В митохондриальной днк человека содержатся гены кодирующие. Функционирование митохондриального генома

Об авторах

Наталия Васильевна Сернова — кандидат физико-математических наук, магистр протеомики и биоинформатики Женевского университета. Научные интересы: биоинформатика, регуляция транскрипции, сравнительная геномика, эволюция млекопитающих.

Михаил Сергеевич Гельфанд — доктор биологических наук, член Европейской академии, заместитель директора Института проблем передачи информации им. А. А. Харкевича РАН, профессор факультета биоинженерии и биоинформатики Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова. Область научных интересов — биоинформатика, сравнительная и функциональная геномика, молекулярная эволюция, системная биология, метагеномика.

Практически во всех клетках эукариот есть митохондрии - органеллы, которые нужны в первую очередь для синтеза АТФ. История симбиоза бактерий, родственных риккетсиям, и предка эукариот, в результате которого возникли митохондрии, очень интересна, однако здесь речь пойдет не о ней. Для нас сейчас будет важно лишь то, что у митохондрий есть свой собственный геном (у млекопитающих его размер 15–20 тыс. пар нуклеотидов), что у животных он передается строго по материнской линии и что в каждой клетке присутствуют десятки и даже тысячи митохондрий, а стало быть, в любом образце количество копий митохондриального генома на несколько порядков превышает число копий любого фрагмента ядерного генома. Это особенно существенно при анализе древних образцов, в которых сохранилось мало неповрежденной ДНК.

Мы будем обсуждать интрогрессию митохондриальных геномов. Интрогрессия - это форма гибридизации, при которой гены одного вида проникают в генофонд другого. В результате образуются гибриды первого поколения, способные к возвратному скрещиванию с одним или обоими родительскими видами. Если возвратное скрещивание происходит многократно в последовательных поколениях, то может возникнуть поток вариантов некоторых генов от одного вида к другому. Такой прием часто используется в селекции, когда требуется передать некий признак от одного вида другому, например устойчивость к болезням от дикого вида к культурному сорту: производят многократные возвратные скрещивания с культурным сортом, а отбор ведут по данному признаку. Постепенно в большинстве локусов остаются только аллели культурного сорта, а локусы, от которых зависит желаемый признак, наследуются от дикого вида - и в результате получается новый устойчивый сорт.

Однако интрогрессия может происходить и в результате естественной гибридизации. Известно, что межвидовая гибридизация характерна для 10% видов животных, в частности для 6% видов млекопитающих . Если все потомки родителей, принадлежащих к разным видам, далее скрещиваются с представителями только одного из них, причем многократно в ряде последовательных поколений, то возникает однонаправленный поток вариантов генов от вида, который представляет собой донора, в популяционную систему, служащую реципиентом. Таким образом, интрогрессия - это такая гибридизация, при которой поток генов и рекомбинация доходят до видового уровня. При этом из-за упомянутых особенностей наследования митохондриального генома у животных и из-за отсутствия рекомбинации их митохондриальной ДНК оказывается легко следить за интрогрессией именно митохондриальных генов. Особый интерес представляет так называемый митохондриальный захват, когда в какой-либо популяции все митохондриальные геномы происходят от одного вида, а все ядерные - от другого. Следует отметить, что это довольно строгое определение: никогда нельзя гарантировать, что в геноме гибридов не сохранилось фрагмента ядерного генома второго вида хотя бы у части особей, поскольку для этого надо проводить подробное генотипирование большого числа ядерных геномов, что долго и дорого.

Интрогрессия митохондриальных геномов ведет к тому, что филогении, построенные по митохондриальным и ядерным маркерам, оказываются несогласованными. В недавнем обзоре обобщили 126 случаев полной и неполной митохондриальной интрогрессии у животных. Большинство из этих случаев описано уже в XXI веке. Причины интрогрессии могут быть разными: селективное преимущество, демографические особенности, смещение зоны гибридизации, влияние человека, у насекомых - заражение вольбахией и разнообразные связанные с этим эффекты, например искажение соотношения полов. Чаще всего, по-видимому, действует комбинация причин. Особый интерес представляют случаи полной интрогрессии, когда на всем ареале подавляющее большинство особей имеет митохондрии, геномы которых практически совпадают с митохондриальными геномами другого вида. Такого не замечали у земноводных, зато наблюдали четыре подобных случая у птиц, пять - у рыб и два - у насекомых. Четыре случая было отмечено у млекопитающих: митохондриальный геном тара (Hemitragus jemlahicus ) у предка диких европейских коз Capra spp. , белохвостого оленя (Odocoileus virginianus ) у чернохвостого (O. hemionus ) в Северной Америке , расы Carlit обыкновенной землеройки, или бурозубки (Sorex araneus ), у иберийской (S. granarius ) и, наконец, бурого медведя (Ursus arctos ) у белого (U. maritimus ) . О медведях речь пойдет ниже, а сначала обсудим слонов.

Африканские слоны: один или два вида?

По морфологическим особенностям африканские слоны делятся на две группы: саванные (Loxodonta africana ), которые живут в сухой саванне, и лесные (L. cyclotis ), которые обитают во влажных лесах. Вопрос о статусе этих групп до сих пор остается открытым. Некоторые авторы считают эти группы подвидами , в то время как другие относят их к разным видам [8–13 ] . Расхождение лесных и саванных слонов произошло от 2,5 млн лет назад (по ядерной ДНК) до 5,5 млн лет назад (по митохондриальной ДНК) .

Ареалы этих двух групп не разделены, и существует обширная зона контакта, на которой возможна гибридизация. В ряде популяций, например, в регионе Серенгети в Восточной Африке, большинство саванных слонов имеют митохондриальный геном лесных . Это объясняют межвидовыми скрещиваниями лесных самок с саванными самцами с последующей интрогрессией. Возможный сценарий, который учитывает хорошо изученные особенности социального поведения африканских слонов , выглядит следующим образом [8–10 ].

Слоны живут большими стадами - до нескольких десятков особей. Стадо включает только самок разного возраста и их неполовозрелое потомство и возглавляется старшей самкой-матриархом. Все слоны в стаде родственны по материнской линии и имеют одинаковый митохондриальный геном. Самцы слонов, достигшие половой зрелости (12 лет), изгоняются из стада. Они тоже могут объединяться в группы, которые состоят из самцов разного возраста и где главенствуют крупные пожилые самцы.

Когда самка достигает репродуктивного возраста (10–12 лет) и у нее начинается эстральный цикл, она уходит из стада на период до нескольких недель для встречи с самцом. Затем возвращается в материнское стадо и через 22 месяца рожает детеныша, которого выкармливает около двух лет, т.е. в течение почти четырех лет самка репродуктивного возраста не готова к новому контакту. Для спаривания самки предпочитают крупных самцов.

Рассредоточение слонов по группам не приводит к полному разделению родственников мужского и женского пола, поэтому слоны способны распознавать сородичей. Учитывая, что саванные самцы предпочитают избегать инбридинга и что они крупнее лесных слонов и репродуктивно над ними доминируют, а эстральные самки встречаются редко, не исключено, что в таких условиях лесные самки заполняют освободившуюся нишу и составляют конкуренцию саванным самкам. Здесь уместно вспомнить, что корреляция между внутривидовым потоком генов и межвидовым отрицательна .

После спаривания с саванным самцом лесная самка возвращается в материнское стадо лесных слонов. Через 22 месяца на свет появляется гибрид с митохондриальным геномом лесных слонов и ядерной ДНК саванных и лесных слонов поровну. Гибридная самка начнет передавать митохондриальный геном следующим поколениям по материнской линии. Каждое возвратное скрещивание лесных или гибридных самок с саванными самцами будет уменьшать долю ядерной ДНК лесного слона наполовину. И через много поколений у гибридов ядерная ДНК саванного слона полностью заменит ядерную ДНК лесного слона. К тому же саванные самцы почти вдвое крупнее лесных, а значит, пользуются преимуществом при спаривании в том числе и с лесными и гибридными самками. Кроме того, гибридные самцы могут обладать пониженной плодовитостью согласно правилу Холдейна: если при скрещивании разных подвидов или рас жизнеспособность потомства зависит от пола, более редким (или вообще отсутствующим) будет гетерогаметный пол, то есть у млекопитающих - самцы .

Эта модель хорошо объясняет, почему в областях, далеких от зоны контакта двух групп, практически нет ни слонов с промежуточной морфологией, ни особей со смешанным - саванным с лесным - ядерным геномом, в том числе среди саванных слонов с митохондриальным геномом лесного типа. Однако она наталкивается на противоречие: поскольку самки слона возвращаются в материнское стадо, гибридные самки оказываются в стаде с лесными, а значит, не могут передать свою митохондриальную ДНК саванным слонам. Тем более не могут этого сделать гибридные самцы, ведь митохондриальный геном наследуется только по материнской линии.

Возможно, этот парадокс объясняется изменениями популяционной структуры и ареала слонов под влиянием климатических изменений и деятельности человека - хозяйственной и охоты, в том числе браконьерской. Есть наблюдения, что, когда численность натального стада у саванных слонов по тем или иным причинам падает, матриарх может принимать самок из других, неродственных, групп . Так, например, в Уганде, где популяции слонов существенно сократились из-за браконьерства, самки с разными митохондриальными гаплотипами сформировали новые социальные группы . Кроме того, раз гибридные самки имеют ядерную ДНК саванного слона, они могут быть морфологически близки к саванным сородичам, а потому их не изгоняют из стада, когда они оказываются в зоне симпатрии.

Однако недавний подробный анализ четырех популяций слонов из контактных зон показал более сложную картину (рис. 1). Среди гибридных особей ни одна не оказалась гибридом первого поколения. Это доказывает, что гибриды саванных и лесных слонов фертильны. Однако, когда построили филогенетические деревья по маркерам митохондрий (строго материнское наследование) и Y-хромосом (строго отцовское), стало очевидно, что гибридизация шла в обоих направлениях: геномы и саванных, и лесных слонов образовали по две четко выделенные ветви, так что геномы гибридных особей могли принадлежать и одной, и другой.

Тем не менее все авторы последних исследований склонны считать лесных и саванных слонов разными видами [ , ]. По мнению Эрнста Майра, гибридизация в зоне контакта необязательно означает, что мы имеем дело с одним видом - гибридами. Генетическая цельность двух видов вполне может сохраняться . В случае африканских слонов это и наблюдается: вдали от зоны контакта нет никаких следов смешения, кроме митохондриальной интрогрессии, а морфологически виды, несмотря на нее, различны.

Бурые и белые медведи: один или два вида?

Ответ кажется очевидным. Конечно, два - достаточно сходить в зоопарк и посмотреть. Однако...

Ученые из Института арктической биологии Университета Аляски исследовали популяцию бурых медведей с архипелага Александра у берегов Аляски (с островов Адмиралти, Баранова и Чичагова, которые по первым латинским буквам называют островами АВС; рис. 2). В 1996 г. они заметили, что митохондриальные геномы этих медведей больше похожи на митохондриальные геномы белых медведей (Ursus maritimus ), чем бурых (U. arctos ) из других популяций . Несколько гипотез пытались это объяснить: происхождением белых медведей из древней прибрежной популяции бурых, которая сохранилась только на островах АВС , интрогрессией митохондриальных генов бурых медведей с островов АВС в геном белых и, наоборот, интрогрессией митохондриальных генов белых медведей в геном бурых [ , ]. Предположение, что белые медведи недавно произошли от бурых, казалось бы, подтвердилось, когда секвенировали митохондриальный геном древнего (130–110 тыс. лет назад) белого медведя из челюстной кости, найденной на архипелаге Шпицберген . Оказалось, этот геном очень близок к точке ответвления митохондриальных геномов современных белых медведей и ближайших к ним бурых медведей с островов ABC.

Получается, белые медведи - это не отдельный вид, а ветвь бурых медведей, которая отделилась сравнительно недавно, не более 150 тыс. лет назад, и сильно изменилась морфологически? Более обширный анализ митохондриальных геномов указывает на еще более фантастический сценарий. Действительно, митохондриальные геномы древних белых медведей из Скандинавии ближе всего к геномам медведей с островов АВС. В то же время митохондриальные геномы современных белых медведей существенно ближе к геномам вымершей ветви бурых медведей из Ирландии - расхождение этих двух линий произошло менее 40 тыс. лет назад (рис. 3). Следует отметить, что эти же данные интерпретировали заново уже иначе - как интрогрессию митохондриальных генов белого медведя в геном бурого . Правда, это не объясняет, почему эта ветка находится в глубине большой клады бурых медведей.

Анализ же ядерных геномов показывает, что белые медведи разделились с бурыми примерно 600 тыс. лет назад (рис. 4). Согласно этой работе, в ядерных геномах не наблюдается следов (недавних) гибридизаций между белыми и бурыми медведями, однако согласно другим исследованиям 5–10% ядерного генома бурых медведей с островов АВС происходят из генома белого медведя, а расхождение видов отнесено на 4 млн лет назад . Вообще, имеет смысл отметить важное последствие гибридизации, которое, однако, существенно затрудняет датировки: она ведет к тому, что различные геномные локусы имеют разную историю. Так, еще в одной работе расхождение бурых и белых медведей датируется примерно 400 тыс. лет назад, хотя также отмечен существенный поток генов белого медведя в геном медведей с островов АВС. Наконец, следует заметить, что во многих работах отмечается меньшая эффективная численность популяции белых медведей по сравнению с бурыми и эффект бутылочного горлышка - эпизоды резкого сокращения численности популяции после разделения с бурыми [ , , ]. Расхождение Y-хромосом белого и бурого медведя, для которых не заметно признаков интрогрессии, датируется приблизительно 1,1 млн лет назад (рис. 5). Вопрос о потоке ядерных генов бурого медведя в геном белого остается противоречивым: отмечались как следы слабого потока , так и полное его отсутствие . При этом поток генов белого медведя шел и в геномы материковых бурых медведей с Аляски, хотя и был слабее . Полный список оценок дан в обзоре .

Положительный отбор в геномах белых медведей затронул гены, связанные с формированием жировой ткани, развитием сердечной мышцы и свертываемостью крови, а также пигментацией меха . В то время как интрогрессии в геном бурого медведя подвергся ген ALDH7A1 , который регулирует осмотический стресс: это могло иметь приспособительное значение для прибрежной (островной) популяции бурых медведей .

Один из главных, принципиальных открытых вопросов, который слабо обсуждается в литературе, - произошло ли полное закрепление интрогрессировавших митохондриальных генов бурого медведя во всей популяции белых медведей под действием отбора или же в силу случайного дрейфа. Второй вопрос - была ли первоначально популяция бурых медведей с островов АВС популяцией белых медведей с почти тотальной интрогрессией ядерных генов бурых медведей за счет самцов, приплывавших с материка , или же популяцией бурых медведей, в геном которой интрогрессировали митохондриальные гены белых медведей в результате одной или нескольких гибридизаций с самками белого медведя.

Ко второму вопросу стоит добавить, что географическое распределение митохондриальных гаплотипов и белых медведей, и бурых высоко структурировано, что отражает привязанность самок к месту рождения, тогда как гаплотипы Y-хромосомы перемешаны из-за частых миграций самцов . С одной стороны, это косвенно свидетельствует о том, что случайный дрейф митохондриального генома должен быть затруднен. С другой стороны, его могли облегчать колебания численности и эффект бутылочного горлышка.

Хотя основные факты - полную интрогрессию митохондриальных генов бурого медведя в геном белого (возможно, неоднократную), значительный поток ядерных генов белого медведя в геном бурых медведей с островов АВС (и возможно, с Аляски), значительные колебания численности белых медведей - по-видимому, в целом можно считать твердо установленными, детали этой эволюционной истории нуждаются в прояснении. Как и всегда, нужно больше геномов - и современных, из разных популяций, и древних.

И снова люди

Пожалуй, одна из основных загадок геномной эволюции древних людей - происхождение денисовцев. Мы уже писали об этом вопросе в предыдущих статьях [ , ], однако полезно вернуться к нему именно в контексте обсуждаемых здесь несовпадений истории ядерных и митохондриальных геномов.

Денисовцы по ядерному геному - сестринская группа с неандертальцами, однако разошлись с ними вскоре после отделения от кроманьонцев. Оценки неточны, но в первом приближении разделение кроманьонцев и денисовцев + неандертальцев произошло примерно 650 тыс. лет назад, а денисовцев и неандертальцев - около 450 тыс. лет назад. Нам известен один ядерный геном из Денисовой пещеры на Алтае (возраст - примерно 50 тыс. лет) и несколько митохондриальных геномов оттуда же, самый старый из которых датируется 110 тыс. лет назад. Кроме того, известны фрагменты денисовского генома, которые сохранились в геномах австранезийцев. Денисовский вариант гена EPAS1 практически зафиксировался в популяции тибетцев. Все это указывает на обширность ареала денисовцев.

А вот по митохондриальному геному денисовцы разделились с ветвью неандертальцев + кроманьонцев около миллиона лет назад. Этот геном ближе всего к митохондриальному геному человека возрастом около 430 тыс. лет из пещеры Сима де лос Уэсос в Испании. Однако получается парадокс: ядерный геном из пещеры Сима де лос Уэсос ближе к неандертальскому, чем к денисовскому (авторы оригинальной статьи не приводят оценок времени расхождения). Таким образом, нет никакого простого сценария, который бы включал лишь интрогрессию, чтобы объяснить эти наблюдения. Авторы предполагают, что митохондриальные геномы из Денисовой пещеры и Сима де лос Уэсос - прямые потомки геномов древнего выходца из Африки, предка неандертальцев и денисовцев, кем бы он ни был с антропологической точки зрения, а митохондриальные геномы неандертальцев - результат поздней интрогрессии африканского же происхождения. В пользу этой гипотезы говорит то, что в геноме алтайского неандертальца обнаружены кроманьонские фрагменты, причем это следы гибридизации, предшествовавшей выходу из Африки предка современных европейцев и азиатов . Однако такие фрагменты отсутствуют в геномах других неандертальцев, в то время как митохондриальные геномы всех неандертальцев очевидно образуют единую ветвь на филогенетическом дереве. Кроме того, возникают проблемы с датировкой: носитель кроманьонских фрагментов в геноме алтайского неандертальца отделился от остальных кроманьонцев примерно 250 тыс. лет назад (до начала разделения современных популяций в Африке), а разделение митохондриальных ветвей кроманьонцев и неандертальцев датируется примерно 500 тыс. лет назад. Получается, это не могло быть результатом одного события. Альтернативное объяснение состоит в том, что источник митохондриальной ДНК денисовцев и человека из пещеры Сима де лос Уэсос - неизвестные представители рода Homo (H. erectus ?). Однако оно также не дает простого ответа на вопрос, где, когда и с кем произошла эта гибридизация.

Удивительно не то, что мы не знаем ответов на многие вопросы. Удивительно то, что мы можем эти вопросы задавать и надеемся получить на них ответы.

Н. В. Сернова благодарна своей маме Наталии Владимировне Серновой за вдохновение и помощь. М. С. Гельфанд благодарен фонду «Эволюция» за поддержку научно-популярных лекций, подготовка к которым помогла лучше осознать изложенный материал.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект 14-24-00155).

Литература
. Mallet J. Hybridization as an invasion of the genome // Trends Ecol. Evol. 2005. V. 20. P. 229–237.
. Toews D. P. L., Brelsford A. The biogeography of mitochondrial and nuclear discordance in animals // Mol. Ecol. 2012. V. 21. P. 3907–3930.
. Ropiquet A., Hassanin A. Hybrid origin of the Pliocene ancestor of wild goats // Mol. Phylogenet. Evol. 2006. V. 41. P. 395–404.
. Cathey J. C., Bickham J. W., Patton J. C. Introgressive hybridization and nonconcordant evolutionary history of maternal and paternal lineages in North American deer // Evolution . 1998. V. 52. P. 1224–1229.
. Yannic G., Dubey S., Hausser J. et al. Additional data for nuclear DNA give new insights into the phylogenetic position of Sorex granarius within the Sorex araneus group // Mol. Phylogenet. Evol. 2010. V. 57. P. 1062–1071.
. Edwards C. J., Suchard M. A., Lemey P. et al. Ancient hybridization and an Irish origin for the modern polar bear matriline // Curr. Biol. 2011. V. 21. P. 1251–1258.
. Debruyne R. A case study of apparent conflict between molecular phylogenies: the interrelationships of African elephants // Cladistics . 2005. V. 21. P. 31–50.
. Cyto-nuclear genomic dissociation and the African elephant species question // Quat. Int. 2007. V. 169–170. P. 4–16.
. Roca A. L., Ishida Y., Brandt A. L. et al. Elephant natural history: a genomic perspective // Annu. Rev. Anim. Biosci. 2015. V. 3. P. 139–167.
. Roca A. L., Georgiadis N., O’Brien S. J. Cytonuclear genomic dissociation in African elephant species // Nat. Genet. 2005. V. 37. P. 96–100.
. Grubb P., Groves C. P., Dudley J. P. et al. Living African elephants belong to two species: Loxodonta africana (Blumenbach, 1797) and Loxodonta cyclotis (Matschie, 1900) // Elephant . 2000. V. 2. P. 1–4.

И, независимо, учеными Эллен Харлсбруннер, Хансом Туппи и Готтфридом Шацем при биохимическом анализе фракций митохондрий дрожжей в Венском университете в 1964 году .

Теории возникновения митохондриальной ДНК

Существуют также данные о митохондриальной наследственности по мужской линии у млекопитающих. Описаны случаи такого наследования для мышей, при этом митохондрии, полученные от самца, впоследствии отторгаются. Такое явление показано для овец и клонированного крупного рогатого скота. Также описан единственный случай связанный с бесплодием у мужчины..

Геном митохондрий

Один из наиболее маленьких митохондриальных геномов имеет малярийный плазмодий (около 6.000 п.о., содержит два гена рРНК и три гена, кодирующих белки).

Недавно открытые рудиментарные митохондрии (митосомы ) некоторых протистов (дизентерийной амёбы , микроспоридий и лямблий ) не содержат ДНК.

Митохондрии дрожжей содержат 78000 пар нуклеотидов.

Некоторые растения имеют огромные молекулы митохондриальной ДНК (до 25 миллионов пар оснований), при этом содержащие примерно те же гены и в том же количестве, что и меньшие мтДНК. Длина митохондриальной ДНК может широко варьировать даже у растений одного семейства. В митохондриальной ДНК растений имеются некодирующие повторяющиеся последовательности.

Геном человека содержит только по одному промотору на каждую комплементарную цепь ДНК.

Геном митохондрий человека кодирует следующие белки и РНК:

Белки или РНК	Гены
NADH-дегидрогеназа (комплекс I)	MT-ND1 , MT-ND2 , MT-ND3 , MT-ND4 , MT-ND4L , MT-ND5 , MT-ND6
Кофермент Q - цитохром c редуктаза /Цитохром b (комплекс III)	MT-CYB
цитохром c оксидаза (комплекс IV)	MT-CO1 , MT-CO2 , MT-CO3
АТФ-синтаза	MT-ATP6 , MT-ATP8
рРНК

Происхождение, то есть были приобретены предками эукариот лишь однажды.

На основании сходства в последовательностях нуклеотидов ДНК ближайшими родственниками митохондрий среди ныне живущих прокариот считают альфа-протеобактерий (в частности, выдвигалась гипотеза, что к митохондриям близки риккетсии). Сравнительный анализ геномов митохондрий показывает, что в ходе эволюции происходило постепенное перемещение генов предков современных митохондрий в ядро клетки. Необъяснимыми с эволюционной точки зрения остаются некоторые особенности митохондриальной ДНК (например, довольно большое число интронов , нетрадиционное использование триплетов и другие). Ввиду ограниченного размера митохондриального генома бо́льшая часть митохондриальных белков кодируется в ядре. При этом бо́льшая часть митохондриальных тРНК кодируются митохондриальным геномом.

Формы и число молекул митохондриальной ДНК

У большинства изученных организмов митохондрии содержат только кольцевые молекулы ДНК, у некоторых растений одновременно присутствуют и кольцевые, и линейные молекулы, а у ряда протистов (например, инфузорий) имеются только линейные молекулы.

У растений каждая митохондрия содержит несколько молекул ДНК разного размера, которые способны к рекомбинации.

При половом размножении митохондрии, как правило, наследуются исключительно по материнской линии, митохондрии сперматозоида обычно разрушаются после оплодотворения. Кроме того, 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) .

Так как митохондриальная ДНК не является высококонсервативной и имеет высокую скорость мутирования, она является хорошим объектом для изучения филогении (эволюционного родства) живых организмов. Для этого определяют последовательности митохондриальной ДНК у разных видов и сравнивают их при помощи специальных компьютерных программ и получают эволюционное древо для изученных видов. Исследование митохондриальных ДНК собак позволило проследить происхождение собак от диких волков . Исследование митохондриальной ДНК в популяциях человека позволило вычислить «митохондриальную Еву », гипотетическую прародительницу всех живущих в настоящее время людей.

Наследование по отцовской линии

Для некоторых видов показана передача митохондриальной ДНК по мужской линии, например, у мидий . Наследование митохондрий по отцовской линии также описано для некоторых насекомых, например, для дрозофилы , медоносных пчел и цикад .

Существуют также данные о митохондриальном наследовании по мужской линии у млекопитающих. Описаны случаи такого наследования для мышей, при этом митохондрии, полученные от самца, впоследствии отторгаются. Такое явление показано для овец и клонированного крупного рогатого скота.

Наследование по отцовской линии у людей

До недавнего времени считалось, что митохондрии человека наследуются только по материнской линии. Был известен лишь один-единственный случай пациента, у которого в 2002 году достоверно обнаружили отцовскую митохондриальную ДНК .

Лишь недавнее исследование 2018 года показало, что митохондриальная ДНК человека иногда всё же может передаваться и по отцовской линии. Небольшое количество митохондрий отца может попасть в яйцеклетку матери вместе с цитоплазмой сперматозоида, но, как правило, отцовские митохондрии после этого из зиготы исчезают. Однако, было обнаружено, что у некоторых людей существует «мутация, которая помогает выживать митохондриям отца» .

Геном митохондрий

У млекопитающих каждая молекула мтДНК содержит 15000-17000 пар оснований (у человека 16565 пар нуклеотидов - исследование закончено в 1981 году, по другому источнику 16569 пар ) и содержит 37 генов - 13 кодируют белки, 22 - гены тРНК , 2 - рРНК (по одному гену для 12S и 16S рРНК). Другие многоклеточные животные имеют схожий набор митохондриальных генов, хотя некоторые гены могут иногда отсутствовать. Генный состав мтДНК разных видов растений, грибов и особенно протистов различается более значительно. Так, у жгутиконосца-якобиды Reclinomonas americana найден наиболее полный из известных митохондриальных геномов: он содержит 97 генов , в том числе 62 гена, кодирующих белки (27 рибосомальных белков, 23 белка, участвующих в работе электрон-транспортной цепи и в окислительном фосфорилировании , а также субъединицы РНК-полимеразы).

Недавно открытые рудиментарные митохондрии (митосомы) некоторых протистов (дизентерийной амёбы , микроспоридий и лямблий) не содержат ДНК.

Митохондриальные геномы различных видов грибов содержат от 19 431 (делящиеся дрожжи Schizosaccharomyces pombe ) до 100 314 (сордариомицет Podospora anserina ) пар нуклеотидов .

Геном человека содержит только по одному промотору на каждую комплементарную цепь ДНК .

Геном митохондрий человека кодирует следующие белки и РНК:

Белки или РНК	Гены
NADH-дегидрогеназа (комплекс I)	MT-ND1, MT-ND2, MT-ND3, MT-ND4, MT-ND4L, MT-ND5, MT-ND6
Кофермент Q - цитохром c редуктаза/Цитохром b (комплекс III)	MT-CYB
цитохром c оксидаза (комплекс IV)	MT-CO1, MT-CO2, MT-CO3
АТФ-синтаза	MT-ATP6, MT-ATP8
рРНК	MT-RNR1 (12S), MT-RNR2 (16S)
тРНК	MT-TA, MT-TC, MT-TD, MT-TE, MT-TF, MT-TG, MT-TH, MT-TI, MT-TK, MT-TL1 , MT-TL2, MT-TM, MT-TN, MT-TP, MT-TQ, MT-TR, MT-TS1, MT-TS2, MT-TT, MT-TV, MT-TW, MT-TY, MT1X

Особенности митохондриальной ДНК

Кодирующие последовательности (кодоны) митохондриального генома имеют некоторые отличия от кодирующих последовательностей универсальной ядерной ДНК.

Так, кодон AUA кодирует в митохондриальном геноме метионин (вместо изолейцина в ядерной ДНК), кодоны AGA и AGG - терминаторные кодоны (в ядерной ДНК кодируют аргинин), кодон UGA в митохондриальном геноме кодирует триптофан .

Если говорить точнее, то речь идёт не о митохондриальной ДНК, а о мРНК , которая списывается (транскрибируется) с этой ДНК перед началом синтеза белка. Буква U в обозначении кодона обозначает уридин , который при транскрипции гена в РНК заменяет тимин .

Количество генов тРНК (22 гена) меньше, чем в ядерном геноме с его 32 генами тРНК .

В человеческом митохондриальном геноме информация настолько сконцентрирована, что в последовательностях, кодирующих мРНК, как правило, частично удалены нуклеотиды, соответствующие 3"-концевым терминаторным кодонам .

Применение

Кроме использования при построении различных филогенетических теорий, изучение митохондриального генома - основной инструмент при проведении идентификации . Возможность идентификации связана с существующими в митохондриальном геноме человека групповыми и даже индивидуальными различиями.

Последовательность участка гена субъединицы I цитохром с-оксидазы, кодируемого в митохондриальной ДНК, широко используется в проектах, связанных с ДНК-баркодированием животных - определением принадлежности организма к тому или иному таксону на основе коротких маркеров в его ДНК . Для баркодирования растений используется преимущественно комбинация двух маркёров в пластидной ДНК .

Группа Шухрата Миталипова из центра эмбриональных клеток и генной терапии Орегонского университета разработала метод замены митохондриальной ДНК для лечения наследственных митохондриальных заболеваний. Сейчас в Великобритании начаты клинические испытания этого метода, получившего неофициальное название «3-parent baby technique» - «ребенок от трех родителей». Известно также о рождении в результате этой процедуры ребенка в Мексике .

Примечания

Джинкс Д., Нехромосомная наследственность, пер. с англ., М., 1966; Сэджер Р., Гены вне хромосом, в кн.: Молекулы и клетки, пер. с англ., М., 1966.
Nass, M.M. & Nass, S. (1963 at the Wenner-Gren Institute for Experimental Biology, Stockholm University, Stockholm , Sweden): Intramitochondrial Fibers with DNA characteristics (PDF). In: J. Cell. Biol. Bd. 19, S. 593-629. PMID 14086138
Ellen Haslbrunner, Hans Tuppy and Gottfried Schatz (1964 at the Institut for Biochemistry at the Medical Faculty of the University of Vienna in Vienna , Австрия): «Deoxyribonucleic Acid Associated with Yeast Mitochondria» (PDF) Biochem. Biophys. Res. Commun. 15, 127-132.
Iborra F. J., Kimura H., Cook P. R. The functional organization of mitochondrial genomes in human cells (англ.) // BMC Biol. (англ.) русск. : journal. - 2004. - Vol. 2 . - P. 9 . - DOI :10.1186/1741-7007-2-9 . - PMID 15157274 .
Дымшиц Г. М. Сюрпризы митохондриального генома. Природа, 2002, N 6
Wiesner R. J., Ruegg J. C., Morano I. Counting target molecules by exponential polymerase chain reaction, copy number of mitochondrial DNA in rat tissues (англ.) // Biochim Biophys Acta. (англ.) русск. : journal. - 1992. - Vol. 183 . - P. 553-559 . - PMID 1550563 .
doi:10.1016/j.exppara.2006.04.005 (недоступная ссылка)
Alexeyev, Mikhail F.; LeDoux, Susan P.; Wilson, Glenn L. Mitochondrial DNA and aging (неопр.) // Clinical Science. - 2004. - July (т. 107 , № 4 ). - С. 355-364 . - DOI :10.1042/CS20040148 . - PMID 15279618 .
Ченцов Ю. С. Общая цитология. - 3-е изд. - МГУ, 1995. - 384 с. - ISBN 5-211-03055-9 .
Sutovsky, P., et. al. Ubiquitin tag for sperm mitochondria (англ.) // Nature . - Nov. 25, 1999. - Vol. 402 . - P. 371-372 . - DOI :10.1038/46466 . - PMID 10586873 . Discussed in
Vilà C., Savolainen P., Maldonado J. E., and Amorin I. R. Multiple and Ancient Origins of the Domestic Dog (англ.) // Science : journal. - 1997. - 13 June (vol. 276 ). - P. 1687-1689 . - ISSN 0036-8075 . - DOI :10.1126/science.276.5319.1687 . - PMID 9180076 .
Hoeh W. R., Blakley K. H., Brown W. M. Heteroplasmy suggests limited biparental inheritance of Mytilus mitochondrial DNA (англ.) // Science: journal. - 1991. - Vol. 251 . - P. 1488-1490 . - DOI :10.1126/science.1672472 . - PMID 1672472 .
Penman, Danny . Mitochondria can be inherited from both parents , NewScientist.com (23 августа 2002). Дата обращения 5 февраля 2008.
Kondo R., Matsuura E. T., Chigusa S. I. Further observation of paternal transmission of Drosophila mitochondrial DNA by PCR selective amplification method (англ.) // Genet. Res. (англ.) русск. : journal. - 1992. - Vol. 59 , no. 2 . - P. 81-4 . - PMID 1628820 .
Meusel M. S., Moritz R. F. Transfer of paternal mitochondrial DNA during fertilization of honeybee (Apis mellifera L.) eggs (англ.) // Curr. Genet. : journal. - 1993. - Vol. 24 , no. 6 . - P. 539-543 . - DOI :10.1007/BF00351719 . - PMID 8299176 .
Fontaine, K. M., Cooley, J. R., Simon, C. Evidence for paternal leakage in hybrid periodical cicadas (Hemiptera: Magicicada spp.) (исп.) // PLoS One. : diario. - 2007. - V. 9 . - P. e892 . - DOI :10.1371/journal.pone.0000892 .
Gyllensten U., Wharton D., Josefsson A., Wilson A. C. Paternal inheritance of mitochondrial DNA in mice (англ.) // Nature. - 1991. - Vol. 352 , no. 6332 . - P. 255-257 . - DOI :10.1038/352255a0 . - PMID 1857422 .
Shitara H., Hayashi J. I., Takahama S., Kaneda H., Yonekawa H. Maternal inheritance of mouse mtDNA in interspecific hybrids: segregation of the leaked paternal mtDNA followed by the prevention of subsequent paternal leakage (англ.) // Genetics: journal. - 1998. - Vol. 148 , no. 2 . - P. 851-857 . - PMID 9504930 .

Вы знаете, что антропологи подразделяют людей на три большие расы: негроиды, европеоиды и монголоиды. Представители этих рас отличаются цветом кожи, формой тела, разрезом глаз и т.д. Но на самом деле четкие различия между разными людьми, относящимся к разным расам, имеются только если мы возьмем географически отдаленные группы. Если посмотреть на все разнообразие антропометрических признаков в целом, то окажется, что четких различий нет, существует множество переходных форм. Почему и как у людей сформировались внешние различия, где и когда зародилось человечество?

Рисунки к статье созданы на основе данных лаборатории анализа генома ИОГен РАН и следующих публикаций:

Степанов В.А. Этногеномика народов Северной Евразии. Томск, 2002.
Stephen Oppenheimer. The Real Eve: modern man"s journey out of Africa www.bradshawfoundation.com/journey/
Ovchinnikov IV, G?therstr?m A, Romanova GP, Kharitonov VM, Lid?n K, Goodwin W.Molecular analysis of Neanderthal DNA from the northern Caucasus.// Nature. 2000 30;404(6777):490-3.
Tishkoff SA, Williams SM. Genetic analysis of African populations: human evolution and complex disease. //Nat Rev Genet. 2002;3(8):611-21.

Митохондрии содержатся не только в клетках растений, но также и в клетках животных и грибов. Эти органеллы более универсальны, чем пластиды. Впервые ДНК в митохондриях были открыты в 1963 году (М. Наас) сразу же после открытия ДНК в пластидах. Несмотря на сходство функций и структуры митохондрий всех трех царств эукариот, их генетическая организация достаточно сильно различается, поэтому обычно организацию геномов митохондрий у этих царств рассматривают отдельно, выявляя при этом общие черты организации генома.

Физико-химический состав ДНК митохондрий у различных царств различен. У растений он довольно постоянен: от 45 до 47 % ДНК состоит из ГЦ-пар. У животных и грибов -- варьирует более значительно: от 21 до 50 % ГЦ-пар.

У многоклеточных животных размеры генома митохондрий колеблются от 14.5 до 19.5 т.п.н. Практически, это всегда одна кольцевая молекула ДНК. Например, ДНК митохондрий человека -- кольцевая молекула размером 16 569 пар нуклеотидов. Этот размер можно выразить и в других единицах -- в виде молекулярной массы -- 10 6 дальтон или в виде длины контура молекулы -- 5 мкм. Первичная структура этой молекулы полностью определена. В митохондриях содержится собственный аппарат трансляции -- т.е. собственные рибосомы 70S, похожие на хлоропластные или прокариотические и состоящие из двух субъединиц, собственные матричные РНК, необходимые ферменты и белковые факторы. В их геноме закодированы 12S- и 16S - рибосомальные РНК, а так же 22 транспортные РНК. Кроме того, митохондриальная ДНК кодирует 13 полипептидов, из которых 12 идентифицированы. Все кодирующие последовательности расположены прямо друг за другом. В крайнем случае, они разделены лишь несколькими нуклеотидами. Некодирующие последовательности, т.е. интроны отсутствуют. Вслед за кодирующей последовательностью почти всегда находится ген транспортной РНК. Например, порядок таков: транспортная РНК фенилаланина -- ген 12S рибосомальной РНК -- транспортная РНК валина -- ген 16S рибосомальной РНК -- транспортная РНК лейцина и т.д. Такой порядок характерен не только для митохондрий человека, он очень консервативен и характерен для всех животных: дрозофилы, быка, мыши, птиц, рептилий и др. животных.

Большая часть генов расположена в тяжелой цепи, в легкой цепи только гены восьми транспортных РНК и один структурный ген. Таким образом, в отличие от всех других геномов, в геноме митохондрий обе цепи смысловые.

Хотя порядок генов у митохондрий животных и одинаков, выяснено, что сами гены обладают различной консервативностью. Наиболее вариабельна последовательность нуклеотидов участка начала репликации и ряд структурных генов. Наиболее консервативные последовательности расположены в генах рибосомальных РНК и некоторых структурных генах, в том числе в кодирующей последовательности АТФ-азы.

Следует отметить, что универсальность генетического кода нарушена в геноме митохондрий. Например, митохондрии человека используют триплет AUA в качестве кодона для метионина, а не для изолейцина, как у всех, а триплет UGA, используемый в стандартном генетическом словаре как терминирующий кодон, у митохондрий кодирует триптофан.

В целом митохондриальная ДНК человека выглядит так же, как и других млекопитающих: мыши и быка. Несмотря на то, что это далеко не близкие виды -- размеры их митохондриальных ДНК довольно близки между собой: 16 569; 16 295; и 16 338 пар оснований, соответственно. Гены транспортной РНК разделяют некоторые смысловые гены. Наиболее важные из структурных генов -- гены цитохромоксидазы, NADH-дегидрогеназы, цитохром-С оксидоредуктазы и АТФ-синтетазы (рис. 4).

На карте митохондриального генома человека, кроме генов показано и пять хорошо известных болезней человека, наследующихся по материнской линии и вызванных мутациями в митохондриальном геноме.

Так, например, болезнь Лебера -- атрофия зрительного нерва -- вызвана мутацией в гене NADH дегидрогеназы. Эта же болезнь может быть вызвана и мутацией в гене цитохрома b и других локусов. Всего известно нарушение четырех локусов, способных вызвать тот же мутантный фенотип. Кроме того, на этой же карте показано еще четыре болезни, связанные с дефектами мозга, мышц, сердца, почек и печени. Все эти болезни наследуются по материнской линии, и если мать имеет не только дефектные, но и нормальные митохондриальные ДНК и митохондрии, то, происходит сортировка мутантных и нормальных органелл, и потомство может иметь и те, и другие органеллы в различных пропорциях, и мы можем наблюдать также и соматическое расщепление, когда отдельные части тела не будут иметь этих дефектов.

Рис. 4 Структура митохондриального генома млекопитающих, основанная на полном сиквенсе митохондриальной ДНК человека, мыши и быка

Таким образом, небольшой по размерам митохондриальный геном животных может кодировать чрезвычайно важные функции организма и в значительной степени определять его нормальное развитие.

Так же, как и геном пластид, геном митохондрий кодирует только часть митохондриальных полипептидов (табл. 1) и наблюдается феномен двойного кодирования. Например, часть субъединиц АТФ-азного комплекса кодируется ядром, в то время как другая часть -- геномом митохондрий. Большая часть генов, кодирующих рибосомальные миохондриальные РНК и белки, а также ферменты транскрипции и трансляции, кодируется ядром клетки.