Генетический код — условная запись наследственной информации в молекулах ДНК и РНК. В состав белковых молекул (полипептидных цепочек) входят 20 основных аминокислот. Включение в полипептидную цепь одной аминокислоты определяется последовательностью из трех азотистых оснований — триплетом (ДНКили РНК-кодон), кодирующей единицей. Последовательность оснований в одном кодоне имеет принципиальное значение для синтеза аминокислот. Так, если три основания расположены в определенном порядке (тимин, цитозин, аденин), то производится серин, если в другом (аденин, цитозин, тимин), то треонин.
Соответствие ДНКили РНК-кодона той или иной аминокислоте составляет сущность канонического (классического) генетического кода (табл. 1).
Таблица 1. Соответствие ДНКили РНК-кодонов основным аминокислотам
Обозначения: Азотистые основания: А — аденин, Г — гуанин, Ц — цитозин, Т — тимин, У — урацил; основные аминокислоты: А — аланин, R — аргинин, N — аспарагин, D — аспарагиновая кислота, V — валин, H — гистидин, G — глицин, Q — глутамин, E — глутаминовая кислота, I — изолейцин, L — лейцин, K — лизин, М — метионин, P — пролин, S — серин, Y — тирозин, Т — треонин, W — триптофан, F — фенилаланин, C — цистеин, Ст — стоп-кодон; * — незаменимые аминокислоты, АУГ М — инициаторный кодон.
Как следует из табл. 1, из четырех базовых оснований, входящих в молекулу ДНК или молекулу РНК, можно образовать 64 триплета (ДНК- и РНК-кодоны). Из них три не кодируют основные аминокислоты: УАА, УАГ и УГА — это «стоп-кодоны», прекращающие биосинтез белков в рибосомах. Еще один кодон — ЛУГ — выполняет две функции: кодирует аминокислоту метионин и является инициаторным (индикаторным) кодоном; при контакте с ним РНК-полимераза начинает биосинтез белка в рибосомах.
Оставшиеся триплеты (всего 61) кодируют основные аминокислоты. Причем одну аминокислоту может кодировать как один, так и сразу несколько триплетов — это вырожденный генетический код . Например, только двум аминокислотам соответствуют по одному кодону (метионин — АУГ и триптофан — УГГ); остальным аминокислотам соответствуют 2 кодона и более. Так, у лейцина их 6: УУА, УУГ, ЦУУ, ЦУЦ, ЦУА и ЦУГ.
Свойства генетического кода
Свойства генетического кода:
• триплетность;
• линейность (кодоны в мРНК считываются в направлении 5′ -> 3′);
• неперекрываемость (каждый нуклеотид в мРНК входит в состав только одного кодона);
• вырожденность (одна аминокислота может кодироваться однимшестью кодонами, различающимися, как правило, по третьему нуклеотиду в триплете);
• универсальность (генетический код универсален для всех видов живых организмов).
Условия функционирования и фундаментальные генетические процессы в клетке
В определенных физиологических условиях (рН среды 7,35; t среды 37 °С) ДНК представляет собой «живой» кодирующий материал, функционирующий только в присутствии специфических ферментов.
Если необходимые параметры отсутствуют, то клеточная ДНК — «мертвый» кодирующий материал, который, однако, можно «оживить», поместив в указанные физиологические условия.
Помимо уже отмеченных выше ДНК- и РНК-полимераз, следует выделить играющие особую роль другие филогенетически устойчи-
вые ферменты клетки — ДНК-хеликазы, способные к разделению двух цепей молекулы ДНК и переводящие ее из нативного состояния в одноцепочечное. Эти ферменты участвуют только в тех генетических процессах, которые непосредственно связаны с разделением родительских цепей молекулы ДНК (репликация, транскрипция, рекомбинация и репарация) или на них основаны. Они называются фундаментальными генетическими процессами клетки. К ним относится также биосинтез белка.
Отдельно рассмотрим каждый из этих процессов.
Репликация ДНК
Репликация ДНК обеспечивает воспроизводство самой молекулы (удвоение) и, следовательно, передачу закодированной в ней информации из поколения в поколение, в том числе измененной информации, если таковая появилась.
В упрощенном виде поясним: в ходе репликации под действием ДНК-полимеразы в молекуле ДНК разрываются слабые водородные связи между АТ- и ГЦ-парами оснований, двойная спираль расходится, и на каждой из разошедшихся цепей (как на матрице) строится комплементарная ей дочерняя цепь. Между матричной и дочерней цепями восстанавливаются водородные связи и формируются АТ- и ГЦ-пары оснований.
Таким образом, в клетке осуществляется комплементарный синтез ДНК, получивший название полуконсервативного способа репликации; он характерен для всех эукариот.
Репликация ДНК начинается в точке инициации, где происходит разъединение двойной спирали и образование одноцепочечных участков ДНК, служащих матрицей для синтеза дочерних цепей. Этот процесс называется вилкой репликации (рис. 2).
Как показано на рис. 2, новая цепь ДНК растет в направлении от 5′-конца к З’-концу матричной цепи, имеющей противоположное направление (от 3′-конца к 5′-концу).
Первый дезоксирибонуклеотид присоединяется к 3′-концу РНК-праймера (короткий двухцепочечный участок со свободным 3 ‘-концом), выстраивая дочернюю цепочку ДНК.
Поскольку все полимеразы строят цепи только в одном направлении, то синтез ДНК на 3′ — 5′ родительской цепи будет идти непрерывно — это лидирующая цепь, растущая в направлении движения вилки репликации, и для ее продолжения необходим один акт инициации.
Рис. 2. Схема вилки репликации (по: Гриффите А. и соавт., 2000)
На другой матричной цепи ДНК синтез дочерней цепи осуществляется короткими фрагментами Оказаки — это запаздывающая (отстающая) цепь; она растет в направлении, противоположном движению репликативной вилки.
Синтез ДНК прекращается, когда встречаются вилки соседних репликонов. Скорость репликации зависит от количества вилок.
Точность репликации чрезвычайно высока: ошибки происходят с частотой, не превышающей 1:10-10, и корректируются ДНКполимеразами.
Благодаря полуконсервативному способу репликации обеспечивается удвоение наследственного материала в исходной материнской клетке, после чего она считается подготовленной к последующему делению на две дочерние клетки, в которые поровну распределяется удвоенная молекула ДНК т.е. в каждой из дочерних клеток количество ДНК, соответствует таковому в материнской клетке.
Теоретически возможны еще два механизма репликации: а) консервативный механизм, когда новая молекула состоит из двух новых цепей, а старая молекула — из двух старых цепей ДНК (напоминает механизм однородительской изодисомии — см. главу 28);
б) дисперсный механизм, когда каждая из двух вновь образованных молекул содержит в обеих цепях как новые, так и старые участки молекулы ДНК.
Распределение ДНК по дочерним клеткам обеспечивается в ходе митоза — деление соматической клетки, а также мейоза — деления половой клетки (см. главу 9).
Генетический контроль репликации и контроль клеточного цикла у человека осуществляет генная сеть, включающая более 400 генов, локализованных на хромосомах: 1-4, 6-9, 11, 12, 14, 16, 17, 19, 22 и Х-хромосоме.
В некоторых случаях происходит многократная репликация отдельных групп генов, являющаяся одним из важных механизмов регуляции генной активности, позволяющим синтезировать (амплифицировать) огромное число копий генов, которые затем транскрибируются, создавая необходимое количество требуемого генного продукта.
Транскрипция ДНК, процессинг и сплайсинг мРНК
Транскрипция ДНК заключается в считывании или переписывании наследственной информации, закодированной в конкретном участке матричной цепи ДНК, и образовании или синтезе мРНК.
Ключевой фермент РНК-полимераза состоит из трех типов:
— I тип находится в ядрышке и отвечает за транскрипцию рРНК;
— II тип находится в нуклеоплазме и обеспечивает 20-40\% клеточной активности, отвечая за синтез гетерогенной ядерной РНК (гяРНК) — это предшественник мРНК;
— III тип находится в нуклеоплазме и отвечает за синтез малых ядерных РНК (мяРНК), тРНК и 5БРНК.
Вместе с тем, многие мяРНК транскрибируются РНК-полимеразой II типа.
В ходе транскрипции РНК-полимераза II «узнает» в молекуле ДНК промотор (место посадки РНК-полимеразы) и присоединяется к нему, а затем, перемещаясь вдоль ДНК, последовательно расплетает двойную спираль.
Начиная с промотора, на матричной цепи ДНК копируется ее зеркальное отражение — дочерняя цепь (или мРНК), по мере продвижения РНК-полимеразы постепенно отходящая от матрицы; двойная спираль ДНК позади фермента восстанавливается.
Когда РНК-полимераза II достигает конца копируемого участка, мРНК полностью отделяется от матрицы. Транскрипция завершается в области терминатора, расположенного в 3′-некодирующей части гена (см. ниже).
Транскрибируемые участки молекулы ДНК способны считываться с образованием активного функционального продукта в виде пре-
РНК (будущая мРНК).
Затем образовавшаяся пре-РНК подвергается процессингу (созреванию), в ходе которого из нее вырезаются интроны (некодирующая часть).
Процессинг мРНК включает следующее:
• 1. Происходит метилирование мРНК. На 5′-конце имеется КЭПмодифицированный в 7-м положении метилированный остаток гуанозин-5-трифосфата, соединенный с концевым нуклеозидом способом: 5′-5′. КЭП (определение см. ниже) участвует в регуляции, трансляции и стабилизации мРНК, защищая ее от действия 5′-эндонуклеаз.
• 2. Происходит кэпирование с участием гуанилтрансферазы и метилтрансферазы.
• 3. Происходит полиаденилирование или присоединение, последовательности полиадениловой кислоты к 3′-концу РНК после окончания ее синтеза с участием фермента поли(А)-полимеразы.
• 4. После вырезания интронов оставшиеся в мРНК экзоны (кодирующая часть) соединяются между собой в единую цепочку — это сплайсинг мРНК, или завершающая стадия ее созревания, т.е. заключительное событие процессинга мРНК.
В последние годы установлено: у эукариот за раскручивание цепи ДНК на участке транскрипции и за ее спирализацию после окончания синтеза мРНК, а также отсоединение транскрипта от нити ДНК, отвечают ДИК-топоизомеразы, а в процессе сплайсинга мРНК участвуют рибозимы РИК, обладающие ферментной активностью.
Эукариотические мРНК стабильны в течение нескольких часов и даже суток.
Таким образом, транскрипция, процессинг и сплайсинг происходят в ядре клетки. Затем мРНК готова к выходу из ядра в цитоплазму и трансляции в рибосомах.
Трансляция информации и биосинтез белка в рибосомах
Молекулы зрелой мРНК в виде гранул выходят из ядра в цитоплазму, где соединяются с рибосомами. Именно в них осуществляется трансляция или передача информации, записанной как последовательность нуклеотидов в мРНК, в последовательность аминокислот в молекулах белков (полипептидных цепочек).
Трансляция информации протекает параллельно с биосинтезом белков. В ее осуществлении принимает участие макромолекулярный комплекс, включающий: мРНК, рРНК, тРНК, амино-тРНК-
синтетазы, белковые факторы инициации, элонгации (удлинение или наращивание полипептида) и терминации трансляции.
Рибосомы — своеобразные «молекулярные машины», представляющие собой цитоплазматические структуры клетки, состоящие из двух неравных субъединиц с разными константами седиментации (60S и 40S) и содержащие все взаимодействующие в ходе трансляции молекулы, что обеспечивает биосинтез белков под контролем мРНК (рис. 3).
На этапе инициации трансляции малая субъединица рибосомы, инициаторная тРНК и фактор инициации «узнают» кодон-инициатор (ЛУГ) у 5′-конца молекулы мРНК.
Потом «включается» большая субъединица рибосомы, и в ней начинается биосинтез полипептидной цепочки, протекающий в три этапа: присоединение тРНК, образование пептидной связи и продвижение на три нуклеотида. Затем цикл повторяется.
При узнавании кодонов, являющихся стоп-сигналами, белковые факторы терминации транскрипции освобождают полипептидную цепь от рибосомы. Иными словами, биосинтез белка — это управляемая мРНК саморегулирующаяся система клетки.
В биосинтезе белка одновременно участвуют до 100 рибосом. Такой комплекс получил название полирибосомы.
Рекомбинация ДНК
Рекомбинация ДНК — это перегруппировка (перемешивание) генов, поступивших в молекулу ДНК по материнской (50\% генов) и отцовской (50\% генов) линии. Ее результатом, как правило, становится взаимный (реципрокный) или (редко) односторонний (нереципрокный) перенос участков ДНК с одной молекулы ДНК на другую молекулу ДНК (с несестринской хроматиды одной хромосомы на несестринскую хроматиду другой хромосомы).
Такой механизм обеспечивает эволюционную преемственность и уникальность наследственной информации в ряду поколений (за счет создаваемой гетерогенности), а также играет роль в рекомбинационной репарации ДНК (см. главы 5 и 10).
Репарация ДНК
Репарация ДНК — восстановление структуры молекулы ДНК в случае ее повреждения.
Абсолютной стабильности структуры ДНК не бывает. Это относится как к генам (участкам молекулы ДНК), так и к белкам, в том числе к белкам хромосом.
В соответствии с особенностями гомеостаза (см. ниже), контролируемого генотипом организма, в случае повреждений структуры гена (например, ошибок репликации ДНК) или производимого геном белка (например, ошибок транскрипции мРНК) вслед за дестабилизацией молекулярной структуры должна следовать ее стабилизация. Именно сохранение стабильной молекулярной структуры ДНК обеспечивают восстановительные (репарационные) механизмы, реализуемые с помощью разных ферментных систем клетки (см. главу 10).
Теперь рассмотрим хромосомный уровень организации наследственного материала.
Структурная организация хромосомы
Хромосома есть наследственный материал, организованный в виде хроматинового (гетерохроматинового) или нуклеопротеидного комплекса. Это молекула ДНК, связанная с множеством белковых молекул.
Рис. 3. Схема строения и функционирования рибосомы
Хромосомы, видимые в световом микроскопе в метафазе митоза, — это метафазные хромосомы, или компактные хроматиновые структуры.
Прежде чем охарактеризовать морфологию хромосомы, рассмотрим особенности ДНК, которая в метафазной хромосоме находится в наиболее конденсированном состоянии: здесь она плотно упакована для доставки в дочерние клетки и поэтому функционально инертна (неактивна).
Степень конденсации ДНК в хромосоме очень важна, ибо в упакованном состоянии молекула недоступна для действия ферментов и сигнальных молекул.
Если оценить ДНК хромосомы по степени конденсации, то наиболее упакованными будут области центромера, состоящие из повторяющихся последовательностей ДНК (рис. 4).
Как показано на рис. 4, области центромера удерживают две сестринские хроматиды. На внешней поверхности располагаются комплексы белков кинетохора (область вокруг центромера), к волокнам которого прикрепляются микротрубочки митотического веретена.
После деления клетки ее хромосомы становятся менее упакованными и называются интерфазными хромосомами.
В отличие от ДНК метафазных хромосом, ДНК интерфазных хромосом функционально активна. Вместе с тем, она обладает еще большой степенью конденсации по сравнению с нитью метафазной
ДНК.
На рис. 5 приведено схематическое изображение гаплоидного (одинарного) набора хромосом человека (идиограмма) при их дифференциальном окрашивании. При таком окрашивании участки хромосом различаются по содержанию АТ- и ГЦ-пар оснований. В частности, Q-сегменты или совпадающие с ними G-сегменты соответствуют участкам, богатым АТ-парами, и содержат тканеспецифические гены, реплицирующиеся во второй половине фазы синтеза ДНК (S-период). R-сегменты соответствуют участкам, богатым ГЦ-парами, и содержат общеклеточные гены, или гены «домашнего хозяйства», реплицирующиеся в первой половине S-периода (см. главу 9).
На рис. 6 представлены варианты схематического изображения Х-хромосомы человека при дифференциальном окрашивании.
Ядерная ДНК
Согласно результатам исследований, структура ДНК включает следующее.
1. Уникальные последовательности (или экзоны) — кодирующую часть молекулы. Они, как правило, — единичные копии ДНК. Имеют размеры от нескольких сот до двух-трех тыс. н.п. Тысяча пар — одна килобаза (кб), миллион пар — одна мегабаза (мгб).
Экзонами представлено большинство структурных генов. Они локализованы по всему геному (в основном между ALU-повторами) и занимают около 3-5\% общего объема.
Не вся кодирующая ДНК представлена одними экзонами.
Во-первьх, в диплоидном ядерном геноме каждая такая последовательность уже не уникальна, потому что представлена двумя аллельными копиями, локализованными в идентичных локусах на гомологичных хромосомах отцовского и материнского происхождения. Во-вторых, существует множество рассеянных по всему геному неаллельных кодирующих (высокогомологичных) последовательностей ДНК, повторяю-
Рис. 4. Морфология хромосомы (по: В. Эллиот, Д. Эллиот, 2002)
щихся многократно. Именно они формируют многочисленные семейства генов, объединенных в кластеры (пучки), включающие: гены, гомологичные по коротким мотивам; гены, кодирующие протяженные высококонсервативные домены; псевдогены (поврежденные копии или фрагменты генов); непроцессированные и процессированные гены (как экспрессирующиеся, так и неэкспрессирующиеся).
2. Повторяющиеся последовательности (или интроны) — некодирующая часть молекулы. Они могут располагаться как в самих генах, так и между ними. Во втором случае их называют спейсерами или межгенными промежутками.
Рис. 5. Схематическое изображение хромосом человека (идиограмма гаплоидного набора):
Рис. 6. Варианты схематического изображения Х-хромосомы человека: левая часть рисунка — указаны локусы и районы; центральная часть — локусы, районы и сегменты; правая часть — локусы, районы, сегменты и субсегменты;
р — короткое плечо; q — длинное плечо хромосомы
На долю повторяющихся последовательностей ДНК, находящихся внутри генов, приходится 35\% общего объема генома. Повторы внутри генов и повторы между генами разделены на длинные (LINE-повторы или L1-элементы), занимающие 20\% объема, средние (SINE-повторы или элементы) — 10\%, короткие (ALU-повторы или элементы) — 10\%, сателлитную ДНК — 15\% и другие повторы — 5\%.
Размеры (длина) и количество повторов: L1-элементы — свыше 6 кб, их до 100 тыс. копий; SINE-элементы — 0,34-6 кб, их свыше 100 тыс. копий; ALU-элементы — до 0,3 кб, их до 900 тыс. копий.
L1- и ALU-элементы семейства локализованы по всему геному. Например, если хромосому 21 разрезать с помощью рестриктазы на 50 фрагментов (всего в этой хромосоме около 51 млн н.п.), то в большинстве их (но не во всех) обнаружатся как L1-элементы, так и ALU-элементы.
Сателлитная ДНК — это семейство высокоповторяющихся последовательностей (от 5-10 до 170-340 н.п.), локализованных в основном в гетерохроматиновых районах.
Функции повторяющихся последовательностей ДНК остаются пока плохо изученными, хотя уже получен ряд интересных данных (см. главы 1 и 27).
Следует учитывать: структурные и функциональные особенности хромосомной ДНК крайне важны при рассмотрении вопроса об ее преобразованиях в клетке и организме.
Чуть более 50\% хромосомной ДНК (22 аутосомы + 1 Х-хромосома + 1 «митохондриальная» хромосома) поступает в будущий организм по материнской линии (вместе с яйцеклеткой), а чуть менее 50\% (22 аутосомы + 1 Y- или Х-хромосома) — по отцовской линии (вместе со сперматозоидом, см. главу 5). В результате оплодотворения в зиготе формируется единый комплекс хромосом (кариотип) и единый комплекс расположенных в них генов (генотип).
Говоря об организации ДНК на хромосомном уровне, следует особо выделить ее уникальность, основанную на гетерогенности (разнообразии) молекулярной структуры. Этот термин был впервые применен С.Н. Давиденковым в конце 30-х годов XX в. для обозначения разнообразия генетических причин наследственных болезней нервной системы, а в дальнейшем стал широко использоваться для других целей, например для обозначения гетерогенности белков (по первичной структуре, аминоконцевой последовательности, белковому пику и другим особенностям).
В случае гетерогенности ДНК имеются в виду уникальные различия между двумя случайно выбранными гомологичными хромосомами любой одной пары или различия по одному нуклеотиду в среднем на каждые 300-500 нуклеотидов (всего в геноме человека 3,165 млрд п.н.). Именно эта особенность лежит в основе метода ДНК-диагностики при идентификации личности человека, а также тестировании генов наследственных болезней. По мнению американских ученых, разрешающая способность метода ДНК-диагностики
абсолютна: 99,999999\%.
Белки хромосомы
ДНК в составе хромосомы соединена с белками — это нативный хроматин, представленный гистонами (основные или щелочные белки), богатыми аргинином и лизином; гистоны, благодаря своему положительному заряду, образуют ионные связи с отрицательно заряженными фосфатными группами, расположенными на внешней стороне двойной спирали ДНК.
Среди гистонов выделены 5 классов: Н1, Н2А, Н2В, Н3 и Н4. Гистон Н1 вдвое длиннее других и отвечает за целостность нуклеосомной структуры хромосомы: на одну молекулу гистона Н1 приходится одна нуклеосома.
Стабилизация нативного хроматина обеспечивается взаимодействием в основном двух гистонов: Н1 и Н3. Причем, не исключено участие в ней еще и негистоновых (кислых) белков; их количество невелико и варьирует.
Негистоновые белки участвуют в образовании длинных петель ДНК, прикрепленных к осевым белковым структурам.
Природа негистоновых белков пока плохо изучена. В их состав входят сложные белки, ферменты, а также регуляторные белки.
Дискретной единицей хромосомы служит нуклеосома — частица размерами около 200 н.п. с диаметром около 10 нм и белковым остовом (гистоновый октамер), включающим по две молекулы каждого из гистонов (кроме Н1) — это хроматин, напоминающий «бусины на нити».
Вокруг белкового остова по его длине накручена линкерная ДНК (30-40 н.п.); ее диаметр — 2 нм (рис. 7).
Укладка ДНК на нуклеосомном уровне — I уровень структурной организации хромосомной нити.
На II супернуклеосомном уровне организации диаметр хромосомной нити (хроматиновой фибриллы) равен 30 нм — это, по-видимому, уровень метафазной хромосомы (модель соленоида). На данном уров-
Рис. 7. Компактизация хроматина на нуклеосомном уровне (по Албертс Б. и соавт., 1994):
а — нуклеосома; б — нуклеосомы с линкерными участками ДНК; в — нить хроматина 30 нм толщиной; г — петли хроматиновой нити, прикрепленные к центральному поддерживающему белку
не хроматиновая фибрилла состоит из упакованных нуклеосом и ее петли прикреплены к центральному поддерживающему белку.
Предполагается существование еще III уровня структурной организации хромосомной нити — вероятно, он должен соответствовать структурам интерфазного ядра, наблюдаемым под световым микроскопом (рис. 8).
Интроны как участки хромосом могут входить или не входить в структуру генов. Как правило, интроны не содержат информацию, необходимую для синтеза белка. В таких участках хромосомная ДНК остается в конденсированном, генетически инертном (неактивном) состоянии — это гетерохроматин. В то же время функционирующие области хромосом (или эухроматин) менее конденсированы и более активны.
Морфологическая неоднородность хромосом определяется изменчивостью конденсации ДНК. В частности, проходя к началу митоза полный цикл конденсации, одни районы интерфазных хромосом деконденсируются в эухроматин, а другие районы остаются в конденсированном состоянии (гетерохроматиновом) в течение всего митотического цикла.
В метафазной хромосоме такое подразделение на эухроматин и гетерохроматин сохраняется, и гетерохроматин наиболее интенсивно
Рис. 8. Уровни структурной организации хромосомной нити (по Томпсон M. и соавт., 1991)
выявляется в виде не полностью конденсированных участков (или вторичных перетяжек).
Например, вторичные перетяжки длинных плеч хромосом 1, 9 и 16, коротких плеч акроцентрических хромосом и длинного плеча Y-хромосомы бедны структурными генами или не содержат их вообще.
Наоборот, эухроматин реализует информацию посредством мРНК.
Хромосома — структура с большим преобладанием линейного размера над поперечным. В метафазе митоза общая длина гаплоидного набора хромосом при средней степени их конденсации составляет около 1500 мкм с поперечником хроматиды около 0,5 мкм. Сопоставление этих величин говорит об исключительных масштабах физического преобразования хромосомной нити при ее переходе из интерфазного в метафазное состояние, включающем два взаимосвязанных процесса: многократное уменьшение длины и многократное увеличение поперечника хромосомы.
Митохондриальная ДНК
Митохондриальная ДНК (мтДНК) представляет собой полуавтономную генетическую систему, работающую под контролем ядерной ДНК. Это единственная кольцевая ДНК, имеющая размер в
16 569 н.п. (рис. 9).
В настоящее время описаны особенности строения и функционирования мтДНК (их не менее 10), отличающиеся от ядерной ДНК.
Во-первых, мтДНК полуавтономна (существует возможность ее переноса между культивируемыми клетками человека в процессе слияния и разъединения органелл).
Во-вторых, мтДНК поступает в клетку исключительно по материнской линии (см. главу 26).
В-третьих, мтДНК подвергается репликативному отбору как при митозе, так и при мейозе. Поэтому в одной клетке обнаруживается смесь мутантной и нормальной мтДНК (гетероплазмия).
В ходе митотического и мейотического цитокинеза доля и той, и другой мтДНК значительно варьирует в дочерних клетках вплоть до образования в них гомоплазмии.
Названные механизмы имеют большое значение в развитии митохондриальных болезней, при которых расстройства энергетического метаболизма в клетках прямо пропорциональны доле мутантных копий мтДНК в митохондриях; она составляет от 0 до 100\%.
Рис. 9. Карта мтДНК у человека (по: Гриффитс А. и соавт, 2000)
В-четвертых, для мтДНК характерен феномен пороговой экспрессии (доля мутантных копий) в той или иной ткани. Пороговая экспрессия наиболее высока в нервной ткани, поперечно-полосатых мышцах, сетчатке глаз, островках Лангерганса и других тканях.
В-пятых, эволюционная изменчивость мтДНК в 10-20 раз выше, чем ядерной ДНК (в первом случае мутации возникают чаще, чем во втором).
Хотя только 20\% участников (компонентов) процессов окислительного фосфорилирования кодируются генами митохондриального генома, а остальные 80\% — генами ядерной ДНК, нарушения тканевого дыхания возникают гораздо чаще из-за мутаций в мтДНК.
В-шестых, в мтДНК нет интронов.
В-седьмых, в большей части мРНК, содержащейся в мтДНК, отсутствуют 5′- и З’-нетранслируемые последовательности.
В-восьмых, двойное кольцо мтДНК имеет внутреннюю тяжелую цепь (Н-цепь) и внешнюю легкую цепь (L-цепь). У них разная плотность генов: в первой цепи больше пурина, во второй — пиримидина.
В митохондриальной ДНК есть в легкой цепи некодирующий район (или D-петля), служащий регуляторной областью и местом локализации участка начала репликации Н-цепи и транскрипции.
Синтез Н-цепи идет по часовой стрелке вокруг мтДНК; после прохождения 2/3 цепи начинается репликация L-цепи против часовой стрелки, т.е. репликация мтДНК — двухступенчатый асинхронный процесс.
В-девятых, выявлены отличия генетического кода мтДНК от кода ядерной ДНК. Например, метионин в мтДНК кодирует кодон АУА, а в ядерной ДНК — кодон АУГ; стоп-кодоны мтДНК — триплеты АГА и АГГ, тогда как в ядерной ДНК они кодируют аргинин.
В-десятых, наличествуют и другие особенности, связанные с транскрипцией, локализацией ферментов и т.д.