Кинетопла́ст ( англ. kinetoplast ) — сеть молекул (к ДНК ), находящаяся в гигантских митохондриях и содержащая множество копий митохондриального генома . Чаще всего кинетопласт имеет форму диска, хотя из этого правила известны и исключения. Кинетопласт имеется только у простейших класса кинетопластиды . Вариации структуры кинетопласта могут отражать филогенетические связи внутри кинетопластид . Кинетопласт обычно находится вблизи базального тельца жгутика , поэтому, вероятно, прочно связан с цитоскелетом . Кинетопласт можно легко визуализировать в клетках при помощи окрашивания DAPI .

Структура

Кинетопласт содержит ДНК в двух формах: и максикольца. Максикольца содержат от 20 до 40 тысяч пар оснований (килобаз, кб) и имеются в кинетопласте в числе нескольких десятков. Один кинетопласт содержит несколько тысяч миниколец, содержащих 0,5—1 кб. Максикольца кодируют белки , необходимые для функционирования гигантской митохондрии, в которой находится кинетопласт. Единственная известная на данный момент функция миниколец заключается в регуляции экспрессии максиколец путём образования направляющих РНК . Максикольца и миникольца катенированы друг с другом, образуя плоскую сеть, похожую на кольчугу . При репликации кДНК сначала происходит разъединение колец, а в дочерних кинетопластах они снова катенируются . Структура кДНК наиболее изучена у , которая представляет собой катенированный диск из мини- и максиколец, большинство из которых не сверхспирализованы . С внешней стороны к кДНК непосредственно примыкают два белковых комплекса , повернутые на 180° относительно друг друга и участвующие в репликации миниколец .

У разных представителей кинетопластид кинетопласт и его ДНК имеют разное строение. Известны следующие варианты, отличающиеся от описанной выше типичной схемы :

• про-кДНК : кинетопласт представляет собой вытянутую, похожую на пучок нитей структуру, расположенную в матриксе митохондрии проксимальнее базального тельца жгутика. В противоположность типичному строению кДНК, лишь небольшой процент колец зацеплены друг за друга. При этом мини- и максикольца находятся в расслабленном (не суперскрученном ) состоянии. Такое строение описано у , , syn. , и ;
• поли-кДНК : строение кинетопласта сходно с предыдущим вариантом, содержит мало сцепленных колец и не содержит суперскрученных. Отличительная особенность — этот тип кинетопласта не представляет собой единого тельца, а распределен в виде отдельных скоплений ДНК по всему матриксу митохондрии. Этот вариант обнаружен у ( комменсала , живущего в кишечнике термитов ), Dismastigella mimosa (свободноживущей кинетопластиды) и ( паразит кишечника асцидий ) ;
• пан-кДНК : как и предыдущие типы, содержит небольшой процент сцепленных колец, но может содержать сверхспирализованные миникольца. Пан-кДНК занимает почти весь митохондриальный матрикс , а не разбросана по нему в виде отдельных скоплений. Обнаружена у (паразит, обитающий в улиток ), и (паразит рыб);
• мега-кДНК : распределена равномерно по матриксу митохондрии, при этом не содержит миниколец. Последовательности, сходные с таковыми миниколец других кинетопластов, тандемно объединены в более крупные молекулы длиной около 200 кб. Мега-кДНК или сходные по структуре варианты обнаружены у (паразит рыб ) и sp . (паразит китов ) .

Репликация

Удвоение кинетопласта происходит одновременно с удвоением соседнего жгутика сразу перед началом репликации ядерной ДНК. В типичном кинетопласте (как у Crithidia fasciculata ) инициация репликации происходит при размыкании миниколец кДНК . Свободные миникольца выходят в пространство между кинетопластом и внутренней митохондриальной мембраной , известное как кинетофлагеллярная зона . Далее миникольца посредством неизвестного механизма перемещаются в противоположно расположенные антиподиальные белковые комплексы, которые содержат эндонуклеазу , хеликазу , ДНК-полимеразу , и ДНК-лигазу , которые устраняют ошибки репликации в только что удвоенных миникольцах . Только что реплицированные миникольца можно отличить от зрелых миниколец по наличию узкой щели. Миникольца, не подвергавшиеся удвоению, остаются ковалентно замкнутыми. Сразу после репликации все новоудвоенные миникольца присоединяются к сети кДНК, и их щели частично репарируются .

Пока продолжается репликация миниколец, сеть кДНК непрерывно вращается вокруг центральной оси диска, чтобы не допустить присоединения новых миниколец к материнскому кинетопласту. Считается, что вращение непосредственно связывается с удвоением соседнего жгутика, поскольку дочернее базальное тельце вращается вокруг материнского в такт с вращением кинетопласта. Благодаря вращению миникольца дочернего кинетопласта соединяются в спираль и постепенно смещаются к центру диска, по мере того как другие миникольца отщепляются от материнской кДНК и отправляются в кинетофлагеллярную зону для репликации .

Механизм удвоения максиколец не изучен так подробно, как миниколец. Удалось выявить структуру под названием nabelschnur (с немецкого « пуповина »), которая связывает дочернюю кДНК с исходной до их разделения. С помощью FISH удалось доказать, что nabelschnur состоит из максиколец кДНК .

В процессе репликации кинетопласта выделяют пять стадий, каждая из которых связана с удвоением соседнего жгутика. 1. Стадия I . Кинетопласт не начал реплицироваться, в нём нет антиподиальных белковых комплексов. 2. Стадия II . В кинетопласте начинают выявляться антиподиальные комплексы. Начинается удвоение базального тельца жгутика. 3. Стадия III . Начинается отделение нового жгутика, кинетопласт приобретает двухчастный облик. 4. Стадия IV . Дочерние кинетопласты практически разделены и связываются только nabelschnur. 5. Стадия V . Дочерние кинетопласты окончательно разъединяются, nabelschnur разрушается. Структура кинетопластов идентична таковой на первой стадии .

Репарация

Trypanosoma cruzi способна осуществлять репарацию нуклеотидов и в ядерной ДНК, и в кДНК, которые были повреждены активными формами кислорода , образовавшимися в организме хозяина в ходе инфекции . клеток T. cruzi устраняет окислительные повреждения ДНК с помощью эксцизионной репарации оснований . Вероятно, этот фермент устраняет окислительные повреждения кДНК, вызванные генотоксическим стрессом, во время её репликации .

Примечания