Открытие своеобразной формы полового поведения у митохондрий совместимо с теорией симбиоза. Генетическая рекомбинация у этих органелл гораздо больше напоминает половой процесс у фагов и бактерий, чем у ядер эукариот. Все четкие данные получены на Saccharomyces, так как дрожжи могут размножаться в чистой культуре, на среде определенного состава, как стабильные гаплоиды или диплоиды. В таких митотически делящихся клетках ядерный геном остается неизменным, и это позволяет следить за сегрегацией рекомбинантной ДНК, образующейся при скрещиваниях между маркированными родительскими митохондриями. Рекомбинация митохондриального генетического материала происходит у дрожжей регулярно и часто независимо от мейоза.
Так как большинство других эукариот не переносит серьезных нарушений функционирования митохондрий и не может расти без полового процесса в виде одиночных гаплоидных или диплоидных клеток, генетическое поведение их митохондрий исследовать не удается. Однако если результаты, полученные на дрожжах, можно экстраполировать на другие эукариотические организмы, то рекомбинация митохондрий должна быть обычным явлением. Ваши собственные органеллы, возможно, ведут свою тайную половую жизнь.
Уже построена генетическая карта митохондрий дрожжей. Почти половина охарактеризованных митохондриальных мутаций затрагивает белоксинтезирующую систему этих органелл: они выражаются в изменении резистентности к антибиотикам, изменении транспортных и рибосомных РНК. Другие мутации влияют на комплексы дыхательных белков, связанные с мембраной. Известно около 700 независимо выделенных митохондриальных мутантов. Комментируя половое поведение митохондрий дрожжей, Б. Дюжон (личное сообщение, 1978) писал:
«Я полагаю, что следует с осторожностью применять термин «пол» по отношению к митохондриям, но при том определении, которое Вы ему даете [регулярное образование индивидуумов, имеющих более одного родителя], я полностью согласен с употреблением этого термина. Интактные митохондриальные геномы дрожжей рекомбинируют столь активно, что после недолгого [асексуального] роста [стабильно диплоидных родительских дрожжей, образующихся в результате спаривания] возникают всевозможные множественные рекомбинанты [митохондрий]. Но следует отметить, что рекомбинация может происходить и между разными молекулами митохондриальной ДНК, происходящими от одного родителя, а не только между молекулами от разных родителей. Под словом «пол» часто также понимают половую дифференциацию, и хотя мы всегда говорим о «гомосексуальных» и «гетеросексуальных» скрещиваниях, нет никаких данных о существовании среди митохондрий двух (или нескольких) половых типов. По нашей терминологии «половой тип» — это тип, способный рекомбинировать только с противоположным половым типом. Система омега (ω), контролирующая полярность рекомбинации вблизи самого омега-локуса, вначале была принята за половой тип. Теперь мы знаем, что различие между ω + и ω— связано с включением определенной нуклеотидной последовательности (около 1000 пар) в точно локализованный участок митохондриальной ДНК. Наконец, в сознании многих исследователей существует параллель между митохондриальной наследственностью и материнской наследственностью [митохондриальные генотипы передаются потомству только одним родителем, обычно самкой или родителем, продуцирующим яйца]. Все наши результаты указывают на то, что у дрожжей оба родителя вносят равный вклад в передачу митохондрий потомству независимо от их ядерных половых типов… а, следовательно, нет смысла говорить об эффекте материнской наследственности. У других видов это, очевидно, не так».
Рекомбинацию у митохондрий обычно изучают, используя маркеры резистентности к антибиотикам или мутации белков, участвующих в дыхании и окислительном фосфорилировании. Первые, например резистентность к аминогликозидным антибиотикам, которые, как известно, подавляют рост свободноживущих и патогенных бактерий, присоединяясь к их рибосомам, считаются мутациями, затрагивающими митохондриальные рибосомы. Вторые, называемые мутациями mit—, представляют собой дефекты митохондриальных генов, кодирующих такие белки, как цитохромоксидаза, олигомицин — чувствительная мембранная АТРаза, цитохром b и различные редуктазы. Биологические особенности дрожжей и большое число митохондриальных маркеров обусловили возможность многофакторных скрещиваний, в которых можно одновременно прослеживать передачу многих митохондриальных генетических детерминантов. Более чем десятилетняя работа ряда исследователей позволяет нарисовать интереснейшую картину митохондриального полового процесса. Нижеследующее резюме основано в первую очередь на работе Дюжона и Слонимского.
Митохондриальная генетическая система мультигеномна: каждая дрожжевая клетка содержит несколько идентичных копий функциональной митохондриальной ДНК. Их число не фиксировано. Число генетически активных копий может варьировать в разных клетках одного штамма дрожжей; оно зависит также от внешних условий, таких как температура и присутствие различных веществ, и от скорости роста дрожжей. Межштаммовые различия в числе митохондриальных геномов на клетку по крайней мере частично определяются несколькими взаимодействующими ядерными генами. Спаривание и рекомбинация митохондриальных ДНК, по-видимому, происходит часто и случайным образом. Рекомбинация нереципрокна; действительно, число двойных рекомбинантов в двухфакторных скрещиваниях всегда более чем вдвое (часто намного более) превышает ожидаемое на основании реципрокной модели. Продукты рекомбинации быстро сегрегируют при митотическом делении клеток; клетка, содержавшая вначале по-разному маркированные митохондрии, через несколько делений дает дочерние клетки с митохондриями только одного типа. Причина этой сегрегации, которая происходит без добавления каких-либо селективных агентов, не ясна. В некотором смысле это проявление внутриклеточного отбора, при котором остальная часть клетки — нуклеоцитоплазма — служит для митохондрий внешней средой. Показано, что внутриклеточный отбор может приводить к сегрегации некоторых маркеров резистентности к антибиотикам. По-видимому, небольшое число сегрегирующих митохондриальных генетических единиц, содержащихся в каждой дрожжевой клетке, распределяется при митотическом делении случайно. Каждая сегрегирующая единица, очевидно, состоит из нескольких молекул ДНК. Организация этой ДНК не вполне понятна, но наиболее правдоподобная гипотеза состоит в том, что сегрегирующая единица — это группа молекул митохондриальной ДНК, прикрепленных в определенном месте к внутренней мембране митохондрии. Это согласуется с данными электронной микроскопии.
Можно сформулировать следующие общие правила наследственной передачи и рекомбинации митохондриальных маркеров у Saccharomyces cerevisiae.
1. Передача двух или большего числа аллелей различных локусов, если они получены от одного родителя (дрожжевой клетки), всегда происходит коррелированно. Часто, но отнюдь не всегда, наблюдается линейная корреляция; если корреляция нелинейна, ее вид предсказывается моделью Дюжона и Слонимского.
2. Верхний предел частоты рекомбинации между двумя маркерами 20-25%. Этот предел может быть превышен только тогда, когда два реципрокных рекомбинанта появляются с существенно разной частотой. Такое явление получило название полярности рекомбинации. Если полярность высока, максимальная частота рекомбинации может достигать 80%, причем в этом случае число типов рекомбинантов намного больше числа родительских типов.
3. Существует нелинейное функциональное отношение между частотой рекомбинации между двумя локусами и передачей аллелей каждого локуса. Вид этого отношения предсказывается моделью Дюжона и Слонимского.
4. В трехфакторных скрещиваниях, когда отсутствует полярность рекомбинации, число двойных рекомбинантов по крайней мере вдвое больше ожидаемого, равного произведению частот появления двух одиночных рекомбинантов.
Эти четыре правила позволяют построить физическую и генетическую карту митохондриальной ДНК дрожжей. Все мутации, подчиняющиеся этим правилам, локализуются в одной группе сцепления, т. е. в одной молекуле митохондриальной ДНК. Митохондриальный геном состоит из уникальных нуклеотидных последовательностей, разделенных повторяющимися последовательностями. Имеется 60-70 уникальных генов со средней длиной 530 нуклеотидов; они чередуются с повторяющимися последовательностями средней длиной 680 нуклеотидов. Каждая повторяющаяся последовательность состоит из спейсера, богатого АТ (около 600 нуклеотидов), короткого кластера примерно из 30 нуклеотидов ж кластера, богатого GC, длиной около 50 нуклеотидов. Спейсеры, богатые АТ, вероятно, играют важную роль в рекомбинации; две другие последовательности в составе повторов могут, помимо прочего, регулировать инициацию синтеза ДНК.
Подводя итоги, можно сказать, что митохондрии дрожжей представляют собой мультигеномную генетическую систему, претерпевающую много циклов спаривания и характеризующуюся высокой эффективностью генетической рекомбинации и случайной, но очень быстрой сегрегацией. Этот своеобразный «промискуитет»» — случайность рекомбинаций и быстрота сегрегации — напоминает генетическое поведение бактериофагов.
Однако в других отношениях митохондриальная ДНК не похожа на фаговую. Например, близко родственные штаммы дрожжей могут сильно различаться по объему, содержанию митохондриальной ДНК, не различаясь при этом по функции митохондрий. У близких штаммов даже нуклеотидный состав митохондриальной ДНК может быть разным, так что значительная часть этой ДНК должна быть избыточной для функционирования генома. Кроме того, как и у эукариот, митохондриальные гены имеют мозаичную организацию. Иначе говоря, генетический материал, кодирующий разные участки одного и того же белка, может находиться в обособленных отрезках ДНК, и соответствующие транскрипты объединяются путем сплайсинга. Эти и другие черты генетической организации митохондрий привели Бернарди к следующему заключению:
«Можно сделать два основных вывода… Во-первых, митохондриальному геному дрожжей свойствен эукариотический, а не прокариотический тип организации… Во-вторых, в такой системе, как митохондриальный геном дрожжей, где чередуются уникальные и повторяющиеся последовательности, чрезвычайно важную роль играют рекомбинации, основанные на гомологии повторяющихся участков. Это основной механизм дивергенции и эволюции геномов, который обеспечивает на несколько порядков величины более высокую скорость этих процессов, чем механизм, основанный на точечных мутациях».
Бернарди, видимо, полагает, что генетическая организация митохондрий сформировалась таким образом, чтобы их эволюция могла происходить быстрее. Однако нам кажется, что, каково бы ни было значение всех этих фактов для симбиотической теории, было бы неразумно объяснять их, наделяя эволюцию способностью к предвидению.
Источник: Л. Маргелис. Роль симбиоза в эволюции клетки. Пер. В.Б. Касинова, Е.В. Кунина. Под ред. Б.М. Медникова. Издательство «Мир». Москва. 1963