Удовлетворяют ли митохондрии критериям, по которым можно распознать органеллы, возникшие путем эндосимбиоза? Для решения этого вопроса можно привлечь обширнейшую литературу по митохондриям. Представление о митохондриях как о тесно интегрированных эндосимбионтах ставит новые вопросы. Что представляли собой нуклеоцитоплазматические хозяева, у которых появились протомитохондрии? Какие аэробные бактерии стали митохондриями? Было ли их приобретение полифилетическим? С какими генетическими изменениями была связана интеграция митохондриальной и нуклеоцитоплазматической систем? Почему так вариабельна генетическая организация митохондрий?
Хотя у эукариот невозможно вызвать утрату митохондрий, у некоторых дрожжей, получающих энергию за счет брожения, может происходить их дедифференцировка в промитохондрии. Хотя эти дрожжи сохраняют способность восстанавливать свои митохондрии, они могут расти и без дыхательного метаболизма. Как высокие концентрации субстратов для брожения (например, глюкозы), так и отсутствие кислорода подавляют развитие митохондрий из промитохондрий, хотя и разными путями. Этот необычный для эукариот факультативно анаэробный образ жизни делает возможной передачу по наследству летальных или очень вредных митохондриальных мутаций в условиях, когда происходит брожение, а не дыхание; у других эукариот такие мутации не могли бы передаваться: облигатные аэробы с такими генами погибли бы. Поэтому почти вся конкретная информация о генетике и развитии митохондрий получена в исследованиях на дрожжах. Нам неизвестны растения, животные или грибы, у которых никогда не было бы митохондрий. Немногие эукариоты, у которых они отсутствуют, — это протоктисты: некоторые инфузории и амебы, а также некоторые симбионты, обитающие в анаэробных или микроаэрофильных условиях в кишечнике термитов и питающихся древесиной тараканов. Очень немногие из этих организмов, кроме ряда форм, расщепляющих целлюлозу, были получены в виде чистых культур, и о них нет никаких генетических данных.
У истинно примитивных протоэукариот — нуклеоцитоплазматических хозяев, не имевших митохондрий, должны были, вероятно, отсутствовать также митоз и ундулиподии; если они не приобрели уже симбионтов, способных к дыханию, то они были микроаэрофилами или анаэробами. Можно ли отличить такие организмы от других прокариот или протистов, утративших митохондрии после вторичного заселения анаэробных биотопов? Вероятно, нет. Д. Сирси и его сотрудники утверждали, что превосходным кандидатом на роль современного потомка протоэукариот может быть Thermoplasma acidophila — термо- и ацидотолерантная микоплазма.
Симбиотическое происхождение митохондорий
|
Что представляла собой свободноживущая форма протомитохондрий? |
Это могла быть аэробная грам-отрицательная эубактерия, содержавшая ферменты цикла Кребса и систему цитохромов для полного окисления углеводов до CO2 и H2O. Примеры: Paracoccus denitrificans; Bdellovibrio. |
|
У какого свободноживущего хозяина впервые появились протомитохондрии? |
У микробов, способных анаэробно сбраживать глюкозу до пирувата по пути Эмбдена—Мейергофа (т. е. с гетеротрофным метаболизмом, основанным на брожении, который характерен для нуклеоцитоплазмы эукариот). Пример: Thermoplasma acidophilum. |
|
Какие факторы среды способствовали закреплению симбиоза в эволюции? |
Присутствие кислорода в атмосфере, недостаток питательных веществ, наличие специфических источников питания. |
|
Когда сформировались эти симбиозы? |
В протерозое, во время или после перехода к окислительной атмосфере. |
|
Является ли симбиоз облигатным? |
В аэробных условиях — да. Только в особых случаях эукариотические микроорганизмы могут переносить дедифференцировку или утрату митохондрий; примеры: Saccharomyces, Mixotricha, некоторые жгутиконосцы-полимастиготы. |
|
Какие признаки свободноживущих прокариотических клеток сохранились у митохондрий? |
Кольцевая ДНК, не связанная с гистонами. ДНК синтезируется на всем протяжении жизненного цикла и поровну распределяется между дочерними митохондриями. По «частоте ближайших соседей» и доле GC ДНК митохондрий ближе к ДНК бактерий, чем к ядерной ДНК эукариот. «Цитоплазматические гены», неменделевское наследование митохондрий у эукариот, имеющих мейоз. (Исследованы главным образом митохондрии дрожжей, Neurospora, Tetrahymena, Physarum и клеток млекопитающих). |
|
Какие компоненты митохондрий кодируются ядерными генами? |
Цитохром с, малатдегидрогеназа, фумараза, полипептиды F1-АТРазы. |
|
Какие новые синтезы оказались возможными благодаря появлению митохондрий? |
Синтез производных стероидов и некоторых полиненасыщенных жирных кислот, убихинона и, вероятно, других вторичных метаболитов, особенно у растений. |
|
Почему митохондрии имеются в сперматозоидах, спорах плесневых грибов, семенах и других клетках, служащих для размножения? |
Они (или по крайней мере их генетический материал) должны сохраняться на протяжении всего жизненного цикла, так как ядерные гены не способны обеспечить формирование митохондрий; последние нужны также для синтеза АТР и регуляции распределения кальция. |
|
Какие внутриклеточные механизмы обеспечивают сохранение митохондрий на протяжении всего жизненного цикла организма-хозяина? Как можно индуцировать утрату митохондрий? |
Индуцировать утрату митохондрий обычно нельзя, так как симбиоз почти всегда бывает облигатным; однако у некоторых организмов можно необратимо уменьшить количество митохондриальных структур и их ДНК с помощью мутагенов, например акрифлавина, к которым эта ДНК более чувствительна, чем ядерная. |
|
В какой степени могут митохондрии дедифференцироваться? |
У большинства уэкариот не могут или почти не могут. У факультативных анаэробов, таких как дрожжи и трипаносомы, возможна дедифференцировка вплоть до неразличимости в электронном микроскопе. У дрожжей вся система дифференцировки митохондрий индуцибельна и чувствительна к концентрации глюкозы и O2. |
|
Какие виды РНК синтезируются в митохондриях? |
Рибосомные и транспортные РНК, отличные от ядерных. Последовательности рибосомных РНК митохондрий более сходны с таковыми у бактерий, чем с последовательностями рРНК из цитоплазмы тех же клеток. |
|
Какие белки синтезируются в митохондриях? |
Как рибосомные белки, как и ферменты; Митохондрии содержат специфические «миторибосомы», отличающиеся по структуре и по составу РНК и белков от «циторибосом». Синтез белка чувствителен к хлорамфениколу, но не к циклогексимиду. |
|
Происходит ли в митохондриях синтез липидов? |
Синтезируются липиды наружной мембраны митохондрий. Липидные фракции митохондрий дочерних клеток получают равные количества меченого холина, введенного в родительскую клетку. |
|
Почему нуклеиновые кислоты и ферменты «упакованы» в митохондриях всех грибов, животных и растений? |
Они были приобретены в комплексе в составе внутриклеточных симбионтов гетеротрофными предками всех современных эукариот. |
|
Почему некоторые митохондриальные функции контролируются ядром? |
Облигатным симбионтом свойственна тенденция перекладывать на хозяина функции, ставшие избыточными. Это позволяет объяснить ядерный контроль физиологии митохондрий (например, в летательных мышцах насекомых), кодирование митохондриальной РНК-полимеразы ядерным геномом и интеграцию ядерных и митохондриальных функций. |
|
Почему число и размеры митохондрий в разных клетках различны? |
Как и во всех симбиотических ассоциациях, соотношение симбионт/хозяин не вполне постоянно. |
|
Чем объясняется сходство митохондрий у растений, животных и грибов? |
Протомитохондрии вступили в симбиоз с ферментирующими гетеротрофами раньше, чем предки водорослей и растений приобрели фотосинтезирующие пластиды. Общие предки всех эукариот были гетеротрофными амебоидами, обладавшими митохондриями. Сходство митохондрий говорит в пользу их монофилии, но не доказывает ее однозначно. |
|
Почему митохондриальные гены имеют мозаичную структуру? |
Возможно, это результат сотен миллионов лет эволюции эндосимбионтов; а может быть, так были организованы гены протомитохондрий; вопрос не ясен. |
|
Почему внутри митохондрий имеются кристы? |
Это приспособления для увеличения поверхности, несущей окислительные ферменты; кристы — эволюционные аналоги мезосомальных мембран многих прокариот. |
|
Почему митохондрии дрожжей и регенерирующей печени крысы чувствительны к ингибиторам прокариотического синтеза белка, но не к циклогексимиду? |
Протомитохондрии были прокариотическими клетками; поэтому такие ингибиторы (стрептомицин, хлорамфеникол, спектиномицин, паромомицин и др.) действуют и на белоксинтезирующую систему митохондрий. Циклогексимид же действует на рибосомы эукариот. |
|
Если митохондрии возникли как эндосимбионты, то почему у них нет клеточных стенок? |
Клеточные стенки не нужны в контролируемой, осмотически регулируемой, забуференной среде цитоплазмы, в которой находятся митохондрии. Поэтому они были элиминированы естественным отбором. |
|
Почему одна митохондрия часто содержит несколько геномов, а размеры митохондрий варьируют? |
Митохондрии произошли от внутриклеточных симбионтов типа Bdellovibrio, у которых часто образуется несколько копий генома до формирования плазматической мембраны и поперечных стенок. |
Они обнаружили у этого лишенного клеточной стенки прокариотического организма гистоноподобные и актиноподобные белки. Сочетание признаков: отсутствие клеточной стенки, брожение по пути Эмбдена-Мейергофа, склонность к вступлению в ассоциации, потребность в стеролах, толерантность к кислотам и высоким температурам, а также чувствительность к цитохалазину В подкрепляет гипотезу Сирси. Предполагали даже, что Sulfolobus, окисляющая серу термо- и ацидорезистентная бактерия, способна в отличие от других прокариот поглощать частицы. Однако нуклеотидные последовательности 16S-PHK Thermoplasma и Sulfolobus указывают на то, что эти микробы ближе к архебактериям (метаногенам и галобактериям), чем к нуклеоцитоплазме эукариот.
Возможно, что ближайший ныне живущий родственник протоэукариот — это крупная анаэробная амеба Pelomyxa palustris. У нее нет митоза и митохондрий, но ее, к сожалению, не удается культивировать. Поскольку этот организм имеет ядерные мембраны, его формально следует считать эукариотой, хотя отсутствие других эукариотических черт делает его аномальным. Не исключено, что Pelomyxa никогда не имела митохондрий и, таким образом, является прямым связующим звеном с теми организмами, которые когда-то приобрели протомитохондрии в качестве эндосимбионтов. Но возможно и то, что в процессе эволюции Pelomyxa утратила центриоли, митотическое веретено, митохондрии и прочее. Трудно понять, как могло все это бесследно исчезнуть, но, строго говоря, пока еще нельзя сделать выбора между двумя упомянутыми возможностями.
Сравнение микроаэрофильного метаболизма, характерного для цитоплазмы эукариот, с метаболизмом кандидатов на роль протоэукариот, таких как Thermoplasma, может помочь в поиске последних. Критериями могут быть: гомология последовательностей ДНК и рибосомных РНК, организация генома, присутствие нуклеосом, гомология аминокислотных последовательностей в ферментах гликолитического пути Эмбдена-Мейергофа, наличие характерных цитоплазматических окислительных органелл пероксисом, присутствие в цитоплазме и аминокислотные последовательности «двигательных» белков, таких как актины и миозины, а также кальмодулинов и фосфолипиднобелковый состав плазматической мембраны. Особенно интересно предположение Де Дюва, что пероксисомы могли возникнуть у микроаэрофильных протоэукариот еще до приобретения митохондрий.
Показано, что внешний слой двойной мембраны митохондрий более сходен с мембранами эндоплазматического ретикулума (ЭР), чем с внутренней митохондриальной мембраной. О чем свидетельствует сравнение ЭР и внутренних митохондриальных мембран с плазматическими мембранами Bdellovibrio, Paracoccus и Thermoplasmal. Предсказание теории симбиоза состоит в том, что внутренняя мембрана должна быть гомологична мембране протомитохондрий, а наружная и мембраны ЭР-мембранам протоэукариот.
Важная и почти уникальная особенность метаболизма эукариот — это их способность к синтезу стероидов. Все мембраны эукариот содержат значительное количество этих циклических липидов. Синтез стероидов, вероятно, является продуктом взаимодействия разных геномов на метаболическом уровне. Дрожжи с дедифференцированными митохондриями, выращенные в анаэробных условиях, нуждаются в стероидах, тогда как те же организмы, растущие аэробно и имеющие нормальные митохондрии, могут их синтезировать.
Стероиды, такие как холестерол, по-видимому, незаменимы для построения гибких динамичных мембран эукариот. При всем их поразительном разнообразии все стероиды можно произвести от общего биосинтетического предшественника — ланостерола. Это соединение превращается в холестерол у животных и в циклоартенол у растений. Ланостерол образуется из универсального предшественника изопреноидов сквалена, продукта метаболического пути, ведущего от ацетата через изопентенилпирофосфат. Для замыкания кольца при синтезе ланостерола из сквалена необходим свободный молекулярный кислород. В митохондриях присутствует атмосферный или растворенный кислород, используемый на последнем этапе аэробного дыхания.
Дитерпеновые спирты, вероятно, синтезировались протоэукариотами до приобретения митохондрий, так как они образуются в нуклеоцитоплазме дрожжей и у большинства прокариот. Значит, их синтез, вероятно, должен теперь находиться под генетическим контролем нуклеоцитоплазмы. Следовательно, биосинтетический путь от ацетата к сквалену скорее всего контролируется ядерными генами, тогда как ферменты пути, ведущего от ланостерола к холестеролу, вероятно, находятся (или по крайней мере первоначально находились) под генетическим контролем протомитохондрий.
Биосинтез сложных терпеноидов почти исключительная прерогатива растений. Биосинтез масел, дитерпенов и тритерпенов, возможно, требует присутствия более чем одного типа геномов: способность синтезировать циклические и окисленные терпены, столь характерные для растений, может быть обусловлена их тригеномной природой — наличием нуклеоцитоплазмы, митохондрий и пластид. Для проверки этой концепции следует изучать биосинтез терпенов при подавлении (физиологическом или мутационном) метаболизма митохондрий, пластид или тех и других. У дрожжей метаболизм митохондрий может быть полностью обратимо блокирован, а у некоторых эвгленовых метаболизм фотосинтезирующих пластид можно блокировать как обратимо, так и необратимо. Установление корреляции между способностью к синтезу стероидов и терпеноидов и функционированием органелл помогло бы понять как распределение функций генетического контроля между разными органеллами, так и происхождение соответствующих метаболических путей.
Если органеллы начинали свой путь как свободноживущие организмы, то в момент возникновения ассоциации важнейшие метаболические системы должны были иметься у обоих партнеров. По мере того как естественный отбор устранял эту неизбежную вначале избыточность, партнеры становились все более зависимыми друг от друга. Любое вещество, необходимое для развития и размножения симбионта, должно либо поступать к нему из окружающей среды (из внешней среды или из клетки хозяина), либо синтезироваться самим симбионтом. Общая тенденция состоит в том, что любой важный метаболит или фермент, необходимый как хозяину, так и симбионту, и синтезируемый вначале обоими, будет со временем поставляться только одним из партнеров, обычно хозяином. Метаболическая избыточность может устраняться отбором до тех пор, пока партнеры остаются вместе и между ними возможен обмен продуктами генов и метаболитами. Если хозяин — эукариотический организм, размножающийся половым путем, то он должен обладать механизмами, обеспечивающими точное распределение генов между дочерними клетками. В таком случае эндосимбионту «удобно» использовать метаболические механизмы хозяина. Если хозяин — нормальная диплоидная клетка с. генетической системой менделевского типа и синтез определенного метаболита зависит от присутствия доминантных генов, то рецессивные мутации могут отрицательно сказываться на размножении, развитии или функционировании симбионта. Разумеется, фенотип таких хромосомных рецессивов может проявиться только в том случае, если симбионт еще присутствует в цитоплазме: повторное приобретение доминантного гена, контролирующего синтез метаболита, необходимого для развития симбионта (например, определенной аминокислоты), никогда не приведет к восстановлению утраченного симбионта. Эти соображения позволяют объяснять тот факт, что многие метаболиты, синтез которых контролируется ядром, имеют решающее значение для передачи по наследству признаков, определяемых цитоплазматическими органеллами. Так можно интерпретировать передачу лизиновой ауксотрофности у некоторых штаммов дрожжей. Генетические детали таких воздействий на митохондрии и пластиды см. у Гилхэма.
Источник: Л. Маргелис. Роль симбиоза в эволюции клетки. Пер. В.Б. Касинова, Е.В. Кунина. Под ред. Б.М. Медникова. Издательство «Мир». Москва. 1963