MITOKONDRIO-DNA: OMINAISUUDET, TOIMINNOT, PERINTÖ, SAIRAUDET - BIOLOGIA - 2025

Mitokondrio-DNA on pieni rengasmainen DNA-molekyyli, joka sijaitsee sisäpuolella nämä organellit eukaryoottisoluissa. Tämä pieni genomi koodaa hyvin rajallista määrää proteiineja ja aminohappoja mitokondrioissa. On yleistä löytää nimi "mitokondriaalinen DNA", lyhennettynä monissa oppikirjoissa ja tieteellisissä artikkeleissa nimellä "mtDNA" tai englanniksi "mtDNA".

Mitokondriat ovat eukaryoottisolujen välttämättömiä organelleja, koska niiden tehtävänä on muuntaa sokerien muodossa kulutetusta ruoasta tuleva energia energiamuotoksi, jota solut voivat käyttää (esimerkiksi ATP).

Mitokondrio-DNA (lähde? Kansallinen ihmisen perimän tutkimuslaitos, Wikimedia Commonsin kautta)

Kaikissa eukaryoottisten organismien soluissa on ainakin yksi mitokondrio sisällä. On kuitenkin sellaisia ​​soluja, kuten sydänlihassoluja ja luu-lihassoluja, joiden sisällä voi olla satoja mitokondrioita.

Mitokondrioilla on oma, solulaitteistosta riippumaton proteiinisynteesilaite, jossa ribosomit, siirto-RNA: t ja aminoasyyli-RNA-transferaasisyntetaasi organelin sisäpuolelta; vaikka ribosomaalinen RNA on pienempi kuin niitä ylläpidävällä solulla.

Tällainen laite osoittaa suurta samankaltaisuutta bakteerien proteiinisynteesilaitteen kanssa. Lisäksi, kuten prokaryooteissa, tämä laite on erittäin herkkä antibiooteille, mutta hyvin erilainen kuin eukaryoottisolujen proteiinisynteesi.

Termi "mitokondria" otettiin käyttöön Bendassa 1200-luvun lopulla, ja "endosymbioosin" teoria hyväksytään yleisimmin sen alkuperästä. Tämän julkaisi Lynn Margulis vuonna 1967 lehdessä Theoretical Biology.

"Endosymbioosin" teoria asettaa mitokondrioiden alkuperän miljoonia vuosia sitten. Teorisoidaan, että eukaryoottisolujen esi-isä "imeytyi" ja sisällytti bakteerimaisen organismin aineenvaihduntaan, josta myöhemmin tuli se, mitä me nyt tunnemme mitokondrioina.

ominaisuudet

Nisäkkäissä yleensä koko genomi, joka käsittää mitokondriaalisen DNA: n, on järjestetty pyöreässä kromosomissa, joka käsittää 15 000 - 16 000 paria nukleotideja tai, mikä on sama, 15 - 16 Kb (kilobaseina).

Useimpien mitokondrioiden sisällä voit saada useita kopioita mitokondrioiden kromosomista. Ihmisen somaattisissa soluissa (ei-sukupuolesoluissa) on yleistä löytää vähintään 100 kopiota mitokondrioiden kromosomista.

Korkeammissa kasveissa (angiosperms) mitokondriaalinen DNA on yleensä paljon suurempi, esimerkiksi maissikasveessa mitokondrio-DNA: n pyöreä kromosomi voi mitata jopa 570 kb: iin.

Mitokondriaalinen DNA vie noin 1% useimpien selkärankaisten eläinten somaattisten solujen kokonais-DNA: sta. Se on eläinvaltiossa erittäin konservoitunut DNA, toisin kuin mitä kasveissa havaitaan, koska niiden monimuotoisuus on suuri.

Joissakin "jättiläisissä" eukaryoottisoluissa, kuten nisäkkäiden munasoluissa (naispuolissoissa), tai soluissa, jotka sisältävät monia mitokondrioita, mitokondriaalinen DNA voi muodostaa jopa yhden kolmasosan solun kokonais-DNA: sta.

Mitokondrio-DNA: lla on joitain erilaisia ​​ominaisuuksia kuin ydin-DNA: lla: sillä on erilainen tiheys ja guaniini-sytosiini (GC) - ja adeniini-tymiini (AT) emäsparien suhde.

GC-emäsparin tiheys mitokondriaalisessa DNA: ssa on 1,68 g / cm3 ja pitoisuus 21%; kun taas ydin-DNA: ssa tämä tiheys on 1,68 g / cm3 ja pitoisuus on noin 40%.

ominaisuudet

Mitokondrio-DNA: lla on vähintään 37 geeniä, jotka ovat välttämättömiä mitokondrioiden normaalille toiminnalle. Näistä 37: stä 13: lla on tietoa hapettavassa fosforylaatiossa olevien entsyymien tuottamiseksi.

Nämä 13 geeniä koodaavat entsyymikompleksien 13 polypeptidikomponenttia, jotka kuuluvat elektronin kuljetusketjuun ja sijaitsevat mitokondrioiden sisämembraanissa.

Huolimatta 13 polypeptidistä, jotka mitokondriaalinen DNA myötävaikuttaa elektronin kuljetusketjuun, se koostuu yli 100 erilaisesta polypeptidistä. Nämä 13 komponenttia ovat kuitenkin välttämättömiä hapettavassa fosforyloinnissa ja elektronien kuljetusketjussa.

Mitokondriaalisen DNA: n kaavio (Lähde: Mikibc ~ commonswiki, Wikimedia Commonsin kautta)

Mitokondriaalisesta DNA: sta syntetisoitujen 13 polypeptidin joukosta erottuvat sytokromi C -oksidaasikompleksin I, II ja III alayksiköt ja organellin sisäkalvoon upotettujen ATPaasi-pumppujen VI alayksikkö.

Ydingeenit koodaavat mitokondrioiden muodostavien muiden komponenttien synteesiä varten tarvittavaa tietoa. Ne syntetisoidaan sytoplasmassa kuten muutkin soluproteiinit, ja ne tuodaan sitten mitokondrioihin erityisten signaalien avulla.

Hapettavassa fosforyloinnissa happea ja sokeriatomeja, kuten glukoosia, käytetään syntetisoimaan tai muodostamaan adenosiinitrifosfaattia (ATP), joka on kemiallinen laji, jota kaikki solut käyttävät energialähteenä.

Jäljelle jäävillä mitokondriogeeneillä on ohjeet siirto-RNA: ien (tRNA: t), ribosomaalisten RNA: ien ja entsyymin aminoasyyli-RNA: n transferaasin syntetaasin (tRNA) syntetisoimiseksi, joita tarvitaan proteiinien synteesiin mitokondrioissa.

perintö

Suhteellisen viime aikoihin saakka ajateltiin, että mitokondriaalinen DNA siirtyi yksinomaan äidin perinnöllä, ts. Suoralla äidillä tapahtuvalla perimällä.

Shiyu Luo ja hänen kollegansa lehdessä Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) tammikuussa 2019 julkaistussa artikkelissa todettiin kuitenkin, että harvoissa tapauksissa mitokondriaalinen DNA voidaan periä molemmilta vanhemmilta, molemmilta isästä kuin äidistä.

Ennen tämän artikkelin julkaisua oli tutkijoiden tosiasia, että Y-kromosomi ja mitokondriaalinen DNA perittiin ehjänä isältä ja äidiltä jälkeläisille.

Mitokondriogeenien Y-kromosomin geenien "ehjä" perintö viittaa siihen, että mainittu geenimateriaali ei käy läpi muutoksia rekombinaation avulla ja että vuosien kuluessa se vaihtelee vain spontaanien mutaatioiden vuoksi, joten variaatio on melko pieni.

Tästä syystä suurin osa väestön mobilisointitutkimuksista tehdään näiden geenien perusteella, koska esimerkiksi geneetikkojen on helppo rakentaa sukupuita mitokondriaalista DNA: ta käyttämällä.

Suuri osa ihmiskunnan historiasta on rekonstruoitu mitokondriaalisen DNA: n geneettisen historian kautta. Monet liikerakennukset tarjoavat jopa selventää kunkin elävän ihmisen perhesidettä esi-isiensä kanssa tekniikoilla, jotka tutkivat näitä ominaisuuksia.

replikointi

Vinograd ja yhteistyökumppanit ehdottivat ensimmäistä mitokondriaalisen DNA: n replikaation mallia vuonna 1972, ja tämä malli on edelleen voimassa, joitain muutoksin. Yleisesti ottaen malli perustuu yksisuuntaiseen replikaatioon, joka alkaa kahdesta erilaisesta replikoitumisesta.

Tutkijat luokittelevat mitokondriaalisen kromosomin kahteen eri ketjuun, raskaaseen ketjuun, H tai OH, englanniksi "heavy" ja kevytketjuun, L tai OL englanniksi "light". Ne tunnistetaan ja sijaitsevat mitokondrioiden kromosomin kahdessa kohdistamattomassa avoimessa lukukehyksessä (URF).

Mitokondriaalisen genomin replikaatio alkaa raskaassa ketjussa (OH) ja jatkuu yhteen suuntaan, kunnes kevytketjun (OL) koko pituus on tuotettu. Myöhemmin, proteiineja, joita kutsutaan "mitokondriaalisiksi yksijuosteisiksi DNA: ta sitoviksi proteiineiksi", kiinnitetään suojaamaan ketju, joka toimii "emo" tai "templaattina".

Entsyymit, jotka vastaavat erotuksesta replikaation tapahtumiseksi (replikakosomi), siirtyvät kevyelle kaistalle (OL) ja muodostuu silmukkarakenne, joka estää mitokondrioiden yksijuosteisten DNA: ta sitovien proteiinien sitoutumisen.

Tässä silmukassa mitokondriaalinen RNA-polymeraasi sitoutuu ja uuden alukkeen synteesi alkaa. Siirtyminen raskaan ketjun (OH) synteesiin tapahtuu 25 nukleotidia myöhemmin.

Juuri silloin, kun siirrytään raskaaseen ketjuun (OH), mitokondriaalinen RNA-polymeraasi korvataan mitokondriaalisella replikatiivisella DNA-polymeraasilla 3'-päässä, missä replikaatio alun perin alkoi.

Lopuksi, molempien ketjujen, sekä raskaan (OH) että kevyen (OL), synteesi etenee jatkuvasti, kunnes muodostuu kaksi kaksijuosteisen (kaksijuosteisen) DNA: n kokonaista pyöreää molekyyliä.

Liittyvät sairaudet

Mitokondriaalisen DNA: n toimintahäiriöön liittyy monia sairauksia. Suurin osa johtuu mutaatioista, jotka vahingoittavat genomin sisältämää sekvenssiä tai tietoa.

Kuulon menetys suhteessa ikän kasvuun

Yksi parhaiten tutkituista sairauksista, jotka on suoraan liittynyt mitokondriaalisen DNA-genomin muutoksiin, on ikääntymisestä johtuva kuulon heikkeneminen.

Tämä tila on geneettisten, ympäristö- ja elämäntapatekijöiden tuote. Ihmisen vanhetessa mitokondriaalinen DNA kertyy haitallisia mutaatioita, kuten deleetioita, translokaatioita, inversioita ja paljon muuta.

Mitokondriaalisen DNA: n vaurioituminen johtuu pääasiassa reaktiivisten happilajien kertymisestä, nämä ovat energiantuotannon sivutuotteita mitokondrioissa.

Mitokondriaalinen DNA on erityisen herkkä vaurioille, koska siinä ei ole korjausjärjestelmää. Siksi reaktiivisten happilajien aiheuttamat muutokset vahingoittavat mitokondriaalista DNA: ta ja aiheuttavat organelien toimintahäiriöitä aiheuttaen solukuoleman.

Sisäkorvan soluilla on suuri energian kysyntä. Tämä vaatimus tekee niistä erityisen herkkiä mitokondrio-DNA-vaurioille. Nämä vauriot voivat muuttaa peruuttamattomasti sisäkorvan toimintaa, mikä johtaa kokonaan kuulon menetykseen.

syövät

Mitokondriaalinen DNA on erityisen herkkä somaattisille mutaatioille, mutaatioille, joita ei ole peritty vanhemmilta. Tämän tyyppisiä mutaatioita esiintyy joidenkin solujen DNA: ssa koko ihmisen elämän ajan.

On näyttöä, että somaattisista mutaatioista johtuvat mitokondrio-DNA-muutokset kytkeytyvät tietyntyyppisiin syöpään, kasvaimiin rintarauhasissa, paksusuolessa, mahassa, maksassa ja munuaisissa.

Mitokondriaalisen DNA: n mutaatioihin on liitetty myös verisyöpiä, kuten leukemiaa, ja lymfoomeja (immuunijärjestelmän solujen syöpä).

Asiantuntijat yhdistävät mitokondriaalisen DNA: n somaattiset mutaatiot reaktiivisten happilajien tuotannon lisääntymiseen, tekijöihin, jotka lisäävät mitokondriaalisen DNA: n vaurioita ja luovat puutteellisen hallinnan solujen kasvulle.

On vähän tietoa siitä, kuinka nämä mutaatiot lisäävät hallitsematonta solujen jakautumista ja miten ne lopulta kehittyvät syöpäkasvaimiksi.

Syklinen oksentelu

Joidenkin lapsuuteen tyypillisten syklisten oksentamisten uskotaan liittyvän mitokondriaalisen DNA: n mutaatioihin. Nämä mutaatiot aiheuttavat toistuvia pahoinvointi-, oksentelu- ja väsymys- tai letargiajaksoja.

Tutkijat yhdistävät nämä oksentamisjaksot tosiasiaan, että mitokondrioilla, joilla on vaurioitunut mitokondriaalinen DNA, voi olla vaikutuksia tiettyihin autonomisen hermoston soluihin vaikuttaen esimerkiksi pulssiin, verenpaineeseen ja ruuansulatukseen.

Näistä assosiaatioista huolimatta ei ole vielä selvää, kuinka mitokondriaalisen DNA: n muutokset aiheuttavat toistuvia jaksoja syklisestä oksenteluoireyhtymästä.

Viitteet

1. Clayton, D. (2003). Mitokondrio-DNA: n replikaatio: mitä tiedämme. IUBMB-elämä, 55 (4-5), 213 - 217.
2. Falkenberg, M. (2018). Mitokondrio-DNA: n replikaatio nisäkässoluissa: yleiskatsaus reitistä. Esseet biokemiassa, 62 (3), 287 - 296.
3. Giles, RE, Blanc, H., Cann, HM ja Wallace, DC (1980). Ihmisen mitokondriaalisen DNA: n perinnöllisyys äidille. Kansallisen tiedeakatemian julkaisut, 77 (11), 6715-6719
4. Luo, S., Valencia, CA, Zhang, J., Lee, NC, Slone, J., Gui, B, & Chen, SM (2019). Vastaus Lutz-Bonengelille et al.: Biparentaalisen mtDNA: n siirto ei todennäköisesti ole seurausta ydinvoiman mitokondrioiden DNA-segmenteistä. Kansallisen tiedeakatemian julkaisut, 116 (6), 1823-1824.
5. McWilliams, TG, ja Suomalainen, A. (2019). Isän mitokondrioiden kohtalo. Nature, 565 (7739), 296 - 297.
6. Kansallinen lääketieteellinen kirjasto. Genetiikan kotiviite: opas geneettisten tilojen ymmärtämiseen.
7. Shadel, GS, ja Clayton, DA (1997). Mitokondrio-DNA: n ylläpito selkärankaisilla. Biokemian vuosikatsaus, 66 (1), 409-435.
8. Simmons, MJ, & Snustad, DP (2006). Genetiikan periaatteet. John Wiley & Sons.