РАДИАЦИОННАЯ БИОЛОГИЯ. РАДИОЭКОЛОГИЯ, 2007, том 47, № 6, с. 673-683
^ МОЛЕКУЛЯРНАЯ
РАДИОБИОЛОГИЯ
УДК 577.346:577.217
ИОНИЗИРУЮЩАЯ РАДИАЦИЯ МОЖЕТ АКТИВИРОВАТЬ ВСТРАИВАНИЕ ФРАГМЕНТОВ МИТОХОНДРИАЛЬНОЙ ДНК
В ЯДЕРНЫЙ ГЕНОМ
© 2007 г. А. И. Газиев1*, Г. О. Шайхаев2
1Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН, Пущино 2Институт общей генетики им. Н И. Вавилова РАН, Москва
В аналитическом обзоре рассматривается возможность встраивания фрагментов митохондриаль-ной ДНК (мтДНК) в ядерный геном клеток, подвергнутых воздействию ионизирующего излучения (ИИ). Многочисленные исследования показывают, что интеграция фрагментов мтДНК в ядерный геном, а также ее закрепление как NUMT-псевдогенов происходили не только в древнейшие периоды эволюции, но и в более поздние периоды. Ряд исследований показывают, что под воздействием эндогенных активных форм кислорода, химических агентов, УФ-света и ИИ мтДНК повреждается с большей частотой, чем ядерная ДНК (яДНК). Кроме того, системы репарации ДНК в митохондриях функционируют ограниченно. В облученных ИИ клетках фрагменты мтДНК могут переходить из митохондрий в цитоплазму. Комплексирование фрагментов мтДНК с белками обеспечивает им защиту от нуклеазной деградации. Возможно, в таком сохранном состоянии они и переносятся в ядро. При индукции двунитевых разрывов (ДНР) в яДНК (под действием ИИ и активации их репарации) фрагменты мтДНК могут интегрироваться в ядерный геном. Такое встраивание мтДНК в ядерный геном, с формированием NUMT-псевдогенов de novo, может происходить в облученных клетках в процессе репарации ДНР в яДНК по механизму соединения негомологичных концов. Эти вставки мтДНК могут кардинально изменять структуру ядерного генома на участках их внедрения и оказать существенное влияние на реализацию генетической информации. Имеющиеся в литературе сведения также позволяют предполагать, что интеграция мтДНК в ядерный геном может происходить и в условиях повышенной нестабильности генома, наблюдаемой в клетках в пострадиационный период. Это в равной степени относится и к малигнизированным клеткам с повышенной нестабильностью митохондриального и ядерного геномов. В качестве наиболее эффективного агента, инициирующего встраивания фрагментов мтДНК в ядерный геном, рассматривается ионизирующая радиация.
Митохондриальная ДНК, встраивание мтДНК в ядерный геном, двунитевыеразрывы, репарация связыванием негомологичных концов, ионизирующие излучения.
Современная теория происхождения и эволюции эукариотов предполагает, что значительная часть ядерного генетического материала ими была получена от генома эндосимбиота (древнего протокариота), а оставшаяся его часть реорганизована в геном органелл этих же эукариотов. Это привело к возникновению у эукариотов аэробного дыхания, что, в конечном счете, способствовало эволюции многоклеточного организма [1-3]. Многочисленные экспериментальные данные показывают также, что интеграция фрагментов ДНК митохондрий, хлоропластов и пластид происходила на всем протяжении эволюции высших организмов и, в частности, в поздние периоды их эволюционного развития. В настоящее время хорошо установленным фактом является перенос
*Адресат для корреспонденции: 142290 Пущино, Московская обл., ИТЭБ РАН; тел.: (4967) 73-18-86; факс (4967) 33-05-53; e-mail: gaziev@iteb.ru.
нуклеиновых кислот из цитоплазматических органелл в ядерный геном. Вставки фрагментов ми-тохондриальной ДНК ^иМТ-псевдогены) обнаруживаются в ядерном геноме клеток многих организмов - от дрожжей до человека. Они могут существенно изменять структуру генома на участке его интеграции и нарушить экспрессию генов. Отметим также, что NUмT-псевдогены в яДНК могут являться потенциальным источником артефактов в процессе анализов полиморфизма и гетероплазмии мтДНК методом ПЦР с использованием в реакции общей клеточной ДНК.
Однако остается неясным, какие факторы или механизмы способствуют интеграции митохон-дриальной ДНК (мтДНК) в ядерный геном. Для реализации такого процесса, по крайней мере, требуются высвобождение мтДНК из митохондрий и переход ее в ядро без существенной деградации в цитоплазме. Последующие вставки фраг-
ментов мтДНК в ядерный геном можно ожидать при возникновении двунитевых разрывов в ядерной ДНК (яДНК) и при активации процесса их репарации. Ионизирующие излучения (ИИ), которые вызывают повреждения клеточных макромолекул, в том числе ДНК с образованием в ней двунитевых разрывов (ДНР), индуцируют также активацию системы репарации этих разрывов.
Исследование "колонизации" ядерного генома митохондриальной ДНК при воздействии ионизирующей радиации представляет значительный интерес не только для понимания эволюционных процессов, но и понимания молекулярных механизмов формирования генетических последствий воздействия радиации, развития различных патологий и старения организма.
Поэтому в настоящем аналитическом обзоре мы рассматриваем возможность встраивания фрагментов мтДНК в ядерный геном de novo в клетках, подвергшихся радиационному воздействию.
ХАРАКТЕРИСТИКА МИТОХОНДРИАЛЬНОЙ ДНК И ЕЕ ПОВРЕЖДЕНИЕ
МтДНК имеет ряд особенностей, отличных от яДНК, в структурной организации и функционировании. Так, соматические клетки млекопитающих содержат от нескольких сот до десяти тысяч копий ковалентно замкнутых молекул двуните-вой ДНК. У большинства млекопитающих мтДНК имеет размер около 16-17 тыс. пар оснований - т.п.о. (у человека 16569 п.о.), довольно маленькая по сравнению мтДНК других эукарио-тов. Например, размер мтДНК насекомых составляет около 20 т.п.о., у дрожжей - 80 т.п.о., у растений - от 180 до 2400 т.п.о. [4]. Митохондри-альный геном наследуется по материнской линии [5]. Отцовская мтДНК не оказывает существенного влияния на генотип потомства. Возможно, это связано с тем, что в зрелой спермии содержатся не более нескольких сот копий мтДНК на один сперматозоид, тогда как среднее количество копий мтДНК в ооцитах может дойти до 800 тыс. единиц [6].
Клетки различных тканей имеют разное количество молекул мтДНК, однако число их копий в специфических типах клеток строго сохраняется. Так, содержание мтДНК в скелетной мышце в 520 раз выше, чем в клетках крови [7]. С другой стороны, митохондриальная масса и количество копий мтДНК в клетках млекопитающих подвержены изменениям в процессе роста и дифферен-цировки, в зависимости от действия гормонов и физических нагрузок на организм [8]. В тканях (постмитотических тканях мозга, сердца, скелетных мышц), в популяциях клеток, независимо от
их пролиферативной активности, мтДНК в отличие от яДНК может реплицироваться независимо от клеточного цикла в течение всей жизни организма [9, 10]. Возможно, поэтому митохондрии содержат для синтеза мтДНК более 10% пула dNTP от их общего количества в клетке, тогда как мтДНК составляет 0.1-1.0% от общей клеточной ДНК [11]. По сравнению с ядерной ДНК, мтДНК в тканях млекопитающих обновляется быстрее. Так, анализы обновления мтДНК в тканях крыс показали, что период полураспада ее в сердце равен 6.7 сут, в печени - 9.4, в почках - 10.4 и в головном мозге около 31 сут [12]. Молекулы мтДНК не образуют в митохондриях нуклеосом-ные структуры, как яДНК в составе хроматина. Однако несколько копий мтДНК организованы в нуклеоиды, находящиеся в комплексе с белками и расположенные в матриксе, ассоциированно с внутренней митохондриальной мембраной. Нук-леоидные структуры молекул мтДНК преимущественно формируются, связываясь с гистоно-по-добными основными белками, а также с белками, участвующими в регуляции ее транскрипции и репликации [13-15].
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 много-субъединичных ферментативных комплексов, формируемых продуктами 13 генов мтДНК и 77 генами яДНК [16]. Две комплементарные нити мтДНК являются асимметричными 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 9 генов и является G-бедной и идентифицируется как легкая цепь (L). Кроме 37 генов, мтДНК содержит маленький сегмент - регуляторный регион. Длина этой D-петли (displacement-loop) у человека составляет 1122 п.о. Структурно-функциональное описание генетической карты мтДНК человека дается во многих публикациях, например в обзорах [9, 17]. 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 аспари-гина. Область D-петли имеет структуру с утроенными нитями ДНК, возникающими в результате синтеза коротких участков Н-нити. Этот участок включает двунаправленные промоторы HP и LP для транскрибирования H- и L-нитей. Активность обоих промоторов определяется наличием специ-
фических последовательностей, состоящих из 15 нуклеотидов. Кроме того, эти специфические последовательности промоторов служат в качестве сайтов узнавания для митохондриального транскрипционного фактора А (тЛГЛ) - белка, стимулирующего транскрипцию и репликацию. Участок Ь-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 Ь-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 [9, 10, 17]. Поскольку мтДНК, в отличие от яДНК, не содержит некодирующие последовательности (за исключением участка Ь-петли), она транскрибируется как единый по-лицистронный блок, и любые нарушения в ней могут быть патогенетическими [16, 17].
Анализ много
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.