Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (djvu) (1129766), страница 270
Текст из файла (страница 270)
Воэможность контролировать тип рммножения (половой илн бесполый) в лабораторных условиях значительно ускоряет генетический анализ. Мутации митохондриальных генон не наследуются в соответствии с менделевскими законами, управляющими наследованием ядерных генов. Таким образом, задолго до того, как митохондриальный геном секвенировали, генетические исследования показали, какие гены, управляющие функционированием митохондрий, локализированы в ядре, а какие — в митохондриях. Пример неменделевского (цитоплазматического) наследования митохондриальных генов в гаплоидной дрожжевой клепсе представлен на рис.
14.62. На этом примере мы проследим наследование мутантного гена, который делает синтет митохондриальных белков устойчивым к хлорамфениколу. 1326 Часть()Г. Знутрвнняя:организа)зия кпйтки- Когда устойчивая к хлорамфениколу гаплоидная клетка сливается с хлорам феникол чувствительной гаплоидной клеткой дикого типа, образующаяся ди плоидная зигота содержит смесь мутантных генов и генов дикого типа. Митохондриальные сети в зиготе сливаются, создавая один непрерывный ретикулум, устойчивые к хпорамфеникапу мутантные гаппоидные дрожжи гаплоидные дрохоки дикого типа СЛИЯНИЕ диплоидные дрожжи т ПОСТЕПЕННАЯ МИТОТИЧЕСКАЯ СЕГРЕГАЦИЯ МИТОХОНДРИЙ НА ПРОТЯЖЕНИИ НЕСКОЛЬКИХ ~ ЭТАПОВ ВЕГЕТАТИВНОГО РОСТА л4 мейОЗ пРи 1 ~х ЖЮ Ф:::М все четыре дочерние клетки устойчивы к хпорамфениколу все четыре дочерние клетки чувствительны к хпорамфеникопу Рис.
14.62. Различия в принципах наследования митоюндриальных н ядерных генов дрожжевым клеток. В случае ядерных генов (менделевское наследование) две из четырех образующихся в результате мейоэа клеток наследуют ген от одной из исходных гаплоидных клеток (зеленые хромосомы), а две другие клетки наследуют ген второй (черные хромосомы). С другой стороны, в случае митохондри альных генов (неменделееское наследование) все четыре клетки, образовавшиеся в результате мейоза, могут унаследовать митохондриальные гены только от одной из двух родительских гаплоидных клеток.
В данном примере митохондриальный ген-это ген, мутация в котором(митохондриальнаяДНКотмечена гслубымиточками) делает синтез белков в митохондриях устойчивым к хлорамфениколу — ингибитару белкового синтеза, который специфически воздействует на похожие на прокариотические рибосомы митохондрий и хлоропластов. Клетки, содержащие мутантный ген, можно обнаружить по их способности расти в присутствии хлорамфени кол а на субстрате, например глицерине, который может использоваться для гли кол и за.
Когда гликализ заблокирован, АТР должен синтеэироваться функционирующими митохондриями, и поэтому клетки, несущие нормальную (дикого типа) мнтохондриальную ДНК (красные точки), погибают. 14.4. Генетические системы митохондрий и пластид 1327 содержащий геномы обеих родительских клеток. Когда зигота претерпевает митоз, копии митохондриальной ДНК мутантного и дикого типов распределяются по днплоидным дочерним клеткам. В случае ядерной ДНК каждая дочерняя клетка получает две копии каждой хромосомы, по одной от каждого родителя. С другой стороны, в случае митохондриальной ДНК дочерняя клетка может унаследовать больше копий мутантной ДНК, чем ДНК дикого тина, и наоборот. Последовательные митотические деления могут привести к накоплению ДНК определенного типа, что в конце концов приведет к появлению клеток, содержащих митохондриальную ДНК только одного генотипа. Этот стохастический процесс называется митотической сегрегацией. Когда диплоидные клетки, распределившие таким образом свои митохондриальные геномы, претерпевают мейоз с образованием четырех гаплондных дочерних клеток, каждый из четырех потомков получает одни н те же митохондриальные гены.
Такой тип наследования называется цитоплазматическим, или неменделевским, наследованием, чтобы отличать его от менделевского наследования ядерных генов (см. рис. 14.62). Когда наблюдается неменделевское наследование, это указывает на то, что ген расположен вне ядерных хромосом. Несмотря на то что кластеры митохондриальных молекул ДНК (нуклсоиды) относительно неподвижны в митохондриальном ретикулуме за счет их заякоривания во внутренней мембране, отдельные нуклеоиды периодические сближаются.
НаиГюлее часто это происходит в местах слияния двух родительских митохондриальных сетей в процессе формирования зиготы. Когда в одном нуклеоиде присутствуют разные ДНК, может произойти генетическая рекомбинация. В результате могут появиться геномы, содержащие ДНК обеих родительских клеток.
Этн геномы будут устойчиво наследоваться после митотической сегрегации. 14.4.10. Гены органелл во многих организмах наследуются по материнской пинии Цитоплазматическое наследование для некоторых организмов, включая людей, имеет более важные последствия, чем для дрожжей.
В дрожжах две сливающиеся гаплоидные клетки имеют одинаковые размеры, и их митохондриальные ДНК в равной степени вносят вклад в зиготу (см. рис. 14.62). Таким образом, у дрожжей митохондриальное наследование бипарентально: оба родителя вносят одинаковый вклад в митохондриальный генетический пул потомства (однако, как мы видели, после нескольких поколений вегетативного роста отдельные потомки содержат митохондрии только одного родителя).
Однако у высших животных яйцеклетка всегда вносит в зиготу значительно большее количество цитоплазмы, чем сперматозоид. Таким образом, у животных митохондриальное наследование должно быть практически унипарентальным или, более точно, со стороны матери. Такое наследование по материнской линии показано на лабораторных животных. Скрещивание животных, несущих митохондриальную ДНК типа А, с животными, несущими митохондриальную ДНК типа Б, приводит к появлению потомства, несущего только материнский тип митохондриальной ДНК. Точно так же, прослеживая распределение вариантов последовательностей митохондриальной ДНК в крупных семьях, ученые обнаружили, что митохондриальная ДНК наследуется по материнской линии.
Примерно в двух третях высших растений «отцовские» хлоропласты (содержащиеся в пыльце) не попадают в зиготу, поэтому хлоропластная, как и мито- >32>6 Часть Ф Внутренняя организация клетки рис. 14.63. Мозаичный лист. В белых участках расположены клетки, унаследовавшие дефектные хлоропласты. (С лгобезного разрешение >око 1ппез Гоипдаооп.) хондриальная ДНК наследуются по материнской линии. В других растениях пыльцевые хлоро пласты входят в зип>ту, что делает наследование бипарентальным. В таких растениях дефектные хлоропласты приводят к мозаицизму: смешению нормальных и дефектных хлоронластов в зиготг во время роста и развития растения.
Разные хлоропласты могут бьп.ь рассортированы митотической сегрегацией, что приведет к возникновению на листьях зеленых и белых участков. Зеленые участки несут нормальные хлоропласты, а (юлые — дефектные (рис. $4.63). Оплодотворенная яйцеклетка человека несет около 2000 копий митохондриаль ного генома, но все они, за исключением одной или двух, унаследонань> от матери. Человек, у которого все зги копии несут вредную мутацию, скорее всего не выжи вет.
Но некоторые матери несут смешанную популяцию мутантных и нормальных мниохондриальных геномов. Их сыновья и дочери, унаследовавшие эту смесь, скорее всего будут здоровы, если только ми>отичсск >я сегрегация случайным об разом не приведет к преобладанию дефектных митохондрий в определенной ткани. Это наиГюлее опасно для мышечной и нервной тканей, поскольку им необходимо особенно много АТР. Мы можем распознать наследственную болезнь человека, вызванную мутацией митохондриальной ДНК, если она передается от больной матери как дочерям, так и сыновьям, но только дети дочери будут также больны. Как и следовало ожидать, в связи со случайной природой митотической сегрегации симптомы этих болезней в значительной степени варьируют у членов семьи, включая не только тяжесть и возраст развития, но и поражаемую ткань, Рассмотрим, например, наследственную болезнь миоклоничггскую эпилепсию с рванесчи мышечными волокнами (Муос!отс Ерг!орсу апг! Каддег! )се>! Ег!>ег с)!зеазе, МЕККЕ), которая может быть вызвана мутацией одно>о из митохондриальных генов транспортной РНК.
Эта болезнь развивается, когда определенная ткань наследует пороговое количество дефектных митохондрпальных ДНК. Выше этого порога пул дефектных тРНК снижает синтез митохондриальных белков, необходимых для электронного транспорта и синтеза АТР. Результатом этого могут быть мышечная слабость или проб>лемы с сердцем (в результате действия в сердечной мышце), некоторые виды эпилепсии или слабоумие (в результате влияния на нервные клетки) или другие симптомы. Неудивительно, что такое же разнообразие фенотипов свойственно и другим митохондриальным фенотипам. 'з 4.4Л 'з.
Карликовые мутанты дрожжей показывают значение клеточного зздра дпя биогенеза митокондРий Генетические исследования дрожжей сьпРали ключевую роль в анализе биогенеза митохондрий, Замечательный пример — изучение мутантов дрожжей, несущих 14.4. Генетические системы м)зтт)кт)йдряй н п)тастзч) 1329 Рис. 14.64. Электронные микрофотографии дрожжевых клеток, о) Структура нормальной митохондрии. б) Митохондрия в карликовом мутанте.
В карликовых мутантах отсутствуют все кодируемые митохондриями продукты генов, и органелла состоит исключительно из белков, кодируемых ядром. (С любезного разрешения Вагьага 5теуепз.) крупные делеции в митохондриазьной ДНК, а) т.е. весь митохондриальный белковый синтез у этих организмов разрушен. Неудивительно, что митохондрии этих мутантов не дышат. Посколь ку они образуют необычно маленькие колонии при выращивании в среде, содержащей низкую .. Ф концентрацию глюкозы, всех мутантов с такими дефектными митохондриями называют цитоплазматическими карликовыми мутаптами. Несмотря на то что карликовые мутан ты не способны синтезировать белки и, еле. довательно, производящие АТР митохондрии, митохондрии в них все же содержатся.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
