УСПЕХИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ, 2004, том 124, № 2, с. 109-122
УДК 575.174:599.9
МУТАЦИОННЫЙ ПРОЦЕСС В ЭВОЛЮЦИИ МИТОХОНДРИАЛЬНОГО ГЕНОМА ЧЕЛОВЕКА
© 2004 г. Б. А. Малярчук
Институт биологических проблем Севера, Дальневосточное отделение РАН, Магадан
Рассмотрена проблема возникновения мутаций в митохондриальном геноме человека. С помощью филогенетического анализа изменчивости митохондриальной ДНК (мтДНК) впервые реконструированы мутационные спектры ГВС1 и ГВС2. Обоснован методический подход к выявлению гипервариабельных позиций главной некодирующей области мтДНК, по вариабельности выделены классы нуклеотид-ных позиций. Методами контекстного анализа ДНК определены основные механизмы генерирования мутаций в "горячих" точках мтДНК. Впервые сформулированы представления о преобладании контекст-зависимых механизмов возникновения мутаций в митохондриальном геноме человека.
Митохондрии - исключительно важные орга-неллы клетки, отвечающие за производство энергии в форме АТФ. Помимо этого, согласно последним данным, они участвуют в апоптозе и играют ключевую роль в отборе половых клеток при оплодотворении [30, 43, 67]. Исследования генетических особенностей митохондрий и изменчивости мтДНК человека и животных, выполненные за последние десятилетия, продемонстрировали широкие возможности этой генетической системы для получения новой информации об эволюционной и популяционной истории видов. Исследования изменчивости митохондриального генома человека позволили существенно расширить наши представления об эволюции человека, происхождении народов, молекулярных основах ряда наследственных заболеваний и процессах старения.
В то время как хромосомные гены представлены двумя копиями на клетку и наследуются в соответствии с законами Менделя, митохондриаль-ные гены находятся в цитоплазматических орга-неллах, присутствуют в сотнях и тысячах копий на клетку и наследуются строго по материнской линии [31]. Материнский тип наследования мтДНК и отсутствие рекомбинации между молекулами приводят к эволюции митохондриальных геномов посредством последовательного накопления мутаций из поколения в поколение и стохастическому распределению мутантных форм мтДНК в процессе клеточных делений [31, 84]. В связи с этим мтДНК представляет собой достаточно простую генетическую систему для изучения макро-и микроэволюционных процессов.
Важное свойство ДНК митохондрий - высокий уровень изменчивости. Известно, что мито-хондриальный геном накапливает соматические мутации в течение всей жизни человека [84]. По мере старения в различных тканях (скелетных мышцах, мозге, сердце) наблюдается увеличение количества делеций и других мутаций мтДНК
[85]. В среднем количество мутантной мтДНК в клетках довольно мало (<2%), однако, индивидуальные клетки могут содержать высокие уровни мутантной ДНК определенного типа [13]. Превышение критического уровня таких молекул мтДНК в клетках (обычно этот уровень составляет 50-60%), как правило, уже приводит к дефектам в системе окислительного фосфорилирова-ния митохондрий [84].
Начиная с первых исследований изменчивости мтДНК в популяциях человека и животных, было обнаружено, что митохондриальные гены, кодирующие белки, характеризуются повышенной (в 510 раз) изменчивостью по сравнению с генами ядерного генома [15]. Между тем, популяционные данные об изменчивости нуклеотидных последовательностей полных митохондриальных геномов человека показывают, что минимальная вариабельность характерна для генов тРНК и рРНК, в то время как изменчивость нуклеотидов в третьих позициях кодонов и гипервариабельном сегменте 1 превышает таковую для генов РНК в 4 и 20 раз, соответственно [28]. По данным [39], изменчивость главной некодирующей области мтДНК человека в 20 раз выше, чем остальной части генома.
Скорость эволюции является функцией двух переменных - мутационной скорости и доли мутаций, зафиксированных в геноме [15], т.е. высокая скорость эволюции мтДНК может объясняться либо повышенной скоростью накопления мутаций, либо более высокой интенсивностью фиксации мутаций, либо (что более вероятно) взаимодействием обоих параметров. Предположение о повышенной скорости накопления мутаций в мтДНК возникло давно [14], остается в силе до настоящего времени и подтверждается новыми данными по изменчивости мтДНК у различных животных.
Мутационные процессы в мтДНК имеют некоторые особенности. Это, во-первых, выраженное
смещение мутационного спектра мтДНК в сторону транзиций, что может свидетельствовать об усиленном мутационном давлении [81], во-вторых, существенное (в 4-6 раз) превышение скорости накопления молчащих замен по отношению к смысловым заменам в мтДНК, что может указывать на высокую скорость фиксации нейтральных мутаций в мтДНК [42].
Основными факторами, способствующими увеличению скорости накопления мутаций в ми-тохондриальных геномах, принято считать влияние на мтДНК продуктов окислительно-восстановительных реакций, интенсивно проходящих в митохондриях, несовершенство процесса репликации мтДНК, приводящего к ошибкам, и отсутствие эффективной системы репарации ДНК в митохондриях.
ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ
РЕАКЦИИ В МИТОХОНДРИЯХ, МОДИФИЦИРОВАННЫЕ ОСНОВАНИЯ ДНК И МУТАГЕНЕЗ
Высокий уровень мутагенеза мтДНК может быть обусловлен в значительной мере окислительно-восстановительными процессами, катализируемыми ферментами дыхательной цепи и системы окислительного фосфорилирования митохондрий. Экспериментально показано, что ряд химических соединений оказывает влияние преимущественно на митохондриальный геном, а не на ядерную ДНК. Так, воздействие на крыс этил-нитрозомочевиной приводит к двукратному увеличению уровня О6-этил гуанина в мтДНК [75]. Появление высокого уровня алкилированных оснований мтДНК млекопитающих является результатом воздействия таких реагентов как К-метил-К-нитрозомочевина и К-нитрозодиметиламин [62]. Ряд полициклических ароматических соединений бензопиренового ряда также влияет преимущественно на мтДНК [11]. Как ни странно, в экспериментальных системах (например, в клетках ИеЬа) химические мутагены практически не повышают уровень митохондриальных мутаций [60]. Напротив, согласно данным исследований индуцированного мутагенеза мтДНК эмбриональных клеток почек человека воздействие УФ-излучения индуцирует митохондриальные мутации (преимущественно транзиции в —► А) [65].
Ранее была обнаружена высокая скорость накопления модифицированных оснований мтДНК, обусловленная воздействием перекиси водорода, супероксидных и гидроксильных радикалов, появление которых связано с процессом аэробного метаболизма митохондрий [37, 72]. В этой связи основными источниками эндогенного мутагенеза мтДНК считаются окислительно-восстановительные реакции, спонтанный гидролиз и реакции дезаминирования и метилирования ДНК. Известно, что в митохондриях находится примерно 90%
клеточного кислорода, из них 2% конвертируется в супероксидные радикалы [12]. Супероксиды вызывают появление в митохондриях окисленных форм пуриновых и пиримидиновых оснований ДНК. Наиболее распространенным является 8-оксо-7,8-дигидродеоксигуанин (8-OH-dG). В ряде исследований показано, что 8-OH-dG накапливается в мтДНК со скоростью от 1 х 10 7 до 1.3 х 10-4 аддуктов на пару нуклеотидов [58, 72]. Важно отметить, что 8-OH-dG индуцирует в мтДНК преимущественно трансверсии G —*- T [47]. В том случае, когда при репликации ДНК 8-OH-dG используется в качестве нуклеотидного субстрата, генерируются трансверсии A —»- C [18].
Другой возможный продукт окислительных реакций ДНК в митохондриях - 5-гидроксицито-зин (5-OH-dC). Показано in vitro, что в ДНК он индуцирует преимущественно транзиции G —»- A [27], однако, наличие 5-OH-dC в клетках человека точно не установлено.
Еще один потенциальный механизм мутагенеза мтДНК связан с дезаминированием цитозина [1, 16, 29]. Известно, что дезаминирование цитозина приводит к накоплению в ДНК урацила, вследствие чего при репликации во вновь синтезированных цепях ДНК происходит встраивание комплементарного основания аденина. Эволюция ДНК, в ходе которой происходит смещение нуклеотидного состава в сторону A + T, может быть следствием отсутствия механизмов репарации дезаминированного цитозина или особенностей ДНК-полимераз, более эффективно использующих при репликации A и T [40]. Превращение цитозина в урацил вследствие реакции дезаминиро-вания приводит к транзициям C —»- T и G —► A, что выявлено для различных ДНК-полимераз многих организмов [48]. Исследования [29] показали, что интенсивность дезаминирования остатков цитозина в урацил с последующим генерированием транзиций C —► T зависит от длительности пребывания участков H-цепи в одноцепочечном состоянии на стадии репликации мтДНК и, соответственно, от расстояния до OriH, и она тем выше, чем ближе участок мтДНК расположен к OriH.
Другим источником транзиций C —«- T/G —► A в мтДНК млекопитающих (грызунов, человека) является гидролитическое дезаминирование 5-ме-тилцитозина [63]. В исследованиях [23] показано, что в мтДНК метилированы 0.6-6% остатков цитозина, а скорость дезаминирования 5-метилци-тозина в 3-4 раза больше, чем цитозина. Скорость же дезаминирования аденина в гипоксантин и гуанина в ксантин (приводящих к транзициям A —► G) составляет всего 2% от скорости дезаминирования цитозина [48].
Установлено также, что в митохондриях находятся и другие метилированные основания - например, К7-метилгуанин, К3-метиладенин, O6-ме-тилгуанин. Первые два генерируются в мтДНК со
скоростью 10-5 на пару нуклеотидов и приводят к формированию апуриновых сайтов в мтДНК, "заполнение" которых осуществляется в процессе репликации [66]. 06-метилгуанин приводит к транзициям в —► А, однако, содержание таких оснований в ДНК митохондрий неизвестно [58].
Апуриновые/апиримидиновые сайты (АР сайты) - важный источник мутагенеза мтДНК - появляются в результате спонтанной утраты оснований или же под воздействием окислительного стресса, неэнзиматических (гидролиз метилированных оснований) или энзиматических (под действием ДНК-гликозилаз) процессов, приводящих к повреждениям ДНК. Сообщалось, что скорость накопления АР сайтов
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.