ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА И МИТОХОНДРИЯ. ЧАСТЬ 1. 21 АПРЕЛЯ 2008.
Глава из книги Курносов М.Н."Новая генетика и ДНК-информатика".2013.
Данная статья написана с целью ускорения эволюции человка, перехода его на более высокий биологический уровень, чем Homo sapiens. Для работы митохондрий необходимо около 810 генов, продукты которых являются структурными
компонентами митохондрий и различными ферментами энергетического обмена и белками обслуживающими геном митохондрий и синтез белков на рибосомах.
Когда-то геном митохондрий содержал значительно больше генов, а сегодня геном митохондрии человека содержит всего 37 гена, а из них только 13 необходимых
для энергетики.
Все остальные гены в течение эволюции переместились в хромосомы ядра.
Этот рудиментарный геном для митохондрии и для клетки в целом только вреден,
так как его повреждаемость кислородными радикалами и другими генотоксическими веществами во много раз выше , чем для генов ядра.
Высокая повреждаемость генома митохондрий значительно сокращает время жизни человека и способность к работе с возрастом. Сами клетки из-за митохондрий
более уязвимы к различным повреждениям, так как часто через митохондрии активируется клеточный апоптоз
и смерть.
Факторов апоптоза, связанных с митохондриями , более 28, и они могут
запускаться при критическом уровне повреждений в митохондрии.
Почти 99 белков, которые обеспечивают работу рибосом митохондрий, должны образоваться в цитоплазме и затем переместиться в матрикс митохондриии.
Только для того, чтобы транслировать 13 генов генома митохондрии. Вывод напрашивается сам собой и я не первый, скорее всего, кто обратил на это внимание.
Надо перенести эти 13 нужных генов энергетики в хромосомы ядра, а геном митохондрии разрушить.
Еще в 70-х годах 20 века изучалось движение белков в митохондрию и многие
ученые думали о переносе генома митохондрии в ядро.
О транспорте белков в митохондрию литература [2, 3].
Я здесь попытался осмыслить этот возможный перенос генов в связи с
данными генома человека в новых условиях развития информатики ДНК.
Это должно по расчетам привести к появлению нового вида человека. Я назвал
его Homo neosapiens. Это будет скачок в эволюции человека, так, как он приобретет совершенно новые свойства.
Это очень высокая энергетика, высокая устойчивость к повреждающим факторам среды, скачок в продолжительности жизни, устойчивость ко многим болезням.
Простой перенос в хромосомы в виде вектора выделенных геномов митохондрий
вряд ли приведет к ненужности митохондриального генома, даже если произойдет удачная интеграция. Для сборки митохондрии надо, чтобы белки ферментных комплексов сначала проникли в саму митохондрию. Для этого
белки-предшественники должны иметь лидерный конец, с помощью которого они проходят через пору митохондрии, а также должны иметь сайт атаки
эндопептидазы для отщепления лидерного конца.
Белки, синтезирующихся внутри митохондрии, не имеют таких участков
из-за ненадобности. Поэтому перед созданием вектора, содержащего гены митохондриального генома, надо перед каждым геном расположить обычный
промотор хромосомного гена, затем последовательность, кодирующую лидер и сайт
для эндопептидазы.
Здесь лучше всего пойти по аналогии с генами , являющимися компонентами митохондрий и лежащими в хромосомах и создать участок вектора по подобию.
Для этого я прошелся по геному человека и составил самый полный на сегодня список генов домашнего хозяйства митохондрии. Возможно в нем не хватает нескольких генов, так как генов с неизвестными функциями очень много.
Список дан в приложении 1 и 2. В будущем при изучении генома список незначительно изменится. Получилось, что гены домашнего хозяйства митохондрии, составляют около 3 процентов всех генов человека.
Они разбросаны по всем хромосомам почти равномерно, что говорит о том, что митохондрия теряла гены постепенно, и что переход каждого гена в хромосомы
был выгоден с эволюционной точки зрения для клетки и организма.
Использование этого списка облегчает изучение биологии митохондрии, так как
гены легко найти и сгруппировать на несколько крупных семейств.
Это семейство генов белков рибосом L и S субъединиц, семейство переносчиков низкомолекулярных субстратов SLC25A, семейства транслоказ белков через
наружную и внутреннюю мембраны митохондрий TOMM и TIMM, семейства
NADH-дегидрогеназ NDUFA и NDUFS и другие.
При разработке новых генов хромосом гены из этого списка можно использовать
для образца, так как их белки имееют нужный сигнальный конец и все удачно проникают внутрь митохондрии.
МИТОХОНДРИЯ И ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА. ЧАСТЬ 2. 01 МАРТА 2009.
И ДОПОЛНЕНИЕ 01 ЯНВАРЯ 2012.
После обсуждения возможности переноса генома митохондрии в ядерный
геном со специалистами были сделаны дополнительные выводы, которые
изложены ниже.
1. По поводу митохондриальной патологии и старения.
Старение неразрывно связано с всеобщим энергодефицитом
в организме человека. Страдают все звенья энергетического обмена.
Многие возрастные болезни прямо связаны с недостатком энергии в
клетках.
Про это много написано в прошлых исследованиях по геронтологии. Старение и патология митохондрий неразрывны. Например, активность цитохромоксидазы значительно падает.
Обзорная информация по энергетике при старении в литературе [4].
Современные данные - литература для примера [5-13].
Мое мнение, что для старения важны как гены митохондрии, так и более 800
генов ядра домашнего хозяйства митохондрий. Но в митохондрии гены более подвержены повреждениям. Можно пробовать спасать или защищать геном ее антиоксидантами, но опыт говорит, что это недостаточно, к тому же много
других, кроме кислорода, вредоносных генотоксических агентов.
Радикальная защита митохондрии - это удаление генома из митохондрии и перенос генов в ядро.
Есть еще один аспект этого переноса. В ядре работают 99 генов для обеспечения работы генома и рибосом митохондрии. Если перенос успешен, то эти гены станут
не нужны. Причем эти гены интенсивного функционирования и их ненадобность
значительно облегчит работу ядра клетки, а их повреждаемость с возрастом не будет влиять на состояние клетки.
Предположительно, ненадобность этих 99 генов значительно повысит
устойчивость клетки к повреждениям и продолжительность жизни.
Последние исследования доказывают роль генома митохондрий в старении.
Так, при создании мышей с ДНК-полимеразой (ген POLGA), которая при
копировании генома митохондрии, вызывает повышение мутаций в нем, обнаружено, что эти мыши имееют ускоренное старение, сокращение жизни, ранний старческий фенотип. Начало старения, средняя продолжительность и максимальная
продолжительность жизни составила соответственно 25, 48, 61 недели.
Причем уровень кислородных радикалов был не высоким. Литература [5-12].
2. В геноме митохондрии 4 кодона отличаются от ядерного генома, то есть в митохондрии они транслируют разные аминокислоты или терминаторы.
То есть, если гены митохондрии просто встроить в хромосому, то их трансляция будет ошибочна. Сегодня различия генного кода легко обходимы,
не надо пытаться заниматься точковым мутагенезом с помощью олигонуклеотидов
или иначе. Есть фирмы, которые рекламирует быстрый синтез гена из нуклеотидов
напрямую, для митохондриальных генов это лучший способ, так как они
небольшие, можно добавить и лидерный участок и промотор. При этом кодоны
будут исправлены.
Нет необходимости переносить весь геном митохондрии в хромосомы, так как в
нем будут содержаться ненужные гены - тРНК, рРНК. Надо перенести только
важные 13 генов, причем для начала можно перенести часть или один ген и посмотреть, что будет.
У меня в наличии есть программа для того, чтобы быстро исправить нужные
кодоны в геноме митохондрии, так, чтобы они были приспособлены для трансляции
в цитоплазме. Приведу пример гена ATP6 с кодонами для трансляции в
митохондрии и созданный мной ген для трансляции в цитоплазме. Это хороший
пример биоинформатики ДНК, когда создается новый ген на основе теоретических знаний.
Ген для трансляции в митохондрии - 681 нуклеотид.
Цитировано с http://ncbi. nlm. nih. gov.
tacctgcacgacaacacataa
19
Ген для трансляции в цитоплазме - 681 нуклеотид,
создал Курносов М. Н. Ген искусственный, только кодирующая
часть.
tacctgcacgacaacacataa
3. Еще одно возможное препятствие для осуществления этого проекта - это
сильно неполярный гидрофобный характер белков, синтезируемых с
митохондриального генома. Возможно будет затруднена их трансляция в
цитоплазме. Действительно , белки митохондрии генома довольно сильно
неполярны, что может препятствовать их трансляции и транспорту внутрь митохондрии.
Субъединицы многих белков митохондрий имеют неполярные, трансмембранные
домены, но тем не менее они с помощью лидерной последовательности проникают сначала в матрикс, а затем встраиваются в мембрану. Поэтому я думаю, что подобрав нужный лидерный участок этих белков, сильно заряженный и
гидрофильный можно это будет преодолеть.
После транспорта внуть митохондрии какой бы лидер не был, он будет отрезан протеазой.
Для примера приведу - ген COX6A ядра, у которого я пометил неполярный домен - FFVALPGVAV, а также указал сигнальный пептид - лидер.
Этот пептид отрезается и нужен только для проникновения белка в митохондрию.
mavvgvssvsrllgrsrpqlgrpm - лидер
-*****--*--***---*-**-*-
ssgahgeegsarmwktltFFVALPGVAVsmlnvylk
--**-*--*-*-----*-**********--*-*-*-
shhgeherpefiayphlrirtkpfpwgdgnhtlfhn
---*----*-***-*-*-*---***-*-*---**--
phvnplptgyede
*-*-***-*----
Ген ATP8 генома митохондрии, неполярных участков мало. Без предполагаемого лидера.
MPQLNTTVWPTMITPMLLTLFLITQLKMLN
-*-*---*-*--*-*-**-****--*--*-
TNYHLPPSPKPMKMKNYNKPWEPKWTKICS
----***-*-*--------*--*----*--
LHSLPPQS
*--***--
Я отметил (*) неполярные аминокислоты. Их может быть много в белках,
кодируемых ядром и в белках, кодируемых геномом митохондрии.
4. Белки, образуемые в цитоплазме, подвергаются созреванию, то есть частичной модификации аминокислот.
5. Чтобы белки работали, они должны соединиться в макромолекулярный комплекс. Напимер, образовать АТФ-синтазу из нескольких субъединиц. Все это может усложнить проект. В конечном счете опыт - критерий истины.
Таким образом, необходимы прямые эксперименты для проверки синтеза и
транспорта белков, кодируемых генами митохондрии из цитоплазмы в митохондрию.
Показано , что процесс встраивания части митохондриального генома в хромосомы
происходит спонтанно у некоторых видов. То есть этот процесс происходит в природе, но он не управляемый и толку от него нет.
В настоящее время проводятся эксперименты по таргетингу (то есть управляемому транспорту белков внутрь митохондрии). Речь идет именно о белках, которые
сами не могут в нее попасть. К ним надо пришить сигнальный пептид
определенного состава, который и осуществит проникновение белка в
митохондрию. Теоретическое обоснование пользы от этого переноса и возможности это осуществить вполне достаточны, то есть нет каких-то явных непреодолимых препятствий. О возможности переноса генома митохондрии в ядро ученые думали
давно - с 70-годов прошлого века. Наконец весь мир из книги Обри де Грея
узнал, что он взялся решить эту проблему. Литература (14).
И вот прошло уже 5 лет с момента его декларации об этом намерении, а каких-то серьезных результатов пока не напечатано. Можно пожелать ему успеха в его работе. Но может быть так, что результатов никто не дождется. Поэтому я
считаю, что такие проекты надо одновременно делать в нескольких независимых лабораториях.
В этой статье я теоретически обдумал подходы к началу таких экспериментов. Информатика ДНК позволяет это сделать, сидя за компьютером.
Будет создан новый вид человека, который не будет скрещиваться с Homo
sapiens, так как будут созданы митохондрии без генома. Надо будет создать
особи женского рода с новыми митохондриями и особи мужского рода с
хромосомами, содержащими модифицированный геном митохондрий для обоих полов.
Тут без клонирования человека не обойтись, так как митохондрии наследуются
через яйцеклетки. Промежуточный этап - это получение стволовых клеток,
в ядре которых будет такой геном митохондрий. Для начала надо получить устойчивую экспрессию отдельных модифицированных генов митохондрии и
транспорт этого белка внутрь ее.
Еще раз обращаю внимание, что в одной лаборатории это все сделать сложно по многим причинам, и поэтому какие бы не были получены результаты ранее, надо просто подключиться или начать с нуля этот проект. Может быть так, что
удачные результаты никогда не будут опубликованы, а новые клетки содержащие геном митохондрии в ядре невозможно будет где-то получить или приобрести.
Этот проект переноса генов из митохондрии в ядро я представил в этой книге
для демонстрации теоретической биоинформатики, работа с которой должна предшествовать экспериментам с молекулами и клетками.