Чем митохондриальная днк отличается от ядерной. Митохондриальная днк

28.11.2021

Митохондриальная Ева

Когда говорят о митохондриальной Еве, не имеют в виду особь. Говорят о возникновении путем эволюции целой популяции особей со сходными признаками. Считается, что митохондриальная Ева жила в период резкого сокращения численности наших предков, приблизительно до десяти тысяч особей.

Происхождение рас

Изучая митохондриальную ДНК разных популяций, генетики высказали предположение, что еще до выхода из Африки популяция предков разделилась на три группы, давшие начало трем современным расам – африканской, европеоидной и монголоидной. Считается, что это произошло приблизительно 60 – 70 тысяч лет назад.

Сравнение митохондриальной днк неандартальца и современного человека

Дополнительные сведения о происхождении человека были получены при сравнении генетических текстов митохондриальной ДНК неандертальца и современного человека. Ученым удалось прочитать генетические тексты митохондриальной ДНК костных останков двух неандертальцев. Костные останки первого неандертальца были найдены в Фельдховерской пещере в Германии. Чуть позже был прочитан генетический текст митохондриальной ДНК неандертальского ребенка, который был найден на Северном Кавказе в Межмайской пещере. При сравнении митохондриальной ДНК современного человека и неандертальца были найдены очень большие различия. Если взять какой-то участок ДНК, то из 370 нуклеотидов отличаются 27. А если сравнить генетические тексты современного человека, его митохондриальную ДНК, то обнаружится отличие только по восьми нуклеотидам. Считается, что неандерталец и современный человек – совершенно отдельные ветви, эволюция каждого из них шла независимо друг от друга.

При изучении различия в генетических текстах митохондриальной ДНК неандертальца и современного человека была установлена дата разделения этих двух ветвей. Это произошло примерно 500 тысяч лет назад, а приблизительно 300 тысяч лет назад произошло их окончательное разделение. Считается, что неандертальцы расселились по Европе и Азии и были вытеснены человеком современного типа, который вышел из Африки на 200 тысяч лет позже. И, наконец, приблизительно 28 – 35 тысяч лет назад неандертальцы вымерли. Почему это произошло, в общем-то, пока не понятно. Может быть, они не выдержали конкуренции с человеком современного типа, а может быть, на это были иные причины.

Зачем митохондриям своя ДНК? Хотя почему бы симбионтам не иметь свою ДНК в себе, производя все необходимое на месте? Зачем тогда переносить часть митохондриальной ДНК в ядро клетки, создавая необходимость транспортировки продуктов генов в митохондрии? Почему митохондрии передаются только от одного из родителей? Каким образом митохондрии, полученные от матери, уживаются с геномом клетки, составленным из ДНК матери и отца? Чем больше люди узнают о митохондриях, тем больше вопросов возникает.

Впрочем, это касается не только митохондрий: в любой области любой науки расширение сферы знаний приводит только к увеличению ее поверхности, соприкасающейся с неизвестным, вызывающим все новые вопросы, ответы на которые расширят ту самую сферу с тем же предсказуемым результатом.

Итак, ДНК современных митохондрий распределена весьма странно: небольшая часть генов содержится непосредственно в митохондриях в кольцевой хромосоме (точнее, в нескольких копиях одной и той же хромосомы в каждой митохондрии), а большая часть чертежей для производства составных частей митохондрии хранится в ядре клетки. Поэтому копирование этих генов происходит одновременно с копированием генома всего организма, а производимые по ним продукты проходят долгий путь из цитоплазмы клетки внутрь митохондрий. Тем не менее это во многом удобно: митохондрия избавлена от необходимости копировать все эти гены при размножении, считывать их и строить протеины и другие составляющие, сосредоточившись на своей главной функции по производству энергии. Зачем же тогда в митохондриях все-таки находится небольшая ДНК, для обслуживания которой требуются все эти механизмы, избавившись от которых митохондрии могли бы еще больше ресурсов бросить на основную цель их существования?

Сначала предположили, что оставшаяся в митохондриях ДНК является атавизмом, наследием поглощенной метаногеном про-митохондрии, имеющей полный бактериальный геном. В начале их симбиоза, несмотря на существование в ядре тех митохондриальных генов (м-генов ), которые были необходимы для поддержания внутри метаногена комфортной для про-митохондрий среды (про это подробно написано в о митохондрии), те же самые гены хранились и в каждой из митохондрий. Про-митохондрия в начале своей жизни в качестве симбионта выглядела примерно так же, как современная бактерия на схеме слева от этого абзаца.

И очень медленно из-за невостребованности эти гены исчезали из митохондриальной хромосомы в результате самых разных мутаций. А вот клеточное ядро накапливало все больше м-генов, попадавших в цитоплазму из разрушенных симбионтов-митохондрий и встраивавшихся в геном химеры-эукариота. Как только свежевстроившийся м-ген начинал считываться, клеточные механизмы производили необходимые митохондриям продукты, освобождая симбионтов от самостоятельного их создания. А значит, митохондриальный аналог перешедшего в ядро гена больше не поддерживался в рабочем состоянии естественным отбором и стирался мутациями так же, как все предыдущие. Поэтому логично было бы предположить, что скоро и те гены, которые все еще остались в митохондриях, перейдут в ядро, что приведет к большой энергетической выгоде для эукариот: ведь из каждой митохондрии можно будет убрать громоздкие механизмы копирования, считывания и исправления ДНК, а так же все необходимое для создания протеинов.

Придя к такому выводу, ученые подсчитали, за какой срок путем естественного дрейфа из митохондрии в ядро должны были перекочевать все гены. И оказалось, что этот срок уже давно прошел. В момент появления эукариотической клетки митохондрии имели обычный бактериальный геном из нескольких тысяч генов (ученые устанавливают, каким был этот геном, изучая перенесенные в ядро м-гены у разных организмов), а сейчас митохондрии всех видов эукариот потеряли от 95 до 99,9% своих генов. Больше сотни генов в митохондриях не осталось ни у кого, но и безгеновой митохондрии тоже ни у кого не появилось. Если бы ключевую роль в этом процессе играл случай, то хотя бы несколько видов уже прошли бы путь переноса генов в ядро до конца. Но этого не произошло, и изученные на данный момент митохондрии разных видов, теряющие свои гены независимо друг от друга, сохранили один и тот же их набор, что прямо указывает на необходимость присутствия именно этих генов именно в митохондриях.

Более того, в других энергопроизводящих органеллах клеток, хлоропластах, тоже есть своя ДНК, и точно так же хлоропласты разных видов эволюционировали параллельно и независимо, оставшись каждый с одним и тем же набором генов.

Значит, все те значительные неудобства по поддержанию собственного генома в каждой клеточной митохондрии (а в среднем в одной клетке содержится несколько сотен!) и громоздкого аппарата по его копированию-исправлению-транслированию (основные, но не все! его части ты видишь на картинке слева) чем-то перевешиваются.

И на данный момент существует непротиворечивая теория этого «чего-то»: возможность производить определенные детали митохондрии непосредственно внутри нее необходима для регулирования скорости дыхания и подстройки происходящих в митохондрии процессов под ежеминутно меняющиеся потребности всего организма.

Представь, что в одной из сотен митохондрий клетки вдруг не хватает элементов дыхательной цепи (подробно про нее смотри в ), или в ней недостаточно АТФ-синтаз. Она оказывается либо перегруженной пищей и кислородом и не может их достаточно быстро перерабатывать, или ее межмембранное пространство распирает от протонов, которые некуда девать — полная катастрофа в общем. Конечно же все эти отклонения от идеальной жизненной ситуации запускают множественные сигналы, направленные на выравнивание крена тонущего корабля.

Эти сигналы запускают производство именно тех деталей, которых не хватает митохондрии в данный момент, активируя считывание генов, по которым строятся протеины. Как только митохондрия будет иметь достаточно компонентов дыхательной цепи или АТФаз, «крен выровняется», сигналы о необходимости постройки новых деталей перестанут поступать, и гены опять будут выключены. Это один из удивительно элегантных в своей простоте необходимых механизмов саморегуляции клетки, малейшее его нарушение ведет к серьезной болезни или даже нежизнеспособности организма.

Попробуем логически определить, где должны находиться необходимые для реакции на этот сигнал бедствия гены. Представь ситуацию, что эти гены находятся в ядре клетки, содержащей пару сотен митохондрий. В одной из митохондрий возник например недостаток NADH-дегидрогеназы : первого фермента из дыхательной цепи, чья роль состоит в отрыве двух электронов от молекулы NADH, передаче их следующему ферменту и прокачке 2-4 протонов через мембрану.

На самом деле такие недостатки какого-либо фермента случаются довольно часто, ведь они периодически выходят из строя, количество потребляемой пищи постоянно меняется, потребности клетки в АТФ тоже прыгают вслед за прыжками или валяниями организма, эту клетку содержащего. Поэтому ситуация очень типичная. И вот митохондрия испускает сигнал: «нужно строить больше NADH-дегидрогеназы!», который выходит за ее пределы, проходит по цитоплазме до ядра, проникает в ядро и запускает считывание нужных генов. По клеточным меркам время прохождения этого сигнала весьма существенно, а ведь требуется еще и вытащить из ядра в цитоплазму построенную матричную РНК, создать по ней протеины, переслать их в митохондрию…

И вот тут возникает проблема гораздо более существенная, чем трата лишнего времени: при создании специализированных митохондриальных протеинов они маркируются сигналом «доставить в митохондрию», но вот в какую? Неизвестно. Поэтому в каждую из пары сотен митохондрий начинают поступать протеины, которые им не нужны. Клетка тратит ресурсы на их производство и доставку, митохондрии заполнены лишними дыхательными цепями (что приводит к неэффективности дыхательных процессов), а та единственная митохондрия, которой эти протеины нужны, не получает их в достаточном количестве, ведь ей достается в лучшем случае сотая часть произведенного. Поэтому она продолжает посылать сигналы бедствия, и хаос продолжается. Даже по этому лирико-поверхностному описанию происходящего понятно, что такая клетка нежизнеспособна. И что есть гены, которые должны считываться и транслироваться непосредственно в митохондрии, чтобы регулировать происходящие именно в ней процессы, а не полагаться на запущенный партией ядром план производства гвоздей.. то есть протеинов дыхательной цепи для всех митохондрий сразу.

Проверив, что именно производится по оставшимся в митохондриях разных (а значит, и перемещавших м-гены в ядро независимо друг от друга) организмов, обнаружили, что это именно элементы для построения дыхательных цепей и АТФазы, а так же рибосом (то есть главной части аппарата трансляции).

Подробнее об этом (и не только) можно прочитать у Лейна в «Энергия, секс, самоубийство: митохондрия и смысл жизни» . Ну и можно просто сравнить схему митохондриальной ДНК, где расшифрованы кодируемые продукты (справа от этого абзаца), со схемой дыхательной цепи (вверху), чтобы стало понятно, что именно производится в митохондрии. Конечно же, не каждый протеин, встраиваемый в эту цепь, производится на месте, часть из них строится в цитоплазме клетки. Но основные «якоря», на которые цепляются остальные детали, создаются внутри митохондрии. Что позволяет производить ровно столько ферментов, сколько нужно, и именно там, где они необходимы.

Как митохондрии связаны с сексом и как уживаются разные геномы в одной клетке, напишу в одной из следующих глав этой линии.

05.05.2015 13.10.2015

Все сведения о строении организма человека и его предрасположенности к болезням зашифрованы в виде молекул ДНК. Основная информация находится в ядрах клеток. Однако 5% ДНК локализовано в митохондриях.

Что называют митохондриями?

Митохондрии являются клеточными органеллами эукариот, которые нужны для того, чтобы осуществить превращение энергии, заключенной в питательных веществах в соединения, которые могут усваивать клетки. Поэтому они нередко называются «энергетическими станциями», ведь без них существование организма невозможно.
Своя генная информация у данных органелл появилась вследствие того, что ранее они представляли собой бактерии. После их попадания в клетки организма-хозяина, они не смогли сохранить свой геном, при этом часть собственного генома они передали клеточному ядру организма-хозяина. Поэтому сейчас их ДНК (мтДНК) содержит только часть, а именно 37 генов от исходного количества. Главным образом, в них зашифрован механизм трансформации глюкозы до соединений — углекислый газ и вода с получением энергии (АТФ и НАДФ), без которой и невозможно существование организма хозяина.

В чем уникальность мтДНК?

Главное свойство, присущее митохондриальной ДНК, заключается в возможности наследовании ее только по линии матери. При этом все дети (мужчины или женщины) могут получить митохондрии от яйцеклетки. Происходит это благодаря тому, что женские яйцеклетки содержат более высокое количество данных органелл (до 1000 раз), чем мужские сперматозоиды. Вследствие этого дочерний организм получает их только от своей матери. Поэтому и унаследование их от отцовской клетки совершенно невозможно.
Известно, что гены митохондрий передались нам из далекого прошлого — от нашей проматери — «митохондриальной Евы», являющейся общим предком всех людей планеты по материнской линии. Поэтому данные молекулы считаются самым идеальным объектом при генетических экспертизах для установления родства по линии матери.

Как происходит определение родства?

Митохондриальные гены имеют множество точечных мутаций, благодаря чему они очень вариабельны. Это и позволяет установить родство. На генетической экспертизе с использованием специальных генетических анализаторов – секвенаторов, определяются индивидуальные точечные нуклеотидные изменения генотипа, их сходство или различие. У людей, не имеющих родственных связей по линии матери геномы митохондрий различаются существенно.
Определение родства возможно благодаря удивительным характеристикам митохондриального генотипа:
они не подвержены рекомбинациям, поэтому молекулы изменяются лишь в процессе мутирования, который может происходить в течение тысячелетия;
возможность выделения из любых биологических материалов;
при недостатке биоматериала или деградации ядерного генома, мтДНК может стать единственным источником для проведения анализов, благодаря огромному количеству ее копий;
вследствие большого количества мутаций по сравнению с ядерными генами клеток, достигается высокая точность при проведении анализа генного материала.

Что возможно установить при генной экспертизе?

Генная экспертиза мтДНК поможет при диагностике следующих случаев.
1. Для установления родства между людьми по линии матери: между дедом (или бабушкой) с внуком, братом с сестрой, дядей (или тетей) с племянником.
2. При анализе небольшого количества биоматериала. Ведь мтДНК содержится у каждой клетки в значительном количестве (100 — 10 000), тогда как ядерная — только по 2 копии у каждой 23 имеющихся хромосом.
3. При идентификации древнего биоматериала – сроком хранения более, чем тысячелетнего периода. Именно благодаря данному свойству ученые смогли идентифицировать генный материал из останков членов семьи Романовых.
4. При отсутствии иного материала, ведь даже один волос содержит значительное количество мтДНК.
5. При определении принадлежности генов к генеалогическим ветвям человечества (африканской, американской, ближневосточной, европейской гаплогруппе и другим), благодаря чему возможно определение происхождения человека.

Митохондриальные заболевания и их диагностика

Митохондриальные заболевания проявляются в основном за счет дефектов мтДНК клеток, связанных со значительной подверженности данных органелл к мутациям. Сегодня насчитывается уже порядка 400 болезней, связанных с их дефектами.
В норме каждая клетка могут включать как нормальные митохондрии, так и с определенными нарушениями. Часто признаки заболевания при этом никак не проявляют себя. Однако при ослаблении процесса синтеза энергии в них наблюдается проявление таких болезней. Данные заболевания, прежде всего, связаны с нарушением мышечной или нервной систем. Как правило, при таких болезнях наблюдается позднее начало клинических проявлений. Частота возникновения данных болезней составляет 1:200 человек. Известно, что наличие мутаций митохондрий способно вызвать нефротический синдром при беременности женщины и даже внезапную смерть младенца. Поэтому, исследователями предпринимаются активные попытки решения данных проблем, связанных с лечением и передачей генетических заболеваний этого типа от матерей к детям.

Как связано старение с митохондриями?

Реорганизацию генома данных органелл обнаружили и при анализе механизма старения организма. Сотрудниками Университета Хопкинса опубликованы результаты, проведенные при наблюдениях за показателями крови 16000 пожилых людей из Америки, демонстрирующие, что снижение количества мтДНК было напрямую взаимосвязано с возрастом пациентов.

Большинство из рассмотренных вопросов сегодня стало основой новой науки – «митохондриальной медицины», сформировавшейся в виде отдельного направления в 20 столетии. Прогнозирование и лечение заболеваний, связанных с нарушением генома митохондрий, генетическая диагностика – вот первостепенные её задачи.

Экология потребления. Здоровье: Гаплогруппа - группа схожих гаплотипов, имеющих общего предка, у которого в обоих гаплотипах имела место одна и та же мутация...

Когда я еще в детстве, расспрашивал свою бабушку о корнях, она рассказала одну легенду, что ее далекий прадед взял в жены «местную» девушку. Я заинтересовался этим и предпринял небольшое исследование. Местные для Вологодской области – это финно-угорский народ вепсы. Чтобы точно проверить эту семейную легенду, я обратился к генетике. И она подтвердила семейную легенду.

Гаплогруппа (в популяционной генетике человека - науке, изучающей генетическую историю человечества) - группа схожих гаплотипов, имеющих общего предка, у которого в обоих гаплотипах имела место одна и та же мутация. Термин «гаплогруппа» широко применяется в генетической генеалогии, где изучаются гаплогруппы Y-хромосомные (Y-ДНК), митохондриальные (мтДНК) и ГКГ-гаплогруппы. Генетические маркеры Y-ДНК передаются с Y-хромосомой исключительно по отцовской линии (то есть от отца сыновьям), а маркеры мтДНК - по материнской линии (от матери всем детям).

Митохондриальное ДНК (далее мтДНК) передается от матери к ребенку. Поскольку только женщины могут передавать мтДНК своим потомкам, тестирование мтДНК дает информацию о матери, ее матери и так далее по прямой материнской линии. мтДНК от матери получают как мужчины, так и женщины, по этой причине в проведении тестирования мтДНК могут принимать участие и мужчины, и женщины. Хотя в мтДНК и происходят мутации, их частота относительно низка. В течении тысячелетий данные мутации накапливались, и по этой причине женская линия в одной семье генетически отличается от другой. После того, как человечество расселилось по планете, мутации продолжили случайное появление в разделенных растоянием популяциях некогда единого человеческого рода.

Миграция митохондриальных гаплогрупп.

Русский север.

Мне очень близка история, природа и культура русского Севера. Это и потому, что оттуда родом моя бабушка, которая жила с нами и много времени посвятила моему воспитанию. Но думаю, что для беларусов близость еще большая: ведь русский север был заселен кривичами, которые также сформировали ядро будущей Беларуси. Кроме того, Псков и Новгород – это древние славянские центры, в определенной мере демократичные, со своем вече (так же как Киев и Полоцк).

Достаточно вспомнить историю Псковской вечевой республики и Новгородской республики. Длительное время эти территории колебались между ВКЛ и Московским княжеством, но последнее перехватило инициативу в «собирании земель». При других обстоятельствах, самобытность этого региона могла бы развиться в самостоятельную национальность. Впрочем, многие с гордостью называют себя «северными русскими». Равно как и некоторые беларусы, отличают западную беларусь (Литва, литвины) от восточной беларуси (русины). Попрошу не искать в моих словах никакой политической подоплеки.

Если в Беларуси славяне смешивались с балтийскими племенами, то в России - с финно-угорскими. Это и обеспечило уникальную этничность разных регионов. Очень точно сказал Парфенов, который родом из соседних с нашими сел: «Я всегда чувствую свое происхождение. Северный русский - для меня это очень важно. Это мое представление о России, о нашем характере, об этике и эстетике. Южнее Воронежа для меня - другие русские.» Любопытно, что Парфеновы есть и у меня в роду. Аксинья Парфенова (1800-1904) – это бабушка Кирилла Кирилловича Коричева (муж Александры Алексеевны Земсковой). Впрочем, фамилия эта распространенная, так что может родственники, а может и нет.

Череповец, прабабушка слева, бабушка справа внизу, 1957?

Моя митохондриальная группа - D5a3a.

При секвенировании ГВС1 - 16126с, 16136с, 16182с, 16183с, 16189с,16223Т, 16360Т, 16362С. Это значит, что моя митохондриальная группа - D5a3a. Это очень редкая гаплогруппа, даже генетики удивились – в Беларуси впервые такая определяется. В целом D – это азиатская группа. Ученые пишут, что она встречается в генофондах лишь некоторых этнических групп Северной Евразии.

Единичные D5a3-линии выявлены у таджиков, алтайцев, корейцев и русских Великого Новгорода. Все они (за исключением корейца), характеризуются 16126-16136-16360 ГВС1-мотивом, который встречается также в некоторых популяциях Северо-Восточной Европы.

Село Аннино, 1917, моя прабабушка.

Полногеномный анализ показал, что мтДНК русского и манси объединяются в отдель-ный кластер D5a3a, а мтДНК корейца представлена отдельной ветвью. Эволюционный возраст всей гаплогруппы D5a3 составляет примерно 20 тыс. лет (20560 ± 5935), в то время как степень дивергенции D5a3a-линий мтДНК соответствует примерно 5 тыс. лет (5140 ± 1150). D5 - группа отчётливо восточноазиатская.

В Сибири абсолютно преобладают варианты D4. Наиболее многочисленна и разнообразна D5 в Японии, Корее и южном Китае. Среди сибирских народов разнообразие D5 и наличие уникальных чисто этнических её вариантов отмечено у восточных монголоязычных групп, в том числе и у монголизированных эвенков. D5a3 отмечена в архаичном варианте в Корее.Более точный анализ показывает возраст D5a3a до 3000 лет, но родительская D5a3 очень древняя, там наверняка мезолит.

Череповец, 1940

На основании имеющихся данных кажется логичным предполагать происхождение D5a3 где-то на Дальнем Востоке (между Монголией и Кореей) и её миграцию на запад через Южную Сибирь. Вероятно, что мои прямые предки по женской линии пришли в Европу около трех тысяч лет назад, дав корни в Финляндии, Корелии, среди местных финно-угорских народов: саамы, карелы и вепсы. При смешивании с кривичами, эти гаплогруппы перешли современным жителям Вологды и Новгородчины.

Гены, оставшиеся в ходе эволюции в «энергетических станциях клетки», помогают избежать проблем в управлении: если в митохондрии что-то сломается, она может починить это сама, не дожидаясь разрешения из «центра».

Наши клетки получат энергию с помощью особых органелл, называемых митохондриями, которых часто так и называют энергетическими станциями клетки. Внешне они выглядят как цистерны с двойной стенкой, причём внутренняя стенка очень неровная, с многочисленными сильными впячиваниями.

Клетка с ядром (окрашено синим) и митохондриями (окрашены красным). (Фото NICHD / Flickr.com.)

Митохондрии в разрезе, выросты внутренней мембраны видны как продольные внутренние полосы. (Фото Visuals Unlimited / Corbis.)

В митохондриях происходит огромное количество биохимических реакций, в ходе которых «пищевые» молекулы постепенно окисляются и распадаются, а энергия их химических связей запасается в удобной для клетки форме. Но, кроме того, у этих «энергетических станций» есть своя ДНК с генами, которую обслуживают собственные молекулярные машины, обеспечивающие синтез РНК с последующим синтезом белка.

Считается, что митохондрии в очень далёком прошлом были самостоятельными бактериями, которых ели какие-то другие одноклеточные существа (с большой вероятностью, археи). Но однажды «хищники» вдруг перестали переваривать проглоченных протомитохондрий, удерживая их внутри себя. Началось долгое притирание симбионтов друг к другу; в итоге те, кого проглотили, сильно упростились в строении и стали внутриклеточными органеллами, а их «хозяева» получили возможность за счёт более эффективной энергетики развиваться дальше, во всё более и более сложные формы жизни, вплоть до растений и животных.

О том, что митохондрии когда-то были самостоятельными, говорят остатки их генетического аппарата. Разумеется, если живёшь внутри на всём готовом, необходимость содержать собственные гены пропадает: ДНК современных митохондрий в человеческих клетках содержит всего 37 генов - против 20-25 тысяч тех, что содержатся в ядерной ДНК. Многие из митохондриальных генов за миллионы лет эволюции перебрались в клеточное ядро: белки, которые они кодируют, синтезируются в цитоплазме, а потом транспортируются в митохондрии. Однако тут же возникает вопрос: а почему 37 генов всё-таки остались там, где были?

Митохондрии, повторим, есть у всех эукариотических организмов, то есть и у животных, и у растений, и у грибов, и у простейших. Иан Джонстон (Iain Johnston ) из Бирмингемского университета и Бен Уильямс (Ben P. Williams ) из Института Уайтхеда проанализировали более 2 000 митохондриальных геномов, взятых у различных эукариот. С помощью особой математической модели исследователи смогли понять, какие из генов в ходе эволюции были более склонны оставаться в митохондриях.