Виявлено важливий біомаркер раку — ДНК, яка «просочується» в геном із мітохондрій

Британські дослідники розкрили таємницю розвитку людини як біологічного виду – і разом з тим знайшли нову молекулярну особливість злоякісних пухлин: мтДНК.

Кожна мітохондрія має свою власну ДНК — мтДНК — яка відрізняється від решти геному людини, що складається з ядерної ДНК.

Мітохондріальна ДНК передається лише по материнській лінії. Проте дослідження, опубліковане в PNAS у 2018 році, повідомило про докази того, що в деяких випадках мтДНК все ж таки передавалися по батьківській лінії. Команда з Кембриджу вирішила перевірити ці дані, просканувавши ДНК із більш ніж 11 000 сімей із проекту Genomics England у пошуках ділянок, які виглядали як «батьківська спадщина». Кембриджські вчені виявили мтДНК у вигляді «вставки» в ядерну ДНК у деяких дітей – й таких ділянок не спостерігалося у їхніх батьків. Це означало, що попереднє випробування, ймовірно, дало неправильні висновки: те, що спостерігали його автори, було не батьківською мітохондріальною ДНК, а швидше такими вставками.

Британські вчені показали, що виявлені вставки є фактично новим способом розвитку геному людини.

Читайте також

«Мільярди років тому в примітивну клітину проник мікроорганізм, який став тим, що ми зараз називаємо мітохондріями. Згодом «шматочки» цих примітивних мітохондрій потрапили в ядро ​​клітини, що дозволяє їх геномам спілкуватися. Вважалося, що це сталося дуже давно – ще до того, як ми сформувалися як окремий вигляд, проте ми виявили, що це не так. Ми можемо бачити, що це відбувається прямо зараз, з бітами нашого мітохондріального генетичного коду, що потрапляють у ядерний геном», – описали своє відкриття дослідники, які також показали, що ядерна ДНК не потрапляє в мітохондріальну.

За їх оцінками, мтДНК переноситься в ядерну ДНК із частотою приблизно кожні 4 000 народжень. А після того, як кембриджська команда розглянула послідовності з 12 500 зразків пухлин, виявилося, що мтДНК ще частіше потрапляє до ДНК пухлини — приблизно один раз на 1 000 онкозахворювань. У деяких випадках вставки мтДНК ініціюють розвиток раку.

«Наш ядерний генетичний код постійно ламається та ремонтується. Мітохондріальна ДНК діє як ремонтний матеріал, що сприяє відновленню цілісності ядерного генетичного коду. Іноді це працює, але в окремих випадках може погіршити ситуацію або навіть викликати розвиток пухлин», — пояснили автори роботи.

Загальна цитологія .

Основні поняття: мітохондрії, гідроліз, гліколіз, цикл Кребса.

1. Мітохондрії. Загальна морфологія мітохондрій

Мітохондрії — органели, які містяться в клітинах усіх еукаріотів. Їх обов’язкова присутність в клітинах еукаріотів пов’язана з тим, що вони найбільш ефективно перетворюють енергію активованих електронів ковалентних зв’язків органічних сполук в енергію фосфатних зв’язків. АТФ — єдина доступна форма для синтезу органічних сполук клітиною. Без мітохондрій гетеротрофні еукарiотичнi клітини отримували б всю свою АТФ за рахунок анаеробного гліколізу — дуже не економічного процесу.

За останні 20 років в результаті ретельних досліджень було показано, що процеси перетворення енергії в біологічно корисні форми (АТФ) подібні у мітохондріях, хлоропластах, а також у клітинах прокаріотів. Вони відрізняються лише джерелами цієї енергії; мітохондрії використовують енергію органічних сполук; хлоропласти — енергію сонця; прокаріоти більш різноманітні за джерелами енергії: енергію органічних зв’язків сполук (сапрофіти, паразити), екзотермічні реакції (хемосинтетики), енергію сонця (фотосинтетики).

Загальна морфологія мітохондрій. Різноманітність морфології мітохондрій відображено в їх назві: мітос — нитка, хондрос — зерно (грец.). Середній розмір 0,5-1 мкм. Але вони можуть досягати в довжину кілька одиниць, і навіть десятків мкм, набуваючи розгалуженої форми.

В ультраструктурі мітохондрії розрізняють 4 структури, що мають самостійне функціональне значення: зовнішня мембрана; внутрішня мембрана; міжмембранний простір; матрикс — внутрішній вміст мітохондрії.

Зовнішня мембрана містить багато повторюваних трансмембранних білків, що утворюють широкі гідрофільні канали в біліпідному шарі. Отже, зовнішня мембрана добре проникна для більшості органічних і неорганічних мікромолекул і навіть невеликих білків. Тому біохімічний склад міжмембранного простору близький до складу цитозолю. До складу зовнішньої мембрани входять ферменти, що перетворюють ліпіди, жирні кислоти в проміжні продукти (піруват), що використовуються в метаболічних процесах вже в матриксі. Зовнішня мембрана замкнута, не пов’язана з іншими мембранами клітини (ЕС).

Між зовнішньою і внутрішньою мембраною розташовується міжмембранний простір шириною 10-20 нм. Його склад наближається до складу цитозолю через хорошу пропускну здатність зовнішньої мембрани.

Основна робоча частина мітохондрії — це матрикс і внутрішня мембрана.

Першою особливістю внутрішньої мембрани є те, що вона утворює всередині матриксу численні втиснення — кристи.

Другою особливістю внутрішньої мембрани мітохондрій є наявність більш як 10% з усіх ліпідів специфічного фосфоліпіда — кардіоліпіда. Припускають, що він сприяє слабкій проникності внутрішньої мембрани для більшості молекул, які вільно проходять через зовнішню мембрану.

Третя, і одна з основних особливостей внутрішньої мембрани — її якісний і кількісний білковий склад. Внутрішня мембрана мітохондрій відрізняється надзвичайно високим вмістом білка — у ваговому відношенні в ній приблизно 70% білка і 30% ліпідів. До складу мембрани входять білки 3-х типів: 1) специфічні транспортні білки, що вибірково регулюють перенесення метаболітів в матрикс і з нього; 2) білки, що каталізують окислювальні реакції дихального ланцюга; 3) ферментний комплекс, названий АТФ-синтетазою, який синтезує в матриксі АТФ.

Матрикс має мілко зернисту гомогенну будову, містить суміш різних ферментів. Частина з них перетворює піруват і жирні кислоти в ацетил-СоА. Інша частина становить цикл лимонної кислоти, окислюється ацетил-СоА до С0₂ та Н₂О. Крім того, в матриксі розташовується білок-синтетична система, що складається з декількох ідентичних копій ДНК, рибосом 70S типу і набору ферментів, що беруть участь в експресії мітохондріального генома.

2. Функція мітохондрій

Мітохондрії є органелами, в яких відбувається завершальний, найбільш енергоємний, кисневий етап енергетичного обміну. Сонячна енергія в поживних речовинах укладена в основному в парах електронів ковалентних зв’язків типу — С-Н; С-С. В ході енергетичного обміну вона вивільняється в три етапи:

1 етап . Гідроліз наявних в їжі складних органічних сполук (полімерів), до простих субодиниць (мономерів), в результаті позаклітинного (порожнинного) і внутрішньоклітинного (лізосомального) травлення. Виділяється невелика кількість енергії, що перетворюється на теплову і розсіюється. Гідроліз супроводжується витратою енергії АТФ.

2 етап. Гліколіз або безкисневий процес — розщеплення простих цукрів за типом гексоз (наприклад, глюкози). При гліколізі відбувається окислювальне фосфорилювання, поділене на 9 ферментативних реакцій, в результаті якого утворюється 2 молекули, ще багаті енергією пірувату, 2 АТФ і 2 відновленого НАДН.

НАД (нікотинамід динуклеотид) — акцептор іонів водню. У окисленій формі НАД позитивно заряджений. Відновлюючись, він приєднує гідрид-іон (іон водню з двома електронами Н – ), який утворюється при окисленні субстрату: R-H₂+HAD=HADH+H + +R.

Для більшості клітин тварин гліколіз служить прелюдією до третього етапу, тому що утворюється піруват СН₃-СО-СООН (піровиноградна кислота), що прямо надходить в мітохондрії. У разі анаеробних організмів (наприклад, дріжджі або тканин — скелетні м’язи), здатних працювати в анаеробних умовах, гліколіз допоможе стати основним джерелом клітинного АТФ. У цих умовах молекули пірувату залишаються в цитозолі, і в залежності від виду організмів, можуть перетворюватися або в етанол + С0₂, або в лактат -СН₃-СНОН-СООН (у м’язах), які потім виводяться з клітин як метаболіти.

3 етап. Мітохондріальний кисневий етап енергетичного обміну.

Складний багатостадійний процес, в ході якого відбувається повне окислення пірувату до бідних енергією С0₂ і Н₂0 з вивільненням великої кількості енергії, більше 50% якої акумулюється в енергію фосфатних зв’язків — 36 АТФ. Цей етап протікає в три стадії:

1 стадія — мобілізація ацетил-СоА. Його джерелом служить піруват, що утворюється в ході гліколізу, окислення жирних кислот і амінокислот. Ці реакції відбуваються в матриксі мітохондрій за участю ферментів, СоА і окисленої форми НАД. СоА — сполука з високою каталітичною активністю — похідне аденілового нуклеотиду, що має в кінці вуглеводневого ланцюга сульфогрупу -SН.

В результаті цієї реакції утворюється активний ацетил-СоА, що містить високоенергетичний тіоефірний зв’язок, гідроліз якого забезпечує початкову реакцію другої стадії. За способом запасу енергії ацетил-СоА схожий з АТФ.

2 стадія — цикл трикарбонових кислот або цикл лимонної кислоти (цикл Кребса). Головна функція циклу лимонної кислоти — окислення ацетогрупи (залишку оцтової кислоти). Реакції відбуваються за участю ферментів, розташованих у матриксі мітохондрій. Процес носить циклічний характер, оскільки ацетогрупа окислюється не відразу, а лише після того, як вона ковалентно приєднується до більшої молекули — щавлево-оцтової кислоти (оксалатацетату), яка регенерується після кожного обороту циклу. Цикл починається з взаємодії між ацетил-СоА і чотирьохвуглеводною сполукою оксалатацетатом, в результаті чого утворюється шестивуглеводна трикарбонова лимонна кислота. Потім, під час семи послідовних ферментативних реакцій, два вуглецевих атома відділяються у вигляді С0₂, утворюючи знову таки оксалат-ацетат — вихідний продукт нового циклу. Оскільки два нових атома вуглецю, приєднуються в кожному циклі, входять не в ту частину молекули цитрату, яка окислюється в даному циклі до С0₂, повинно пройти два цикли перед тим, як підійде їхня черга окислитися. Утворені молекули С0₂ дифундують з мітохондрії і залишають клітину. Енергія зв’язків С-Н та С-С цитрату споживається двома способами: 1) менша частина енергії йде на утворення однієї молекули GTF (еквівалент АТФ); 2) велика частина енергії витрачається на переклад молекул — переносників водню з окисленої у відновлену форму. У кожному обороті циклу три молекули НАД + перетворюються на 3 молекули НАДН, а одна молекула ФАД (флавінаденіндинуклеотид) — в ФАДН₂. В останньому переносники електрони водню знаходяться на енергетичному рівні меншому, ніж у НАДН, тому він рідше використовується в мітохондрії. Додаткові атоми кисню, необхідні для утворення С0₂ включаються в цикл лимонної кислоти ацетильної групи, поставляється не молекулярним киснем, а 3-ма молекулами води (схожість з хлоропластами).

3-я стадія — перенесення активних електронів у ланцюзі дихальних ферментів і окисне фосфорилювання. Всі процеси цього етапу йдуть за участю ферментів, розташованих на внутрішній мітохондріальній мембрані. При цьому багаті енергією відновлені НАДН і ФАДН₂ передають свої активні електрони водню через ланцюг дихальних ферментів до молекулярного кисню, а звільняється енергія використовується на синтез АТФ, транспорт в мітохондрії і з неї речовин, інша енергія виділяється у вигляді тепла. Атоми водню розщеплюються на електрони і протони. Активні електрони надходять в дихальний ланцюг, а протони — в навколишнє водне середовище матриксу. Протони і електрони водню об’єднуються, коли електрони досягають кінця дихального ланцюга і з’єднуваться з киснем з утворенням Н₂0.

Шлях електронів в цьому ланцюгу можна подати так: НАДН (або ФАДН₂) — НАДН — дегідрогеназний комплекс — убіхінон — комплекс в-с1— цитохром з — цитохромоксидазний комплекс — О₂.

На початку транспорту відбувається розщеплення атомів водню НАДН (ФАДН₂) на електрони і протони. Утворюються окислені НАД + і ФАД. Електрони поступають на перший переносник — НАДН — дегідрогеназний комплекс, а протони надходять в матрикс. Далі електрони передаються на убіхінон і т. д. до молекулярного кисню.

Рушійною силою дихального ланцюга є різниця окисно-відновних потенціалів, її компонентів, що виражається в ступені спорідненості до електронів. На початку ланцюга розташовуються компоненти з негативним значенням о-в потенціалів — у НАДН — дегідрогеназного комплексу, він дорівнює -320 мВ. Отже, цей компонент більше схильний віддавати електрони, ніж приймати. В кінці ланцюга кисень має о-в потенціал 820 мВ, що говорить про сильну тенденцією до прийняття електронів.

При проходженні високоенергетичних електронів, що доставляються НАДН та ФАДН₂ за електронно-транспортним ланцюгом внутрішньої мітохондріальної мембрани вивільняється енергія, яка використовується для переміщення протонів із матриксу в міжмембранний простір і далі за межі мітохондрії. В результаті між двома сторонами внутрішньої мембрани створюється електрохімічний протонний градієнт. Він складається з двох компонентів хімічного градієнта і електричного.

Хімічний градієнт утворений в результаті різниці рН. Вихід протонів із матриксу знижує концентрацію іонів водню до рН 8,0, тоді як в міжмембранному просторі рН 7 як в цитоплазмі в результаті гарної проникності зовнішньої мембрани.

Електричний градієнт обумовлений різницею потенціалів (мембранним потенціалом) між зовнішньою і внутрішньою мембраною: внутрішня мембрана заряджена негативно, зовнішня позитивно, як результат виходу назовні позитивно заряджених іонів.

Електрохімічний градієнт служить джерелом протоннорухової сили або ЕРС. ЕРС сприяє прагненню протонів і інших позитивно заряджених частин проникнути всередину матриксу, а з матриксу вийти іонам ОН – та іншим негативним іонам. Ця обставина посилює вплив градієнта рН на рух іонів Н + і ОН – .

На внутрішній мембрані розташовується фермент, що каталізує синтез АТФ. Він називається АТФ-синтетазою, яка представляє собою великий трансмембранний білковий комплекс. Через нього протони з міжмембранного простору проникають всередину матриксу з електрохімічного градієнту. АТФ-синтетаза використовує енергію струму протонів для синтезу АТФ із АДФ та неорганічного фосфату.

За рахунок енергії електрохімічного протонного градієнта на внутрішній мембрані мітохондрії синтезується не тільки АТФ, але й відбувається транспорт метаболітів між матриксом мітохондрії і цитозолем.

3. Біогенез мітохондрій

Мітохондрії в клітині утворюються шляхом поділу навпіл, як клітини прокаріот. У мембрані утворюється кільцева борозенка. Вона, заглиблюючись, утворює дві мітохондрії. Вони збільшують свою масу, можуть галузитись.

Процес розмноження і росту мітохондрій забезпечується повноцінною генетичною системою, що складається з кільцевих молекул ДНК (5-10 шт.) одного типу (аутополіплоїди), 70 S рибосом, тРНК. Однак у геномі мітохондрії закодовано невелике число власних білків, тоді як більшість з них закодовано в ядрі і синтезується в цитоплазмі. Гени ДНК мітохондрій успадковуються не за законами Менделя. Вони успадковуються з цитоплазмою клітини, а не з її ядром. У організмів при статевому розмноженні мутації генів мітохондрій передаються по материнській лінії, тобто з яйцеклітиною, тому що сперматозоїди вносять в зиготу в основному своє ядро. Розшифровано геном мітохондрії людини. Він має 13 локусів, які кодують білки; 22 локуси — тРНК і по одному локусу для 16S рРНК і 23 S рРНК.

Оскільки лише незначна частина білків мітохондрій кодується в її хромосомі, природно виникає питання про біологічну доцільність геному мітохондрій як ендосімбіонта.

Контрольні питання:

1. Які структурні особливості зовнішньої та внутрішньої мембран мітохондрій визначають гарну проникливість через першу і дуже вибіркову через другу?

2. Чим відрізняється склад цитоплазматичного матриксу від мітохондріального матриксу? Чому?

3. Чим визначається потік активних електронів в дихальному ланцюзі?

4. Яке джерело енергії окислювального фосфорилування?

5. Складові компоненти електрохімічного градієнту та їх енергетичні величини.

6. Які структурні особливості мітохондрій вказують на їх ендосимбіотичне походження?

1. Ченцов Ю. С. Общая цитология / Ю. С. Ченцов. — М. : МИА, 2010. — 368 с.

2. Трускавецький Є. С. Цитологія / Є. С. Трускавецький, Р. К. Мельниченко. — К. : Вища школа, 2004. — 254с.

3. Молекулярная биология клетки : В 3 т. / [ Б. Альбертс, Д. Брей, Дж. Льюис и др.] ; 2-е изд. — М. : Мир, 1994.

4. Фаллер Д. М. Молекулярная биология клетки / Д. М. Фаллер, Д. Шилдс; пер. с англ. И. Збарский, А. Анваер, Ю. Бородина, К. Кашкин. — М. : Бином, 2006. — 256 с.

5. Быков В. Л. Цитология и общая гистология. Функциональная морфология клеток и тканей человека / В. Л. Быков. — СПб. : СОТИС, 2002. — 254 с.

1. Методичні вказівки до лабораторних занять із цитології (для студентів біологічного факультету денної та заочної форми навчання ) / О. К. Фролов, Н. В. Новосад, Є. Р.Федотов, В. В. Копійка. — Запоріжжя : ЗДУ, 2004. — 47 с.

2. Афанасьев Ю. И. Гистология, цитология и эмбриология / под ред. Ю. И. Афанасьев, Н. А. Юрина, Е. Ф. Котовский и др. — М. : Медицина , 2006 . — 768 с.

3. Кузнецов С. Л. Гистология, цитология и эмбриология / С. Л. Кузнецов. — М. : МИА, 2007 / 2004 . — 602 с.

4. Верещагина В. А. Основы общей цитологии / В. А. Верещагина . — М. : Академия , 2009. — 176 с.

5. Ленченко Е. М. Цитология, гистология и эмбриология / Е. М. Ленченко . — М. : КолосС , 2009. — 376 с.

6. Кузнецов С. Л. Лекции по гистологии, цитологии и эмбриологии / С. Л. Кузнецов, М. К. Пугачев. — М. : МИА, 2004. — 432 с.

7. Васильев Ю. Г. Цитология. Гистология. Эмбриология / Ю. Г. Васильев, Е. И. Трошин, В. В. Яглов . — СПб. : Лань , 2009. — 576 с.

8. Соколов В. И. Цитология , г истология и эмбриология / В. И. Соколов, Е. И. Чумасов. — М.: КолосС, 2004. — 351 с.

9. Кузнецов С. Л. Атлас по гистологии, цитологии и эмбриологии / Кузнецов С. Л., Мушкамбаров Н. Н., Горячкина В. Л. — М. : МИА, 2006. — 376 с.

10. Самусев Р. П. Атлас по цитологии, гистологии и эмбриологии / Р. П. Самусев, А. В. Смирнов. — М. : Мир и Образование, Оникс, Харвест, 2006. — 400с.

11. Билич Г. Л. Универсальный атлас. Биология. В 3 книгах. Книга 1. Цитология. Гистология. Анатомия человека / Г. Л. Билич, В. А. Крыжановский . — М. : Оникс 21 век , Харвест , 2005. — 1008 с.