Российские биологи прочитали митохондриальные геномы четырех видов волосатиков и обнаружили в них необычайно длинные и при этом точные обратные повторы в белок-кодирующих генах. Это удивительно, так как наличие повторов в нуклеотидной последовательности накладывает сильное ограничение на возможность оптимизации закодированной ими аминокислотной последовательности в процессе эволюции. Тем не менее, у волосатиков гены, содержащие шпильки, транскрибируются и транслируются в функциональные белки.
Рис. 1. Взрослые волосатики Paragordius tricuspidatus.
В настоящее время определены последовательности нуклеотидов митохондриальных ДНК (мтДНК) для нескольких тысяч видов многоклеточных животных. Эти данные помогают разобраться с систематическим положением вида, а также получить информацию об особенностях организации клеточной энергетики у его представителей. Поскольку размер митохондриального генома (совокупная длина уникальной нуклеотидной последовательности) обычно на несколько порядков меньше, чем размер ядерного генома, в большинстве случаев митохондриальную ДНК «расшифровывают» раньше ядерной ДНК. Однако до последнего момента митохондриальные геномы представителей одного крупного таксона — волосатиков (Nematomorpha) — оставались непрочитанными.
Волосатики (рис. 1) — это отдельный тип паразитоидных беспозвоночных животных. Их личинки паразитируют на других беспозвоночных (например, насекомых и ракообразных), в то время как взрослая форма представляет собой свободно плавающее животное, напоминающее конский волос. Примечательная особенность образа жизни волосатиков заключается в том, что на поздней стадии развития их личинки воздействуют на поведение своего хозяина, делая его поведение непредсказуемым. Это рано или поздно приводит к попаданию зараженной особи в водоем, что и нужно волосатику.
Митохондрии есть у большинства эукариот, основной функцией этих клеточных органелл является преобразование энергии. В них сложная система ферментов — дыхательная цепь — катализирует окисление НАДН (никотинамидадениндинуклеотида) кислородом. За счет этого другой ферментный комплекс, АТФ-синтаза, синтезирует из АДФ и неорганического фосфата «энергетическую валюту клетки» — АТФ. Митохондрии имеют собственную ДНК. Обычно митохондриальная ДНК содержит в себе всего несколько генов, которые кодируют митохондриальные рибосомальные РНК, транспортные РНК, а также несколько белков. Эти белки представляют собой ключевые части дыхательной цепи и АТФ-синтазы, в то время как оставшиеся (иногда не менее важные) компоненты дыхательной цепи и АТФ-синтазы закодированы в ядре.
В недавнем исследовании группа российских биологов определила последовательность митохондриальной ДНК для четырех видов волосатиков. Оказалось, что в митохондриальных геномах этих паразитоидных червей скрыта удивительная и уникальная особенность. У всех четырех видов были обнаружены длинные (до 142 нуклеотидов в одном «плече») и при этом точные обратные повторы (inverted repeat) нуклеотидных последовательностей, которые частично совпадали с последовательностями белок-кодирующих генов! Не стоит путать обратные повторы с прямыми, комплементарными, а также зеркальными повторами (рис. 2). Наличие расположенных поблизости друг от друга обратных повторов последовательности ДНК предполагает, что цепи такой молекулы ДНК могут образовывать шпильки. Шпильки формируются за счет спаривания комплементарных участков одной и той же цепи ДНК, которые формируют «стебель» шпильки. Нуклеотиды, расположенные между повторами образуют «петлю». Формирование шпильки стабилизирует одноцепочечную ДНК и существенно меняет ее свойства.
Рис. 2. A — типы нуклеотидных повторов в двуцепочечной молекуле ДНК различаются по взаимному положению повторяющихся последовательностей. Комплементарные нуклеотидные последовательности показаны оранжевым и синим. Стрелка обозначает положение и направление идентичных последовательностей нуклеотидов. B — шпилька, образованная одной из цепей обратного повтора с рисунка А
Повторы в нуклеотидных последовательностях ДНК широко распространены в природе и обнаружены в том числе и в других митохондриальных геномах. Так, например, точки начала репликации — участки нуклеотидной последовательности, с которых начинается репликация (копирование) молекул мтДНК, часто включают в себя обратные повторы. У бактерий обратные повторы иногда играют роль в регуляции транскрипции. Однако в подавляющем большинстве случаев повторы в нуклеотидных последовательностях не перекрываются с теми участками ДНК, которые кодируют аминокислотную последовательность белка. При наличии точного повтора одна из двух задействованных в нем последовательностей нуклеотидов полностью задает вторую. Если обе эти последовательности кодируют аминокислотную последовательность белка, то возникает плохо разрешимый конфликт: повтор накладывает значительные ограничения на аминокислотную последовательность, закодированную этими последовательностями. Получается, что либо одно (точность соответствия нуклеотидов в повторе), либо другое (оптимальную для функции белка последовательность аминокислот) приходится хотя бы отчасти принести в жертву.
Поэтому нуклеотидные повторы крайне редки в тех последовательностях, которые кодируют аминокислотные последовательности — белки. Наиболее выразительным исключением из такого правила (а биология — это наука, изобилующая исключениями) являются геномы риккетсий (группа альфа-протеобактерий). В геномах риккетсий были обнаружены последовательности мобильных элементов, представляющие собой обратные повторы ДНК. Эти мобильные элементы включены в последовательность гена глутамил-тРНК синтетазы (glutaminyl-tRNA synthase) и при этом транскрибируются и транслируются — то есть в результате происходит формирование функционального белка. Однако обратные повторы в генах риккетсий не точные: на протяжении повтора некоторые отдельные нуклеотиды не комплементарны друг другу. По всей видимости, после встраивания мобильного элемента в последовательность белок-кодирующего гена мутации в процессе эволюции постепенно нарушают точность этого повтора.
В случае же с митохондриальными геномами волосатиков подавляющее большинство повторов было абсолютно точными. Во многих случаях оба «плеча» повтора кодировали консервативные (а следовательно, важные для функционирования белка) аминокислотные остатки. На рис. 3 приведен пример для одного из генов митохондриального генома — nad1. На первый взгляд это кажется невероятным! Попробуйте представить, что перед вами инструкция о том, как собрать двигатель внутреннего сгорания, но инструкция написана палиндромами, при этом вы обязаны выполнять все действия, указанные в этой инструкции, не допуская пропусков. Следует, однако, отметить, что эта аналогия не совсем точна: у волосатиков инвертированные, а не зеркальные повторы в нуклеотидных последовательностях (см. рис. 2), но суть от этого сильно не меняется. Наличие обратных повторов в митохондриальных генах тем удивительнее, что дыхательная цепь представляет собой одну из наиболее сложных систем ферментов, работающих в клетке.
Рис. 3. Выравнивание аминокислотной последовательности белка nad1 для четырех видов волосатиков (четыре верхние строки, выделенные желтым) и других видов (плодовой мушки D. melanogaster; человека H. sapiens, кишечной палочки E. coli и др.). Участки гена, которые у волосатиков закодированы точными обратными повторами, соединены красными и синими дугами. Здесь эти повторы даже перекрываются друг с другом.
Такие обратные повторы были обнаружены в большей части белок-кодирующих генов митохондриальных геномов всех четырех проанализированных видов волосатиков. Например, у волосатика Gordionus alpestris обратные повторы содержатся во всех митохондриальных генах, кодирующих субъединицы первого комплекса дыхательной цепи (комплекс I), и почти полностью перекрывают последовательность гена nad6, который кодирует одну из субъединиц. При этом оказалось, что положение некоторых обратных повторов в геномах всех четырех проанализированных видов волосатиков совпадает. Это говорит о том, что, несмотря на изменения самих нуклеотидных последовательностей, комплементарность первой и второй цепей повтора сохраняется в процессе эволюции. Однако признаков каких-либо проблем в митохондриальной энергетике у волосатиков обнаружено не было. Так, например, разрушенные клетки волосатиков были способны окислять НАДН молекулярным кислородом, и этот процесс был чувствителен к специфичному ингибитору комплекса I — ротенону. Это говорит о том, что, несмотря на необычные свойства митохондриального генома, у волосатиков работают закодированные в мтДНК ферменты.
В обсуждаемой работе удалось обнаружить важную особенность обратных повторов в митохондриальных геномах волосатиков. Дело в том, что обратные повторы, находящиеся внутри белок-кодирующего гена, могут быть трех типов, в зависимости от того, в какой «фазе» друг относительно друга находится одна и другая комплементарная последовательности. Как вы, наверное, знаете из школьного курса биологии, каждая аминокислота в белке кодируется тремя нуклеотидами в соответствии с генетическим кодом. При этом значимыми обычно являются первые два нуклеотида, а третий нуклеотид часто не несет информации. Поэтому замена третьего нуклеотида в кодирующем тринуклеотиде (кодоне) зачастую не приводит к изменению аминокислоты в составе аминокислотной последовательности. А вот изменение нуклеотида в первом и втором положении почти всегда приводит к изменению аминокислот.
В комплементарных последовательностях возможны три варианта взаимного расположения кодонов: первому положению кодона одной цепи может соответствовать первое, второе или третье положение кодона на комплементарной цепи (рис. 4). Эти варианты принято называть фазой 1-1, 2-2 или 3-3, исходя из положения соответствующих друг другу кодонов. С точки зрения эволюции эти фазы неравнозначны: положение 3 в кодоне редко приводит к изменениям в аминокислотной последовательности. Замена нуклеотида в положениях 2 и 1, наоборот, почти всегда меняет аминокислоту, а, стало быть, может привести к изменению эффективности работы белка.
Рис. 4. Три возможные фазы обратного повтора белок-кодирующей последовательности, сформировавшего шпильку. Относительное расположение кодонов одного и другого плеча определяют фазу повтора. Цифрами 1, 2 и 3 обозначены позиции нуклеотидов в кодонах. Красными пунктирными рамками отмечены нуклеотиды, которые находятся в одинаковых позициях в кодоне и, при этом, соответствуют друг другу при образовании шпильки
Из этого следует, что в обратных повторах в фазах 1-1 и 2-2 сохраняется определенная степень свободы: заменяя нуклеотиды в третьем положении, можно добиться точного совпадения нуклеотидов, не изменив при этом аминокислотную последовательность, закодированную обоими комплементарными последовательностями. Таким образом, в процессе эволюции существует больше возможностей оптимизировать аминокислотную последовательность, сохраняя комплементарность обратного повтора, если эта последовательность закодирована обратным повтором в фазе 1-1 или 2-2. Обратные повторы в фазе 3-3, в которых третьи положения кодона одного «плеча» соответствуют третьему положению кодона другого «плеча», наоборот, находятся в невыгодном положении. В них мало значимые третьи кодоны находятся друг напротив друга, и та свобода, которая возможна для шпилек фаз 1-1 и 2-2, у них отсутствует.
Оказалось, что в митохондриальных геномах волосатиков длинные обратные повторы в фазе 3-3 встречаются значительно реже, чем обратные повторы в фазах 1-1 и 2-2. Этот результат косвенно указывает на то, что аминокислотные последовательности, закодированные обратными повторами в митохондриальных геномах волосатиков, находятся под давлением естественного отбора, который в большей степени благоприятствует повторам в фазах 1-1 и 2-2.
Откуда же взялась эта удивительная особенность в последовательности митохондриальных геномов у волосатиков? На этот вопрос пока что нет ответа. В обсуждаемой работе выдвинуто одно предположение, связанное с особенностью механизма репликации митохондриальной ДНК. Дело в том, что, в отличие от ядерной ДНК, митохондриальная ДНК большинства животных реплицируется асинхронно. Сначала реплицируется большая часть одной цепи ДНК, и только потом начинается репликация второй, комплементарной ей, цепи. В результате одна из цепей ДНК долгое время находится в одноцепочечном состоянии. В это время отдельные участки такой цепи могут спариваться друг с другом, образуя короткие неточные шпильки, — в достаточно длинной случайной последовательности нуклеотидов с высокой вероятностью найдутся короткие частично комплементарные элементы последовательностей.
В то же время в клетке существует система репарации ДНК, которая находит и исправляет неспаренные нуклеотиды в двуцепочечной ДНК. Стебель шпильки с точки зрения этой системы ничем не отличается от двуцепочечной ДНК, хотя и образован одной молекулой (рис. 5).
Рис. 5. Гипотетический механизм, поддерживающий точность повторов в митохондриальной ДНК волосатиков: репарация ошибочно спаренных нуклеотидов исправляет неточности в шпильке
Такая система функционирует в ядре, но есть данные о том, что подобная система репарации работает и в митохондриях. В этом случае такая система могла бы репарировать шпильки, образованные цепью митохондриальной ДНК, высвободившейся в процессе репарации, принимая их за повреждения двуцепочечной ДНК. Однако никаких экспериментальных фактов, подтверждающих такое предположение, пока что нет. Также непонятно, какое свойство волосатиков привело к тому, что у них такой механизм работает, в то время как у подавляющего большинства других видов эукариот таких повторов нет или они значительно короче.
Источник: ЭЛЕМЕНТЫ БОЛЬШОЙ НАУКИ
