Молекулярная биология клетки. Том 1. Молекулярная биология клетки 2Molecular Bruce Alberts, Dennis Bray,Biology
 Скачать 25.6 Mb.
|
|
7.5.2. В большинстве случаев геномы хлоропластов и митохондрий представлены кольцевыми молекулами ДНК [47] Молекулы ДНК органелл относительно просты, невелики и (за исключением митохондриальных геномов некоторых водорослей и простейших) замкнуты в кольцо. Размеры генома хлоропластов у всех исследованных организмов сходны, тогда как митохондриальные геномы Рис. 7-65 . Схема деления митохондрии. Представленный здесь ход событий предполагают, основываясь на статичных изображениях, таких как микрофотография, приведенная на рис. 7-66. Рис. 7-66. Электронная микрофотография делящейся митохондрии из клетки печени. (С любезного разрешения Daniel S. Friend.) 487 Рис. 7-67. У примитивной нитчатой водоросли Klebsormidium деление хлоропласта происходит в определенное время на ранней стадии митоза. В клетке имеется только один хлоропласт, и плоскость его деления совпадает с плоскостью последующего разделения клетки. (Из J. D. Pickett-Heaps, Cytobios, 1972, 6, 167-183.) у растений намного больше, чем у животных (табл. 7-2). У многих органелл молекулы ДНК по размерам близки к вирусным ДНК. Например, в митохондриях млекопитающих геном представлен кольцевой ДНК, содержащей около 16500 пар оснований (более чем в 10000 раз меньше ядерного генома). У столь различных животных, как дрозофила и морской еж, размеры митохондриальной ДНК почти одинаковы (рис. 7-68). У растений, однако, кольцевой геном митохондрий в 100-150 раз больше в зависимости от вида растения. Размеры самой большой из этих молекул ДНК примерно вдвое меньше, чем у бактериальной ДНК, которая тоже замкнута в кольцо. Все митохондрии и хлоропласты содержат по нескольку копий своей геномной ДНК (табл. 7-3). Эти молекулы ДНК обычно распределены в виде отдельных групп в матриксе митохондрий и в строме хлоропластов, где, как полагают, они прикреплены к внутренней мембране. Хотя способ упаковки ДНК неизвестен, геном по своей структуре, вероятно, сходен не с хроматином эукариот, а с бактериальным геномом. Например, как и у бактерий, здесь нет гистонов. В клетках млекопитающих митохондриальная ДНК составляет меньше 1% всей клеточной ДНК. Однако в других клетках (например, в листьях высших растений или в очень крупных яйцах амфибий) доля Таблица 7-2. Размеры геномов органелл 1) Тип ДНК Размеры в тысячах пар нуклеотидов ДНК хлоропластов Высшие растения 120-200 Chlamydomonas (зеленая водоросль) 180 Митохондриальная ДНК Животные (включая плоских червей, насекомых и млекопитающих) 16-19 Высшие растения 150-2500 Грибы Schizosaccharomyces pombe (дрожжи) 17 Aspergillus nidulans 32 Neurospora crassa 60 Saccharomyces cerevisiae (дрожжи) 78 Chlamydomonas (зеленая водоросль) 16 (линейная молекула) Простейшие Trypanosoma brucei 22 Paramecium 40 (линейная молекула) 1) Эти геномы представлены кольцевыми молекулами ДНК, если не указано иное. Рис. 7-68. Электронная микрофотография кольцевой ДНК из митохондрии млекопитающего во время репликации. Пока реплицировался только участок между двумя точками, указанными стрелками (цепи, выделенные белым цветом). (С любезного разрешения David Clayton.) 488 Таблица 7-3. Относительное количество ДНК органелл в некоторых клетках и тканях Организмы Ткань или тип клеток Число молекул ДНК на 1 органеллу Число органелл в клетке Доля ДНК органелл во всей ДНК клетки, % Митохондриальная ДНК Крыса Печень 5-10 1000 1 Мышь Клетки линии L 5-10 100 <1 Дрожжи * Вегетативные 2-50 1-50 15 клетки Лягушка Яйцеклетка 5-10 10 7 99 ДНК хлоропластов Chlamydomonas Вегетативные клетки 80 1 7 Кукуруза Листья 20-40 20-40 15 ДНК энергетических органелл может быть намного больше (табл. 7-3); в них осуществляется также и большая доля всего клеточного синтеза РНК и белков. 7.5.3. Митохондрии и хлоропласты обладают полноценной генетической системой [48] Несмотря на небольшое число белков, кодируемых генами митохондрий и хлоропластов, эти органеллы осуществляют репликацию и транскрипцию своей ДНК и белковый синтез. Эти процессы протекают в матриксе митохондрий и строме хлоропластов. Хотя белки, участвующие во всех этих процессах, специфичны для органелл, большая часть их кодируется ядерным геномом (разд. 7.5.17). Это тем более удивительно в связи с тем, что весь аппарат белкового синтеза в органеллах сходен с бактериальным, а не с эукариотическим. У хлоропластов это сходство особенно велико: 1. Рибосомы хлоропластов очень напоминают рибосомы Е. coli как по своей чувствительности к различным антибиотикам (хлорамфениколу, стрептомицину, эритромицину, тетрациклину и др.), так и по структуре. При этом не только поразительно сходны нуклеотидные последовательности рибосомных РНК хлоропластов и Е. coli, но рибосомы хлоропластов способны использовать тРНК бактерий при синтезе белка. Во всех этих отношениях рибосомы хлоропластов отличаются от рибосом, находящихся в цитозоле растительных клеток. 2. Синтез белка в хлоропластах начинается с N-формилметионина, как и у бактерий, а не с метионина, как в цитозоле эукариотических клеток. 3. ДНК хлоропластов в отличие от ядерной ДНК может транскрибироваться с помощью РНК-полимеразы из Е. coli с образованием хлоропластных мРНК, которые эффективно транслируются белок-синтезирующей системой Е. coli. Хотя у митохондрий генетические системы гораздо менее сходны с аналогичными системами современных бактерий, чем у хлоропластов, 489 митохондриальные рибосомы тоже чувствительны к противобактериальным антибиотикам, а белковый синтез в митохондриях начинается с N- формилметионина. 7.5.4. Геном хлоропластов высших растений содержит около 120 генов [49] Гены хлоропластов наиболее изучены у растений и зеленых водорослей, у которых эти органеллы очень сходны. Геном хлоропласта представляет собой кольцевую молекулу ДНК; в настоящее время определена его полная нуклеотидная последовательность у табака и одного печеночника. Полученные данные говорят о том, что гены хлоропластов этих очень отдаленно родственных высших растений практически идентичны. Помимо четырех рибосомных РНК эти геномы кодируют около 20 рибосомных белков, некоторые субъединицы хлоропластной РНК- полимеразы, несколько белков, входящих в состав фотосистем I и II, субъединицы АТР-синтетазы, части ферментных комплексов электрон- транспортной цепи, одну из двух субъединиц рибулозобисфосфат-карбоксилазы и 30 тРНК (рис. 7-69). Кроме того, последовательность ДНК, по- видимому, кодирует еще по меньшей мере 40 белков с невыясненной функцией. Удивительно, что все известные белки, кодируемые в хлоропластах, входят в состав больших ферментных комплексов, которые содержат также одну или несколько субъединиц, кодируемых ядерным геномом. Возможные причины этого будут рассмотрены позже (разд. 7.5.17). Поражает сходство хлоропластного и бактериального геномов. Основные регуляторные последовательности, такие как промоторы и терминаторы транскрипции, в обоих геномах фактически идентичны. Белки, кодируемые в хлоропластах, очень похожи на бактериальные, а некоторые группы генов с близкими функциями (например, кодирующие белки рибосом) организованы одинаково в геномах хлоропластов, Е. coli и цианобактерий. Для того чтобы проследить цепь эволюции от бактерий до хлоро- Рис. 7-69. Организация генома хлоропласта у печеночника. Для этого генома определена полная нуклеотидная последовательность. У всех высших растений организация хлоропластных геномов очень сходна, размеры кольцевой молекулы ДНК варьируют от вида к виду в зависимости от того, какая часть ДНК вокруг генов, кодирующих рибосомные РНК 16S и 23S, представлена двумя копиями. 490 пластов, потребуются детальные сравнения гомологичных нуклеотидных последовательностей, но некоторые выводы можно сделать уже сейчас: 1) хлоропласты высших растений произошли от фотосинтезирующих бактерий; 2) геном хлоропластов остается почти неизменным уже по меньшей мере несколько сот миллионов лет (именно столько лет назад, по- видимому, разошлись пути эволюции печеночников и табака); 3) многие из генов исходной бактерии можно сейчас идентифицировать в ядерном геноме, в который они были перенесены и сохранились до настоящего времени. Например, хотя у высших растений белки рибосом в хлоропластах родственны бактериальным белкам и сами эти рибосомы сходны с рибосомами бактерий, две трети из примерно 60 белков хлоропластных рибосом кодируются в ядре клетки. 7-34 7.5.5. Геном митохондрий имеет ряд поразительных особенностей [50] Геном хлоропластов не был первым полностью расшифрованным геномом органелл. Первым оказался митохондриальный геном человека: относительно малые размеры сделали его особенно привлекательным объектом для молекулярных генетиков, вооруженных новейшей методикой секвенирования ДНК (см. разд. 4.6.6), и в 1981 г. была опубликована полная последовательность этого генома, состоящая из 16569 пар нуклеотидов. Сопоставляя ее с известными нуклеотидными последовательностями тРНК и частичными аминокислотными последовательностями белков, кодируемых генами митохондрий, удалось определить на кольцевой молекуле ДНК локализацию всех этих генов (рис. 7-70). По сравнению с геномами ядра, хлоропластов и бактерий митохондриальный геном человека имеет несколько поразительных особенностей: 1) здесь в отличие от других геномов практически каждый нуклеотид входит в состав кодирующей последовательности либо для белка, либо для одной из рРНК или тРНК. Поскольку эти кодирующие последовательности переходят непосредственно одна в другую, для регуляторных последовательностей ДНК остается очень мало места; 2) если в цитозоле имеется по меньшей мере 31 тРНК для различных аминокислот, а в хлоропластах - 30 тРНК, то в митохондриях для осуществления белкового синтеза используются всего 22 тРНК. В митохондриях обычные правила спаривания кодонов с антикодонами со- Рис. 7-70. Организация митохондриального генома человека, установленная в результате определения полной нуклеотидной последовательности ДНК. Геном содержит два гена рРНК, 22 гена тРНК и 13 участков, кодирующих белки. Определены также полные последовательности молекул ДНК митохондриальных геномов коровы и мыши, которые содержат те же гены и организованы сходным образом. 491 Таблица 7-4. Различия между «универсальным» кодом и митохондриальными генетическими кодами* Митохондриальные коды Кодон «Универсальный» код Млекопитающие Дрозофила Дрожжи Растения UGA STOP Тrp Тrр Тrр STOP AUA Ilе Met Met Met Ile CUA Leu Leu Leu Thr Leu AGG AGA Arg STOP Ser Arg Arg * Курсивом и цветом выделены значения кодонов, отличающиеся от «универсального» кода. блюдаются менее строго, и многие молекулы тРНК способны узнавать любой из четырех нуклеотидов в третьей (неоднозначной) позиции (разд. 5.1.6). Такое считывание «двух из трех» дает возможность одной тРНК связываться с любым из четырех различных кодонов и позволяет обходиться меньшим числом тРНК при синтезе белка; 3) сопоставление нуклеотидных последовательностей митохондриальных генов с аминокислотными последовательностями белков выявило, возможно, самую поразительную особенность: генетический код в митохондриях видоизменен, и значения четырех из 64 кодонов отличны от значений этих кодонов в других геномах (табл. 7-4). Почти полная идентичность генетического кода у всех организмов служит убедительным доводом в пользу того, что все клетки произошли от общего предшественника. Как же в этом случае объяснить некоторые отличия генетического кода митохондрий? Приблизиться к пониманию этого помогли недавно полученные данные о различии генетического кода в митохондриях разных организмов. Например, триплет UGA, служащий в универсальном коде стоп-кодоном, в митохондриях млекопитающих, грибов и простейших кодирует триптофан, но в митохондриях растений используется как стоп-кодон. Аналогичным образом триплет AGG, обычно кодирующий аргинин, в митохондриях млекопитающих обозначает сигнал "stop", а у дрозофилы кодирует серин (табл. 7-4). Подобные отклонения указывают на то, что в генетическом коде митохондрий могут происходить случайные перемены. Вероятно, возможность появления и закрепления в потомстве случайных изменений в значении кодона связана с необычайно малым числом белков, кодируемых митохондриальным геномом; в большом геноме подобные изменения привели бы к нарушению функции многих белков и, как следствие, к гибели клетки. 7.5.6. Митохондрии животных имеют самую простую из известных генетических систем [52] Сравнение последовательностей ДНК у разных организмов показывает, что в митохондриальном геноме скорость замены нуклеотидов в процессе эволюции в 10 раз выше, чем в ядре, что, вероятно, объясняется снижением точности либо репликации, либо репарации митохондриальной ДНК, либо того и другого вместе. Поскольку в митохондриях животной клетки все РНК и белки образуются в результате репликации и экспрессии последовательности ДНК, состоящей всего лишь из 16500 нуклеотидов, вероятность ошибки на каждый считываемый нуклеотид 492 в ходе репликации и репарации ДНК, транскрипции с помощью РНК-полимеразы и трансляции при синтезе белка на митохондриальной рибосоме может быть относительно высокой без вреда для органеллы. По-видимому, этим и объясняется, почему механизмы таких процессов относительно просты по сравнению с теми, которые используются клеткой для тех же целей вне органелл. Например, можно предположить (хотя это еще достоверно не установлено), что наличие всего только 22 тРНК и необычно малые размеры рРНК (менее 2/3 от их величины у Е. coli) снижают точность белкового синтеза в митохондриях. Благодаря относительно быстрой эволюции митохондриальных генов сравнение последовательностей в их ДНК может быть особенно полезным для датирования таких недавних событий, как этапы эволюции приматов (см. разд. 1.2.2). 7-35 7.5.7. Почему у растений такой большой митохондриальный геном? [52] У растений геном митохондрий значительно больше, чем в животных клетках, и содержание митохондриальной ДНК варьирует в широких пределах - примерно от 150000 до 2,5 млн. пар нуклеотидов. И тем не менее митохондриальный геном у растений, видимо, кодирует немногим больше белков, чем у животных. К этому можно еще добавить, что, например, внутри одного из семейств растений (тыквенных) размеры митохондриального генома различаются в семь раз; а линейный митохондриальный геном зеленой водоросли Chlamydomonas имеет такие же размеры, как и в животных клетках, и составляет 16000 пар нуклеотидов. О последовательностях нуклеотидов в митохондриальной ДНК высших растений сведений очень мало, но секвенирован почти полностью большой (78 000 п. н.) митохондриальный геном дрожжей Saccharomyces cerevisiae, и оказалось, что только около трети его кодирует белки. Эти данные говорят о том, что, возможно, большая часть «избыточной» ДНК в митохондриях дрожжей (а может быть, и высших растений) не имеет существенного значения для организма. 7.5.8. Некоторые гены органелл содержат интроны [53] В обеих детально изученных митохондриальных системах - человеческой и дрожжевой - важную роль играет процессинг РНК- предшественников. В клетках человека обе цепи митохондриальной ДНК транскрибируются с одинаковой скоростью от единственного промотора на каждой цепи, и при этом образуются две различные гигантские молекулы РНК, каждая из которых представляет собой полную копию одной цепи ДНК. Таким образом, транскрипция совершенно симметрична. Молекула РНК, транскрибированная с одной из цепей ДНК, которую называют тяжелой цепью (Н-цепью) из-за ее высокой плотности, выявляемой в градиенте CsCl, расщепляется нуклеазами, и в результате получаются две молекулы рРНК, большая часть митохондриальных тРНК и около десятка РНК, содержащих концевой поли(А). В отличие от этого процессинг РНК, транскрибированной с легкой цепи (L-цепи), приводит к образованию только восьми тРНК и одной малой РНК, содержащей поли(А). Остальные 90% нуклеотидов этого транскрипта, видимо, не несут полезной информации (будучи комплементарными кодирующей последовательности, синтезированной на другой цепи) и расщепляются. Как полагают, РНК, содержащие концевой поли(А), представляют 493 собой митохондриальные мРНК; у них отсутствует «кэп» на 5'-конце, а 3'-концевой участок поли(А) содержит около 55 нуклеотидов. Этот полинуклеотидный хвост добавляется после транскрипции при участии митохондриальной поли-А-полимеразы. В отличие от человека у некоторых растений и грибов (включая дрожжи) митохондриальные гены содержат интроны, которые должны быть удалены из транскрипта с последующим сплайсингом (разд. 3.2.7). У растений интроны обнаружены также примерно в 20 генах хлоропластов. Многие интроны в генах органелл содержат родственные нуклеотидные последовательности, которые могут исключаться из РНК-транскриптов в результате реакции, катализируемой самой РНК (разд. 9.4.14), хотя в этом «самосплайсинге» обычно участвуют и белки. Открытие интронов в генах органелл было неожиданным с точки зрения эндосимбиотической теории происхождения энергопреобразующих органелл, так как в генах бактерий, от предков которых могли произойти митохондрии и хлоропласты, интронов не обнаружено. У дрожжей интроны могут иметься в митохондриальном гене одного штамма, но отсутствовать в том же гене другого штамма. По- видимому, такие «факультативные» интроны способны включаться в гены и выходить из них подобно транспозонам. С другой стороны, в некоторых митохондриальных генах дрожжей интроны занимают те же позиции, что и в митохондриях Aspergillus и Neurospora; значит, они были унаследованы от общего предка этих трех грибов. Вероятно, интроны имеют древнее происхождение, и хотя они были утрачены многими бактериями, они сохранились в геномах тех органелл, где регуляция сплайсинга РНК помогает контролировать экспрессию гена (разд. 10.5.5). |