дрожжах один и тот же лгитохоггдриальньгй ген может содержать интрон в одном штамме, но не содержать в другом. Такие «факультативньге интроны», по видимому, способны покидать геном и возвращаться в него как мобильные генетические элемен ты.
С другой стороны, интроны в митохондриях других дрожжей были обнаружены в соответсгвующих положениях в митохоцдриях Атрегдгг!ггз и Хеигозрога, что ука зывает на то, что они были унаследованы от общего предка этих грибов. Возможно, гпи интронные последовательности имеют древнее происхождение — вплоть до бактериального предка, и несмотря на то, что они были утеряны многими бактериями, в некоторых геномах органелл, в которых происходит регуляция и сплайсинг Р(! К для контроля экпрессии генов, они преимущественно сохранялись.
14.4. Генетические системы митохондрий и ппастид 1325 40 белков, чьи функции до сих пор неизвестны. Как ни странно, все известные на данный момент кодируемые хлоропластами белки являются частью более крупных белковых комплексов, которые также содержат одну нли несколько субъединиц, кодируемых ядром. Мы обсудим возможные причины этого парадокса позже. Геномы хлоропластов и митохондрий обладают удивительным сходством.
Основные регуляторные последовательности, например промоторы и терминаторы транскрипции, в этих органеллах практически идентичны. Аминокислотные последовательности белков, кодируемых в хлоропластах, явно бактериального типа, н несколько кластеров генов с родственными функциями (например, генов, кодирующих рибосомные белки) одинаковым образом организованы в геномах хлоропастов, Е. со!г и цианобактерий. Дальнейшее сравнение большого числа гомологичных нуклеотидных последовательностей должно помочь прояснить эволюционный путь от бактерий к хлоропластам, но уже сейчас можно сформулировать несколько заключений; 1. Хлоропластьт высших растений произошли от фотосинтетических бактерий.
2. Многие гены исходной бактерии сейчас располагаются в ядерном геноме, куда они интегрировались и где стабильно поддерживаются. Например, в высших растениях две трети из 60 или около того хлоропластных рибосомных белков кодируются клеточным ядром; эти гены имеют бактериальное происхождение, и хлоропластные рибосомы сохранили свои исходные бактериальные характеристики. 14.4.9.
Митохондриальные гены наследуются не ло менделевскому механизму Большое количество экспериментов по выяснению механизмов биогенеза митохондрий проводится на 5асс/гагопгусех сегегтЫае (пекарских дрожжах). Такой выбор объекта объясняется несколькими причинами. Во-первых, при росте на глюкозе эти дрожжи способны жить исключительно за счет гликолиза и, следовательно, способны выживать с дефектными митохондриями, у которых повреждено окислительное фосфорилирование.
Таким обтразом, можно выращивать клетки с мутациями в митохондрнальной или ядерной ДНК, нарушающими функцию митохондрий; для многих эукариот такие мутации легальны. Во-вторых, дрожжи — это простые одноклеточные эукариоты, их просто выращивать и биохимически анализировать. Наконец, эти дрожжевые клетки обычно размножаются неполовым путем за счет почковання, но они также способны размножаться половым путем. Во время полового размножения две гаплоидные клетки сливаются с образованием диплоидной зиготы, которая может либо митотически расти, либо делиться мейозом с образованием новых гаплоидных клеток.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
