Отметим сразу, что данный проект действительно не является неосуществимым из-за сложности реализации. Так, еще в 1976 году были получены, например, реконструированные мембранные пузырьки, содержавшие АТФ-синтезирующий комплекс митохондрий и фрагмент мембраны пурпурных бактерий с белками протонного насоса. Такие пузырьки при освещении синтезировали АТФ за счет протонного градиента, создаваемого белками Н+-насоса ([1], с. 201). Обработка митохондрий ультразвуком также приводит к отшнуровке субмитохондриальных структур, образованных внутренней мембраной митохондрий – они используются для изучения протонных насосов ([5], с. 135). Так что поле для дальнейшего усовершенствования исходного органоида у Кифы Мокиевича обширное.

Рассмотрим некоторые достоинства и недостатки предлагаемого проекта.

Кифа Мокиевич рассчитывает получить некоторый выигрыш за счет снижения затрат на транспорт веществ в митохондрии, например, малат-аспартатного или ацетоацетат-β-оксибутиратного челночных механизмов на мембране митохондрий. Но не стоит забывать, что в результате активного транспорта через обе мембраны митохондрий создаются локально высокие концентрации как дыхательных субстратов, так и ионов фосфата. Если эти вещества будут “размазаны” по цитоплазме, вряд ли будет возможно протекание реакций цикла Кребса, а если отграничивать около-вывернуто-митохондриальное пространство, то вновь возникает проблема переносчиков, и, следовательно, “таможенной пошлины” – затрат АТФ. Сходное соображение касается и ферментов цикла Кребса, работающих в ограниченном объеме митохондриального матрикса. Выведение процессов за пределы этого ограниченного объема может привести к нарушению осмотического и кислотно-щелочного баланса цитоплазмы – или снижению скорости протекания самих процессов тканевого дыхания из-за неподходящих условий в цитозоле. Кроме того, в ходе реакций цикла Кребса и β-окисления жирных кислот образуется большое количество восстановленных продуктов (НАД·Н+Н+ и ФАД·Н2), выход их в цитозоль может привести к ненужному восстановлению молекул клетки с одной стороны и бесполезному окислению переносчиков, т.е. энергетическим потерям, с другой. Реализация проекта приведет также к потере митохондриями ряда функций, связанных с метаболизмом стероидов и порфиринов в клетке. Все названные в этом абзаце проблемы связаны с потерей внутренним содержимым митохондрий изолированности, “компартментности”.

Теперь остановимся на митохондриальных белках и генетических системах, кодирующих их. “В митохондриальной генетической системе содержится запись некоторых (но далеко не всех) митохондриальных белков и большинства митохондриальных РНК (иногда за исключением нескольких маленьких РНК, в том числе части транспортных РНК, которые транспортируются в митохондрию из цитоплазмы). Митохондриальный геном кодирует 13 субъединиц комплексов дыхательной цепи. Ядерный геном кодирует остальные белки - переносчики электронов, митохондриальные транслоказы, компоненты транспорта белков в митохондрии, факторы, необходимые для транскрипции, трансляции и репликации митохондриальной ДНК. Поэтому можно сказать, что функционирование митохондрии представляет собой диалог между двумя геномами: митохондриальным и ядерным. Некоторые митохондриальные гены представлены копиями в ядерном (а у растений и в хлоропластном) геноме.” [3]. Интересно отметить, что в ходе эволюции наблюдается постепенное “перетекание” ([4], с. 81) генетического материала из митохондрий в ядро, в результате чего всё большее число митохондриальных белков кодируется ядерным геномом. “В качестве примера приведем Н⁺-АТФ-азу. Этот фермент собирается из девяти полипептидных цепочек. У хлоропластной Н⁺-АТФ-азы шесть из них закодированы в геноме хлоропластов, а три – в ядре. У дрожжей две цепочки закодированы в геноме митохондрий, остальные – ядре. А у млекопитающих в митохондриях кодируется только одна цепочка” (там же). Так что проект Кифы Мокиевича не противоречит тенденции эволюционного процесса.

Еще больше проблем предстоит решить Кифе Мокиевичу с белками, кодируемыми митохондриальной ДНК. Дело в том, что генетический код митохондрий и биосинтез белка в них имеет ряд специфических особенностей, подробно описанных А. У. Игамбердиевым в статье “Уникальная генетическая система митохондрий” [3]. “Исследование генома митохондрий выявило совершенно уникальные его особенности. Первое шокирующее сообщение пришло в 1979 году, когда было обнаружено, что в митохондриях нередки отклонения от универсального генетического кода. Эти отклонения были найдены позже во многих организмах, особенно в митохондриях животных и грибов. Так, в митохондриях человека кодон АУА кодирует аминокислоту метионин вместо изолейцина в стандартном коде. Кодоны АГА и АГГ, в стандартном коде кодирующие аргинин, являются стоп-кодонами, а кодон УГА, в стандартном коде являющийся стоп-кодоном, кодирует триптофан…  

[…]Особенность митохондриального генома многих организмов - это необычайно частое изменение структуры синтезированной РНК, так называемое редактирование. Иными словами, митохондриальный геном содержит немало ошибок, исправляемых в процессе созревания матричных РНК. У высших растений исправляется от 3 до 15% нуклеотидов (в отдельных мРНК до 40%), у простейших - до 50%. В водорослевых митохондриях редактирование отсутствует, что свидетельствует о том, что данное свойство появилось в эволюции в связи с выходом растений на сушу. Редактирование наблюдается и в пластидах, но там оно составляет всего около 0,13% кодонов. Редактирование включает обычно замену Ц на У в строго определенных местах, но в некоторых случаях, наоборот, происходит замена У на Ц. Процесс осуществляется специфическими ферментами, исправлению подвергаются различные участки РНК, преимущественно участки, кодирующие аминокислоты, но могут модифицироваться последовательности, соответствующие стоп-кодонам, а также последовательности внутри интронов (участки, вырезаемые при “созревании” РНК - сплайсинге). Сплайсинг имеет место в митохондриях, хотя он почти отсутствует у эубактерий, от которых они произошли. Более того, вырезаемые участки (интроны) митохондрий могут кодировать белки (матюразы), функция которых - осуществлять сам этот процесс вырезания.” Следовательно, стоит рассмотреть последствия переноса митохондриальных генов в ядерный геном – как связанные с различиями в генетическом коде, так и с различиями в механизмах процессинга. (Это вполне по силам хорошо подготовленным ученикам, поэтому подробно не рассматриваются.) Кстати, не исключены и вредные для клетки последствия ошибочного процессинга и-РНК, транскрибированной по ядерным генам, митохондриальными матюразами.

Отличия митохондриальных 70-S-рибосом от эукариотических 80-S-рибосом общеизвестно. Не ясно, не возникнут ли трудности в синтезе митохондриальных белков. (Если их гены будут встроены в хромосомы и транскрипция будет осуществляться вместе с другими и-РНК, то маловероятно, если же оставлять мДНК самостоятельной, то проблемы вполне вероятны.)

Среди болезней, вызванных митохондриальными патологиями, описаны такие, для которых реализация проекта Кифы Мокиевича приведет к излечению, а то и искоренению. Так, “известны заболевания, связанные с дефектами структурных митохондриальных белков, транслоказ, импорта белков в митохондрии, передачи сигналов между митохондриальным и ядерным геномом” [3].

Включение митохондриальной ДНК в хромосомы ядра – не столько сложный, сколько небезопасный проект. Во-первых, как скажется на хранении и передаче наследственной информации в клетке наличие в мДНК автономных участков инициации репликации? Не приведет ли это к анэуплоидии по данной хромосоме со всеми вытекающими последствиями (для острастки вспомним синдром Дауна или Патау). Второе возможное последствие упоминается в статье А. У. Игамбердиева: “Показано, что внедрение митохондриальной ДНК в хромосомы может быть причиной рака и старения”. Разрешить часть этих весьма неприятных побочных последствий можно, если встраивать в ДНК клетки не всю митохондриальную ДНК, а её фрагмент, содержащий только необходимые гены; сложность и стоимость проекта соответственно возрастает. Очевидная, хотя и непростая проблема переноса митохондриальных генов в хромосомы связана с тем, что мДНК, в отличие от ядерной, “голая”, не связана с гистонами. Неизвестно, как будет осуществляться (и будет ли вообще осуществляться) спирализация хроматина при подготовке к делению клетки, не приведет ли наличие таких фрагментов к высокой частоте разрывов в этом участке и, следовательно, к нехваткам концевых фрагментов хромосом.

1. Страйер Л. Биохимия: В 3-х т. Пер. с англ. – М.: Мир, 1985.- Т.2 - 312 с., ил.

2. Скулачев В.П. Эволюция, митохондрии и кислород // Соросовский Образовательный Журнал, 1999, №9, с. 4 – 10.

3. Игамбердиев А. У. Уникальная генетическая система митохондрий // Соросовский Образовательный Журнал, том 6, №1, 2000, с. 32-36.

4. Фуралев В.А. Цитология: структура и функции клеточных органелл. / Учебное пособие.- М.: ОЛ ВЗМШ, 1998. – 96 с., ил.

5. Марри Р., Греннер Д., Мейес П., Родуэлл В. Биохимия человека: В 2-х томах. Т. 1. Пер. с англ.: - М.: Мир, 1993. – 384 с., ил.