Аномалии митохондриального генома и старение

Впервые явная связь между нестабильностью митохондриального генома и старением штаммов грибов была обнаружена на нитчатом (filamenous) грибе Podosporaanserina. Сравнительный анализ митохондриальной ДНК у разных штаммов данного вида показал, что в стареющих культурах накапливаются специфические молекулы плазмидоподобных ДНК. Эти кольцевые молекулы образуются в результате сплайсинга нитрона субъединицы Iцитохромоксидазы (pl-интрон) и являются мобильными генетическими элементами. Данный интрон кодирует фермент — обратную транскриптазу. Встраиваясь в различные места мтДНК, он формирует повторяющиеся последовательности, которые впоследствии рекомбинируют с образованием дефектных молекул мтДНК с делециями разной длины. Протяженные делеции, выявленные в стареющих культурах штаммов Р. anserina, приводят к нарушению функций митохондрий, энергетическому дефициту и гибели культуры, начиная с кончиков гифов. При дальнейших исследованиях были выявлены мутантные штаммы Р. anserina, имеющие значительно большую продолжительность жизни, у которых не наблюдалось ни амплификации pl-интрона, ни реорганизации мтДНК. Наследование фенотипа «долгожителя» у одного из таких мутантов — grisea — происходит по менделевскому типу и связано, вероятно, с особенностями ядерного генома. Были также описаны два стареющих мутанта Р. anserina, у которых изменены компоненты ТОМ-комплекса — наружной мембраны митохондрий. Накопление специфических мутаций мтДНК у этих штаммов не было связано с амплификацией pl-интрона.

Еще один механизм старения, связанный с реорганизацией митохондриального генома, выявлен у нейроспоры. В данном случае наблюдалась не утрата фрагментов мтДНК, а инактивация генов, связанная с интеграцией плазмид в митохондриальный геном.

Большинство природных и лабораторных штаммов Neurosporaне стареют и кажутся бессмертными, но, как упоминалось в предыдущем разделе, описано два случая старения, связанного с линейными плазмидами.

Наиболее детально исследованы штаммы kalilo (умирающие), обнаруженные на Гавайях, которые в природных популяциях сосуществуют с нестареющими штаммами N. intermedia. Было показано, что в ювенильной стадии плазмида присутствует в митохондриях в большом количестве копий и наследуется преимущественно по материнской линии. Начало старения совпадает с внедрением каlДНК молекулы в мтДНК. Это событие происходит во времени более или менее случайно, да и в мтДНК плазмида внедряется в самые различные локусы. Внедрившаяся плазмида вызывает разрушение — старение и гибель организма, поскольку нарушается функционирование митохондриального генома. Свободные и встроенные плазмиды стареющего штамма передаются потомству вместе с мтДНК через материнскую цитоплазму. Чем короче жизненные циклы, тем ближе материнский родитель к смерти. При этом обнаруживаются цитохромные и рибосомальные дефекты, наблюдается цианид-нечувствительное дыхание.

Хотя точный механизм встраивания неизвестен, показано, что для этого процесса необходимо совпадение последовательности любых 5 п.н. из терминальных 20 нуклеотидов каlДНК с таковыми мтДНК. Молекула мтДНК со встроенной плазмидой имеет структуру… С-В-А — kalДНК-А-В-С… (где А, В, С — митохондриальные сегменты), тогда как до встраивания она представляла собой структуру… X-Y-Z-A-B-C… Неясно, существуют ли молекулы… X-Y-Z — kalДНК — Z-Y — X…

Кроме этих молекул в стареющих kalilo клетках обнаруживают и другие аномалии: большие сцепленные (concatenated) кольцевые или линейные комплексы каlДНК без мтДНК или минорные варианты делегированных kal ДНК разных размеров.

Вторая линейная плазмида, вызывающая старение, — maranhar-также встраивается в митохондриальный геном, хотя при этом не наблюдается 5'-нуклеотидной гомологии между ее концом и мтДНК. Комплекс тагДНК/ мтДНК так же симметрично фланкирован митохондриальными последовательностями, как и kalДНК/мтДНК.

У патогенного гриба другой систематической группы — Fusariumoxy-sporum — обнаружены две линейные митохондриальные плазмиды, для которых впервые была доказана репликация путем обратной транскрипции. Поскольку эти плазмиды также имеют 5-нуклеотидный повтор на одном конце молекулы, как и kalДНК, механизм встраивания может быть аналогичным.

Реорганизация митохондриального генома и связанные с ней процессы старения могут запускаться с помощью разных механизмов, в которых, вероятнее всего, участвует и ядерный геном [12].