|
|
О ПРОИСХОЖДЕНИИ МИТОХОНДРИЙ и ХЛОРОПЛАСТОВСтр 1 из 2Следующая ⇒ МИТОХОНДРИАЛЬНЫЕ БОЛЕЗНИ НЕМНОГО ИСТОРИИ
1949 год - B.Ephrussi с соавторами открывает "цитоплазматическую" унаследованную "малую" мутацию у дрожжей (факультативные организмы), означающее существование неядерных генетических элементов d митохондриях
1958 год - J.R.McLean c соавторами обнаружил, что митохондрии могут синтезировать белок
1962 год - R.Luft c сотрудниками впервые описал первую болезнь человека, причиной которой были дефекты митохондриальных функций
1963 год - M.M.Nass и S.Nass, группа G.Schatz доложила о присутствии ДНК в митохондриях
1981 год - S.Anderson c соавторами публикует полную последовательность митохондриального генома человека
О ПРОИСХОЖДЕНИИ МИТОХОНДРИЙ и ХЛОРОПЛАСТОВ Эукариотическая клетка не является эволюционно целой Так как клетки животных, растений и других эукариотов Генетически мозаичны.
митохондрии и хлоропласты (трансдукция энергии) являются прямыми потомками свободноживущих бактерий - подобных организмов
которые выбрали ядерные клетки в качестве места обитания и были удачно в них интегрированы
ЭНДОСИМБИОНТЫ принесли с собой бактериальный геном, остатки которого продолжают существовать сегодня в виде миохондриальной ДНК (мхДНК),
а в фотосинтезирующих эукариотах в виде хлоропластной ДНК (хпДНК).
Эти геномы играют хотя и ограниченную, но весьма существенную роль в биогенезе организмов.
ЭНДОСИМБИОТИЧЕСКАЯ ГИПОТЕЗА Была выдвинута 100 лет назад - однако факты, подтверждающие эту теорию были получены лишь в два последних десятилетия ФАКТЫ
1960 году митохондрии и хлоропласты содержат СОБСТВЕННУЮ ГЕНЕТИЧЕСКУЮ ИНФОРМАЦИЮ.
гены органелл могут быть использованы для выявления эволюционного происхождения митохондрий и хлоропластов. Определение происхождения органелл обычно осуществляют по рРНК Сравнение гомологичных последовательностей рРНК хлоропластов и митохондрий и эукариотической клетки было использовано для построения филогенетического дерева, которое показывает эволюционные взаимоотношения.
Такой подход лежит в основе предполагаемого разделения всего биологического царства на три крупных сферы: Archae (архибактерии), Bacteria (эубактерии ) Eucarya (эукариоты). Гены рРНК расположены среди нескольких генов, Встречающихся как в мхДНК, хпДНК, так и в ядерной ДНК Когда последовательности нуклеотидов рРНК органелл сравнили с рРНК филогенетических деревьев – оказалось, что они попадают на территорию Bacteria – таким образом они происходят, прежде всего, из родословной совершенно отличной от тех, которые гомологичны ядерной рРНК.
Такое сравнение демонстрирует, что хлоропласты и митохондрии пришли из совершенно различных групп эубактерий: кластер хлоропластов из сине-зелёных водорослей (цианобактерий)
а митохондриальная группа из группы Несерных пурпурных бактерий (альфа-протеобактерии).
митохондрии проявляют специфическое отношение к определённой подгруппе составленной из таких облигатных внутриклеточных паразитов альфа-протебактерий – как Rickettsia, Ehrlichia и Anaplasma.
Эволюция эукариотической клетки Использовала два раздельных симбиотических события – одно привело к появлению митохондрий, итогом второго было появление хлоропластов.
Если эти события произошли раз, не могли ли они многократно повторяться и привести к появлению различных по происхождению митохондрий и пластид в различных эукариотических линиях (животные, растений, грибы). Этот вопрос обсуждается. МИТОХОНДРИАЛЬНЫЕ БОЛЕЗНИ ВВЕДЕНИЕ
Митохондриальные болезни – нарушения, связанные с дефектами митохондриальных функций
были изучены и определены как группа особых клинически отчётливых патологий более 35 лет назад. За последние 6 лет была доказана центральная роль этих органелл уже при ряде дисфункций. Для выяснения природы наиболее выраженных групп болезней были применены самые современные технологии молекулярной и клеточной биологии.
ИСТОРИЯ
Болезнь первая - синдром Luft 1960 Rolf Luft и Lars Ernster описали пациентку, которая была очень худая, хотя чрезвычайно много ела и, кроме того. профузно потела даже в холодную погоду (болезнь Luft).
Суть болезни показало глубокое вовлечение в процесс дефекта митохондриального метаболизма энергии и с целью доказательства в серии элегантных экспериментов было показано, что процессы окисления и фосфорилирования в митохондриях этой пациентки были "разобщены" и могли превращать в эквивалентное количества АТФ лишь незначительную часть энергии, присутствующей в биохимических субстратах.
Не превращённая в АТФ энергия отклонялась от сопряжённого пути синтеза АТФ и рассеивалась в виде тепла - отсюда и неуёмное потребление пищи и профузный пот. 1960 год хеми-осмотрическая гипотеза Питера Митчелла не была высказана и природа этого "разобщения" оставалась загадкой.
Сегодня мы знаем, что протондвижущий градиент на наружной стороне внутренней мембране митохондрий напрямую связан с продукцией АТФ и такие вещества как, к примеру, динитрофефенол, благодаря увеличению проницаемости мембран к протону могут "рассеивать" протонный градиент и, таким образом, разобщать окисление и фосфорилирование. СЛАЙД - митохондрия СЛАЙД - цепь элетронного транспорта
По-видимому, основная ошибка метаболизма при болезни Luft заключается в разобщении двух обычно хорошо сопряженных процессов, хотя до настоящего времени точная причина, вызывающая эти изменения при болезни Luft, неизвестна.
ПРИМЕЧАНИЕ Болезнь Luft - очень редкая болезнь из когда-либо описанных, и число пациентов, страдающих этим заболеванием, весьма ограничено. МИТОХОНДРИАЛЬНЫЙ ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА И ЕГО МУТАЦИИ Митохондриальный геном человека был идентифицирован в 1960 году и расшифрован группой Sanger в 1981 году. Митохондриальная ДНК человека представляет собой необычайно компактную двухцепочечную кольцевую молекулу, длинной 16.569 основных нуклеотидных пар. Содержит 37 генов, 13 из которых кодируют полипептиды. Полное количество генов мхДНК – 37
13 генов мхДНК кодируют:
- 7 субъединиц комплекса I дыхательной цепи (НАДН дегидрогеназа-коэнзим Q оксидоредуктаза);
- 1 субъединицу комплекса III (коэнзим Q - цитохром С оксидоредуктаза;
- 3 субъединицы комплекса IV - цитохром С оксидаза;
- 2 субьединицы комплекса V (АТФ синтетаза). Все эти комплексы также содержат субъединицы, которые кодируются ядерными генами и синтезируются в цитоплазме, а затем последовательно импортируются в митохондрию.
Точно установлено, что комплекс II дыхательной цепи (сукцинатдегидрогеназа - коэнзим Q оксидоредуктаза), в который входит самый каталитически мощный фермент дыхательной цепи митохондрий СУКЦИНАТДЕГИДРОГЕНАЗА кодируемая только генами клеточного ядра. Полное количество генов мхДНК – 37 Остальные 24 гена требуются для процесса трансляции белков на собственных митохондриальных рибосомах,
22 из 24 генов кодируют транспортные РНК (тРНК)
2 кодируют рибосомальные РНК (рРНК).
ВАЖНОЕ ЗАМЕЧАНИЕ Митохондрии имеют свой собственный генетический код, немного отличающийся от универсального генетического кода, используемого ядерной ДНК). соответствие последовательностей кода тРНК не всегда совпадают В ТЕЧЕНИЕ ПОСЛЕДНИХ ТРЕХ ДЕСЯТИЛЕТИЙ Клинический диагноз митохондриальной болезни основывался на:
1. Биохимических признаках (выраженный молочнокислый ацидоз и дефицит работы дыхательной цепи)
2. Отклонениях в морфологических особенностях взятых для биопсии ткани мышц, наиболее выраженными из которых было присутствие "неровных красных нитей" ("ragged red fibers"- RRF). Выявляемых при специальной окраске 3. Клинические проявления
Всё переменилось в 1988 году, молекулярная генетика стала использоваться, как диагностический инструмент в анализе митохондриальных болезней
ДА ЗДРАВСТВУЮТ МЕТОДЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ГЕНЕТИКИ!!! Болезнь Leber ("Leber's hereditary optic neuropathy" - LHON) Douglas Wallace и его сотрудники (1988)
наследуемые по материнской линии точечные мутации у пациентов, страдающих редким офтальмологическим нарушением – которая приводит к билатеральной потере зрения у взрослых в молодом возрасте. Болезнь Leber Эта точечная мутация выбивает один кодон в ND4 или ND1 или ND5 - генах, кодирующих субъединицы 4 и 1 комплекса I или гене цитохрома b (комплекс III), приводящих к замене консервативных аминокислот.
Со времени открытия гиганских делеций и точечных мутаций в мхДНК были описаны почти ТРИ ДЕСЯТКА других мутаций, 1/3 часть которых связана с проявлением симптомов болезни LHON.
Интересно, что все исследованные мутации LHON находятся у пациентов в полипептид-кодирующих генах для субъдиниц комплексов I, III или IV дыхательной цепи. Клинические признаки при точечных мутациях различной локализации существенно не различаются – поэтому считают, что развитие болезни Leber обусловлено не нарушением конкретного белка, а общим изменением ПРОЦЕССА ЭНЕРГООБРАЗРВАНИЯ в митохондриях.
Пигментный ретинит NARP ("neuropathy, ataxia, retinitis, pigmentosa" (нейропатия, атаксия и пигментный ретинит)
У пациентов наряду с выраженным ведущим симптомом, связанным с нарушением метаболизма в сетчатке глазного дна, было отмечено: - задержка общего развития, - умственная отсталость, - пигментный ретинит, - сенсорная нейропатия, - атаксия, нейрогенная мышечная слабость с отсутствием типичной митохондриальной миопатии. ПРИЧИНЫ Наличие точечной мутации гена 6-ой субъединицы Н+АТФазы, что приводит к замене гидрофобной аминокислоты лейцина на гидрофильную - аргинин. При этом заболевании выраженность клинических признаков коррелировала с количеством мутантной мхДНК.
И их последствия
1 РЕО - "progressive external ophthalmoplegia" (прогрессирующей экстраофтальмоплегией) Синдром Pearson Синдром Pearson, поражение костного мозга, мышц, поджелудочной железы
и 2 Синдром KSS могут являться фенотипическими проявлениями одного и того же дефекта делеции мхДНК в ЗАВИСИМОСТИ ОТ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ И ОТНОСИТЕЛЬНОГО СОДЕРЖАНИЯ МУТАНТНОЙ мхДНК в тканях организма
В каждой клетке одно ядро, но сотни и даже тысячи митохондрий (в зависимости от энергетических потребностей клетки)
В каждой органелле до 5 митохондриальных геномов
Кардиомиоцит может содержать до 50.000 мхДНК
Сердце, скелетная мышца, мозг, глаз имеют особенно ВЫСОКИЕ требования к потреблению энергии окисления и относительно НИЗКИЕ пороги для митохондриальных дисфункций, по сравнению с другими тканями - такими как печень, кровь и кожа.
ПРИ РАЗЛИЧНОМ КОЛИЧЕСТВЕ МУТАНТНЫХ МХ ДНК В КЛЕТКЕ
МХ ДНК ГОМОПЛАЗМИЧНА (у нормальных людей все мхДНК идентичны)
Пациенты с МХ болезнями (LHON) имеют различные уникальные мутантные мхДНК, как пример ГОМОПЛАЗМИЧНОЙ ситуации
или они могут содержать СМЕСЬ нормальных и мутантных мхДНК - как пример ГЕТЕРОПЛАЗМИИ
В случае присутствия большого количества мхДНК в клетке пропорция мутантной мхДНК в определённых тканях может составлять от 0 до 100 процентов.
Фенотипические последствия наличия 20 % мутантных мхДНК в ткани будет очень отличаться от наличия 90 % мутантных мхДНК.
ОТ КЛЕТОЧНОГО ЦИКЛА
Если пациент- гетероплазмичен часть мутантной мхДНК может меняться в пространстве (среди тканей),
и во времени (в процессе жизни пациента)
Это означает, что пациент может жить с одним спектром симптомов в начале жизни и с другими симптомами в более поздние жизненные периоды.
ПРИМЕРЫ
гигантская делеция обнаружена при ДРАМАТИЧЕСКИЙ ПРИМЕР У детей, страдающих синдромом Pearson для коррекции их панцитемии проводят серию терапевтических переливаний крови, чтобы временно перевести синдром Pearson в симптомы KSS ранней юности, когда пропорция ДНК делеций увеличена в мышцах при снижении уровня делеций в крови. ПРИМЕР Клинические последствия порогового эффекта
Патогенез мутации гена, МУТАЦИИ В ГЕНАХ тРНК И их последствия
синдром MERRF ("myoclonus epilepsy with RRF" - миоклональная эпилепсия с RRF - энцефаломиопатия
наследуемая по материнской линии энцефаломиопатия Припадки миоклонуса, миопатия мозжечковая атаксия, потеря слуха поражение печени и почек.
Синдром MELAS ("mitochondrial encephalo myopathy with lactic acidosis and stroke like episodes" - митохондриальная энцефаломиопатия с лактозным ацидозом и паралич-подобными эпизодами) –
наследуемая по материнской линии паралич подобные эпизодами, лакто ацидозом, наличие RRF, корковой слепотой, апоплексическими ударами, деменция, рецидивирующими головные боли, рвотой
ПРИЧИНЫ MERRF Точечная мутация мхДНК в гене лизиновой тРНК. приводит к глубоким расстройствам синтеза митохондриального белка дыхательных комплексов I и II
Гистохимические проявления дефицита дыхательной цепи и соответствующие нарушения функции мышечного аппарата клетки, выявляются благодаря гистохимической окраске на компенсаторно повышенную активность сукцинатдегидрогеназы (окраска по Гомори помогает выявить RRF)
и резко сниженную активность цитохром-С-оксидазы.
в виде многочисленных RRF (неровные красные нити) все они - дефицитны по цитохром-С-оксидазе. ПРИЧИНЫ ПРОЯВЛЕНИTЕ MERRF
Риск проявления при передаче MERRF в поколениях зависит от доли мутантной мхДНК в лимфоцитах матери
тяжесть заболевания и степень выраженности биохимических нарушений определяется соотношением нормальной и мутантной мхДНК в клетках у больных:
94-96 % мутантной формы мхДНК – резкое снижение активности ферментов ДЦ 61-92 % процесс окислительного фосфорилирования протекает нормально. ПРИЧИНЫ MELAS ("mitochondrial encephalo myopathy with lactic acidosis and stroke like episodes" - митохондриальная энцефаломиопатия с лактозным ацидозом и паралич-подобными эпизодами) –
точечная мутация в гене ND4 лейциновой тРНК дефект белкового синтеза и нарушение функционирования дыхательного комплекса I дефект отличался от дефекта при MERRF
МУТАЦИИ В ГЕНАХ рРНК И их последствия
Мутация в одном из двух закодированных в мхДНК генах рРНК (наследуемая по материнской линии) развитие глухоты в ответ на употребление аминогликозидных антибиотиков (каномицин и гентамицин).
Эти антибиотики связываются со специфической областью мхДНК-кодировки 12S рРНК, где локализована мутация и повреждают белковый синтез в МХ.
Без присутствия этих антибиотиков мутация фенотипически себя не проявляет.
Мутация в гене 16S рРНК приводит к развитию резистентности к токсическому влиянию хлорамфеникола – веществу, которое связывается с нормальной субъединицей 16S рРНК и приводит к полному ингибированию процесса трансляции в МХ.
Эта резистентность - единственный обнаруженный вариант проявления данной мутации в мхДНК генах рРНК.
LIRL - летальная инфантильная дыхательная недостаточность LAS синдром молочнокислого ацидоза миопатия, нефропатия, печёночная недостаточность
ПРИЧИНЫ Резкое снижение содержания мх ДНК при их репликации (истощение или диплеция) в различных тканях (до 1-2 % от нормы).
Результат воздействия НЕКОГО МУТАНТНОГО БЕЛКА, регулирующего репликацию мхДНК. Подтверждений этому пока не обнаружено
И их последствия
Может быть вызвана токсинами окружающей среды.
Лечение СПИДа AZT (азидотимидин) – аналог нуклеозида ddC (модифицированный цитозин) ddI (модифицированный инозит) являются причиной миопатии мышечная слабость наличие RRF (биопсия мышц)
МЕХАНИЗМ ингибирование AZT ПОЛИМЕРАЗЫ мхДНК
НАСЛЕДОВАНИЕ МХ БОЛЕЗНЕЙ По Менделю
Кроме наследования по материнской линии и Спорадических мутаций в мхДНК существуют также ошибки в мхДНК, наследуемые по механизмам постулатов учения Менделя.
Эта ситуация была подтверждена двумя открытиями.
1 Наследование РЕО (прогрессирующая внешняя офтальмоплягия) по аутосомно-доминантному признаку, при которой пациенты имеют множественные делеции мхДНК в мышце.
Оказалось, что количество этих делеций увеличивается на протяжении всей жизни пациента – что связано и с ядерными генами (кодирующими фермент РЕКОМБИНАЗУ), которые в процессе мутации увеличивают склонность к возникновению делеций мхДНК.
2. Поражённые болезнью дети имеют количественную ошибку в копиях мхДНК, Этот "сидром истощения (диплеции)" выражен только в специфических тканях (либо только в мышцах, либо в печени, либо в мышцах и почке) НАСЛЕДОВАНИЕ МХ БОЛЕЗНЕЙ Очень низко в быстро обновляющихся тканях (кровь, печень).
Биологическая сущность этого факта пока неясна, так же мы не знаем может ли несколько процентов мхДНК с делециями, распределённых разнородно среди мышечных волокон или нейронов являться причиной выраженной митохондриальной дисфункции.
Однако многие симптомы МХБ (диабет, потеря слуха, деменция и мышечная слабость) отличительные признаки возраста.
Мутационные мхДНК могут играть существенную роль в прогрессирующих симптомах поздно начинающихся МИТОХОНДРИАЛЬНЫЕ БОЛЕЗНИ НЕМНОГО ИСТОРИИ
1949 год - B.Ephrussi с соавторами открывает "цитоплазматическую" унаследованную "малую" мутацию у дрожжей (факультативные организмы), означающее существование неядерных генетических элементов d митохондриях
1958 год - J.R.McLean c соавторами обнаружил, что митохондрии могут синтезировать белок
1962 год - R.Luft c сотрудниками впервые описал первую болезнь человека, причиной которой были дефекты митохондриальных функций
1963 год - M.M.Nass и S.Nass, группа G.Schatz доложила о присутствии ДНК в митохондриях
1981 год - S.Anderson c соавторами публикует полную последовательность митохондриального генома человека
О ПРОИСХОЖДЕНИИ МИТОХОНДРИЙ и ХЛОРОПЛАСТОВ Эукариотическая клетка не является эволюционно целой Так как клетки животных, растений и других эукариотов Генетически мозаичны.
митохондрии и хлоропласты (трансдукция энергии) являются прямыми потомками свободноживущих бактерий - подобных организмов
которые выбрали ядерные клетки в качестве места обитания и были удачно в них интегрированы
ЭНДОСИМБИОНТЫ принесли с собой бактериальный геном, остатки которого продолжают существовать сегодня в виде миохондриальной ДНК (мхДНК),
а в фотосинтезирующих эукариотах в виде хлоропластной ДНК (хпДНК).
Эти геномы играют хотя и ограниченную, но весьма существенную роль в биогенезе организмов.
ЭНДОСИМБИОТИЧЕСКАЯ ГИПОТЕЗА Была выдвинута 100 лет назад - однако факты, подтверждающие эту теорию были получены лишь в два последних десятилетия ФАКТЫ
1960 году митохондрии и хлоропласты содержат СОБСТВЕННУЮ ГЕНЕТИЧЕСКУЮ ИНФОРМАЦИЮ.
гены органелл могут быть использованы для выявления эволюционного происхождения митохондрий и хлоропластов. Определение происхождения органелл обычно осуществляют по рРНК Сравнение гомологичных последовательностей рРНК хлоропластов и митохондрий и эукариотической клетки было использовано для построения филогенетического дерева, которое показывает эволюционные взаимоотношения.
Такой подход лежит в основе предполагаемого разделения всего биологического царства на три крупных сферы: Archae (архибактерии), Bacteria (эубактерии ) Eucarya (эукариоты). Гены рРНК расположены среди нескольких генов, Встречающихся как в мхДНК, хпДНК, так и в ядерной ДНК Когда последовательности нуклеотидов рРНК органелл сравнили с рРНК филогенетических деревьев – оказалось, что они попадают на территорию Bacteria – таким образом они происходят, прежде всего, из родословной совершенно отличной от тех, которые гомологичны ядерной рРНК.
Такое сравнение демонстрирует, что хлоропласты и митохондрии пришли из совершенно различных групп эубактерий: кластер хлоропластов из сине-зелёных водорослей (цианобактерий)
а митохондриальная группа из группы   Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...  Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...  Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...  Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычислить, когда этот... Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:
|