Взаимодействие ядерных и цитоплазматических генов в детерминации морфогенетических процессов у эукариот

Рисунок 1.1 – Структура хлоропластов

 

Молекулы хлорофилла, входят, наряду с белками, в состав фотосистем. Фотосистема II катализирует удаление электронов из молекулы воды, а фотосистема I ответственна за восстановление НАДФ ⁺.

В процессе фотосинтеза за счет энергии света образуются молекулы АТФ и НАДФ H, необходимые для превращения СО₂ в углеводы.[3],[6],[14].

У водорослей и растений число пластид на клетку может превысить два десятка. Районы хлоропласта, в которых находятся молекулы ДНК, по аналогии с прокариотическими клетками, называются нуклеоидами. В клетках растений хлоропластный геном многократно повторен. Подсчитано, что в каждой растительной клетке при наличии более десятка хлоропластов и нескольких молекул ДНК в каждом нуклеоиде , число хлДНК (или геномов) может достигать нескольких тысяч. Увеличение копийности ДНК хлоропластов можно сравнить с полиплоидией—увеличением количества хромосомных наборов в ядре клетки [12].

ДНК хлоропластов имеет кольцевую форму. Длина молекул хлДНК варьирует от 135 т.п.н. у Euglena gracilis до 200-220 т.п.н. у Pelargonium zonale.

Зеленые растения содержат в хлоропластной ДНК около 100—120 генов. К хлоропластному геному относятся:

- 30 генов тРНК;

- гены рРНК (rRNA) - 4.5S; 5S; 16S; 23S;

- 20 генов рибосомных белков малой и большой субъединиц;

- ген трансляционного фактора IF1;

- часть генов, кодирующих белковые компоненты фотосистемы I и II;

- гены белков электрон-транспортной системы;

- ген субъединицы никотинаминадениннуклеотид  (НАДН)-дегидрогеназы

 

Большая часть генов, кодирующих трансляционные факторы, рибосомные белки, белки фотосистем I и II, белки компонентов электрон-транспортной цепи, связывающей фотосистему II с фотосистемой I, кодируются ядерными генами. Без участия ядерных генов невозможен синтез белков на рибосомах хлоропластов и осуществление основной функции хлоропластов - фотосинтеза. [9], [12].

При образовании гибридных белков в хлоропластах происходит объединение субъединиц, одни из которых синтезированы на рибосомах цитоплазмы, другие - на рибосомах хлоропласта. Например, фермент    рибулозо-1,5- дифосфаткарбоксилаза, участвующий в образовании молекул 3-фосфоглицерата из рибулозо-1,5-дифосфата и СО₂ состоит из двух субъединиц, одна из которых (rbc L) кодируется хлоропластным геном.

Таким образом, различные элементы белок-синтезирующей системы хлоропластов контролируются либо собственными генами (гены: тРНК, рРНК, фактор IF1, субъединицы никотинаминадениннуклеотид (НАДН)-дегидрогеназы), либо ядерными генами (факторы элонгации и терминации трансляции, большинство рибосомных белков), либо находятся под двойным контролем (белковые компоненты (фотосистем и белки электрон-транспортной системы).

В хлоропластной ДНК одноклеточной водоросли Chlamydomonas reinhardii имеется гены устойчивости к различным антибиотикам: стрептомицину (sm), эритромицину (егу), олеандомицину (ole), неомицину (neа). Мутации устойчивости к антибиотикам наследуются, как правило, по материнской линии, поскольку в зиготе фисутствует только материнская хлДНК. Однако в редких случаях у хламидомонады сохраняется хлоропласт и от второго родителя, тогда зигота становится гетерозиготой. Такие гетерозиготы получили название цитогеты [7].

 

 

 

 

2.2 Наследование пестролистности у растений

 

У многих видов растений встречаются особи, лишенные окраски, или такие, у которых в листьях  имеются отдельные неокрашенные участки ткани. Клетки их вообще не имеют видимых пластид или  содержат пластиды, не способные образовывать хлорофилл. Растения, лишенные зеленой окраски, - альбиносы, нежизнеспособны и обычно погибают в фазе проростков. Но отдельные участки ткани без зеленой окраски развиваются в зеленом листе, питаясь за счет нормальных тканей, снабжающих их продуктами фотосинтеза.

Во многих случаях  изменения в структуре и функциях пластид связаны с мутациями  одного хромосомного гена. У кукурузы, ячменя и некоторых других культур  изучены многочисленные хлорофильные мутации, наследующиеся по правилам Г. Менделя. Однако часто наследование таких изменений не подчиняются менделеевским закономерностям, и объяснить его можно только исходя из представления о генетической непрерывности пластид. Электронно-микроско- пическими и авторадиографическими методами доказано существование в пластидах ДНК-содержащих областей. В них находятся специфические рибосомы. Зеленые пластиды способны синтезировать ДНК, РНК, белок [4], [8], [33].

 

Опыты К. Корренса и Э. Баура.

 

 Признак белозеленой пестролистности у ночной красавицы наследуется по материнской линии вне зависимости от направления скрещивания (табл. 15.2). Корренс предположил наличие «смешанных клеток» в пестрых участках ткани, в которых содержат как зеленые так и бесцветные пластиды. Позднее Реннер и Баур выдвинули гипотезу, согласно которой пластиды (хлоропласты) являются носителями наследственности, и тип окраски передается дочерним пластидам при их делении  [9], [11],[13].

Аналогичное явление  наблюдалось у пестролистных  растений львиного зева, пеларгонии, сенполии, энотеры, подорожника. Эти факты можно объяснить, предположив, что у пестролистных растений имеется два типа пластид: нормальные и аномальные, не способные образовывать хлорофилл. При размножении из нормальных формируются нормальные, а из аномальных – аномальные (белые) пластиды. Из семяпочки, включающей оба типа пластид, путем митотических делений образуется яйцеклетки, несущие только белые или и те и другие пластиды одновременно [12].

В отличие от ночной красавицы у герани небольшое число пластид передается по мужской линии (двуродительское наследование). Как показали более поздние исследования Тилни-Бассет (1970), наследование окраски листьев находится под ядерным контролем и под контролем пластид женского родителя (мужской родитель оказывает незначительное влияние из-за малого количества пластид в спермиях и большого — в яйцеклетке).

При действии мутаций, нарушающих биосинтез хлорофилла, в хлоропластах не образуется пигмент. В случае пестролистности материнского растения в яйцеклетке присутствуют пластиды двух типов: нормальные и мутантные, у которых зеленого хлорофилла нет. При делении зиготы пластиды случайно распределяются по дочерним клеткам, в результате листья у нового поколения растений могут быть: зелеными, белыми, либо пестрыми с чередующимися зелеными и белыми участками.

Односторонняя, исключительно  по материнской линии, передача признаков, связанных на примере реципрокных  скрещиваний пестролистных растений и нормальных зеленых   растений. Пестролистное растение, если его берут в качестве материнской формы, образует три типа яйцеклеток: с зелеными, смешанными и белыми пластидами. Поскольку спермии отцовского зеленолистного растения пластид не содержат, такое скрещивание даст смешанное потомство, в котором число различных растений будет определяться случайным характером распределения пластид при макроспорогенезе. В обратном скрещивании зеленолистное растение будет образовывать яйцеклетки с зелеными пластидами. Оплодотворяемые спермиями пестролистных растений, они дадут потомство, состоящее только из растений с зелеными листьями. Следовательно, при реципрокных скрещиваниях между нормальными зеленолистными растениями или цветками с нормальными зеленолистных побегов пестролистной особи и цветками с растений или побегов, несущих аномальные пластиды, тип пластид и характер возникающего потомства определяется материнской формой. Нормальное материнское растение дает только нормальное потомство, а аномальное – только аномальное независимо от фенотипа отцовской формы [2], [32].

В дальнейших исследованиях было выяснено, что биосинтез хлорофилла, от которого зависит окраска листа, контролируется главным образом ядерными генами. Однако некоторые гены локализованы в пластидной ДНК. Окраска хлоропластов зависит от фотосинтезируемого пигмента — хлорофилла. Различные формы хлорофилла отличаются по спектрам поглощения. Хлорофиллы а и b обеспечивают зеленую окраску, хлорофилл с — желтую и коричневую [3].

 

 

 

 

 

Таблица 1 – наследование пестролистности у растений. 

 

Материнские побеги	Отцовские побеги	Растения, выращенные из гибридных семян
	зеленые
зеленые	пестрые	только зеленые
	белые
	зеленые
пестрые	пестрые	зеленые, пестрые, белые (леталь)
	белые
	зеленые
белые	пестрые	только белые (леталь)
	белые

 

 

 

При действии мутаций, нарушающих биосинтез хлорофилла, в хлоропластах не образуется пигмент. В случае пестролистности материнского растения в яйцеклетке присутствуют пластиды двух типов: нормальные и мутантные, у которых зеленого хлорофилла нет. При делении зиготы пластиды случайно распределяются по дочерним клеткам, в результате листья у нового поколения растений могут быть: зелеными, белыми, либо пестрыми с чередующимися зелеными и белыми участками [8], [13].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1.2 - Проявление пестролистности у сенполии.

 

 

 

 

 

ГЛАВА 3

Взаимодействие митохондриальных и ядерных генов у  растений, грибов и человека

 

3.1 Общие сведения о строении митохондрий

 

Митохондриями являются цитоплазматические органеллы в клетках животных и растений. Функция митохондрий как энергетической фабрики клетки заключается в синтезе АТФ. Синтез этой молекулы осуществляется в процессах транспорта электронов и окислительного фосфорилирования. В митохондриях происходит окисление молекулярным кислородом пирувата и жирных кислот до СО₂ и Н₂О. Это энергетически выгодный процесс, поскольку на одну молекулу окисляемой глюкозы образуется 36 молекул АТФ, а не дне, как при гликолизе глюкозы. Снижение энергетического обеспечения клеток особенно тяжело сказывается на тех тканях и органах, в которых происходят энергоемкие процессы. Так у человека мутации в молекуле мтДНК приводит к тяжелым болезням, от которых в большей степени страдают нервная система, мышцы, органы зрения и сердце [1], [15], [16].

У простейших (парамеции и трипаносомы) размер митохондриального генома составляет 22 т.п.н., у животных — 16—19 т.п.н., а у растений на 1 —2 порядка больше (150-2 500 т.п.н.). У животных в одной митохондрии может быть от 2 до 50 молекул ДНК. Что касается числа митохондрий в клетке, то оно значительно варьирует: от нескольких десятков у дрожжей, до 1000 в печени крысы и миллионов — в яйцеклетке лягушки. Таким образом, копийность митохондриального генома измеряется в десятках и тысячах молекул ДНК на клетку. Разницу в этих цифрах можно объяснить функциональной различной значимостью митохондрий для разного типа клеток [23].

Митохондрии находятся в цитоплазме эукариотических клеток, как животных, так и растений. Эти клеточные органеллы имеют наружную и внутреннюю мембрану, образующую многочисленные складки — криста. Наружная мембрана содержит белок порин, образующий каналы в липидном бислое. В состав внутренней мембраны входят транспортные белки, ферментный комплекс АТФ-синтетаза, а также комплексы ферментов, участвующих в переносе электронов и окислительном фосфорилировании. В матриксе митохондрий находятся копии ДНК, рибосомы, тРНК и ферменты, превращающие пируват и жирные кислоты в ацетил-СоА, окисляемый в цикле лимонной кислоты. Белковые субъединицы, синтезированные на рибосомах цитоплазмы, поступают в митохондрии и соединяются с митохондриальными белками при образовании олигомерных комплексов [3], [19], [27].

 

 

 

3.2 Организация генетического материала митохондрий растении и взаимодействие его с генетическим материалом ядра.

 

3.2.1 Митохондриальный геном растений

 

Митохондрии, как поставщики энергии, присутствуют как в эукариотических, так и в прокариотических клетках. У растений хлоропласты в ночное время прекращают синтез молекул АТФ, в это время суток эти высокоэнергетические молекулы синтезируются в митохондриях. Форма митохондриальной ДНК, как правило, кольцевая. Однако некоторые виды одноклеточной водоросли хламидомонады (С. reinhardii, С. smithi) имеют линейную форму мтДНК.

Размер мтДНК у растений измеряется в сотнях и тысячах п.н. Так у дикой редьки размер мтДНК — 218, кукурузы - 367 т.п.н. Большая часть митохондриального генома растений имеет различные некодирующие последовательности, включая длинные повторы, создающие возможность внутримолекулярной рекомбинации. Эта особенность отличает митохондриальный геном растений от мтДНК животных и человека, у которых, за редким исключением, отсутствуют такие последовательности как повторы и интроны. В отличие от хлоропластов в митохондриях растений (кукурузы, сорго, фасоли, подсолнечника) встречаются кольцевые и линейные плазмиды [23], [27].