В митохондриальной ДНК дрожжей обнаружено только 2 гена рибосомальной РНК и только 1 ген рибосомальных белков. Этот белок расположен в малой субъединице рибосомы. Ген рибосомального белка достаточно вариабелен по размерам даже у разных штаммов, за что и получил название вариабельного (Var l). Остальные белки и РНК митохондриальных рибосом кодируются ядерными генами. 24 гена транспортной РНК обеспечивают транспорт всех аминокислот к месту синтеза белка и только одна транспортная РНК, транспортирующая лизин, импортируется из цитоплазмы и кодируется ядром. Все транспортные РНК митохондрий дрожжей кодируются одной и той же нитью ДНК и только одна из них -- противоположной нитью. Ни один из генов транспортной ДНК не имеет интронов. Гены белков цитохрома b и гены белков цитохрома С могут иметь множество интронов -- от 5 до 9.
Из приведенных данных следует, что кодируемых митохондриальным геномом дрожжей структурных белков явно недостаточно для функционирования этих органелл и большая часть из них кодируется ядерным геномом.
Характерные черты организации и экспрессии митохондриального генома грибов:
1. значительное разнообразие в наборах и расположении митохондриальных генов у различных видов;
большое разнообразие способов организации генетического материала - от компактной организации генома до свободного распределения генов по мтДНК при протяжённых некодирующих последовательностях между генами;
- 3. мозаичное строение ряда генов;
- 4. значительные внутривидовые вариации размеров мтДНК, связанные с наличием "необязательных" интронов;
- 5. способность отдельных сегментов мтДНК к выщеплению и амплификации с образованием дефектного митохондриального генома;
- 6. наличие одного или нескольких ORI, в каждом из которых репликация инициируется двунаправлено;
- 7. расположение всех митохондриальных генов на одной нити мтДНК и асимметричная транскрипция мтДНК;
- 8. множественность транскрипционных единиц мтДНК;
- 9. разнообразие сигналов процессинга первичных транскриптов, в качестве которых могут использоваться и тРНК, и олигонуклеотидные блоки другого типа - в зависимости от вида;
- 10. в большинстве случаев мРНК содержат протяжённые концевые некодирующие последовательности.
Наиболее сложная организация митохондриального генома у высших растений. У них митохондриальный геном представляет собой набор суперскрученных двуцепочечных кольцевых и/или линейных молекул. Все последовательности митохондриального генома могут быть организованы в одну крупную кольцевую «хромосому», а наблюдаемые различные размерные классы митохондриальных ДНК, скорее всего, являются результатом рекомбинационных процессов. По крайней мере, на шпинате, видах двух родов Brassica и Raphanus , сахарной свекле и пшенице было показано, что причина такой диспергированности митохондриального генома заключается в рекомбинации гомологичных участков митохондриальной ДНК. Благодаря наличию прямо ориентированных двух-трех семейств повторов размером от 1 до 14 т.п.н., молекулы митохондриальной ДНК способны к активным меж- и внутригеномным перестройкам. В результате таких перестроек митохондриальная ДНК может присутствовать в виде молекул различного размерного класса.
Так, например, у крестоцветного Brassica campestris митохондриальная ДНК присутствует в виде кольцевых молекул трех типов. Первый тип содержит полный геном -- 218 т.п.н., второй - 135 и третий -- 83 т.п.н. Субгеномные кольца образуются в результате рекомбинации геномных колец, имеющих пару прямых повторов длиной 2 т.п.н.
У пшеницы размер митохондриального генома значительно больше -- 430 т.п.н., и имеется более 10 прямых рекомбинационных повторов, в результате при электронно-микроскопическом наблюдении удается увидеть множество колец различного размера, но никто не наблюдал одну большую кольцевую молекулу, возможно, в этом состоянии митохондриальный геном пшеницы никогда и не присутствует. У мха маршанции и другого крестоцветного Brassica hirta прямые рекомбинационные повторы отсутствуют и, возможно, именно поэтому митохондриальная ДНК находиться в виде кольцевых молекул одного размерного класса. Однако для митохондриальной ДНК высших растений это скорее исключение, чем правило. У большинства высших растений в митохондриальном геноме присутствуют как рекомбинационные повторы, так и молекулы митохондриальной ДНК различного размерного класса.
Количество молекул одного размерного класса может различаться очень значительно в различных тканях растения, в зависимости от состояния растений и условий окружающей среды. Отмечено изменение численных соотношений молекул митохондриальной ДНК разного размерного класса при культивировании растений in vivo и in vitro . Возможно, изменение численных отношений между молекулами различных размерных классов отражает адаптивность растений путем повышенной амплификации нужных генов.
Кроме того, в митохондриальной геноме могут присутствовать и плазмиды как линейные, так и кольцевые, как с ДНК-ми, так и РНК-ми последовательностями, размером от 1 до 30 т.п.н. Митохондриальные плазмиды, вероятно, произошли от других клеточных геномов или даже других организмов. Иногда их наличие или отсутствие удается связать с цитоплазматической мужской стерильностью растений, но, правда, не всегда. Плазмиды у некоторых видов присутствуют, а стерильности не наблюдается. По крайней мере, в одном случае достаточно четко продемонстрировано, что в митохондриях линий с так называемым S-типом стерильности кукурузы обнаружена корреляция между присутствием плазмидоподобной митохондриальной ДНК и проявлением феномена цитоплазматической мужской стерильности. Была отмечена способность митохондриальных плазмид встраиваться, как в геном митохондрий, так и в хромосомы ядра. Однако, в других случаях присутствие плазмидной ДНК не всегда вызывает стерильность пыльцы.
Размер митохондриального генома растений наиболее вариабелен -- от 200 до 2500 т.п.н. Размер митохондриального генома высших растений больше, чем размер их хлоропластного генома.
Значительное варьирование размеров митохондриального генома является второй особенностью митохондриального генома растений. Геном не только очень велик, но и может быть различным, даже у близкородственных видов, причем в одних случаях может наблюдаться низкая вариабельность -- виды рода Brassica , в других -- очень большая. Самая высокая вариабельность размеров наблюдается у тыквенных. В пределах этого семейства размер митохондриального генома наиболее изменчив -- от 330 т.п.н. у арбуза до 2500 т.п.н. у дыни. Поэтому доля митохондриальной ДНК в общем объеме генома растений также может значительно изменяться -- порядка 1 % у большинства растений, до 15 % в клетках гипокотиля дыни.
Наличие у митохондриальных геномов больших размеров пытаются объяснить различными причинами.
Наличие дополнительных генов или особых последовательностей, необходимых для функционирования митохондрий.
Присутствие ДНК, которая используется растением, но не в качестве кодирующей, а какой-то другой функции.
ДНК, которая не используется для функционирования митохондрий, так называемая «эгоистичная» ДНК.
По-видимому, существует еще одна возможность для увеличения размеров митохондриального генома -- это последовательности, гомологичные ядерной и хлоропластной ДНК. Последовательности, гомологичные ядерной ДНК, например, у арабидопсис составляют до 5 % митохондриального генома. Первоначально последовательность хлоропластного генома, инкорпорированная в митохондриальный, была обнаружена у кукурузы. Она включала участок около 14 т.п.н., содержащий измененные хлоропластные гены 16S-рибосомальной РНК и участок большой субъединицы РДФК/О. Впоследствии хлоропластные вставки были обнаружены в митохондриальном геноме многих видов высших растений. Обычно, они составляют 1 -- 2 % от митохондриальных последовательностей и включают три главные последовательности.
Последовательность длиной 12 т.п.о. из обратного повтора хлоропластной ДНК. Она содержит последовательности для 3" экзона четырех транспортных РНК и последовательность 16 S рибосомальной РНК.
Последовательность длиной от 1,9 до 2,7 т.п.н., которая полностью кодирует большую субъединицу РБФК/О.
Последовательность длиной не более 2 т.п.о. В хлоропластом геноме этот участок кодирует 3" -- конец 23S-pибоcoмальной РНК, 4,5S- и 5S-pPHK, а также три транспортные РНК. Из всех последовательностей хлоропластного генома, которые присутствуют в митохондриальном геноме растений, только последовательности транспортной РНК действительно транскрибируются.
Поскольку у многих видов растений в митохондриальном геноме присутствуют одни и те же хлоропластные последовательности, можно предположить, что они имеют какое-либо функциональное значение. В то же время их роль, механизм переноса и время этого переноса остаются неизвестными. Произошел ли этот перенос в отдаленное в эволюции время становления эукариотической клетки или же наличие хлоропластных вставок в митохондриальном геноме свидетельствует о том, что это нормальный процесс обмена информации между органеллами, происходящий и сейчас, либо он происходит периодически в относительно недавнем эволюционном времени становления конкретных видов и родов растений?
Кроме того, часть последовательностей митохондриального генома представляет собой последовательности, гомологичные вирусным.
Для установления числа генов в геноме митохондрий растений, которые действительно функционируют, рядом исследователей было определено количество продуктов трансляции. Было показано, что число обнаруживаемых белковых полос было одинаковым даже для растений с 10-кратными различиями по величине генома. Хотя использованные методы и не дают прямого ответа на вопрос об общем числе генов митохондриального генома, тем не менее, интересно, что одно и то же число продуктов трансляции было выявлено у анализируемых видов покрытосеменных и было близко к числу генов, кодирующих белки у митохондрий животных и дрожжей.
Впервые полная нуклеотидная последовательность митохондриальной ДНК у растений была определена в 1986 г. у одного вида -- маршанции (Marchantia polymorpha ), а позже у арабидопсиса и у нескольких видов водорослей.
Молекула митохондриальной ДНК у маршанции имеет размер 186 608 п.н. Она кодирует гены 3 рРНК, 29 генов для 27 тРНК и 30 генов известных функциональных белков (16 рибосомальных белков, 3 субъединицы цитохром С оксидазы, цитохрома b, 4 субъединицы АТФ-синтетазы и 9 субъединиц НАДН-дегидрогеназы). Геном также содержит 32 неидентифицированные открытые рамки считывания. Кроме того, обнаружено 32 интрона, расположенных в 16 генах. У разных растений количество генов того или иного комплекса может варьировать, поскольку один или более генов этого комплекса могут быть перенесены в ядро. Среди неидентифицированных генов, по крайней мере, 10 постоянно встречаются практически у всех видов растений, что свидетельствует о важности их функций.
Число митохондриальных генов, кодирующих транспортные РНК митохондрий растений, в значительной степени изменчиво. У многих видов собственных митохондриальных транспортных РНК явно недостаточно, и поэтому они экспортируются из цитоплазмы (кодируются ядром или пластидным геномом). Так, например, у арабидопсиса 12 транспортных РНК имеют митохондриальное кодирование, 6 -- хлоропластное и 13 -- ядерное; у маршанции 29 -- митохондриальное и 2 -- ядерное, и ни одна из транспортных РНК не имеет хлоропластного кодирования; у картофеля 25 -- митохондриальное, 5 -- хлоропластное и 11 -- ядерное; у пшеницы, 9 -- митохондриальное, 6 -- хлоропластное и 3 -- ядерное (табл. 3).
В отличие от митохондриальной ДНК животных и хлоропластных генов, гены митохондриальной ДНК растений дисперсно распределены в геноме. Это касается как генов, кодирующих транспортные РНК, так и генов, кодирующих белки.
Таблица 3
Природа митохондриальных транспортных РНК у растений
Как и геном митохондрий грибов, геном митохондрий растений имеет интроны, которых не имеют геномы митохондрий животных.
У некоторых видов ряд генов в геноме продублирован. Так, у кукурузы и кормовых бобов гены рРНК не повторены, а у пшеницы они повторены несколько раз. Гены, кодирующие белки митохондрий, также могут быть повторены в их геноме.
Естественно, что митохондрии так же, как и хлоропласты, содержат гораздо больше белков-ферментов, чем их геном генов. И, следовательно, большинство белков контролируются ядерным геномом, собираются в цитоплазме на цитоплазматических, а не на митохондриальных рибосомах и транспортируются в митохондриальные мембраны.
Таким образом, митохондриальный геном растений представляет собой крайне изменчивую по структуре, но достаточно стабильную по числу генов систему. В отличие от компактного генома хлоропластов, в митохондриальном геноме растений гены составляют менее 20 % генома. Увеличение генома митохондрий по сравнению с грибами или животными вызвано наличием интронов, различных повторяющихся последовательностей, вставок из генома хлоропластов, ядра и вирусов. Функции примерно 50 % митохондриального генома растений пока не выяснены. Кроме того, что многие структурные гены, контролирующие функцию митохондрий, находятся в ядре, там же находятся и многие гены, контролирующие процессы транскрипции, процессинга, трансляции митохондриальных генов. Следовательно, митохондрии являются даже менее автономными органеллами, чем пластиды.
Открытие своеобразной формы полового поведения у митохондрий совместимо с теорией симбиоза. Генетическая рекомбинация у этих органелл гораздо больше напоминает половой процесс у фагов и бактерий, чем у ядер эукариот. Все четкие данные получены на Saccharomyces, так как дрожжи могут размножаться в чистой культуре, на среде определенного состава, как стабильные гаплоиды или диплоиды. В таких митотически делящихся клетках ядерный геном остается неизменным, и это позволяет следить за сегрегацией рекомбинантной ДНК, образующейся при скрещиваниях между маркированными родительскими митохондриями. Рекомбинация митохондриального генетического материала происходит у дрожжей регулярно и часто независимо от мейоза.
Так как большинство других эукариот не переносит серьезных нарушений функционирования митохондрий и не может расти без полового процесса в виде одиночных гаплоидных или диплоидных клеток, генетическое поведение их митохондрий исследовать не удается. Однако если результаты, полученные на дрожжах, можно экстраполировать на другие эукариотические организмы, то рекомбинация митохондрий должна быть обычным явлением. Ваши собственные органеллы, возможно, ведут свою тайную половую жизнь.
Уже построена генетическая карта митохондрий дрожжей. Почти половина охарактеризованных митохондриальных мутаций затрагивает белоксинтезирующую систему этих органелл: они выражаются в изменении резистентности к антибиотикам, изменении транспортных и рибосомных РНК. Другие мутации влияют на комплексы дыхательных белков, связанные с мембраной. Известно около 700 независимо выделенных митохондриальных мутантов. Комментируя половое поведение митохондрий дрожжей, Б. Дюжон (личное сообщение, 1978) писал:
«Я полагаю, что следует с осторожностью применять термин «пол» по отношению к митохондриям, но при том определении, которое Вы ему даете [регулярное образование индивидуумов, имеющих более одного родителя], я полностью согласен с употреблением этого термина. Интактные митохондриальные геномы дрожжей рекомбинируют столь активно, что после недолгого [асексуального] роста [стабильно диплоидных родительских дрожжей, образующихся в результате спаривания] возникают всевозможные множественные рекомбинанты [митохондрий]. Но следует отметить, что рекомбинация может происходить и между разными молекулами митохондриальной ДНК, происходящими от одного родителя, а не только между молекулами от разных родителей. Под словом «пол» часто также понимают половую дифференциацию, и хотя мы всегда говорим о «гомосексуальных» и «гетеросексуальных» скрещиваниях, нет никаких данных о существовании среди митохондрий двух (или нескольких) половых типов. По нашей терминологии «половой тип» - это тип, способный рекомбинировать только с противоположным половым типом. Система омега (ω), контролирующая полярность рекомбинации вблизи самого омега-локуса, вначале была принята за половой тип. Теперь мы знаем, что различие между ω + и ω — связано с включением определенной нуклеотидной последовательности (около 1000 пар) в точно локализованный участок митохондриальной ДНК. Наконец, в сознании многих исследователей существует параллель между митохондриальной наследственностью и материнской наследственностью [митохондриальные генотипы передаются потомству только одним родителем, обычно самкой или родителем, продуцирующим яйца]. Все наши результаты указывают на то, что у дрожжей оба родителя вносят равный вклад в передачу митохондрий потомству независимо от их ядерных половых типов… а, следовательно, нет смысла говорить об эффекте материнской наследственности. У других видов это, очевидно, не так».
Рекомбинацию у митохондрий обычно изучают, используя маркеры резистентности к антибиотикам или мутации белков, участвующих в дыхании и окислительном фосфорилировании. Первые, например резистентность к аминогликозидным антибиотикам, которые, как известно, подавляют рост свободноживущих и патогенных бактерий, присоединяясь к их рибосомам, считаются мутациями, затрагивающими митохондриальные рибосомы. Вторые, называемые мутациями mit — , представляют собой дефекты митохондриальных генов, кодирующих такие белки, как цитохромоксидаза, олигомицин - чувствительная мембранная АТРаза, цитохром b и различные редуктазы. Биологические особенности дрожжей и большое число митохондриальных маркеров обусловили возможность многофакторных скрещиваний, в которых можно одновременно прослеживать передачу многих митохондриальных генетических детерминантов. Более чем десятилетняя работа ряда исследователей позволяет нарисовать интереснейшую картину митохондриального полового процесса. Нижеследующее резюме основано в первую очередь на работе Дюжона и Слонимского.
Митохондриальная генетическая система мультигеномна: каждая дрожжевая клетка содержит несколько идентичных копий функциональной митохондриальной ДНК. Их число не фиксировано. Число генетически активных копий может варьировать в разных клетках одного штамма дрожжей; оно зависит также от внешних условий, таких как температура и присутствие различных веществ, и от скорости роста дрожжей. Межштаммовые различия в числе митохондриальных геномов на клетку по крайней мере частично определяются несколькими взаимодействующими ядерными генами. Спаривание и рекомбинация митохондриальных ДНК, по-видимому, происходит часто и случайным образом. Рекомбинация нереципрокна; действительно, число двойных рекомбинантов в двухфакторных скрещиваниях всегда более чем вдвое (часто намного более) превышает ожидаемое на основании реципрокной модели. Продукты рекомбинации быстро сегрегируют при митотическом делении клеток; клетка, содержавшая вначале по-разному маркированные митохондрии, через несколько делений дает дочерние клетки с митохондриями только одного типа. Причина этой сегрегации, которая происходит без добавления каких-либо селективных агентов, не ясна. В некотором смысле это проявление внутриклеточного отбора, при котором остальная часть клетки - нуклеоцитоплазма - служит для митохондрий внешней средой. Показано, что внутриклеточный отбор может приводить к сегрегации некоторых маркеров резистентности к антибиотикам. По-видимому, небольшое число сегрегирующих митохондриальных генетических единиц, содержащихся в каждой дрожжевой клетке, распределяется при митотическом делении случайно. Каждая сегрегирующая единица, очевидно, состоит из нескольких молекул ДНК. Организация этой ДНК не вполне понятна, но наиболее правдоподобная гипотеза состоит в том, что сегрегирующая единица - это группа молекул митохондриальной ДНК, прикрепленных в определенном месте к внутренней мембране митохондрии. Это согласуется с данными электронной микроскопии.
Можно сформулировать следующие общие правила наследственной передачи и рекомбинации митохондриальных маркеров у Saccharomyces cerevisiae.
1. Передача двух или большего числа аллелей различных локусов, если они получены от одного родителя (дрожжевой клетки), всегда происходит коррелированно. Часто, но отнюдь не всегда, наблюдается линейная корреляция; если корреляция нелинейна, ее вид предсказывается моделью Дюжона и Слонимского.
2. Верхний предел частоты рекомбинации между двумя маркерами 20-25%. Этот предел может быть превышен только тогда, когда два реципрокных рекомбинанта появляются с существенно разной частотой. Такое явление получило название полярности рекомбинации. Если полярность высока, максимальная частота рекомбинации может достигать 80%, причем в этом случае число типов рекомбинантов намного больше числа родительских типов.
3. Существует нелинейное функциональное отношение между частотой рекомбинации между двумя локусами и передачей аллелей каждого локуса. Вид этого отношения предсказывается моделью Дюжона и Слонимского.
4. В трехфакторных скрещиваниях, когда отсутствует полярность рекомбинации, число двойных рекомбинантов по крайней мере вдвое больше ожидаемого, равного произведению частот появления двух одиночных рекомбинантов.
Эти четыре правила позволяют построить физическую и генетическую карту митохондриальной ДНК дрожжей. Все мутации, подчиняющиеся этим правилам, локализуются в одной группе сцепления, т. е. в одной молекуле митохондриальной ДНК. Митохондриальный геном состоит из уникальных нуклеотидных последовательностей, разделенных повторяющимися последовательностями. Имеется 60-70 уникальных генов со средней длиной 530 нуклеотидов; они чередуются с повторяющимися последовательностями средней длиной 680 нуклеотидов. Каждая повторяющаяся последовательность состоит из спейсера, богатого АТ (около 600 нуклеотидов), короткого кластера примерно из 30 нуклеотидов ж кластера, богатого GC, длиной около 50 нуклеотидов. Спейсеры, богатые АТ, вероятно, играют важную роль в рекомбинации; две другие последовательности в составе повторов могут, помимо прочего, регулировать инициацию синтеза ДНК.
Подводя итоги, можно сказать, что митохондрии дрожжей представляют собой мультигеномную генетическую систему, претерпевающую много циклов спаривания и характеризующуюся высокой эффективностью генетической рекомбинации и случайной, но очень быстрой сегрегацией. Этот своеобразный «промискуитет»» - случайность рекомбинаций и быстрота сегрегации - напоминает генетическое поведение бактериофагов.
Однако в других отношениях митохондриальная ДНК не похожа на фаговую. Например, близко родственные штаммы дрожжей могут сильно различаться по объему, содержанию митохондриальной ДНК, не различаясь при этом по функции митохондрий. У близких штаммов даже нуклеотидный состав митохондриальной ДНК может быть разным, так что значительная часть этой ДНК должна быть избыточной для функционирования генома. Кроме того, как и у эукариот, митохондриальные гены имеют мозаичную организацию. Иначе говоря, генетический материал, кодирующий разные участки одного и того же белка, может находиться в обособленных отрезках ДНК, и соответствующие транскрипты объединяются путем сплайсинга. Эти и другие черты генетической организации митохондрий привели Бернарди к следующему заключению:
«Можно сделать два основных вывода… Во-первых, митохондриальному геному дрожжей свойствен эукариотический, а не прокариотический тип организации… Во-вторых, в такой системе, как митохондриальный геном дрожжей, где чередуются уникальные и повторяющиеся последовательности, чрезвычайно важную роль играют рекомбинации, основанные на гомологии повторяющихся участков. Это основной механизм дивергенции и эволюции геномов, который обеспечивает на несколько порядков величины более высокую скорость этих процессов, чем механизм, основанный на точечных мутациях».
Бернарди, видимо, полагает, что генетическая организация митохондрий сформировалась таким образом, чтобы их эволюция могла происходить быстрее. Однако нам кажется, что, каково бы ни было значение всех этих фактов для симбиотической теории, было бы неразумно объяснять их, наделяя эволюцию способностью к предвидению.
). Снаружи дрожжевые митохондрии отграничены от цитоплазмы наружной двуслойной мембраной , оба слоя которой либо непосредственно соприкасаются друг с другом, либо разделены осмиофобным пространством. Изнутри наружную мембрану выстилает внутренняя мембрана . Она образует выступы - тубулы и или настоящие кристы, чаще всего пузырчато-трубчатого строения, достигающие 150-200 А в толщину и состоящие из двух осмиофильных слоев, разделенных пространством в 50-100 А. Кристы могут идти неравномерно во всех направлениях и не обязательно параллельно длинной оси митохондрий, как это сообщалось первыми исследователями. Внутреннее пространство между кристами заполнено матриксом, который, как правило, менее плотен, чем окружающая органоид цитоплазма. Новая информация о некоторых деталях строения митохондриальной структуры была получена при использовании недавно развитой техники негативного контрастирования и скалывания замороженных образцов (freeze- etching), обеспечивающих высокое разрешение и стабильность препаратов. Метод негативного контрастировапия позволяет воссоздать трехмерную пространственную структуру дрожжевых митохондрий. На микрофотографии ( рис. 2) отчетливо видна ограничивающая внешняя мембрана и находящиеся под ней складки внутренней мембраны, расходящиеся под разными углами. Кроме того, с помощью метода негативного контрастирования фосфорно- вольфрамовой кислотой была обнаружена новая субструктура дрожжевых митохондрий - регулярно расположенные мелкие грибовидные образования, покрывающие всю свободную поверхность внутренней мембраны и крист, обращенную в матрикс митохондрий (см. рис. 3). Детальное рассмотрение ультраструктуры частиц показывает, что каждая состоит из головки сферической формы с d=70-80 А, стебля длиной 45-50 А и шириной 20-40 А и базальной части, представляющей собой сегмент внутренней мембраны митохондрий. Аналогичные структуры найдены в митохондриях из других источников и, по- видимому, характерны для всех мембран, катализирующих окислительное фосфорилирование. Особенно плодотворным для изучения ультратонкой структуры дрожжевых митохондрий оказался метод фиксации клеток замораживанием [см. Фихше ea 1973 , Фихше ea 1973 ]. Модификации этого метода, основанные на сверхбыстром замораживании клеток с последующим нанесением реплик на обнаженные поверхности [см. Фихше ea 1973 , Фихше ea 1973 ], позволили выявить детали, не распознаваемые с помощью обычных методов фиксации. Так, с помощью этого метода показано, что митохондриальные мембраны содержат глобулярные частицы, упаковка которых носит уникальный характер. Слой внешней мембраны, прилегающий к цитоплазме, имеет характерную шероховатую поверхность и содержит перфорации ("поры") нерегулярного устройства, что предполагает возможность контакта между цитоплазмой и перимитохондриальным пространством. При протравливании препаратов парами платины на этой поверхности обнаруживаются многочисленные более мелкие, чем перфорации, частицы [см. Котельникова ea 1973 ]. Поверхности внешней и внутренней мембраны, разделенные незначительным пространством или примыкающие друг к другу, относительно гладкие и содержат лишь рыхло упакованные частицы. На поверхности внутренней мембраны, обращенной к матриксу, четко выявляются глобулярные, относительно плотно упакованные частицы, сопоставимые по своим размерам с теми, что видны при негативном контрастировании. Новые структурные элементы обнаружены и в матриксе. Они имеют форму непрерывной фиброзной сети с нерегулярными плотно упакованными гранулами и областями с концентрацией полос или борозд, представляющих собой, вероятно, также плотно упакованные частицы [см. Фихше ea 1973 , Фихше ea 1973 ].
Результаты структурного анализа хорошо коррелируют с биохимическими доказательствами локализации в матриксе высокополимерной ДНК и сложно организованных полиферментных комплексов и с данными о различном составе и функциональной нагрузке внешней и внутренней митохондриальных мембран (см. разд. 1.3). Как правило, митохондрии дрожжей содержат меньше крист и имеют тенденцию к нерегулярности в очертаниях, устройстве, форме и упаковке их, т. е. характеризуются менее упорядоченной и жесткой структурой, чем более сложные митохондрии высших организмов. Внутренняя митохондриальная мембрана варьирует от настоящих крист до тубулей и обнаруживает удивительную вариабельность в структурных деталях в зависимости от специфики обмена, условий культивирования и фазы роста дрожжевых клеток. Дрожжи с ярко выраженным аэробным типом обмена - облигатные аэробы и слабо бродящие факультативные анаэробы - отличаются развитым мембранным аппаратом и содержат большое число сложно структурированных митохондрий с многочисленными кристами. У бродящих видов дрожжей мембранный аппарат выражен слабо, имеются лишь немногочисленные крупные митохондрии с неправильно ориентированными кристами; у дрожжей низового брожения кристы рудиментируются. Однако следует подчеркнуть, что тонкая структура митохондрий не остается постоянной даже у одного и того же организма (особенно у факультативных анаэробов), а меняется в зависимости от физиологического состояния, фазы роста и условий культивирования. Поэтому перечисленные выше характерные морфологические особенности относятся лишь к вполне "сформировавшимся" митохондриям в клетках, собранных в поздней экспоненциальной или стационарной фазах роста. Те же клетки в экспоненциальной фазе роста или при выращивании на среде с высокой концентрацией глюкозы обладают немногочисленными митохондриями со сравнительно простой внутренней организацией. Нередко полиморфизм митохондрий можно наблюдать даже в пределах одной клетки. Еще большая вариабельность отмечена для формы и размеров митохондрий. И это неудивительно, так как функционирование митохондриального аппарата, как известно еще из прижизненного наблюдения с использованием цейтраферной съемки, происходит в условиях его непрерывной подвижности, сопровождающейся изменением размеров и форы. В процессе движения митохондрии могут собираться в крупные агрегаты или, наоборот, распадаться на более мелкие образования. Характерная ориентация и направленное движение митохондрий, иногда сопровождающиеся агрегацией в специфические формы, происходит при делении и почковании дрожжевых клеток.
Однако обнаружение актина в митохондриях [ Ethoh ea 1990 ] и подавление антагонистами кальмодулина , зависимого от дыхания набухания митохондрий, дает основание полагать, что некоторые функции подвижности митохондрий могут контролироваться эндогенными (собственными) Са2+ зависимыми системами.
Ученые выяснили, что при почковании клетки дрожжей передают своему потомству больше митохондрий, чем оставляют себе.
Порыв пожертвовать всем, даже собственным здоровьем, на благо своего потомства присущ различным видам живых существ, а не только людям. Самки полярных медведей умирают от голода, дельфины-матери перестают спать, а некоторые виды пауков жертвуют собой, чтобы обеспечить потомство питанием.
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Необычайное открытие сделали учёные из Университета Калифорнии, Сан-Франциско (UCSF). Оказалось, что даже дрожжам присущ «родительский инстинкт», и они могут пожертвовать собой, чтобы потомство смогло выжить. Согласно данным, опубликованным в журнале Science, специалисты из UCSF обнаружили, что пекарские дрожжи (Saccharomyces cerevisiae) передают большую часть своих митохондрий потомству. Митохондрии – миниатюрные «электростанции» клеток растений, животных и грибов (к коим относят и дрожжи), вырабатывающие энергию для протекания основных биохимических процессов.
Долгое время считалось, что при митозе – процессе деления клеток, все клеточные органеллы делятся поровну. Но так происходит не со всеми клетками. Стволовые клетки человека, например, часто делятся таким образом, что получившиеся в результате клетки и «выглядят», и «ведут себя» по-разному. То же самое происходит с некоторыми раковыми клетками. Процесс митоза у дрожжей называют почкованием. Его особенность в том, что при почковании (делении) материнской клетки потомству достается больше митохондрий, чем остается в родительской клетке. «Перекачка» дополнительных митохондрий происходит при участии белков цитоскелета. Обычно «материнского капитала» хватает на 10 делений, к 20-му практически все материнские клетки умирают. Любопытно, что сама «дочерняя» клетка при этом по размеру меньше «материнской».
Больше всего ученых удивил сам факт, что «материнские» дрожжи передают митохондрии потомству, приближая тем самым собственную смерть.
Руководитель исследования Уоллас Маршалл, доктор биохимических и биофизических наук, сообщил, что материнская клетка будет передавать столько митохондрий, сколько понадобится новым клеткам. «Мать отдаёт всё, не получая ничего по мере роста потомства», – подчеркнул он.
Если ученые научатся контролировать процесс передачи митохондрий у дрожжей, возможно, это станет еще одним шагом к пониманию того, каким образом происходит разрастание раковых клеток.
Иллюстрации: 1. Процесс почкования Saccharomyces cerevisiae. 2. Компьютерное изображение митохондриальной сети дрожжей.
