Dans l’ADN mitochondrial de levure, seuls 2 gènes d’ARN ribosomal et un seul gène de protéine ribosomale ont été trouvés. Cette protéine est située dans la petite sous-unité du ribosome. Le gène de la protéine ribosomale est de taille assez variable, même selon les différentes souches, c'est pourquoi il a reçu le nom de variable ( Var l). Les protéines restantes et l'ARN des ribosomes mitochondriaux sont codés par des gènes nucléaires. 24 gènes d'ARN de transfert assurent le transport de tous les acides aminés jusqu'au site de synthèse des protéines, et un seul ARN de transfert, transportant la lysine, est importé du cytoplasme et codé par le noyau. Tous les ARN de transfert des mitochondries de levure sont codés par le même brin d’ADN, et un seul d’entre eux est codé par le brin opposé. Aucun des gènes d'ADN de transport n'a d'introns. Les gènes des protéines du cytochrome B et des protéines du cytochrome C peuvent avoir de nombreux introns - de 5 à 9.
Des données présentées, il s'ensuit que les protéines structurelles codées par le génome mitochondrial de levure sont clairement insuffisantes pour le fonctionnement de ces organites et que la plupart d'entre elles sont codées par le génome nucléaire.
Caractéristiques caractéristiques de l'organisation et de l'expression du génome mitochondrial des champignons :
1. diversité significative dans les ensembles et la disposition des gènes mitochondriaux chez différentes espèces ;
une grande variété de façons d'organiser le matériel génétique - de l'organisation compacte du génome à la libre distribution des gènes le long de l'ADNmt avec des séquences non codantes étendues entre les gènes ;
- 3. structure en mosaïque d'un certain nombre de gènes ;
- 4. variations intraspécifiques significatives de la taille de l'ADNmt associées à la présence d'introns « facultatifs » ;
- 5. la capacité de segments individuels d'ADNmt à être excisés et amplifiés pour former un génome mitochondrial défectueux ;
- 6. la présence d'un ou plusieurs ORI, dans chacun desquels la réplication est initiée de manière bidirectionnelle ;
- 7. localisation de tous les gènes mitochondriaux sur un brin d'ADNmt et transcription asymétrique de l'ADNmt ;
- 8. multiplicité des unités de transcription de l'ADNmt ;
- 9. une variété de signaux pour le traitement des transcrits primaires, qui peuvent être soit des blocs d'ARNt, soit des blocs oligonucléotidiques d'un autre type - selon l'espèce ;
- 10. Dans la plupart des cas, les ARNm contiennent des séquences terminales non codantes étendues.
La plupart organisation complexe génome mitochondrial chez les plantes supérieures. Leur génome mitochondrial est un ensemble de molécules circulaires et/ou linéaires double brin superenroulées. Toutes les séquences du génome mitochondrial peuvent être organisées en un grand « chromosome » circulaire, et les différentes classes de taille observées de l'ADN mitochondrial sont très probablement le résultat de processus de recombinaison. Par au moins, sur épinards, espèces de deux genres Brassica Et Raphanus, la betterave sucrière et le blé, il a été démontré que la raison d'une telle dispersion du génome mitochondrial est la recombinaison de régions homologues de l'ADN mitochondrial. En raison de la présence de deux ou trois familles de répétitions directement orientées dont la taille varie de 1 à 14 kb, les molécules d'ADN mitochondrial sont capables de réarrangements inter- et intragénomiques actifs. À la suite de tels réarrangements, l’ADN mitochondrial peut être présent sous la forme de molécules de différentes classes de taille.
Ainsi, par exemple, chez les crucifères Brassica campestris L'ADN mitochondrial est présent sous la forme de trois types de molécules circulaires. Le premier type contient le génome complet - 218 Ko, le deuxième - 135 et le troisième - 83 Ko. Les anneaux sous-génomiques sont formés à la suite de la recombinaison d'anneaux génomiques ayant une paire de répétitions directes de 2 kb de longueur.
Chez le blé, la taille du génome mitochondrial est beaucoup plus grande - 430 kb, et il y a plus de 10 répétitions de recombinaison directe, par conséquent, lors de l'observation au microscope électronique, de nombreux anneaux de différentes tailles peuvent être vus, mais personne n'en a observé un. grosse molécule circulaire, peut-être dans cet état, le génome mitochondrial du blé n'est jamais présent. Dans la mousse Marchantia et autres crucifères Brassica hirta Il n’y a pas de répétitions de recombinaison directe et c’est peut-être la raison pour laquelle l’ADN mitochondrial se présente sous la forme de molécules circulaires de même classe de taille. Cependant, pour l'ADN mitochondrial des plantes supérieures, cela est plutôt une exception que la règle. Dans la plupart des plantes supérieures, le génome mitochondrial contient à la fois des répétitions de recombinaison et des molécules d'ADN mitochondrial de différentes classes de taille.
Le nombre de molécules de même classe de taille peut varier considérablement selon divers tissus plantes, en fonction de l'état des plantes et des conditions environnement. Un changement dans les rapports numériques des molécules d'ADN mitochondrial de différentes classes de taille a été noté au cours de la culture des plantes. in vivo Et in vitro. Peut-être que les changements dans les relations numériques entre les molécules de différentes classes de taille reflètent l'adaptabilité des plantes grâce à une amplification accrue des gènes souhaités.
De plus, le génome mitochondrial peut contenir des plasmides, à la fois linéaires et circulaires, avec des séquences d'ADN et d'ARN dont la taille varie de 1 à 30 kb. Les plasmides mitochondriaux proviennent probablement d’autres génomes cellulaires ou même d’autres organismes. Parfois, leur présence ou leur absence peut être associée à la stérilité mâle cytoplasmique des plantes, mais pas toujours. Des plasmides sont présents chez certaines espèces, mais la stérilité n'est pas observée. Dans au moins un cas, il a été clairement démontré que dans les mitochondries de lignées présentant ce que l'on appelle la stérilité du maïs de type S, une corrélation a été trouvée entre la présence d'ADN mitochondrial de type plasmidique et la manifestation du phénomène de stérilité mâle cytoplasmique. stérilité. La capacité des plasmides mitochondriaux à s'intégrer à la fois dans le génome mitochondrial et dans les chromosomes nucléaires a été notée. Cependant, dans d’autres cas, la présence d’ADN plasmidique n’entraîne pas toujours la stérilité du pollen.
La taille du génome mitochondrial des plantes est la plus variable - de 200 à 2 500 kb. La taille du génome mitochondrial des plantes supérieures est supérieure à la taille de leur génome chloroplastique.
Une variation significative de la taille du génome mitochondrial est la deuxième caractéristique du génome mitochondrial végétal. Le génome est non seulement très vaste, mais peut également être différent, même parmi des espèces étroitement apparentées, et dans certains cas, une faible variabilité peut être observée - espèces du genre Brassica, dans d'autres, il est très grand. La plus grande variabilité de taille est observée chez les plants de citrouilles. Au sein de cette famille, la taille du génome mitochondrial est la plus variable – de 330 kb. dans la pastèque jusqu'à 2500 ko. au melon. Par conséquent, la part de l'ADN mitochondrial dans le volume total du génome végétal peut également varier considérablement - environ 1 % dans la plupart des plantes, jusqu'à 15 % dans les cellules d'hypocotyle de melon.
Présence dans les génomes mitochondriaux grandes tailles Ils tentent de l'expliquer pour diverses raisons.
La présence de gènes supplémentaires ou de séquences spéciales nécessaires au fonctionnement des mitochondries.
La présence d’ADN qui est utilisé par la plante, mais pas comme codeur, mais pour une autre fonction.
L’ADN qui n’est pas utilisé pour le fonctionnement des mitochondries est appelé ADN « égoïste ».
Apparemment, il existe une autre possibilité d'augmenter la taille du génome mitochondrial : il s'agit de séquences homologues à l'ADN nucléaire et chloroplastique. Les séquences homologues à l'ADN nucléaire, par exemple, chez Arabidopsis représentent jusqu'à 5 % du génome mitochondrial. Initialement, la séquence du génome chloroplastique incorporée au génome mitochondrial a été découverte dans le maïs. Il comprenait une région d'environ 14 kb contenant des gènes altérés d'ARN ribosomique 16S de chloroplaste et une région de la grande sous-unité RDPK/O. Par la suite, des insertions de chloroplastes ont été découvertes dans le génome mitochondrial de nombreuses espèces végétales supérieures. En règle générale, elles représentent 1 à 2 % des séquences mitochondriales et comprennent trois séquences majeures.
La séquence fait 12 Ko. à partir d'une répétition inverse de l'ADN chloroplastique. Il contient des séquences pour l'exon 3" de quatre ARN de transfert et la séquence 16 S ARN ribosomique.
Une séquence de 1,9 à 2,7 Ko qui code complètement la grande sous-unité de Rubisco.
Séquence ne dépassant pas 2 Ko. Dans le génome chloroplastique, cette région code pour l'extrémité 3" de l'ARN ribosomal 23S, de l'ARNr 4,5S et 5S, ainsi que de trois ARN de transfert. De toutes les séquences du génome chloroplastique présentes dans le génome mitochondrial végétal, seul l'ARN de transfert les séquences sont effectivement retranscrites.
Étant donné que de nombreuses espèces végétales possèdent les mêmes séquences chloroplastiques dans leur génome mitochondrial, on peut supposer qu'elles possèdent certaines séquences chloroplastiques. valeur fonctionnelle. Dans le même temps, leur rôle, le mécanisme de transfert et le moment de ce transfert restent inconnus. Ce transfert s'est-il produit à une époque lointaine de l'évolution de la formation d'une cellule eucaryote, ou la présence d'insertions de chloroplastes dans le génome mitochondrial indique-t-elle qu'il s'agit d'un processus normal d'échange d'informations entre organites, qui se produit actuellement, ou est-ce se produisent-ils périodiquement au cours d’une période de formation évolutive relativement récente ? types spécifiques et les genres végétaux ?
De plus, certaines séquences du génome mitochondrial sont des séquences homologues aux séquences virales.
Pour établir le nombre de gènes dans le génome des mitochondries végétales qui fonctionnent réellement, un certain nombre de chercheurs ont déterminé le nombre de produits de traduction. Il a été démontré que le nombre de bandes protéiques détectables était le même, même pour les plantes présentant des différences de taille génomique 10 fois supérieures. Même si les méthodes utilisées n'apportent pas de réponse directe à la question de nombre total gènes du génome mitochondrial, cependant, il est intéressant de noter que le même nombre de produits de traduction a été détecté dans les espèces d'angiospermes analysées et était proche du nombre de gènes codant pour des protéines dans les mitochondries animales et de levure.
Pour la première fois, la séquence nucléotidique complète de l'ADN mitochondrial des plantes a été déterminée en 1986 chez une espèce - Marchantia ( Marchantia polymorpha), et plus tard chez Arabidopsis et plusieurs espèces d'algues.
La molécule d'ADN mitochondrial de Marchantia a une taille de 186 608 pb. Il code des gènes pour 3 ARNr, 29 gènes pour 27 ARNt et 30 gènes pour des protéines fonctionnelles connues (16 protéines ribosomales, 3 sous-unités de cytochrome C oxydase, cytochrome b, 4 sous-unités d'ATP synthétase et 9 sous-unités de NADH déshydrogénase). Le génome contient également 32 cadres de lecture ouverts non identifiés. De plus, 32 introns ont été trouvés localisés dans 16 gènes. Le nombre de gènes pour un complexe particulier peut varier selon les plantes, puisqu'un ou plusieurs gènes de ce complexe peuvent être transférés au noyau. Parmi les gènes non identifiés, au moins 10 se retrouvent systématiquement dans presque toutes les espèces végétales, ce qui indique l’importance de leurs fonctions.
Le nombre de gènes mitochondriaux codant pour les ARN de transfert des mitochondries végétales est très variable. Chez de nombreuses espèces, leurs propres ARN de transfert mitochondriaux sont clairement insuffisants et sont donc exportés depuis le cytoplasme (codés par le noyau ou le génome du plaste). Par exemple, chez Arabidopsis, 12 ARN de transfert sont codés par les mitochondries, 6 sont chloroplastiques et 13 sont nucléaires ; chez Marchantia, 29 sont mitochondriales et 2 sont nucléaires, et aucun des ARN de transport n'a de codage chloroplastique ; dans les pommes de terre, 25 sont mitochondriales, 5 sont chloroplastiques et 11 sont nucléaires ; dans le blé, 9 sont mitochondriales, 6 sont chloroplastiques et 3 sont nucléaires (Tableau 3).
Contrairement aux gènes de l’ADN mitochondrial animal et des gènes chloroplastiques, les gènes de l’ADN mitochondrial végétal sont dispersés dans tout le génome. Cela s’applique à la fois aux gènes codant pour les ARN de transfert et aux gènes codant pour les protéines.
Tableau 3
La nature des ARN de transfert mitochondriaux chez les plantes
Comme le génome des mitochondries fongiques, le génome des mitochondries végétales possède des introns que les génomes des mitochondries animales ne possèdent pas.
Chez certaines espèces, un certain nombre de gènes du génome sont dupliqués. Ainsi, dans le maïs et les fèves, les gènes de l’ARNr ne sont pas répétés, mais dans le blé, ils le sont plusieurs fois. Les gènes codant pour les protéines mitochondriales peuvent également être répétés dans leur génome.
Naturellement, les mitochondries, comme les chloroplastes, contiennent beaucoup plus de protéines enzymatiques que leur génome de gènes. Et, par conséquent, la plupart des protéines sont contrôlées par le génome nucléaire, assemblées dans le cytoplasme sur des ribosomes cytoplasmiques plutôt que mitochondriaux, et transportées dans les membranes mitochondriales.
Ainsi, le génome mitochondrial des plantes est un système extrêmement variable en termes de structure, mais assez stable en termes de nombre de gènes. Contrairement au génome compact des chloroplastes, dans le génome mitochondrial des plantes, les gènes représentent moins de 20 % du génome. L'élargissement du génome mitochondrial par rapport aux champignons ou aux animaux est provoqué par la présence d'introns, de diverses séquences répétitives, d'insertions du génome des chloroplastes, du noyau et des virus. Les fonctions d'environ 50 % du génome mitochondrial végétal n'ont pas encore été élucidées. Outre le fait que de nombreux gènes structurels qui contrôlent la fonction des mitochondries se trouvent dans le noyau, de nombreux gènes qui contrôlent les processus de transcription, de traitement et de traduction des gènes mitochondriaux s'y trouvent également. Par conséquent, les mitochondries sont des organites encore moins autonomes que les plastes.
La découverte d'une forme particulière de comportement sexuel dans les mitochondries est compatible avec la théorie de la symbiose. La recombinaison génétique dans ces organites rappelle beaucoup plus le processus sexuel des phages et des bactéries que celui des noyaux eucaryotes. Toutes les données claires ont été obtenues pour Saccharomyces, puisque la levure peut se reproduire en culture pure, sur un milieu d'une certaine composition, sous forme d'haploïdes ou de diploïdes stables. Dans ces cellules en division mitotique, le génome nucléaire reste inchangé, ce qui permet de surveiller la ségrégation ADN recombinant, formé lors de croisements entre mitochondries parentales marquées. La recombinaison du matériel génétique mitochondrial se produit régulièrement chez la levure et souvent indépendamment de la méiose.
Étant donné que la plupart des autres eucaryotes ne tolèrent pas de perturbations graves du fonctionnement des mitochondries et ne peuvent se développer sans processus sexuel sous forme de haploïdes simples ou cellules diploïdes, le comportement génétique de leurs mitochondries ne peut être étudié. Cependant, si les résultats obtenus chez la levure peuvent être extrapolés à d’autres organismes eucaryotes, alors la recombinaison mitochondriale devrait être courante. Vos propres organites peuvent avoir leur propre vie sexuelle secrète.
Une carte génétique des mitochondries de levure a déjà été construite. Près de la moitié des mutations mitochondriales caractérisées affectent le système de synthèse protéique de ces organites : elles se traduisent par des modifications de la résistance aux antibiotiques, des modifications du transport et des ARN ribosomiques. D'autres mutations affectent les complexes protéiques respiratoires associés à la membrane. Environ 700 mutants mitochondriaux isolés indépendamment sont connus. Commentant le comportement sexuel des mitochondries de levure, B. Dujon (communication personnelle, 1978) écrit :
« Je crois que le terme « sexe » doit être utilisé avec prudence par rapport aux mitochondries, mais avec la définition que vous lui donnez [la formation régulière d'individus ayant plus d'un parent], je suis tout à fait d'accord avec l'utilisation de ce terme. Les génomes mitochondriaux intacts de la levure se recombinent si activement qu'après une courte croissance [asexuée] [de la levure mère stablement diploïde résultant de l'accouplement], toutes sortes de recombinants multiples [de mitochondries] apparaissent. Mais il convient de noter que la recombinaison peut également se produire entre différentes molécules d’ADN mitochondrial provenant d’un même parent, et pas seulement entre des molécules provenant de parents différents. Le mot « sexe » fait souvent également référence à la différenciation sexuelle, et bien que l’on parle toujours de croisements « homosexuels » et « hétérosexuels », il n’existe aucune preuve de l’existence de deux (ou plus) types sexuels parmi les mitochondries. Dans notre terminologie, un « type sexuel » est un type capable de se recombiner uniquement avec le type sexuel opposé. Le système oméga (ω), qui contrôle la polarité de la recombinaison à proximité du locus oméga lui-même, a été initialement accepté comme un type sexuel. Nous savons désormais que la différence entre ω + et ω - est associée à l'inclusion d'une séquence nucléotidique spécifique (environ 1000 paires) dans une région précisément localisée de l'ADN mitochondrial. Enfin, dans l'esprit de nombreux chercheurs, il existe un parallèle entre l'héritage mitochondrial et l'héritage maternel [les génotypes mitochondriaux sont transmis à la progéniture par un seul parent, généralement la femelle ou le parent producteur d'œufs]. Tous nos résultats indiquent que chez la levure, les deux parents contribuent à parts égales au transfert des mitochondries à leur progéniture, quel que soit leur type de sexe nucléaire... et il ne sert donc à rien de parler d'un effet d'hérédité maternelle. Ce n’est évidemment pas le cas chez d’autres espèces. »
La recombinaison dans les mitochondries est généralement étudiée à l'aide de marqueurs de résistance aux antibiotiques ou de mutations de protéines impliquées dans la respiration et la phosphorylation oxydative. Le premier, par exemple, est la résistance aux antibiotiques aminoglycosides, connus pour inhiber la croissance des organismes vivants et libres. Bactérie pathogène, rejoindre leurs ribosomes est considéré comme une mutation affectant les ribosomes mitochondriaux. Les secondes, appelées mutations mit, sont des défauts dans les gènes mitochondriaux codant pour des protéines telles que la cytochrome oxydase, l'ATPase membranaire sensible à l'oligomycine, le cytochrome b et diverses réductases. Caractéristiques biologiques levure et grand nombre les marqueurs mitochondriaux ont rendu possibles des croisements multifactoriels, dans lesquels la transmission de nombreux déterminants génétiques mitochondriaux peut être retracée simultanément. Plus de dix années de travaux de plusieurs chercheurs permettent de dresser un tableau intéressant du processus sexuel mitochondrial. Le résumé suivant est basé principalement sur les travaux de Dujon et Slonimsky.
Le système génétique mitochondrial est multigénomique : chaque cellule de levure contient plusieurs copies identiques d’ADN mitochondrial fonctionnel. Leur nombre n'est pas fixe. Le nombre de copies génétiquement actives peut varier différentes cellules une souche de levure ; ça dépend aussi conditions extérieures comme la température et la présence diverses substances, et sur le taux de croissance des levures. Les différences entre souches dans le nombre de génomes mitochondriaux par cellule sont au moins en partie déterminées par plusieurs gènes nucléaires en interaction. L'appariement et la recombinaison de l'ADN mitochondrial semblent se produire fréquemment et de manière aléatoire. La recombinaison n'est pas réciproque ; en effet, le nombre de doubles recombinants dans les croisements à deux facteurs est toujours plus de deux fois (souvent beaucoup plus) que prévu sur la base du modèle réciproque. Les produits de recombinaison se séparent rapidement au cours de la division cellulaire mitotique ; une cellule qui contenait initialement des mitochondries étiquetées différemment, après plusieurs divisions donne naissance à des cellules filles avec un seul type de mitochondries. La raison de cette ségrégation, qui se produit sans ajout d’agents sélectifs, n’est pas claire. En un sens, il s'agit d'une manifestation de sélection intracellulaire, dans laquelle le reste de la cellule - le nucléocytoplasme - sert aux mitochondries. environnement externe. Il a été démontré que la sélection intracellulaire peut conduire à la ségrégation de certains marqueurs de résistance aux antibiotiques. Apparemment Petit nombre Les unités génétiques mitochondriales en ségrégation contenues dans chaque cellule de levure sont distribuées de manière aléatoire au cours de la division mitotique. Chaque unité de ségrégation est apparemment constituée de plusieurs molécules d'ADN. L’organisation de cet ADN n’est pas entièrement comprise, mais l’hypothèse la plus plausible est que l’unité de ségrégation serait un groupe de molécules d’ADN mitochondrial attachées à un endroit précis de la membrane interne de la mitochondrie. Ceci est cohérent avec les données de microscopie électronique.
Ce qui suit peut être formulé règles générales transmission héréditaire et recombinaison de marqueurs mitochondriaux chez Saccharomyces cerevisiae.
1. La transmission de deux ou plusieurs allèles de locus différents, s'ils sont obtenus à partir du même parent (cellule de levure), se produit toujours de manière corrélée. Il existe souvent, mais pas toujours, une corrélation linéaire ; si la corrélation est non linéaire, sa forme est prédite par le modèle de Dujon et Slonimsky.
2. La limite supérieure de la fréquence de recombinaison entre deux marqueurs est de 20 à 25 %. Cette limite ne peut être dépassée que lorsque deux recombinants réciproques apparaissent avec une différentes fréquences. Ce phénomène est appelé polarité de recombinaison. Si la polarité est élevée, la fréquence maximale de recombinaison peut atteindre 80 %, et dans ce cas le nombre de types recombinants est bien supérieur au nombre de types parents.
3. Il existe une relation fonctionnelle non linéaire entre la fréquence de recombinaison entre deux loci et la transmission des allèles à chaque locus. Le type de cette relation est prédit par le modèle de Dujon et Slonimsky.
4. Dans les croisements à trois facteurs, lorsqu'il n'y a pas de polarité de recombinaison, le nombre de recombinants doubles est au moins deux fois plus grand que prévu, égal au produit des fréquences d'apparition de deux recombinants simples.
Ces quatre règles permettent de construire une carte physique et génétique de l’ADN mitochondrial de levure. Toutes les mutations qui obéissent à ces règles sont localisées dans un groupe de liaison, c'est-à-dire dans une molécule d'ADN mitochondrial. Le génome mitochondrial est constitué de séquences nucléotidiques uniques séparées par des séquences répétitives. Il existe 60 à 70 gènes uniques d’une longueur moyenne de 530 nucléotides ; ils alternent avec des séquences répétitives d'une longueur moyenne de 680 nucléotides. Chaque séquence répétée est constituée d'un espaceur riche en AT (environ 600 nucléotides), d'un court amas d'environ 30 nucléotides et d'un amas riche en GC d'environ 50 nucléotides de longueur. Les espaceurs riches en AT joueront probablement un rôle important dans la recombinaison ; deux autres séquences au sein des répétitions peuvent, entre autres, réguler l'initiation de la synthèse de l'ADN.
Pour résumer, les mitochondries de levure constituent un système génétique multigénomique qui subit de nombreux cycles d'accouplement et se caractérise par haute efficacité recombinaison génétique et ségrégation aléatoire mais très rapide. Cette « promiscuité » particulière – le caractère aléatoire des recombinaisons et la vitesse de la ségrégation – ressemble au comportement génétique des bactériophages.
Cependant, à d’autres égards, l’ADN mitochondrial n’est pas similaire à l’ADN des phages. Par exemple, des souches de levure étroitement apparentées peuvent différer considérablement en termes de volume et de teneur en ADN mitochondrial, sans différer en termes de fonction mitochondriale. Dans des souches étroitement apparentées, même la composition nucléotidique de l'ADN mitochondrial peut être différente, de sorte qu'une partie importante de cet ADN doit être redondante pour le fonctionnement du génome. De plus, comme chez les eucaryotes, les gènes mitochondriaux ont une organisation en mosaïque. Autrement dit, matériel génétique, encodage différentes régions de la même protéine peuvent être localisés dans des segments d'ADN séparés, et les transcrits correspondants sont combinés par épissage. Ces caractéristiques et d’autres de l’organisation génétique des mitochondries ont conduit Bernardi à la conclusion suivante :
« Deux conclusions principales peuvent être tirées... Premièrement, le génome mitochondrial de levure est caractérisé par une organisation de type eucaryote plutôt que procaryote... Deuxièmement, dans un système tel que le génome mitochondrial de levure, où alternent des séquences uniques et répétées, des recombinaisons basé sur l’homologie des régions répétitives. Il s’agit du principal mécanisme de divergence et d’évolution des génomes, qui fournit des taux de ces processus plusieurs fois plus élevés que le mécanisme basé sur les mutations ponctuelles.
Bernardi croit apparemment que organisation génétique les mitochondries se sont formées de telle manière que leur évolution puisse se produire plus rapidement. Cependant, il nous semble que, quelle que soit la signification de tous ces faits pour la théorie symbiotique, il serait déraisonnable de les expliquer en conférant à l'évolution le pouvoir de la prévision.
). Extérieurement, les mitochondries de levure sont délimitées du cytoplasme par une membrane bicouche externe, dont les deux couches se touchent directement ou sont séparées par un espace osmiophobe. De l’intérieur, la membrane externe est doublée d’une membrane interne. Il forme des saillies - des tubules et/ou de véritables crêtes, le plus souvent de structure vésiculaire-tubulaire, atteignant 150 à 200 A d'épaisseur et constituées de deux couches osmiophiles séparées par un espace de 50 à 100 A. Les crêtes peuvent s'étendre de manière inégale dans toutes les directions et pas nécessairement parallèle au grand axe des mitochondries, comme l’ont rapporté les premiers chercheurs. L'espace interne entre les crêtes est rempli d'une matrice qui, en règle générale, est moins dense que le cytoplasme entourant l'organite. De nouvelles informations sur certains détails de la structure mitochondriale ont été obtenues à l'aide de la technique récemment développée de contraste négatif et de gravure par gel, qui offre une haute résolution et une stabilité des préparations. La méthode du contraste négatif permet de recréer la structure spatiale tridimensionnelle des mitochondries de levure. La microphotographie (Fig. 2) montre clairement la membrane externe limitante et les plis de la membrane interne situés en dessous, divergents sous différents angles. De plus, en utilisant la méthode de contraste négatif avec l'acide phosphotungstique, une nouvelle sous-structure des mitochondries de levure a été découverte - de petites formations en forme de champignon régulièrement situées couvrant toute la surface libre de la membrane interne et des crêtes, face à la matrice mitochondriale (voir Fig. 3) . Un examen détaillé de l'ultrastructure des particules montre que chacune est constituée d'une tête sphérique de d = 70-80 A, d'une tige de 45-50 A de longueur et de 20-40 A de largeur, et d'une partie basale, qui est un segment de la membrane mitochondriale interne. Des structures similaires se trouvent dans les mitochondries provenant d'autres sources et, apparemment, sont caractéristiques de toutes les membranes qui catalysent la phosphorylation oxydative. La méthode de fixation cellulaire par congélation s'est révélée particulièrement efficace pour étudier la structure ultrafine des mitochondries de levure [voir Fichsche ea 1973, Fichsche ea 1973]. Modifications de cette méthode basées sur la congélation ultra-rapide des cellules suivie de l'application de répliques sur les surfaces exposées [voir Fichsche ea 1973, Fichsche ea 1973], ont permis d'identifier des détails qui n'étaient pas reconnaissables avec les méthodes de fixation conventionnelles. Ainsi, grâce à cette méthode, il a été démontré que les membranes mitochondriales contiennent des particules globulaires dont l'emballage est unique. La couche membranaire externe adjacente au cytoplasme présente une surface rugueuse caractéristique et contient des perforations (« pores ») de disposition irrégulière, suggérant la possibilité d'un contact entre le cytoplasme et l'espace périmitochondrie. Lors de la gravure de préparations à la vapeur de platine, de nombreuses particules plus petites que les perforations se trouvent sur cette surface [voir. Kotelnikova et 1973]. Les surfaces des membranes externe et interne, séparées par un petit espace ou adjacentes les unes aux autres, sont relativement lisses et ne contiennent que des particules faiblement tassées. Sur la surface de la membrane interne faisant face à la matrice, des particules globulaires relativement densément tassées sont clairement visibles, de taille comparable à celles visibles avec un contraste négatif. De nouveaux éléments structurels ont également été découverts dans la matrice. Ils prennent la forme d'un réseau fibreux continu avec des granules irréguliers densément compactés et des zones avec une concentration de bandes ou de rainures, probablement aussi des particules densément compactées [voir Fig. Fichsche ea 1973, Fichsche ea 1973].
Les résultats de l'analyse structurale sont en bonne corrélation avec les preuves biochimiques de la localisation d'ADN hautement polymère et de complexes multienzymatiques organisés de manière complexe dans la matrice, ainsi qu'avec les données sur composition différente et la charge fonctionnelle des membranes mitochondriales externe et interne (voir section 1.3). En règle générale, les mitochondries de levure contiennent moins de crêtes et ont tendance à être irrégulières dans leur contour, leur structure, leur forme et leur emballage, c'est-à-dire qu'elles sont caractérisées par une structure moins ordonnée et rigide que les mitochondries plus complexes. organismes supérieurs. La membrane mitochondriale interne varie des véritables crêtes aux tubules et présente une variabilité surprenante dans les détails structurels en fonction du métabolisme spécifique, des conditions de culture et de la phase de croissance des cellules de levure. Les levures avec un métabolisme de type aérobie prononcé - aérobies obligatoires et anaérobies facultatifs à faible fermentation - se distinguent par un appareil membranaire développé et contiennent un grand nombre de mitochondries à structure complexe avec de nombreuses crêtes. Chez les espèces de levure en fermentation, l'appareil membranaire est faiblement exprimé ; il n'y a que quelques grandes mitochondries avec des crêtes mal orientées ; Chez les levures de fermentation basse, les crêtes deviennent rudimentaires. Cependant, il convient de souligner que la structure fine des mitochondries ne reste pas constante même dans le même organisme (en particulier chez les anaérobies facultatifs), mais change en fonction de l'état physiologique, de la phase de croissance et des conditions de culture. Par conséquent, les caractéristiques énumérées ci-dessus caractéristiques morphologiques se réfèrent uniquement aux mitochondries entièrement « formées » dans les cellules collectées dans les phases exponentielles ou stationnaires tardives de croissance. Les mêmes cellules en phase de croissance exponentielle ou cultivées dans un milieu à forte concentration en glucose possèdent quelques mitochondries avec une organisation interne relativement simple. Souvent, un polymorphisme mitochondrial peut être observé même au sein d’une même cellule. Une variabilité encore plus grande a été observée pour la forme et la taille des mitochondries. Et cela n'est pas surprenant, puisque le fonctionnement de l'appareil mitochondrial, comme le montrent les observations intravitales utilisant la photographie accélérée, se produit dans des conditions de mobilité continue, accompagnée de changements de taille et d'avance. Au cours du mouvement, les mitochondries peuvent s’assembler en gros agrégats ou, à l’inverse, se désintégrer en formations plus petites. L'orientation caractéristique et le mouvement directionnel des mitochondries, parfois accompagnés d'une agrégation en formes spécifiques, se produisent lors de la division et du bourgeonnement des cellules de levure.
Cependant, la découverte de l'actine dans les mitochondries [Ethoh ea 1990] et la suppression du gonflement mitochondrial dépendant de la respiration par les antagonistes de la calmoduline suggèrent que certaines fonctions de la mobilité mitochondriale peuvent être contrôlées par des systèmes endogènes (intrinsèques) dépendants du Ca2+.
Les scientifiques ont découvert que lorsque les cellules de levure bourgeonnent, elles transmettent plus de mitochondries à leur progéniture qu’elles n’en gardent pour elles-mêmes.
L’envie de tout sacrifier, même sa propre santé, pour le bien de sa progéniture est inhérente divers types des êtres vivants, pas seulement des personnes. Les femelles ours polaires meurent de faim, les mères dauphins arrêtent de dormir et certaines espèces d'araignées se sacrifient pour nourrir leur progéniture.
Science et vie // Illustrations
Science et vie // Illustrations
Une découverte extraordinaire a été faite par des scientifiques de l’Université de Californie à San Francisco (UCSF). Il s'est avéré que même la levure a un « instinct parental » et qu'elle peut se sacrifier pour que sa progéniture puisse survivre. Des chercheurs de l'UCSF ont découvert que la levure de boulangerie (Saccharomyces cerevisiae) transmet la plupart de ses mitochondries à sa progéniture, selon des données publiées dans la revue Science. Les mitochondries sont des « centrales électriques » miniatures de cellules végétales, animales et fongiques (dont la levure), générant de l’énergie pour les processus biochimiques de base.
Pendant longtemps, on a cru que pendant la mitose, le processus de division cellulaire, tous les organites cellulaires étaient divisés de manière égale. Mais cela n’arrive pas à toutes les cellules. Les cellules souches humaines, par exemple, se divisent souvent de telle manière que les cellules qui en résultent ont une « apparence » et un « comportement » différents. La même chose arrive à certains cellules cancéreuses. Le processus de mitose chez la levure est appelé bourgeonnement. Sa particularité est que lors du bourgeonnement (division) de la cellule mère, la progéniture reçoit plus de mitochondries qu'il n'en reste dans la cellule mère. Le « pompage » de mitochondries supplémentaires se produit avec la participation de protéines du cytosquelette. Généralement " capital maternité« Assez pour 10 divisions, au 20 presque toutes les cellules mères meurent. Il est curieux que la cellule « fille » elle-même soit plus petite que la cellule « mère ».
Surtout, les scientifiques ont été surpris par le fait que la levure « mère » transmet les mitochondries à sa progéniture, accélérant ainsi sa propre mort.
Le responsable de l'étude, Wallace Marshall, docteur en sciences biochimiques et biophysiques, a déclaré que la cellule mère transférera autant de mitochondries que les nouvelles cellules en ont besoin. « La mère donne tout et ne reçoit rien à mesure que la progéniture grandit », a-t-il souligné.
Si les scientifiques parviennent à contrôler le processus de transfert mitochondrial chez la levure, cela pourrait constituer une nouvelle étape vers la compréhension du mode de croissance des cellules cancéreuses.
Illustrations : 1. Le processus de bourgeonnement de Saccharomyces cerevisiae. 2. Image informatique du réseau mitochondrial de levure.
