Митохондриальный геном и наследственная патология

Митохондрии содержат кольцевую двухцепочечную ДНК, которую обозначили 25-й хромосомой человек (мт ДНК). Гены этой хромосомы не содержат интронов.

В каждой соматической клетке содержится около 1000 митохондрий, а суммарная ДНК в них составляете 0,5% от общего количества ДНК в организме. Код мт ДНК слегка отличается от универсального, в этой ДНК транскрибируются обе цепи.

Геном митохондрий был полностью секвенирован в 1981 году. Он содержит 16 569 пар нуклеотидов и кодирует 2 р-РНК, 22 т-РНК и 13 полипептидов.

Последние входят в состав ферментных компонентов окислительного фосфорилирования, 66 субъединиц дыхательной цепи кодируется в ядре.

Мт ДНК наследуется по материнской линии. В зиготе насчитывается около 2 500 материнских митохондрий и от 0 до 4 – отцовских. При этом не исключено, что после оплодотворения репликация отцовских митохондрий блокируется. Комбинативная изменчивость мт ДНК (мейоз) отсутствует. Нуклеотидный состав меняется только за счет мутаций.

Мутации генов мт ДНК лежат в основе «митохондриальных наследственных болезней». Они передаются из поколения в поколение и имеют некоторые общие черты.

1. Болезнь передается только по материнской линии.

2. Болеют и девочки, и мальчики.

3. Больные отцы не передают болезни ни дочерям, ни сыновьям.

Примером митохондриальных генных болезней являются: атрофия зрительного нерва Лебера, митохондриальные миопатии и др.

 

V. Основы регуляции экспрессии генов

Организмы, обладающие способностью регулировать свою генетиче­скую активность, хорошо адаптируются к изменяющимся условиям окру­жающей среды.

Наличие таких регуляторных систем характерно для всех эукариотических и прокариотических клеток. Специфические механизмы регуляции активности (экспрессии) генов были установлены французскими исследователями Франсуа Жакобом и Жаком Моно в 1961 году. Они предложили гипотезу "оперона", которая впоследствии была названа классиче­ской, и ее авторы были удостоены Нобелевской премии. На базе этого исследования была впервые разработана модель структурно-функциональной организации оперона. В настоящее время оперонная теория получила экспериментальное подтверждение.

 

Строение оперона

Оперон - это блок генов, участвующих в обеспечении транскрипции генов, ответственных за синтез определенного генопродукта.

Схема оперона:

Регуляторная часть оперона:

А - активатор, часть промотора, к которому присоединяется белок-активатор (САР - белок или catabolite activator protein), что активирует присоединение РНК- полимеразы к промотору; это "положительно" контролирующий элемент, который есть не в каждом опероне.

П - ген-промотор - это участок ДНК, который распознается фермен­том РНК - полимеразой и указывает место, где должна начинаться транскрипция.

О - ген-оператор, управляющей работой структурных генов; "негативно" контролирующий элемент - присутствие на нем белка-репрессора прекращает транскрипцию.

Т - ген-терминатор - это участок, после которого прекращается транскрипция и перед которым прекращается трансляция. В состав этого участка входит один из трех кодонов терминаторов (стоп-кодонов). В некоторых оперонах между оператором и структурными генами расположен участок(16 пар оснований), частью которого является аттенуатор, служащий барьером для транскрипции. Подобная структура есть в триптофановом опероне кишечной палочки (Escherichia coli).

Цистронная часть оперона: В, С, Д, Е – структурные гены, кодирую­щие соответствующие белки; структурные гены одного оперона включаются и выключаются одновременно.

Транскрипция группы структурных генов (цистронов) контролируется геном-регулятором и геном оператором. Оператор состоит приблизительно из 30 нуклеотидов. Генетические дефекты в операторе приводят к непрерыв­ному синтезу ферментов, т.е. регуляция синтеза генопродукта нарушается. Ген-регулятор контролирует синтез белка репрессора, не входит в состав оперона и может находиться на разном расстоянии от оперона.

Регуляторный белок репрессор определяет активность оперона. Он имеет два функциональных центра: 1) место связывания с опероном; 2) место связывания с индуктором или корепрессором. Большее сродство белок репрессор имеет ко второй группе веществ, которые высокоспецифичны.

Оперон активен, если оператор свободен от репрессора. Этот белок с оператора снимается, если к его второму активному центру присоединяется вещество, называемое индуктором (по химической природе оно может быть различным). Следовательно, регуляторные белки либо запускают, либо блокируют транскрипцию цистронной части оперона.

Таким образом, анализируя механизмы регуляции экспрессии генов у прокариот, можно выделить три типа регуляторных элементов.

1. Регуляторные белки – белки, влияющие на активность РНК-полимеразы, т.к. или позволяют ей связываться с промотором или нет; или открывают ей доступ к следующим после промотора нуклеотидам ДНК, или закрывают, соединяясь с оператором. Активность регуляторных белков изменяется с помощью специфического связывания с низкомолекулярными эффекторами (индукторами, корепрессорами).

2. Эффекторы - небольшие небелковые молекулы, концентрация которых в клетке отражает её состояние. В качестве эффектора могут выступать циклический аденозинмонофосфат, триптофан, лактоза и др.

3. Регуляторные нуклеотидные последовательности оперона (промоторы, операторы, терминаторы, аттенуаторы), действуя на которые регуляторные белки влияют на уровень синтеза соответствующих и-РНК.