УДК 577.346.576.32/34
МИТОХОНДРИАЛЬНЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ В ЯДЕРНОМ ГЕНОМЕ ЖИВОТНЫХ
© 2013 г. Д. А. Романов, Б. В. Андрианов
Институт общей генетики им. Н.И. Вавилова РАН, Москва E-mail: andrianovb@mail.ru
Митохондриальные последовательности в ядерном геноме обнаружены у всех изученных эука-риот. Приведен обзор данных по истории изучения проблемы переноса митохондриальной ДНК в ядро. Митохондриальные последовательности, локализованные в ядре, могут быть использованы для филогенетических реконструкций. Практика определения видов насекомых методами ДНК-баркодинга позволила выработать методы предотвращения контаминаций полученных данных гомологичными последовательностями ядерного происхождения. Эти методы исключают опасность искажения филогенетических исследований, основанных на сравнении нуклеотидных последовательностей митохондриальных генов. Выявлены связи старения млекопитающих и наследственных заболеваний у человека с инсерциями митохондриальных последовательностей в соматических клетках. Отмечена возможность индукции перемещения митохондриальных последовательностей в ядро под влиянием вирусных инфекций и в процессе старения.
Ключевые слова: намты, NUMT, геномная нестабильность, мтДНК, DNA barcoding.
ВВЕДЕНИЕ
Митохондриальные последовательности в ядерном геноме впервые были обнаружены методами гибридизации нуклеиновых кислот и рестрикционного анализа. Длительное время полученные данные рассматривались как частные случаи, не имеющие общебиологического значения. Ситуация изменилась, когда стали доступны первые полные геномы эукариот. Во-первых, обнаружение множества фрагментов митохондриальной ДНК в составе хромосом не оставило места сомнениям в реальности переноса ДНК из митохондрий в ядро. Во-вторых, окончательное признание получила теория симбиотиче-ского происхождения эукариотической клетки и, в частности, происхождения митохондрий от альфа-протеобактерий (Lang et al. 1999; Adams, Palmer, 2003). В рамках этой теории постоянно идущий перенос ДНК из изолированных геномов органелл, лишенных рекомбинации, в ядерный геном закономерен. Парадоксально выглядит скорее сохранение собственного генома митохондрии, полной редукции которого препятствуют неизвестные причины. Фрагменты митохондри-альной ДНК в составе хромосом получили название "NumtS" (Nuclear mitochondrial Sequences) (Lopez et al., 1994). В русскоязычной литературе
определенный термин для обозначения последовательностей данного типа пока не устоялся. Термин "митохондриальные псевдогены", который часто используется, не вполне удачен, так как, хотя фрагменты митохондриальной ДНК в составе хромосом лишены интронов, возможны различные молекулярные механизмы их возникновения. Как в случае классических псевдогенов, возможно наличие этапа обратной транскрипции РНК, считанной с митохондриальных генов. Более вероятно непосредственное встраивание фрагментов митохондриальной ДНК в места двойных разрывов хромосом. В данной публикации мы будем пользоваться нейтральным термином "на-мты". Отсутствие единого механизма возникновения и очевидной клеточной функции у намтов позволяет рассматривать их как молекулярные ископаемые и применять для филогенетических реконструкций и уточнения систематического статуса близкородственных видов. В последнее время появились данные, позволяющие по-новому взглянуть на феномен намтов. Получены доказательства возникновения новых копий намтов в соматических клетках, причем этот процесс резко активизируется в трансформированных клетках при некоторых вирусных инфекциях, подавлении клеточного дыхания и при действии ионизирующего излучения. Эти открытия позволяют рас-
сматривать динамику формирования намтов как чувствительный генетический маркер геномной нестабильности, и ставит изучение намтов в ряд приоритетных биомедицинских исследований.
ОТКРЫТИЕ МИТОХОНДРИАЛЬНЫХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ
В ЯДЕРНОМ ГЕНОМЕ МЕТОДАМИ ГИБРИДИЗАЦИИ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
Первые данные о существовании собственной ДНК у митохондрий разных организмов стали накапливаться с 60-х годов XX века (Rabinowitz et al., 1965; Schneider, Kuff, 1965; Dawid, 1965; Dawid, 1966; Kroon et al., 1966; Clayton et al., 1968; Villa, Storck, 1968; Brunk, Hanawalt, 1969). Вскоре после обнаружения собственной ДНК в митохондриях, появились первые работы, в которых изучалась перекрестная гомология между митохондриальной и ядерной ДНК (du Buy, Riley, 1967; Dawid, Wolstenholme, 1968; Kung et al., 1972; Storti, Sinclair, 1974). В этих исследованиях было показано наличие гомологичных участков в ДНК митохондрий и ядер. Сделанное открытие интерпретировалось по-разному. В одних работах был сделан вывод о наличии в ядре коротких нуклеотидных последовательностей, представленных большим количеством копий в ДНК хромосом, которые в некоторой степени комплементарны митохондриальной ДНК (du Buy, Riley, 1967). В других работах было сделано предположение о возможном присутствии в ядерной ДНК "оригинала" ("master copy") митохондриальной ДНК (Dawid, Wolstenholme, 1968; Storti, Sinclair, 1974).
Впервые предположение о существовании переноса генов из митохондрий в ядро было высказано ван ден Боогаартом и соавт. (van den Boogaart et al., 1982). Секвенирование фрагмента митохондриальной ДНК гриба-аскомицета Neurospora crassa показало наличие в составе ми-тохондриального генома гена atp9. Ранее же было показано, что белковый продукт atp9 у N. crassa кодируется геном, расположенным в ядре. Таким образом оказалось, что последовательность гена atp9 у N. crassa существует одновременно как в ядерном, так и в митохондриальном геномах. Позже аналогичный случай двойной локализации гена atp9 в ядре и в митохондриях был описан у другого гриба-аскомицета, Aspergillus nidulans (Brown et al., 1984).
Вслед за работой ван ден Боогаарта выходит ряд работ, посвященных описанию фрагментов мито-хондриальной ДНК, локализованных в ядерном геноме, у различных организмов. Для их иден-
тификации авторы использовали саузерн-блот гибридизацию, клонирование и рестрикционный анализ. У дрожжей Saccharomyces cerevisiae в ядерном геноме были найдены последовательности, гомологичные фрагментам митохондриаль-ных генов var1, cob и последовательность мито-хондриального ориджина репликации (Farelly, Butow, 1983). Авторы сделали предположение, что обнаруженные гомологи митохондриальных генов являются псевдогенами. В некоторых случаях, вблизи этих последовательностей присутствовали инсерции мобильных элементов дрожжей - Ty1. Уникальный случай был описан у штаммов гри-ба-аскомицета Podospora anserina с ограниченной продолжительностью жизни. Перенос ДНК из митохондрий и интеграция ее в хромосомы ядра у Podospora anserina происходит регулярно в ходе каждого жизненного цикла. По мере старения мицелия некоторые фрагменты митохонд-риальной ДНК удаляются из митохондриального генома и перемещаются в ядерный геном. Авторы показали присутствие фрагментов митохондри-альных генов cox1 и cox2 в ядерной ДНК и отсутствие соответствующих последовательностей в митохондриальной ДНК старого мицелия Р. anserina (Wright, Cummings, 1983). В ядерном геноме морского ежа Strongylocentrotus purpuratus были охарактеризованы две последовательности, гомологичные митохондриальным генам cox1 и 16SрРНК (Jacobs et al., 1983). Авторы выполнили секвенирование этих фрагментов митохондриаль-ной ДНК (Jacobs, Grimes, 1986). Анализ сиквенсов показал, что эти последовательности представляют собой псевдогены: в них было обнаружено большое количество однонуклеотидных замен, приводящих к аминокислотным заменам, а также множество небольших инсерций и делеций, приводящих к сдвигу рамки считывания. Геллиссен и соавт. описали присутствие в ядерном геноме саранчи Locusta migratoria множества (предположительно несколько сотен) последовательностей, которые гомологичны митохондриальным генам тРНКЛей, 12S и 16S рРНК (Gellissen et al., 1983). На основе анализа нуклеотидной последовательности одной из этих последовательностей был сделан вывод о наличии в геноме саранчи мито-хондриальных псевдогенов (Gellissen, Michaelis, 1987). Хадлер и соавт. в геноме крысы Rattus norvegicus описали ядерную последовательность, сходную с митохондриальной (Hadler et al., 1983). Эта последовательность оказалась гомологична региону, содержащему гены 12S рРНК, 16S рРНК и область Д-петли. Коррел и соавт. обнаружили в препаратах ядерной ДНК крысы из разных тканей последовательности, гомологичные митохондри-
альным генам nd6, coxl, cox2 и cox3 (Corral et al., 1989). Аналогичные последовательности, но с аномальной организацией и в большем количестве, также были найдены в клетках гепатомы крысы. Коррел и соавт. предложили два возможных объяснения наблюдаемого явления: 1) Аномальные гомологи митохондриальных генов из клеток гепатомы произошли от уже существующих гомологов в ядерном геноме нормальных клеток, их модификация вызвана трансформацией клеток; 2) канцерогены или их метаболиты, воздействуя на митохондрии, способствовали интеграции ми-тохондриальной ДНК в ядерный геном de novo. Зулло и соавт. выделили и определили нуклео-тидную последовательность для двух фрагментов ДНК, гомологичных области Д-петли митохонд-риальной ДНК, локализованных в ядерном геноме крысы (Zullo et al., 1991).
Степень сходства описанных последовательностей с митохондриальной ДНК (мтДНК) составляет 80%, а между собой - 88%. Фрагменты мтДНК из ядерного генома ассоциированы с LINE-подобными повторяющимися элементами. Позже с помощью рестрикционного анализа были выявлены новые инсерции мобильных элементов типа LINE, ассоциированные с фрагментами мтДНК, в ядерный геном раковых клеток крысы R. norvégiens и мыши Mus musculus (Hadler et al., 1998). В ядерном геноме человека Homo sapiens было показано присутствие последовательностей, гомологичных митохондриальным генам 12S рРНК, 16S рРНК (Tsuzuki et al., 1983; Nomiyama et al., 1985) и nd2, nd4, nd5 (Fukuda et al., 1985). Во фланкирующих областях гомологов митохон-дриальных генов не было обнаружено ни прямых, ни инвертированных повторов (Nomiyama et al., 1985; Fukuda et al., 1985). Фукуда и соавт. обнару
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.