Митохондриальный геном. Повреждение митохондриального генома и митохондриальные болезни.

Мт ДНК кодирует 37 генов, которые необходимы для осуществления окислительного фосфорилирования, однако большинство из 1500 других митохондриальных белков кодируются ядерными генами и попадают в митохондрии из цитоплазмы. Такое двойное происхождение митохондриальных белков требует координации ядерного и митохондриального геномов, кроме того, необходимо поступление других кофакторов, металлов и фосфолипидов. Генетическая карта, информационная емкость и особенности структуры мтДНК. Система окислительного фосфорилирования содержит более 80 полипептидов, но только 13 из них закодированы в мтДНК. Все другие белки, содержащиеся в митохондрии, — продукты ядерных генов (более 600) — транслируются в цитоплазме и затем транспортируются в митохондрии. Поэтому функции митохондрии зависят от импорта этих белков, в частности, ферментов для репликации, транскрипции, трансляции и репарации мтДНК. Синтез гема, окисление субстратов в цикле трикарбоновых кислот (цикл Кребса), деградация жирных кислот путем П-окисления, цикл мочевины и регуляция апоптоза — все эти процессы и реакции также осуществляются под действием белков и ферментов, закодированных в генах ядерной ДНК, хотя локализуется и функционируют они в митохондрии [25].

Митохондриальная ДНК человека — представляет собой двунитевую молекулу ДНК в форме замкнутого круга с 16569 парами азотистых оснований. В отличие от ядерной ДНК, мтДНК не имеет нитронов (т.е. участков, не кодирующих структуру белка или РНК). Смещенная петля (Д-петля) — единственная не кодирующая область мтДНК человека, приблизительно 1,1 КБ (KiloBase — тысяча пар оснований). Эта область содержит инициирующий участок (On) для реп-ликации мтДНК и промоторы транскрипции как тяжелой (Н), так и легкой (L) нитей мтДНК.

Субъединицы комплексов дыхательной цепи митохондрий кодируются как ядерными так и митохондриальными генами. Состоящий примерно из 45 субъединиц, комплекс I.Субъединицы кодируются ядерным (38 субъединиц) и митохондриальным (7 субъединиц: ND1, ND2, ND3, ND4L, ND4, ND5, ND6) геномами.II комплекс - единственный из ферментов цепи, все субъединицы которого кодируются яДНК. Комплекс III предположительно имеет в составе 11 полипептидов, среди которых важную роль для функции всего ферментного комплекса играет цитохром b, кодируемый геном мтДНК. Остальные субъединицы кодируются яДНК. Комплекс IV включает у млекопитающих 13 субъединиц, из которых 3 являются митохондриальными белками. V комплекс содержит 12-13 белковых единиц, две из них кодируются мтДНК.В промежутках внутри последовательности, кодирующей полипептиды ЭТЦ-комплексов, находятся 22 гена тРНК и 2 гена рРНК, продукты которых существенны для белкового синтеза в мито-хондриях.

мтДНК подвергается окислительному действию АФК в большей степени, чем ядерная, так как она находится в непосредственной близости от источников АФК, в цепи переноса электронов. мтДНК не защищена гистонами и митохондрии имеют менее эффективную систему репарации ДНК. В связи с этим, большая часть заболеваний, обусловленных действием окислительного стресса, связывается именно с повреждением молекул в митохондриях.

Ряд дефектов в комплексах I, III или IV (как и в комплексе V) возникает в результате окислительного стресса, вызывающего мутации в генах мтДНК, кодирующих полипептиды, которые функционируют в составе данных комплексов. Напротив, мутации в одном гене АТФ- синтетазы не влияют на способность митохондриальной дыхательной цепи стабилизировать градиент. Нарушение функционирования дыхательной цепи митохондрий приводит к увеличению продукции супероксид анион-радикала.

В дыхательной цепи митохондрий образуется перекись водорода, которая взаимодействует с ионами Fe2+ и Сu2+, присутствующие в митохондриальных мембранах, образует ОН-радикал, который повреждает мтДНК.Повреждение мтДНК вновь приводит к нарушению синтеза компонентов дыхательной цепи.

Недостаточность функции дыхательной цепи, вызванной мутациями мтДНК, может сказываться на различных биохимических функциях митохондрий, таких как потенциал митохондриальной мембраны, синтез АТФ, соотношение АТФ/АДФ (указывающее на состояние системы окислительного фосфорилиро- вания), генерация активных форм кислорода, митохондриальный турновер и стационарная концентрация кальция («гомеостаз кальция»). «Транскрипционная парадигма биогенеза митохондрий», согласно которой транскрипция и репликация мтДНК контролируются многоуровневой системой ядерных факторов []. На первом уровне этой системы находятся ядерные респираторные факторы NRF1 (nuclear respiratory factor) и NRF2 (у мыши - GABP, GA-binding protein). Это ДНК-связывающие белки из группы ядерных рецепторов, действующие как активаторы транскрипции ]. Сайты связывания для NRF1 и NRF2 обнаружены в промоторах ядерных генов, кодирующих респираторные субъединицы, факторы транскрипции и репликации мтДНК (Tfam, Tfblm и Tfb2m, митохондриальная РНК-полимераза), РНК-компонент РНКазы Р]. Кроме того, NRF1 и NRF2 регулируют транскрипцию генов, кодирующих ферменты биосинтеза гема, рибосомные белки митохондрий, тРНК-синтетазы и компоненты системы транспорта белков в митохондрии]. Предполагается, что таким образом ядерные респираторные факторы осуществляют координацию синтеза митохондриальных и ядерных субъединиц ЭТЦ].

Минимальный необходимый аппарат транскрипции мтДНК представлен митохондриальной РНК-полимеразой, транскрипционными факторами mtTFA (Tfam), Tfblm и/или Tfb2m для инициации и фактором mTERF - для терминации транскрипции. Митохондриальная РНК-полимераза (Polrmt) млекопитающих - это белок массой около 120 кДа, гомологичный РНК-полимеразам дрожжей и бактериофагов [23]. В отсутствие транскрипционных факторов мтРНК-полимераза проявляет либо низкую, либо неспецифическую активность. Ключевым фактором инициации транскрипции мтДНК млекопитающих считается белок Tfam (масса 24 кДа), который специфически связывается с мтДНК, изгибает и расплетает ее [24]. Tfblm и Tfb2m взаимодействуют с С-концевым доменом Tfam и необходимы для узнавания мтРНК-полимеразой промоторного участка [25]. Наконец, терминацию транскрипции митохондриальной ДНК осуществляет белок массой 34 кДа, называемый mTERF, который специфически связывается с Polrmt и переносит ее с сайта терминации на сайт инициации транскрипции мтДНК [26]. Tfam, помимо участия в транскрипции мтДНК, играет важную роль в поддержании структуры мтДНК.