ГЕНЕТИКА, 2008, том 44, № 4, с. 437-455
ОБЗОРНЫЕ ^^^^^^^^^^
И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СТАТЬИ
УДК 577.213.346
ПОВРЕЖДЕНИЕ МИТОХОНДРИАЛЬНОГО ГЕНОМА И ПУТИ ЕГО СОХРАНЕНИЯ
© 2008 г. А. И. Газиев1, Г. О. Шайхаев2
1 Институт теоретической и экспериментальной биофизики Российской академии наук,
Московская область, Пущино 142290 2 Институт общей генетики им. Н И. Вавилова Российской академии наук, Москва 119991;
e-mail: shaikhaev@vigg.ru Поступила в редакцию 13.02.2007 г.
Дается анализ результатов исследований, посвященных повреждению, репарации, индукции мутации и компенсаторной амплификации митохондриальной ДНК (мтДНК) в клетках млекопитающих. Анализ показывает, что мтДНК является более уязвимой мишенью по сравнению с ядерной ДНК (яДНК) для эндогенных и экзогенных генотоксических агентов и в митохондриях системы репарации ДНК функционируют менее эффективно, чем в ядрах. В мтДНК наблюдается накопление мутаций с более высокой частотой, чем в яДНК. Исследования позволяют полагать, что репликация поврежденной мтДНК не блокируется в отличие от яДНК. МтДНК с множеством повреждений или со сложными повреждениями могут быть удалены из митохондрий. Важнейшим механизмом сохранения митохондриального генома является компенсационная индукция синтеза новых копий мтДНК. В обзоре дается анализ каскада событий, ведущих к активации экспрессии ядерных генов, контролирующих репликацию мтДНК в ответ на развитие энергетического кризиса. В качестве важнейших регуляторов активации репликации мтДНК и митохондриального биогенеза рассматриваются транскрипционные коактиваторы PGC-1a и PGC-ф, которые вызывают экспрессию генов ядерных дыхательных факторов NRF-1 и NRF-2. В свою очередь, под контролем NRF-1 и NRF-2 находится экспрессия митохондриальных транскрипционных факторов mtTFA, mtTFB-1 и mtTFB-2. Ключевую роль играет mtTFA не только в регуляции транскрипции мтДНК, но и ее стабилизации и инициации репликации. Таким образом, индукция экспрессии многих генов, приводящих к активации репликации мтДНК и увеличению количества ее копий, - важнейший механизм сохранения митохондриального генома в условиях действия эндогенных и экзогенных повреждающих агентов.
Интерес к различным аспектам митохондриальной генетики в последние годы растет экспоненциально, поскольку стабильность митохондриального генома играет важную роль в адаптации человека к различным условиям внешней среды, с уровнем частоты мутаций митохондриальной ДНК (мтДНК) ассоциируются широкий спектр нейродегенеративных, сердечно-сосудистых и опухолевых патологий, старение и клеточная гибель [1]. Митохондриальные маркеры стали широко использоваться в исследованиях по генетическому полиморфизму [2]. Представленные в обзоре данные основаны на убедительных экспериментальных данных многих лабораторий и отражают состояние исследований по изучению повреждения, репарации, мутагенеза и индуцированной амплификации молекул мтДНК.
ХАРАКТЕРИСТИКА МИТОХОНДРИАЛЬНОЙ ДНК
МтДНК имеет ряд особенностей, отличных от ядерной ДНК (яДНК), в структурной организации и функционировании. Так, соматические
клетки млекопитающих содержат от нескольких сот до десяти тысяч копий ковалентно замкнутых молекул двунитевой ДНК. У большинства млекопитающих мтДНК составляет 0.1-1.0% от общей клеточной ДНК и имеет размер около 16-17 тпн (у человека 16569 пн). Митохондриальный геном наследуется по материнской линии [3]. Отцовская мтДНК не оказывает существенного влияния на генотип потомства. Возможно, это связано с тем, что в зрелом спермии содержится не более нескольких сотен копий мтДНК на один сперматозоид, тогда как среднее количество копий мтДНК в ооцитах может дойти до 800 тыс. единиц [4].
Клетки различных тканей имеют разное количество молекул мтДНК, однако число их копий обычно в специфических типах клеток строго сохраняется. В тканях (в том числе постмитотиче-ских тканях мозга, сердца, скелетных мышц), в популяциях клеток независимо от их пролифера-тивной активности мтДНК, в отличие от яДНК, может реплицироваться независимо от клеточного цикла в течение всей жизни организма [5, 6]. В эукариотических клетках для синтеза мтДНК митохондрии запасаются пулом более 10% ёКТР
от общего внутриклеточного содержания dNTP, тогда как количество мтДНК составляет не более 1% общей клеточной ДНК [7]. Молекулы мтДНК в митохондриях, хотя не образуют нуклеосомных структур (в отличие от яДНк в составе хроматина), группами из нескольких копий организованы в нуклеоиды, комплексированные с белками, и располагаются в матриксе, ассоциированном с внутренней митохондриальной мембраной. Нук-леоидные структуры молекул мтДНК преимущественно формируются, связываясь с гистонопо-добными основными белками, а также с белками, участвующими в регуляции ее транскрипции и репликации [8-10].
Молекула мтДНК большинства млекопитающих и человека содержит 37 генов, кодирующих 13 полипептидов митохондриальной цепи переноса электронов, 22 тРНК и 2 рРНК (16S рРНК и 12S рРНК), необходимых для автономного синтеза этих 13 полипептидов. Цепь переноса электронов располагается в составе внутренней митохондриальной мембраны. Вся система окислительного фосфорилирования состоит из пяти многосубъ-единичных ферментативных комплексов, формируемых продуктами 13 генов мтДНК и 77 генов яДНК [1, 5]. Две комплементарные нити мтДНК асимметричны по составу оснований. Одна из них -тяжелая (H) является G-богатой и несет последовательности 28 из 37 митохондриальных генов, тогда как другая кодирует последовательности оставшихся девяти генов, является G-бедной и идентифицируется как легкая цепь (L). Н-нить содержит гены, кодирующие субъединицы цито-хромоксидазы (COX; 1, 2 и 3), субъединицы NADH-дегидрогеназы (ND; 1, 2, 3, 4, 4L, 5 и 6), субъединицы ATP-синтетазы (ATPS; 6 и 8) и цито-хром b (Cytb). L-нить включает ген ND6 и восемь генов тРНК. Кроме 37 генов мтДНК содержит маленький сегмент - регуляторный регион. Это D-петля (displacement-loop), у человека она составляет участок длиной 1122 пн, который начинается и кончается соответственно в позициях 16023 и 576 пн мтДНК. Структурно-функциональное описание генетической карты мтДНК человека дается во многих публикациях, например в обзорах [1, 5]. Репликация мтДНК протекает двунаправленно по обеим нитям. Точка репликации Н-цепи располагается в D-петле, тогда как точка репликации L-цепи располагается за пределами D-петли между генами тРНК цистеина и ас-парагина. Область D-петли имеет структуру с утроенными нитями ДНК, возникающими в результате синтеза коротких участков Н-нити. Этот участок включает двунаправленные промоторы HSP и LSP для транскрибирования H- и L-нитей. Активность HSP и LSP определяется наличием специфических последовательностей, состоящих
из 15 нуклеотидов. Кроме того, эти специфические последовательности промоторов служат в качестве сайтов узнавания для митохондриального транскрипционного фактора А (шПГА). Участок Б-петли рассматривается также как место прикрепления мтДНК к митохондриальной мембране и может больше всего подвергаться воздействию активных форм кислорода и в том числе липидных перекисей. Поэтому участок Б-петли благодаря его структурным особенностям и легкой доступности действию повреждающих агентов является гипервариабельной областью мтДНК. Белки, участвующие в репликации и транскрипции мтДНК, кодируются генами ядерного генома [5]. Поскольку мтДНК, в отличие от яДНК, не содержит некодируемых последовательностей (за исключением участка Б-петли), она транскрибируется как единый полицистронный блок, и любые нарушения в ней могут быть патогенетическими [11].
ПОВРЕЖДЕНИЕ мтДНК ЭНДОГЕННЫМИ И ЭКЗОГЕННЫМИ АГЕНТАМИ
Ряд исследований указывает, что мтДНК повреждается с большей частотой, по сравнению с яДНК, под действием активных форм кислорода (АФК), генерируемых в самих митохондриях. Подсчитано, что более 90% потребляемого клеткой млекопитающих кислорода поступает в митохондрии и до 5% этого кислорода превращается в супероксидные анионы, перекись водорода и другие активные формы кислорода как побочные продукты окислительного фосфорилирования. Причем образование митохондриального супероксида оценивается до 2% всего молекулярного кислорода, поглощаемого митохондриями [12, 13]. При взаимодействии АФК с ДНК, как и при воздействии редко ионизирующего излучения (ИИ), образуются разнообразные повреждения. К ним можно отнести модификации оснований, потерю оснований (АП-сайты), однонитевые разрывы или более сложные повреждения типа межните-вых поперечных сшивок и двунитевых разрывов. Химические модификации пуринов и пиримиди-нов, возникающие под действием окислителей, детально охарактеризованы [14-16]. Некоторые модифицированные окислением основания нестабильны и при их отщеплении в ДНК образуются АП-сайты [16]. Наиболее интенсивно изучается пуриновая модификация 8-оксо-дезоксигуа-нозина (8-оксо-ёв) в мтДНК. В 1988 г. Рихтер и коллеги [17] сообщили, что уровень эндогенно индуцированного 8-оксо-ёв в мтДНК в 16 раз выше, чем в яДНК. Сообщение получило большой резонанс, и эти результаты были подтверждены в других лабораториях [18, 19]. Так, в работе [20] исследовали содержание 8-оксо-ёв в мтДНК и
яДНК, полученных из сердца восьми и мозга шести видов животных, различающихся сроком жизни (от 3.5 до 46 лет). У всех видов животных было обнаружено в 3-9 раз большее содержание 8-оксо-ёв в мтДНК по сравнению с яДНК. Содержание 8-оксо ёв в мтДНК тканей сердца и мозга всех видов животных коррелировало с продолжительностью их жизни. Это согласуется с мнением о том, что АФК в митохондриях являются в значительной мере индукторами повреждений, накапливаемых с возрастом [18]. Однако Лим и др. [21] пришли к заключению, что уровень спонтанных повреждений в мтДНК не выше, а, вероятно, такой же, как и в яДНК. Тем не менее в недавнем исследовании [22] было показано, что содержание окисленных аддуктов оснований в мтДНК печени крыс в 10 раз больше, чем в яДНК. Уровень этих повреждений в мтДНК и яДНК старых животных соответственно в 2 и 1.5 раза выше, чем у молодых. В клетках различных организмов, таких как дрожжи, грызуны, человек, окислительный с
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.