Трансляция в митохондриях

Митохондрии являются органеллами эукариотических клеток, в которых в результате окислительного фосфорилирования энергия химических связей, освобождающаяся при метаболизме, накапливается в виде энергии макроэргических связей ATP. Эти органеллы обладают собственным геномом – двухцепочечной ковалентно замкнутой митохондриальной ДНК (мтДНК), которая присутствует в каждой митохондрии в виде нескольких идентичных копий. В настоящее время наибольшее распространение получила гипотеза об эндосимбиотическом происхождении митохондрий, в соответствии с которой современные митохондрии животных берут свое начало от α -протеобактерий (к которым принадлежит современная Rickettsia prowazekii), внедрившихся в цитозоль клеток-предшественников. Считается, что за время эндосимбиоза бактерии передали большую часть своих жизненно важных генов хромосомам клетки-хозяина, сохранив в своем геноме (в случае клеток человека) информацию лишь о 13 полипептидах, 22 тРНК и двух рРНК. Все полипептиды входят в состав ферментативных комплексов системы окислительного фосфорилирования митохондрий.

Как уже можно видеть из размера мтДНК (ее длина у человека составляет 16569 п.о.), митохондрии не являются самовоспроизводящимися генетическими системами. Репликация и транскрипция их генома зависят от транс- действующих факторов, кодируемых ядерным геномом. Все митохондриальные тРНК акцептируют аминокислотные остатки при участии аминоацил-тРНК-синтетаз, импортируемых в митохондрии из цитоплазмы. В цитоплазме же клеток позвоночных синтезируются все рибосомные белки митохондрий, мРНК которых транскрибируются с ядерных генов. Даже происхождение белков комплексов системы окислительного фосфорилирования является смешанным – ядерно–митохондриальным. Все полипептиды, кодируемые ядерным геномом, синтезируются рибосомами цитозоля. Как правило, они обладают N-концевой отщепляемой сигнальной последовательностью, которая обеспечивает направленный перенос в митохондрии.

Декодирование генетической информации в митохондриях. Сравнение первичной структуры мтДНК с последовательностями аминокислот митохондриальных белков выявило ряд особенностей генетического кода, используемого митохондриями. Имеются вариации и в частоте использования кодонов митохондриями разных видов. В мтДНК большинства филогенетических групп триплет TGA кодирует Trp, хотя обычно на нем происходит терминация синтеза полипептидных цепей. С другой стороны, кодон AGR (где R=A или G) в мтДНК позвоночных является терминирующим, у иглокожих кодирует Ser, а у дрожжей, как обычно, – Arg.

Другой характерной особенностью генетической системы митохондрий является упрощение самого механизма декодирования информации, заключенной в митохондриальной мРНК. Интересно, что трансляция всех кодонов в митохондриях происходит с участием далеко не всех 32 видов молекул тРНК, которые обычно требуются для осуществления биосинтеза белка в соответствии с гипотезой неоднозначного соответствия Крика. Например, лишь 22 видов молекул тРНК достаточно для трансляции всех мРНК 13 генов мтДНК человека. Это становится возможным благодаря использованию основания U в первом (wobble) положении антикодона тРНК одного вида для распознавания всех четырех кодонов каждого из семейств, кодирующих конкретную аминокислоту.

Миторибосомы. Одним из первых указаний на прокариотическое происхождение митохондрий было отличие набора антибиотиков, подавляющих трансляцию в этих органеллах, от антибиотиков, которые ингибируют биосинтез белка в цитозоле клеток эукариот. Дальнейшие исследования показали, что некоторые компоненты системы трансляции митохондрий гомологичны соответствующим компонентам бактериальных систем.

Рибосомы митохондрий, или миторибосомы, ассоциированы с митохондриальным матриксом. На основании определения стационарного уровня митохондриальных рРНК в гепатоцитах крыс было установлено, что отдельная митохондрия содержит < 100 миторибосом. Структурные исследования миторибосом выявили их существенные отличия от цитоплазматических и бактериальных рибосом. Для миторибосом животных характерно очень низкое содержание РНК и, как следствие, более низкий коэффициент седиментации (~55S). Коэффициенты седиментации большой и малой субчастиц миторибосом составляют соответственно ~39S и ~28S, которые содержат в своем составе 16S и 12S рРНК. Небольшая 5S рРНК, характерная для обычных рибосом, в миторибосомах отсутствует. Тем не менее, участок 3'-конца 16S рРНК миторибосом человека длиной в 23 нуклеотида обнаруживает 68% гомологию с 5S рРНК Bacillus subtilis. Полагают, что эта часть 16S рРНК представляет собой укороченный функциональный аналог 5S рРНК бактериальных рибосом.

Низкая массовая доля РНК в миторибосомах компенсируется повышенным содержанием белков. В результате суммарная молекулярная масса миторибосом приближается к таковой рибосом бактерий. Полагают, что часть белков миторибосом могла взять на себя функции недостающих последовательностей рРНК. С помощью двумерного электрофореза удается обнаруживать 85 (быки) или 86 (крысы) миторибосомных белков. Тем не менее, истинное количество белков, составляющих миторибосомы, остается неизвестным, поскольку часть электрофоретически выявляемых полипептидов может представлять собой продукты протеолитической деградации или быть предшественниками их зрелых форм.

Биосинтез белка в митохондриях. Несмотря на то что изолированные митохондрии активно синтезируют белок, до сих пор из них не удается получить эффективные бесклеточные системы трансляции. Это сдерживает исследование молекулярных механизмов трансляции в митохондриях, и имеется мало информации относительно факторов трансляции, участвующих в синтезе митохондриальных белков.

Трансляция в митохондриях уникальна во многих отношениях. Как уже упоминалось, одной из особенностей биосинтеза белка в митохондриях является малое число видов рРНК и тРНК, вовлеченных в этот процесс. Остается непонятным, каким образом миторибосомы распознают инициирующие кодоны. Поскольку митохондриальные мРНК лишены 5'UTR, которые характерны для бактериальных и ядерных мРНК, взаимодействие миторибосом с инициирующими кодонами должно определяться другими принципами, отличающимися от сканирования цитоплазматическими рибосомами эукариот или от взаимодействий TIR-последовательностей мРНК с 16S рРНК у бактерий. Обнаруженная низкая эффективность трансляции митохондриальных мРНК in vitro может быть следствием строения их 5'-концевых последовательностей, и для осуществления биосинтеза митохондриального белка на приемлемом уровне требуется присутствие мРНК в высоких концентрациях, что и имеет место в нативных митохондриях.

В бесклеточных системах было показано, что 28S субчастица миторибосом обладает способностью прочно связываться с мРНК независимо от последовательности нуклеотидов в отсутствие дополнительных факторов и инициаторной тРНК, что отличает ее от субчастиц других про- и эукариотических рибосом. Для ее эффективного взаимодействия с мРНК длина полинуклеотида должна быть ~400 нуклеотидов, тогда как сама субчастица защищает от действия РНКазы T₁ участок мРНК длиной в 30–80 нуклеотидов. Возможно, это объясняет, почему самые короткие ОРС мтДНК являются перекрывающимися, так как благодаря такому строению соответствующие мРНК приобретают размеры, необходимые для оптимального взаимодействия с малой субчастицей миторибосом. Полагают, что после взаимодействия с мРНК малая субчастица при участии еще не идентифицированных факторов трансляции перемещается к инициирующему кодону на 5'-конце матрицы.

В настоящее время единственным охарактеризованным митохондриальным фактором инициации трансляции является mtIF2, который обеспечивает GTP-зависимое вхождение инициаторной формилметионил-тРНК (fMet-тРНК) в комплекс, образованный малой субчастицей миторибосом и мРНК. Вероятно, гидролиз GTP сопровождается освобождением mtIF2 из тройного комплекса с последующим соединением малой и большой (39S) субчастиц миторибосом с образованием комплекса, способного к элонгации полипептидных цепей.

Из печени быка были выделены три фактора элонгации трансляции: mtEF-Tu, mtEF-Ts и mtEF-G, которые обладают высокой гомологией с соответствующими прокариотическими факторами. На этом основании полагают, что механизм элонгации строящихся полипептидных цепей в митохондриях в основных чертах соответствует таковому E. coli, уже подробно рассмотренному выше. В отличие от бактериальных факторов EF-Tu и EF-Ts соответствующие факторы митохондрий образуют друг с другом более прочный комплекс, для диссоциации которого недостаточно присутствия только GTP, однако комплекс диссоциирует при наличии в бесклеточных системах GTP и аминоацилированной тРНК.

Патологические последствия мутационных повреждений системы трансляции митохондрий. Точковые мутации, обнаруживаемые в мтДНК, как правило, являются гетероплазматическими, т.е. в одной и той же клетке присутствуют как нормальные, так и мутантные мтДНК. Именно это явление позволяет существовать клеткам с мтДНК, содержащими летальные мутации, которые в обычных условиях были бы элиминированы. Энцефаломиопатии, для которых характерен материнский тип наследования (с цитоплазмой яйцеклетки), часто вызываются точковыми мутациями в генах митохондриальных тРНК. В частности, такими патологическими последствиями сопровождаются транзиции A3243G и A8344G в генах тРНК^Leu(UUR) и тРНК^Lys соответственно. Предполагается, что в первом случае нарушается правильный процессинг первичного полицистронного транскрипта, что приводит к образованию гибридной молекулы с последовательностями 16S рРНК–тРНК^Leu(UUR)–ген ND1, которая, из-за присутствия в ней последовательности 16S рРНК, включается в нефункциональную субчастицу рибосом. Альтернативно, обсуждаемые мутации могут дестабилизировать молекулы тРНК.