Митохондриальная днк

Собственно цитоплазматическая наследственность

В цитоплазме бактерий кроме основной ДНК находятся плазмиды – кольцевые ДНК, в клетках дрожжей в цитоплазме есть ДНК, которые обеспечивают устойчивость дрожжей к токсическим веществам. Наследование генов гиалоплазмы нестойкое и затухает спустя несколько поколений. Например, гены, что отвечают за направление закручивания раковины(D – правозакрученная, d – левозакрученная) прудовика, находятся в гиалоплазме. Передаются они с яйцеклеткой, а значит по материнской линии.

В клетке, помимо ядра, митохондрий и пластид, могут присутствовать и необязательные для неё генетические элементы — плазмиды, вирусоподобные частицы, эндосимбионты (бактерии или одноклеточные водоросли, например, хлорелла). Если их присутствие сопровождается фенотипическими отличиями от обычной клетки или организма, то при гибридологическом анализе можно проследить наследование этих отличий, а значит, и наследование самого генетического элемента. Это и есть собственно цитоплазматическая наследственность.

Наследование завитка раковины у прудовика

Когда была открыта цитоплазматическая наследственность?

Нехромосомная, внеядерная, или цитоплазматическая наследственность была открыта в 1909 г. немецкими генетиками Карлом Корренсом (1864–1933) и Эрвином Бауэром (1875–1933). Э. Бауэр первым указал на хлоропласты как на генетические детерминанты изучавшегося им признака – пестролистности растений, поэтому его считают первооткрывателем пластидной наследственности.

Эрвин Бауэр — жертва репрессий, он был расстрелян в Ленинграде в 1938 г.

Митохондриальная наследственность была открыта еще через 40 лет. Французский генетик российского происхождения Борис Эфрусси (1901–1979), работая с дрожжами, в 1949 г описал неменделевское наследование признака «мелкая колония», являющегося результатом неспособности мутантных клеток к дыханию.

Подробно цитоплазматическая наследственность бала изучена Рут Сагер, которая в 60-70 гг XX века, невзирая на всеобщие насмешки, построила первую карту генов хлоропластов хламидомонады – одноклеточной зелёной водоросли.

Рут Сагер, американский генетик.Автор фото: Gobonobo

Дрожжи Saccharomyces cerevisiae и одноклеточная зеленая водоросль Chlamydomonas reinhardii явились главными объектами для изучения цитоплазматической наследственности. Позднее к ним добавились млекопитающие – человек и мышь и некоторые «высшие» растения.

Исследование генома человека

На повестке дня молекулярной биологии – расшифровка ДНК высших организмов, состоящих из тысяч и миллионов пар оснований. Расшифровка нуклеотидной последовательности ДНК называется секвенированием. Один из его этапов сводится к дроблению генома и каждой ДНК на маленькие фрагменты, которые исследуются компьютером, а затем собираются в полную последовательность.

Для всестороннего исследования генома человека с 1990 года ведется международная программа «Геном человека» (Human Genome Project) – один из самых дорогостоящих и дерзновенных проектов в истории человечества. Основной задачей программы является построение генетических карт каждой хромосомы человека (рис.3,4) и определение полной первичной структуры ДНК всех хромосом.

Для решения этой задачи создан Международный консорциум по изучению генома человека, который объединил 20 лабораторий и сотни ученых мира. Общая стоимость проекта оценивается в 1,5 миллиарда долларов. Начиная с 1998 года, к работе по секвенированию генома человека присоединилась частная компания Целера Геномикс. В рамках проекта для сравнения с человеком расшифрованы геномы одной бактерии, дрожжевого гриба, круглого червя с длиной тела 1 миллиметр, плодовой мушки дрозофилы, маленького цветочного растения и мыши.

В результате работы по проекту «Геном человека» у человека обнаружено 31 тысяча 780 генов, фирма Целера Геномикс получила другие результаты – 39 тысяч 114 генов (ранее считалось, что человек имеет от 50 до 140 тысяч генов). В каждой ДНК гены занимают лишь 1–2%, остальная часть приходится на повторы или другие последовательности. Количество нуклеотидных пар всех 46 молекул ДНК в клетке человека равняется 6,4 миллиарда. Самым большим геном, найденным в геноме человека, является ген мышечного белка, содержащий 2,4´106 нуклеотидных пар.

Хромосома 22, одна из самых маленьких, была расшифрована в конце 1999 года, и статья, сообщившая об этом, имела почти 200 авторов. По их данным, хромосома 22 имеет от 679 до 817 генов, из которых 150 – псевдогены.

Международный консорциум еще в 2003 году сообщил, что расшифровано 99,99% генома человека. Результаты свидетельствуют о том, что у человека большее распространение, чем в геномах других организмов, получили гены иммунной защиты, внутри- и межклеточной сигнализации, нервной системы и гомеостаза. Количество генов, кодирующих белки, у человека в 2 раза больше, чем у червя, мушки и растения. Это обусловлено возникновением у человека новых белков. По мнению ученых, человеческий организм не изобретал новые гены, а использовал элементы существующих, собирая из них новые белки с новыми функциями.

Идентифицированы сотни генов редко встречающихся наследственных болезней, более 100 онкогенов. Установлено, что в развитие наследственных заболеваний вовлечено 1400 генов. Уже длительное время человек располагает информацией о структуре гена ВИЧ.

В июле 2012 года журнал Cell опубликовал результаты работы группы ученых из Стэнфордского университета об успешном завершении длившегося почти десятилетие процесса расшифровки полного генома сперматозоида. На основании полученной в ходе параллельной расшифровки генома каждого сперматозоида информации, исследователи составили персональную рекомбинационную карту, позволяющую оценить последовательность, частоту и другие характеристики каждого эпизода рекомбинации и мутации генов. Полученные результаты, по мнению ученых, очень важны для изучения причин бесплодия у мужчин.

Интересен факт, что до 10% генома человека составляют повторяющиеся элементы, напоминающие интегрированную форму инфекционных ретровирусов птиц и млекопитающих. Биологическая роль их пока не известна. Но у обезьян этих вирусов намного меньше или нет вообще. Получается, что по чужеродным элементам генома человек и обезьяна различаются гораздо сильнее, чем по самим генам. Это позволило высказать предположение, что вирусы могли сыграть важную роль в превращении обезьяны в человека! Было проведено сравнение ДНК неандертальца и современного человека. Различия говорят о том, что разделение этих ветвей эволюции произошло около 600 тысяч лет назад, и в течение многих тысяч лет мы жили рядом.

Митохондриальные гены обычно передаются по материнской линии

Митохондриальная ДНК в большинстве случаев представлена кольцевыми молекулами, лишь у немногих видов, в частности некоторых кишечнополостных, эти молекулы линейные. У животных размеры молекул мтДНК варьируют незначительно, обычная их величина – около 16 т.п.н.(тысяч пар нуклеотидов). Молекулы мтДНК грибов больше (у дрожжей Saccharomyces cerevisiae около 85 780 п.н.).

В мтДНК млекопитающих и других животных 37 генов:

• 13 генов кодируют субъединицы белков – ферментов окислительного фосфорилирования;
• 2 гена кодируют рибосомные РНК;
• 22 небольших гена – транспортные РНК.

Такой же набор генов присутствует в мтДНК высших растений, к нему добавляется еще ген 5S РНК. По размеру молекул мтДНК растений значительно больше, чем мтДНК животных: от 200 т.п.н. у видов капусты до 2500 т.п.н. у арбуза. Увеличение размера молекул мтДНК происходит за счет некодирующих последовательностей, кроме них в мтДНК растений включены фрагменты хлоропластной ДНК.

Органеллы наследуются только от одного из родителей, как правило от матери. Зигота получает равное количество генов от каждой из родительских гамет, но все свои митохондрии она получает из яйцеклетки, которая содержит гораздо больше цитоплазмы, а значит и органелл. Наследование митохондрий по отцовской линии наблюдается гораздо реже, но оно встречается у мидий, некоторых насекомых и даже, хотя и редко, у млекопитающих. При дроблении зиготы митохондрии расходятся в бластомеры случайным образом.
В результате митохондрии в каждой клетке взрослого организма могут быть прослежены до исходной материнской. Поскольку митохондриальные гены отвечают за синтез белков, связанных с выполнениями митохондриями функций клеточного дыхания, их мутации часто ведут к нарушениям этих функций. Сильнее всего такие мутации проявляются в тех клетках, потребность которых в энергии велика, в мышечных и нервных. У человека известно несколько наследственных болезней, передающихся с мтДНК по линии матери. Они отличаются мышечной дистрофией, умственной отсталостью, слепотой.

Оптическая нейропатия (LHON) Лебера наследуется по материнской линии. Генетическая основа этого заболевания – мутантный аллель кодирующий NADH-дегидрогеназу. Мутантный аллель снижает эффективность переноса электронов в цепи, уменьшая общее производство АТФ. Особенно чувствительны к снижению количества АТФ некоторые нервные клетки зрительной системы. Это приводит к дегенерации зрительных нервов.

Способ однополого наследования называется материнским. Больная мать будет передавать её всему своему потомству, в то время как больной отец не передаст её никому. В отличие от наследования, связанного с полом, при материнском наследовании в равной степени страдают все потомки.

У растений мутации митохондриальных генов могут вызывать явление цитоплазматической мужской стерильности (ЦМС) – нарушение развития пыльцы, неспособной к оплодотворению. Такое состояние цитоплазмы обозначают буквой S. Буквой F (фертильный) обозначают отсутствие стерильности пыльцы. Однако существует ядерный ген, способный восстанавливать нормальное состояние пыльцы. Он обозначается буквами Rf  или rf. Ген-репрессор восстанавливает фертильность растения, но не мешает сохранению мутантных генов митохондрий, которые могут передаваться потомству.

Внеядерный генотип обозначают одной буквой, так как для цитоплазматических генов нет понятия диплоидности.

Кроме редких болезней, мутации в митохондриальных ДНК матери могут привести к некоторым случаям диабета, болезни сердца, к расстройству Альцгеймера и др.

Объяснение

Плазмоны в значительной мере определяют оптические свойства металлов и полупроводников. Электромагнитное излучение с частотой ниже плазменной частоты материала хорошо отражается от него, потому что свободные электроны смогут колебаться с такой частотой в такт с колебаниями электромагнитного поля этого излучения, и будут экранировать его. Но при частоте выше плазменной электроны уже не могут колебаться достаточно быстро, и электромагнитное излучение такой высокой частоты может проникать в толщу металла или полупроводника, проходить сквозь него или поглощаться им.

Плазменные частоты большинства чистых металлов лежат в ультрафиолетовой области спектра, а во всём видимом диапазоне эти металлы одинаково хорошо отражают излучение, и потому выглядят бесцветными и блестящими. Но медь и золото имеют электронные переходы на частотах видимого спектра. На них свет сильнее поглощается металлом, чем на других частотах видимого дипазона, из-за чего медь и золото в отражённом свете выглядят окрашенными.

В полупроводниках плазменная частота электронов валентной зоны обычно находится в дальнем ультрафиолетовом диапазоне, но межуровневые электронные переходы могут быть с энергиями фотонов видимого света. Такой полупроводик также будет выборочно поглощать частоты видимого света и выглядеть цветным. У высоколегированных полупроводников в форме наночастиц плазменная частота может быть в ближнем или среднем инфракрасном диапазоне.

Энергию плазмона можно оценить в модели почти свободных электронов как:

Ep=ℏωp=ℏenmε,{\displaystyle E_{p}=\hbar \omega _{p}=\hbar e{\sqrt {\frac {n}{m\varepsilon _{0}}}},}

где n — плотность валентных электронов, e — элементарный заряд, m — масса электрона и ε — проницаемость вакуума.

Поверхностные плазмоны (плазмоны, ограниченные поверхностями) сильно взаимодействуют со светом, приводя к образованию поляритонов. Они играют роль в поверхностном усилении рамановского рассеяния света и в объяснении аномалий в дифракции металлов. Поверхностный плазмонный резонанс используется в биохимии, чтобы определять присутствие молекул на поверхности.

Локализованный поверхностный плазмон присутствует в мелких металлических частицах (наночастицах), таких как золото или серебро. При достаточно малых размерах частиц (диаметр частицы < длина волны входящего электромагнитного излучения), она может быть рассмотрена как колеблющийся диполь. Поглощённая энергия электромагнитного излучения может существенно нагревать наночастицы.

Особенности внеядерной наследственности

• В клетке находится много митохондрий (иногда тысячи) и десятки пластид. В каждой из них несколько молекул ДНК. Значит в клетке сотни и тысячи копий митохондриальных и пластидных ДНК, а не два аллеля, как чаще бывает в ядерной.
• Митохондрии и пластиды делятся независимо от ядра и распределяются в дочерние клетки случайным образом. Если клетка при делении по какой-то причине лишилась этих органоидов, то приобрести их она уже никак не сможет.
• В них нет ни митоза, ни мейоза, ни кроссинговера. Это значит, что для внеядерных генов не существует тех процессов рекомбинации, которые лежат в основе менделеевских закономерностей.
• Все зиготы получают митохондрии и пластиды только от яйцеклетки, органеллы мужских половых клеток при оплодотворении не попадают в зиготу. Митохондрии сперматозоидов находятся в жгутиках, а они при проникновении внутрь яйцеклетки отбрасываются. Это справедливо только для гетерогаметных организмов.
• К пестролистности приводит соматическое расщепление. Значит, и при вегетативном размножении признак передастся.
• Передаётся внеядерная ДНК от одного из полов, хотя есть и исключения.

Судить о передаче признака именно при помощи генов цитоплазмы очень сложно. Здесь нельзя полагаться только на один из критериев. Иногда даже все признаки вместе не дают правильной картины. Самый надёжный способ — генетический анализ.

Недавно было выяснено, что существует поток генов. В ходе эволюции некоторые гены могут перемещаться из хлоропластов в митохондрии (но не наоборот), из хлоропластов и митохондрий в ядро. Именно с этим связано существование не только пластидной, но и митохондриальной пестролистности. Существуют формы пестролистности, вызываемые ядерными генами, а также вирусами.

Вирусная мозаичная пестролистность.

Объяснение

Плазмоны в значительной мере определяют оптические свойства металлов и полупроводников. Электромагнитное излучение с частотой ниже плазменной частоты материала хорошо отражается от него, потому что свободные электроны смогут колебаться с такой частотой в такт с колебаниями электромагнитного поля этого излучения, и будут экранировать его. Но при частоте выше плазменной электроны уже не могут колебаться достаточно быстро, и электромагнитное излучение такой высокой частоты может проникать в толщу металла или полупроводника, проходить сквозь него или поглощаться им.

Плазменные частоты большинства чистых металлов лежат в ультрафиолетовой области спектра, а во всём видимом диапазоне эти металлы одинаково хорошо отражают излучение, и потому выглядят бесцветными и блестящими. Но медь и золото имеют электронные переходы на частотах видимого спектра. На них свет сильнее поглощается металлом, чем на других частотах видимого дипазона, из-за чего медь и золото в отражённом свете выглядят окрашенными.

В полупроводниках плазменная частота электронов валентной зоны обычно находится в дальнем ультрафиолетовом диапазоне, но межуровневые электронные переходы могут быть с энергиями фотонов видимого света. Такой полупроводик также будет выборочно поглощать частоты видимого света и выглядеть цветным. У высоколегированных полупроводников в форме наночастиц плазменная частота может быть в ближнем или среднем инфракрасном диапазоне.

Энергию плазмона можно оценить в модели почти свободных электронов как:

Ep=ℏωp=ℏenmε,{\displaystyle E_{p}=\hbar \omega _{p}=\hbar e{\sqrt {\frac {n}{m\varepsilon _{0}}}},}

где n — плотность валентных электронов, e — элементарный заряд, m — масса электрона и ε — проницаемость вакуума.

Поверхностные плазмоны (плазмоны, ограниченные поверхностями) сильно взаимодействуют со светом, приводя к образованию поляритонов. Они играют роль в поверхностном усилении рамановского рассеяния света и в объяснении аномалий в дифракции металлов. Поверхностный плазмонный резонанс используется в биохимии, чтобы определять присутствие молекул на поверхности.

Локализованный поверхностный плазмон присутствует в мелких металлических частицах (наночастицах), таких как золото или серебро. При достаточно малых размерах частиц (диаметр частицы < длина волны входящего электромагнитного излучения), она может быть рассмотрена как колеблющийся диполь. Поглощённая энергия электромагнитного излучения может существенно нагревать наночастицы.

Возможное использование

Плазмоны рассматриваются как средство передачи информации в компьютерных чипах, так как провода для плазмонов могут быть намного тоньше, чем обычные провода, и могут поддерживать намного более высокие частоты (в режиме 100 ТГц, в то время как обычные провода обладают большими потерями при 10 ГГц). Они были также предложены как средство для литографии и микроскопии высокого разрешения из-за их чрезвычайно малых длин волн. Оба из этих применений с успехом были продемонстрированы в лабораториях.[источник не указан 465 дней]

Также плазмоны можно использовать для генерации излучения в структурах, называемых спазерами.

Мусорная крепость

Но неужели остальные 90% генома человека — мусор, от которого лучше избавиться? Не совсем так. Есть соображения, что большой размер генома может быть полезен сам по себе. У бактерий репликация генома служит серьезным ограничивающим фактором, требующим значительных затрат энергии. Поэтому их геномы, как правило, маленькие, а от всего лишнего они избавляются. У крупных организмов, как правило, репликация ДНК делящихся клеток вносит не столь большой вклад в общее количество энергозатрат организма на фоне расходов на работу мозга, мышц, органов выделения, поддержания температуры тела и т. д. В то же время большой геном может быть важным источником генетического разнообразия, увеличивая шансы на появление новых функциональных участков из нефункциональных за счет мутаций, потенциально полезных в процессе эволюции. Мобильные элементы могут переносить регуляторные элементы, создавая генетическое разнообразие в регуляции работы генов. То есть организмы с крупными геномами теоретически могут быстрее адаптироваться к условиям среды, расплачиваясь сравнительно небольшими дополнительными затратами на репликацию более крупного генома. Подобный эффект мы не обнаружим у отдельного организма, но он может играть важную роль на уровне популяции.

Человек разумный Homo sapiens. Геном предположительно на 90% состоит из мусора. Геном: 3 млрд пар оснований. Генов: 20−25 тысяч.

Наличие крупного генома может также уменьшать вероятность того, что какой-нибудь вирус встроится в функциональный ген (что может привести к поломке гена и в ряде случаев к раку). Иными словами, не исключено, что естественный отбор может действовать не только на поддержание конкретных последовательностей в геноме, но на сохранение определенных размеров генома, нуклеотидного состава в некоторых его участках и т. д.

Впрочем, хотя идея, что только 80% или даже 20% генома человека функциональны — спорна, это вовсе не значит, что критике подлежит весь проект ENCODE. В его рамках получено огромное количество данных о том, как разные белки связываются с ДНК, информации о регуляции генов и т. д. Эти данные представляют большой интерес для специалистов. Но едва ли в ближайшее время удастся избавиться от «мусора» в геноме — как от концепции, так и от самих ненужных последовательностей.

Автор — научный сотрудник сектора молекулярной эволюции ИППИ РАН

Автор благодарит Евгению Дуеву и Юрия Панчина за помощь в написании статьи. Редакция выражает благодарность сайту «».

Статья «Сколько мусора в нашей ДНК?» опубликована в журнале «Популярная механика»
(№1, Январь 2015).